A rendkívül érzékeny lítiumion-cellák azonban – a hosszú élettartam megőrzése céljából – hatékony túláram- és túlhővédelmet igényelnek a helytelen töltésből, a kivezetések véletlen rövidre zárásából, illetve a töltőáramkör esetleges meghibásodásából eredő hibák ellen. Írásunkban szeretnénk áttekintést adni a lítiumion-technológiáról az egyik vezető gyártó, az EVE Battery, valamint az alkalmazható védelmi megoldásokról a TE Circuit Protection termékein keresztül.
Lítiumion-struktúra – EVE Battery
Az EVE Energy Co., Ltd. 2001-es alapítása óta a nagy energiasűrűségű lítiumalapú telepek tervezésével foglalkozik, Kínában ő a legnagyobb primer lítiumcella-gyártó. 2010 óta egyre többet invesztál a tölthető (szekunder) akkumulátortechnológiába, az automata gyártósorokon készülő polimer, prizmatikus és hengeres Li-ion cellák, valamint teljesítményakkumulátorok gyártásán keresztül jelentős mértékben járul hozzá a lítiumion-alapú energiatárolás elterjedéséhez.
A prizmatikus és a hengeres cellák a mobileszközök (telefonok, notebookok), szünetmentes tápegységek (UPS), elektromos kéziszerszámok és elektromos kerékpárok energiaellátásához használatosak. A prizmatikus verziók — réteges felépítésükből adódóan — a teret optimálisan használják ki. Nincs általánosan elfogadott kialakítás, amikor a készülékház kialakítása lehetővé tesz néhány extra milliméter méretnövekedést, a tervezők új akkucsomagot terveznek a kapacitásnövelés céljából. A nagy sorozatban készülő fenti végtermékek esetén általában kifizetődő az egyedi tervezésű akkumulátor használata.
A prizmatikus cellák általában 20-30 Ah kapacitásukkal a hibrid és az elektromos meghajtású járművek elektronikus hajtásláncában használatosak, a flexibilitás és a jó helykihasználás azonban a szokványos, hengeres kivitelű cellákéhoz képest rosszabb hő-menedzsmenttel, így rövidebb élettartammal párosul.
A polimeralapú Li-ion cellák alakíthatóságuk miatt még flexibilisebben használhatók MP3/4 játszók, Bluetooth-applikációk, GPS- és E-book-olvasó alkalmazások energiaellátására. A LiPo struktúra a kisülési áram maximalizálása érdekében általában egymással párhuzamosan kötött, vagy a maximális elérhető feszültség növelése érdekében sorba kapcsolt, különálló szekunder cellákból áll.
A Li-ion cellák magas töltöttségi szinten (SOC) tágulnak, ha nincs külső burkolat, akkor rétegleválás történhet, mely a megbízhatóságot és az élettartamot csökkenti. A hengeres celláknál megtalálható ez a burkolat, míg a „meztelen" polimercellákból álló konstrukciónál az elvárt teljesítmény megőrzése érdekében a méretmegtartás egy kemény külső burkolat alkalmazásával történik.
A LiPo-telep túltöltése robbanáshoz vagy tűzhöz vezethet, míg kisülés közben, mikor a cellafeszültség 3 V alá csökken, és a terhelés rajta marad, a telep többé nem lesz képes teljes töltöttségi szintre kerülni, illetve a feszültsége is esni fog. Ezért minden LiPo-telep védő áramköröket tartalmaz a túltöltés és a mélykisülés elkerülésére.
Bár minden gyártó alkalmazza a védelmeket, az egyedi incidensek miatt mégis megkérdőjeleződik a Li-ion-technológia általános biztonságossága. Emiatt a biztosítótársaságok, fogyasztóvédelmi szervezetek és a készülékgyártók elvárásainak megfelelően számos konszenzuson alapuló szabvány született a biztonságtechnikai szabályok betartatására.
A primer és szekunder lítiumtelepek biztonságtechnikai aspektusait — a teljesség igénye nélkül — a következő nemzetközi szabályozások érintik:
- Underwriters Laboratories (UL)
- Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)
- National Electrical Manufacturers Association
- International Electrotechnical Commission (IEC)
- United Nations (UN)
- Japanese Standards Association
- Battery Safety Organisation
Lítiumcellák áramkörvédelme
endrich-li-3.jpgVékony, lapos kivitele és speciális PPTC-karakterisztikája teszi a TE Circuit Protection gyűrűs Polyswitch eszközét kiváló túláramvédő megoldássá Li-ion-cella-alkalmazásokhoz. Normálüzemi feltételek mellett ez a sorosan kapcsolt eszköz kis ellenállású állapotban van, így nem befolyásolja az áramkör működését, mert a polimer alapanyagában található szénszálak egybekapcsolódva vezetőutakat alkotnak. Az esetlegesen fellépő hibák okozta túlmelegedésből adódóan — a polimer hőtágulásával — a vezetőképes hálózat megszakad, a PolySwitch ellenállása gyorsan megnő, és az áramot a Li-ion-cella számára elviselhető értékre korlátozza. A túlmelegedést eredményezheti a külső hőmérséklet növekedése, a cella belső hőmérsékletének emelkedése, vagy túláram okozta I2R melegedés a védőeszköz belsejében. A hiba megszűnésekor a PPTC-visszahűlvén automatikusan alapállapotba kerül, így automatikusan helyreáll az üzemi állapot. Az újratölthető akkumulátorcsomagok nagyon érzékenyek a rövidzárból vagy a töltőáramkör megfutásából eredő túláramra, ez a cella meghibásodását vagy füstöt, tüzet is eredményezhetne védelem nélkül. A kis ellenállású idegen anyaggal rövidzárt kapcsokon védelem nélkül tipikusan 100 A nagyságrendű rövidzárlati áram folyik, ez a cella belső ellenállásán hatalmas hőt fejlesztene. Ha az idegen anyag ellenállása nem elhanyagolható, akkor az azon keletkező hő is tűzveszélyes lehet.
A másik gyakori probléma a cella túltöltése, mely leginkább akkor valósul meg, ha a töltő meghibásodása miatt az a cella maximális feltöltése után sem csökkenti le a töltőáramot. Helytelen töltő használata okozta túlfeszültség is létrehozhat árammegfutást. A keletkező hő a cella belsejében kémiai folyamatokat indít, melyek tönkreteszik a belső struktúrát. A felszökő hőmérséklet segíti a PolySwitch PPTC aktiválódását más alacsonyabb áramértéken is. Természetesen a Li-ion-csomag általában tartalmaz egy aktív primer túlfeszültség- és mélykisülés-érzékelő biztonsági áramkört is, a PolySwitch eszköz másodlagos védelmi vonal szerepét tölti be.
A Li-ion- és LiPo-alapú akkumulátorcsomagok számára a speciális, lapos felépítésű PolySwitch VTP, VLR, VLP vagy MXP sorozatok alkalmasak leginkább. Az SMD változatoktól eltérően ezeket a speciális PolySwitch eszközöket a cella testére forrasztották, ezzel biztosítva ideális hőátvitelt a túlmelegedéskor szükséges gyors megszólaláshoz.
A PolySwitch eszközöket gyakran bimetál védőeszközök vagy hőbiztosítók kiváltására használják. A bimetál gyakran túl nagy méretű és drága megoldás, és bizonytalan az érintkezése a védelem aktiválódásakor, bár igaz, hogy nagy áramok elvezetésére alkalmas, és bekapcsolt állapotban nagyon kicsi az ellenállása. Mivel a primer alapú Li-ion-cellák népszerűségének növekedésével szükséges egy pontos, gyors és nagy töltő-, kisülési és impulzusáramok elvezetésére alkalmas eszköz, a nagy tartóáramú, de viszonylag alacsonyabb hőmérsékleten is aktiválódó védelem igen ritka, erre alkalmas lehet a bimetáltechnológia, ha a kapcsolási biztonsága megoldható lenne. A TE Circuit Protection továbbfejlesztett MHP (metal hybrid protection) MHP-TA (Thermal Activation) sorozata lehet válasz a fenti kihívásra.
A megszakítóval párhuzamosan kapcsolt PPTC hiba esetén „fűtőelemként" szolgál a bimetál pontos és biztos megszólalásához, hiszen a benne túláram hatására fejlődő hő hozzájárul annak határozott kapcsolásához.
Az MHP-TA sorozat nagy tartóáramú (15 A @ 25 °C) és kisebb tartóáramú (6 A @ 25 °C) eszközöket is kínál, ultra kisméretű (h×sz×m: 5,8×3,85×1,15 mm) tokozásban, mely költséghatékony, helytakarékos és műszakilag is kifogástalan, túlmelegedés elleni védelmet tesz lehetővé a Li-ion-technológia számára.
Az Endrich kínálatában megtalálhatóak mind az azonnal használható primer Li-ion (hagyományos, hengeres AA/AAA, gombelem) cellák, mind az akár egyedi kivitelű, akár szabványos méretű szekunder tölthető akkumulátorok is. Természetesen a cikkben tárgyalt áramkörvédelmi megoldások is hozzáférhetőek, ha az olvasó egyedi akkumulátorcsomagot kíván készíteni.
