Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Computer Controls
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Unikanie przegrzania baterii w urządzeniach elektroniki noszonej

ghost666 29 Paź 2019 16:01 1062 1
  • Wzrost na rynku elektroniki noszonej zwiększa się z każdym rokiem, dzięki nowym typom przydatnych urządzeń. Akumulatory litowo-jonowe lub litowo-polimerowe, które projektanci zazwyczaj wykorzystują do zastosowań w systemach noszonych osiągają obecnie bardzo duże pojemności, co przekłada się na długi czas pracy tych urządzeń. Wszystko dzięki technologiom o wysokiej gęstości energii, które oferują lepsze możliwości ładowania i eksploatacji ogniwa. Akumulatory o większej gęstości mają również ogromne zalety w zakresie redukcji rozmiaru systemów noszonych.

    Z drugiej strony wadą akumulatorów litowo-jonowych jest to, że są one bardzo podatne na zagrożenia wynikające ze zwarcia lub przeciążenia ogniwa podczas procesu jego pracy lub ładowania. Projektanci systemów, którzy wykorzystują to źródło zasilania, muszą być świadomi, że zwarcie w systemie może doprowadzić do przegrzania akumulatora, co w konsekwencji prowadzi do niekontrolowanego wzrostu temperatury, którego nie da się zahamować. Sytuacja taka może zakończyć się zapłonem ogniwa. Jest to nie tylko problem bezpieczeństwa, powodujący dyskomfort dla osoby noszącej urządzenie, ale może źle wpływać na odbiór samego producenta, powodując dużą liczbę zwrotów produktów, a nawet jego wycofanie z rynku (co nie jest sytuacją tak egzotyczną, jak mogłoby się wydawać - takie zdarzenia na swoim koncie mają nawet firmy tak duże jak Apple czy Samsung – przyp. red.).

    Problem ten został udokumentowany w zeszłym roku przez amerykańską Komisję ds. Bezpieczeństwa Produktów Konsumenckich. W sprawozdaniu komisji na temat statusu projektu dotyczącego akumulatorów o wysokiej gęstości energii stwierdzono, że w ciągu ponad pięciu lat miało miejsce ponad 25 000 przypadków przegrzania lub pożaru w około 400 typach produktów konsumenckich, zasilanych bateriami litowymi.

    Zabezpieczenie przed przegrzaniem

    Zasadniczą funkcją ogniwa litowo-jonowego jest przekształcanie energii chemicznej w elektryczność. Pojedyncze ogniwo litowo-jonowe składa się z interkalującej (tj. umieszczanej pomiędzy warstwami ogniwa w jego strukturę) katody litowej, anody na bazie węgla (zazwyczaj grafitowej), a także elektrolitu w postaci ciekłej lub żelowej, w której rozpuszczone są sole litu, przez który przemieszczają się jony. Dodatkowo w ogniwie znajduje się separator polimerowy pełniący funkcję wewnętrznego izolatora dla elektronów. Zastosowanie dwóch elektrod interkalacyjnych doprowadziło do tego, że akumulatory litowo-jonowe opisywane są jako działające jak fotel na biegunach, ponieważ jony przemieszczają się tam i z powrotem między elektrodami i przez elektrolit w procesie litowania/delitacji. Separator odgrywa kluczową rolę w bezpieczeństwie ogniwa, zapewniając brak kontaktu fizycznego między katodą i anodą - taki kontakt mógłby doprowadzić do zwarcia.

    Separatory ewoluowały od prostych jednowarstwowych arkuszy do wielowarstwowych struktur, z funkcjami rozłączania baterii w przypadku awarii. Same separatory nie mogą jednak zapewnić pełnego bezpieczeństwa akumulatora. Ogniwo litowo-jonowe jest zbudowane z materiałów łatwopalnych i podatnych na wpływ środowiska – uszkodzenie mechaniczne czy elektryczne może doprowadzić do niekontrolowanego wzrostu temperatury w strukturze. W takiej sytuacji materiały ogniw litowo-jonowych, które są stabilne w niższych temperaturach, zaczynają się rozpadać; dzieje się tak, gdy temperatury przekraczają 130˚C. Jeśli komórka zacznie nagrzewać się w niekontrolowany sposób, rezultaty mogą być katastrofalne.

    Tak zwana ucieczka termiczna (czyli samonapędzający się proces, prowadzący do wzrostu temperatury) w ogniwie litowo-jonowym jest wysoce egzotermicznym, samoregenerującym się procesem. Powoduje on uwolnienie toksycznych i łatwopalnych gazów oraz uwolnienie znacznej energii w postaci ciepła podgrzewającego ogniwo do temperatury powyżej 1000˚C.

    Wymóg, aby zewnętrzne obwody ochronne utrzymywały napięcie i prąd ogniwa w bezpiecznych granicach, jest jednym z głównych ograniczeń akumulatora litowo-jonowego. Aby zapobiec wystąpieniu zjawisk termicznych, co jest krytyczne w urządzeniach elektroniki noszonej, kluczowa jest ochrona przed przetężeniem i przegrzaniem ogniwa. Stała kontrola akumulatorów Li-ion jest krytycznym wymogiem bezpieczeństwa, który również przyczynia się do dłuższej żywotności samego ogniwa.

    W wielu zastosowaniach ochrona układów jest często pomijana na etapie projektowania. Decydując o tym, czy dodać układy ochronne, inżynierowie zazwyczaj oceniają konieczne kompromisy, które związane są z dodatkowymi kosztami i zwiększonym obciążeniem linii, co ma tendencję do wpływania na szybkość przesyłu danych czy integralność sygnału w interfejsach I/O.

    W projektach nowej generacji inżynierowie mają jeszcze więcej problemów. Muszą wziąć pod uwagę dzisiejsze stale kurczące się submikronowe technologie półprzewodnikowe w połączeniu z efektami stanów nieustalonych i wyładowań elektrostatycznych (ESD). Na rosnącym rynku urządzeń do noszenia istnieje również zupełnie nowy zakres podstawowych problemów związanych z bezpieczeństwem, takich jak możliwość pożaru spowodowanego przez wadliwe jednostki ładujące. Łatwo zrozumieć, dlaczego dodawanie ochrony obwodów w tych projektach stało się preferowaną praktyką.

    Resetowalne bezpieczniki termiczne spełniają wymagania

    Termistory polimerowe o dodatnim współczynniku temperaturowym (PPTC) lub bezpieczniki z możliwością resetowania są powszechnymi urządzeniami ochrony nadprądowej, stosowanymi w zastosowaniach konsumenckich, takich jak komputery osobiste, konsole do gier, smartfony, tablety, a obecnie także urządzenia do noszenia. Zapotrzebowanie na termistory PPTC wzrosło ze względu na ich bardzo niską impedancję w stanie włączonym, wyjątkowo mały rozmiar i wysoką niezawodność.

    resetowalne bezpieczniki PPTC są wykonane z przewodzącego polimeru. Podczas normalnej pracy cząstki przewodzące w polimerze tworzą ciągłą ścieżkę, która umożliwia przepływ prądu przez urządzenie bez zakłóceń. Typowa rezystancja tego urządzenia może wynosić od kilku miliomów do kilku omów. Gdy występuje stan przeciążenia, polimer nagrzewa się wewnątrz swojej struktury, z uwagi na przepływ prądu i straty na rezystancji bezpiecznika (I²R). Gdy nagrzeje się on do około 90...160°C, jego struktura molekularna zmienia się z półkrystalicznej w amorficzną. Powoduje to makroskopową ekspansję, która niszczy ścieżki przewodzące. Gdy ścieżki przewodzące są zerwane, następuje duży wzrost oporu – zwykle kilka rzędów wielkości. W tym momencie urządzenie znajduje się w tzw. stanie wyzwolonym. Po ochłodzeniu polimer powraca do stanu częściowo skrystalizowanego, a ścieżki przewodzące ponownie zostają uformowane.

    W akumulatorach im niższy opór, tym mniej ograniczeń musi działać w pełni. Wysoka rezystancja powoduje nagrzewanie się akumulatora i spadek napięcia pod obciążeniem, co może prowadzić do skrócenia żywotności urządzenia. W projekcie takim można zintegrować resetowalny bezpiecznik, aby utrzymać impedancję na minimalnym poziomie, aby w konsekwencji umożliwić dłuższe czasy pracy urządzenia.

    Dostępna teraz w małej obudowie (0402), nowa generacja resetowalnych bezpieczników zapewnia wymaganą wydajność ogniw, dzięki wyższym prądom trzymania (Ihold), wyższym napięciom (Vmax) i wartościom rezystancji po wyłączeniu. Zwiększa to stabilność rezystancji. Wykorzystując nowe materiały przewodzące o niskiej rezystancji, resetowalne bezpieczniki mogą zapewnić wartości rezystancji tak niskie jak 0,04 Ω. Tak niskie wartości rezystancji pomagają zwiększyć zdolność przenoszenia prądu w aplikacjach noszonych, co redukuje poziom strat i pozwala uzyskać dłuższy czas pracy systemu na baterii, a także przyspieszyć ładowanie ogniwa. To ogromne znaczenie w współczesnych małych urządzeniach opartych na bateriach litowo-jonowych, w których kompaktowe, niskoprofilowe, resetowalne rozwiązania ochronne mają sens z uwagi na aplikacjach w systemach o ograniczonej wielkości.

    Unikanie przegrzania baterii w urządzeniach elektroniki noszonej
    Wielofunkcyjny bezpiecznik typu Multifuse firmy Bourns.


    Firma Bourns zaprojektowała w tym celu specjalną serię bezpieczników Multifuse, szczególnie rodzinę MF-ASML/X, która charakteryzuje się bardzo niską impedancją, dzięki czemu redukuje spadek napięcia na układach ochronnych. Jest to kompaktowy, resetowalny bezpiecznik PPTC w obudowie 0402. Wykorzystanie tego rodzaju elementów pozwala na ograniczenie wielkości zabezpieczeń nadprądowych wykorzystywanych w systemach elektroniki noszonej.

    Zabezpieczenie baterii i obwodu

    Wielu użytkowników urządzeń noszonych wykorzystuje obecnie szybkie ładowarki ze złączem USB-C. Ma ono 24 piny w mniejszej obudowie niż poprzednie konstrukcje USB, ale jest w stanie zapewnić do 100 W mocy. Podczas gdy USB-C zapewnia korzyści związane z ładowaniem, wadą tego połączenia zwiększonej mocy są wyjątkowo małe odstępy między pinami i większa możliwość wystąpienia niekontrolowanych zdarzeń. Usterki te mogą generować ogromną ilość ciepła, która może zaszkodzić nie tylko kablowi i złączu, ale także urządzeniom, które ładują, a nawet osobom ich używającym lub znajdującym się w otoczeniu.

    W przypadku aplikacji do noszenia możliwe jest zaimplementowanie bezpiecznika PPTC z możliwością resetowania w niewielkich obudowach (0402) zarówno w złączu kabla ładującego USB, jak i na płytce drukowanej w samym urządzeniu. Rezultatem zastosowania podwójnego zabezpieczenia jest to, że chroni się ogniwo podczas cyklu ładowania, a także chroni obwód podczas rozładowywania, a także sam zasilacz urządzenia, jeśli wystąpi zwarcie albo wykryty zostanie nadmierny prąd lub nadmierna temperatura.

    Ponadto projektanci mogą chronić zarówno złącza USB typu C, jak i inne kable ładujące, dodając polimerowe zabezpieczenia termiczne (P-TCO). Seria elementów firmy Bourns z serii P-TCO jest przykładem zoptymalizowanego, resetowalnego czujnika termicznego do ochrony przed przegrzaniem i przetężeniem. Urządzenia te zapewniają wyjątkowo niską rezystancję i są przeznaczone do temperatur odcięcia termicznego od 75°C do 100°C z maksymalnym napięciem roboczym 12 V i maksymalnym prądem roboczym do 50 A.

    Unikanie przegrzania baterii w urządzeniach elektroniki noszonej


    Dodanie zabezpieczenia obwodu, takiego jak resetowalny bezpiecznik PPTC do złącza kablowego urządzenia, chroni je przed zagrożeniami związanymi z przetężeniem i przegrzaniem, aby uniknąć problemów związanych z bezpieczeństwem podczas użytkowania. Pozwala to pomóc w poprawie pozytywnego postrzegania producenta, co ostatecznie może pobudzić wzrost popytu na daną klasę urządzeń tej marki.

    Pozwala to projektantom wyeliminować szkodliwe skutki nieokreślonego zdarzenia podczas ładowania, stanu przejściowego lub nadmiernej temperatury akumulatora, tym samym zapewniając bezpieczniejszy dla konsumenta produkt.

    Zwiększanie poziomu niezawodności i bezpieczeństwa

    Potrzeba implementacji małych, niezawodnych systemów ochrony oraz wartość, jaką wnosi do produktów elektroniki konsumenckiej, jest coraz bardziej widoczna. Firmy produkujące urządzenia elektroniczne nauczyły się już, że awaria w terenie może nie tylko sygnalizować potencjalne problemy związane z bezpieczeństwem i dużą liczbę zwrotów, ale także wyzwalać negatywne działania w mediach społecznościowych i niepochlebne wiadomości o firmie, które mogą poważnie zaszkodzić reputacji danej marki i wizerunkowi producenta, co może ostatecznie wpłynąć bardzo źle na sprzedaż produktów.

    Uwzględnienie ochrony obwodu w projekcie zapewnia udowodniony zwrot z inwestycji i korzyści w zakresie ograniczania ryzyka. Bezpieczny resetowalny bezpiecznik PPTC pomaga producentom elektroniki noszonej zaspokajać potrzeby związane tak z niewielką zajmowaną przestrzenią, jak i parametrami elektrycznymi i ochroną. Użytkownicy tych urządzeń mogą cieszyć się znaczną oszczędnością związaną z posiadaniem bardziej niezawodnego produktu o wysokiej jakości, zaprojektowanego tak, aby spełnić ich oczekiwania i poprawić komfort ich użytkowania.

    Źródło: https://www.edn.com/design/power-management/4462230/Mitigating-battery-overtemperature-threats-in-wearable-electronics

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9485 postów o ocenie 7286, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • Computer Controls
  • #2
    Wawrzyniec
    Poziom 34  
    Bardzo dobry artykuł i potrzebny.