Le batterie hanno consentito alla tecnologia di diventare mobile e tra le tipologie più diffuse si possono senza dubbio annoverare quelle a ioni di litio, divenute la fonte di alimentazione di riferimento in numerose applicazioni, tra cui tablet e dispositivi mobili, utensili cordless, biciclette e scooter elettrici.
Le qualità di queste batterie consentono ai dispositivi tecnologici di garantire le prestazioni che gli utenti si aspettano da loro. Tuttavia, è ben noto il rischio che una batteria possa incendiarsi a causa di fenomeni di surriscaldamento o di danni che provocano un corto circuito tra gli elettrodi all’interno del dispositivo.
Mentre un progetto adeguato della batteria e della sua custodia può ridurre il rischio di incendio, la protezione del circuito elettrico può prevenire in maniera efficace le cause che provocano un riscaldamento eccessivo, come picchi di corrente e tensione e scariche elettrostatiche (ESD).
La conoscenza dei rischi per la sicurezza primari e secondari e dei componenti di protezione disponibili costituisce un valido ausilio per i progettisti impegnati a garantire la sicurezza e l’affidabilità delle loro applicazioni.
Batterie agli ioni di litio: vantaggi e rischi
Alta densità di energia, peso ridotto, ricarica veloce, elevata potenza di uscita, lunga durata e bassa auto-scarica sono i punti di forza delle batterie a ioni di litio. Tali caratteristiche permettono a queste batterie di garantire ottime prestazioni, lunga autonomia tra due ricariche successive, rapido completamento della carica, basso peso, maneggevolezza e manutenzione minima in applicazioni quali utensili cordless, elettrodomestici, scooter e biciclette elettriche.
Per contro, le batterie a ioni di litio possono surriscaldarsi e rilasciare gas infiammabili che possono provocare incendi o addirittura esplosioni al verificarsi di determinate circostanze.
La causa principale del surriscaldamento è la fuga termica (thermal runaway), solitamente provocata da un corto circuito che si innesca quando il sottile strato di separatore dielettrico interposto tra gli elettrodi positivo e negativo viene danneggiato o in qualche modo compromesso.
Ciò può essere imputabile a difetti di fabbrica, danni fisici come perforazioni o urti, sollecitazioni elettriche eccessive o sovratensioni che si manifestano durante il processo di ricarica. Inoltre, il surriscaldamento dovuto all’esposizione a elevate temperature può provocare danni interni che a loro volta causano la fuga termica.
Per garantire la sicurezza della batteria è dunque di fondamentale importanza impedire che le condizioni poco sopra delineate possano innescare il fenomeno della fuga termica.
Le cause del surriscaldamento
Se il separatore non è più in grado di assolvere la sua funzione, il conseguente corto circuito provoca il passaggio di una gran quantità di corrente attraverso l’area danneggiata che genera un “punto caldo” all’interno della batteria.
Nel caso la temperatura raggiunga una soglia critica, che si attesta a circa 150-200 °C, la batteria entra nello stato di fuga termica. A questo punto, il calore generato è superiore a quello che la batteria è in grado di smaltire, causando un rapido aumento della temperatura.
Ciò può provocare la decomposizione dell’elettrolita della batteria, con il conseguente rilascio di gas infiammabili. Oltre al rischio di incendio, il rilascio di gas può causare un incremento della pressione interna che a sua volta può provocare ulteriori danni interni, facendo aumentare il rischio di rottura o esplosione.
Le batterie a ioni di litio prevedono solitamente uno sfiato di sicurezza attraverso il quale i gas possono fuoriuscire evitando così una pressione eccessiva. In ogni caso, se è presente una fonte di innesco, come una fiamma nelle vicinanze o una scintilla, i gas infiammabili possono facilmente prendere fuoco.
Altri fattori in grado di provocare surriscaldamenti potenzialmente pericolosi sono l’esposizione a elevate temperature, come accade quando la batteria viene esposta alla luce solare diretta oppure sottoposta a fonti di calore, così come l’utilizzo di batterie contraffatte o di bassa qualità con caratteristiche di sicurezza non adeguate o realizzate utilizzando materiali o processi non idonei, che possono guastarsi con maggior facilità.
Standard di sicurezza e misure di protezione
Per ridurre i rischi appena sopra menzionati è prevista l’integrazione di diverse funzionalità di sicurezza. Tra queste si possono annoverare l’impiego di materiali ignifughi, circuiti di protezione e fusibili termici.
Un altro elemento da tenere nella massima considerazione è il rispetto delle linee guida di utilizzo. Gli standard e le normative applicabili alle batterie a ioni di litio specificano le misure di sicurezza e di riduzione dei rischi richieste.
Tra gli standard più importanti da segnalare senza dubbio IEC62133, in vigore in Europa, che riguarda celle e batterie secondarie sigillate. Questo standard copre i requisiti generali di sicurezza relativamente alla progettazione meccanica, alla resistenza all’uso improprio e ai pericoli elettrici, inclusi quelli che possono dare origine al surriscaldamento o alla fuga termica.
Altri standard di riferimento sono IEC61000-4-2, per la protezione contro le scariche elettrostatiche e IEC 61000-4-4 che definisce i metodi di prova necessari per l’immunità ai transitori elettrici veloci (EFT – Electric Fast Transient). I principali standard in vigore negli Stati Uniti sono UL 2054, per le batterie domestiche e commerciali, e UL 1642, che fa esplicito riferimento alle celle a ioni di litio. L’obiettivo comune di questi standard è ridurre il rischio di lesioni imputabili a incendi o esplosioni.
La sottosezione 38.3 di UN/DOT (United Nations Manual of Tests and Criteria) definisce i requisiti per il trasporto in sicurezza delle batterie a ioni di litio, comprese le procedure da seguire per l‘imballaggio, l’etichettatura e il collaudo.
Sicurezza primaria e secondaria
Numerose funzionalità per la sicurezza e la riduzione dei rischi sono già contemplate nel sistema per la gestione della batteria (BMS – Battery Management System), inclusi i circuiti integrati per l’indicazione della carica (fuel gauge) e i MOSFET per il controllo della carica/scarica. Queste possono essere considerate caratteristiche di sicurezza primarie, ovvero in grado di evitare il verificarsi di condizioni potenzialmente pericolose.
Grazie all’integrazione di circuiti quali il regolatore di tensione (il cui compito è assicurare che la tensione applicata alla batteria rimanga all’interno dei limiti di sicurezza), il circuito per la limitazione della corrente e i fusibili, il sistema BMS è in grado di prevenire tensioni eccessive di carica, cortocircuiti dovuti a difetti di produzione, sovratemperature, correnti di scarica di elevata intensità e scarica a livelli troppo bassi e quindi pericolosi.
Il compito del sistema BMS è impedire il verificarsi di rischi noti. Tuttavia, è anche necessaria la presenza di dispositivi per la protezione secondaria che devono intervenire per salvaguardare le celle nel momento in cui si manifestano situazioni di pericolo. Tali dispositivi sono richiesti a livello di cella, di pacco batteria e di porte di ricarica (Figura 1).
A livello di cella, per la protezione contro fenomeni di sovracorrente o carica eccessiva è possibile ricorrere a un mini-interruttore per batteria, come MHP-TAT18 o a un dispositivo PPTC, come PPTC LSP. Questi prodotti di Littelfuse possono essere aggiunti come dispositivi “fail-safe” (a prova di guasto) per proteggere i circuiti integrati di gestione della batteria e gli indicatori di carica.
Per la protezione dell’interfaccia di comunicazione da sovracorrenti e scariche elettrostatiche, il PPTC compatto zeptoSMDC di Littelfuse può essere abbinato con un array di diodi TVS.
A livello di pacco batteria, vengono utilizzati componenti come i dispositivi per la protezione della batteria ITV per garantire un’adeguata protezione contro sovracorrenti e cariche eccessive. Questi dispositivi a montaggio superficiale dotati di tre terminali integrano un fusibile che interrompe il circuito al verificarsi di un fenomeno di sovracorrente.
I dispositivi ITV prevedono anche un elemento riscaldante posto direttamente sotto il fusibile, il cui compito è far saltare il fusibile stesso nel caso di malfunzionamento del circuito preposto all’indicazione della carica o del MOSFET per il controllo della carica/scarica.
Protezione delle porte
In considerazione del fatto che molti sistemi per la ricarica di batterie agli ioni di litio utilizzano la connessione USB-C standard, la protezione delle porte è di fondamentale importanza per la sicurezza complessiva del dispositivo.
In questo caso, i fusibili elettronici sono in grado di interrompere la corrente con la stessa efficacia di un fusibile tradizionale e ripristinarsi nel momento in cui cessa la condizione di pericolo. Essi garantiscono la protezione contro fenomeni quali sovraccarico, sovratensioni in ingresso e correnti di spunto eccessive.
È inoltre possibile implementare una protezione contro le correnti inverse, che talvolta richiede l’aggiunta di un MOSFET esterno.
L’adozione della protezione basata sui fusibili elettronici (eFuse) assicura alcuni vantaggi in termini di prestazioni, tra cui maggiore velocità di risposta al verificarsi di condizioni operative pericolose, oltre alla diagnostica in tempo reale che può essere sfruttata per ricavare utili informazioni circa le condizioni della batteria e del carico.
Per un’efficace protezione delle porte è anche utile il monitoraggio della temperatura mediante dispositivi come gli indicatori di temperatura setP. Questi prodotti di Littelfuse sono stati ideati per proteggere sistemi con potenza nominale di 100 W (o anche superiore) e risultano conformi ai requisiti specifici dell’interfaccia USB Type-C. Essi possono essere utilizzati con spine e caricatori USB-C con cavi certificati USB-C.
Gli indicatori di temperatura setP possono sostituire una combinazione formata da un commutatore per la limitazione della corrente e un dispositivo PPTC senza aggiungere alcuna perdita di potenza (di tipo I2R) al sistema complessivo.
Una soluzione per la protezione completa delle batterie a ioni di litio e dei circuiti associati, comprese le connessioni esterne come le porte per la ricarica USB Type-C, dovrebbe includere la protezione contro sovraccarichi elettrici e scariche elettrostatiche.
Un array di diodi TVS, come la serie SP1006 di Littelfuse sfrutta una tecnologia a valanga su silicio proprietaria per garantire la protezione contro sovraccarichi ad alta energia e soddisfa le specifiche IEC 61000 applicabili. La protezione ESD è conforme alle direttive dello standard IEC 61000-4-2 (contatto fino a ± 30kV, in aria ± 30kV), oltre a quelle previste da IEC 61000-4-4 (protezione contro transistori elettrici veloci fino a 40 A) e da IEC 61000-4-5 (protezione contro i fulmini).
La figura 2 riporta le modalità di implementazione dei dispositivi di protezione per salvaguardare le celle, il pacco batterie e le porte.
Considerazioni conclusive
Le batterie a ioni di litio sono la fonte di alimentazione più diffusa in un gran numero di applicazioni, dagli utensili cordless alla mobilità elettrica. Al fine di sfruttare al meglio la loro capacità di garantire elevate prestazioni per un lungo periodo di tempo, è necessario integrare adeguate misure di sicurezza nel pacco batterie e in qualsiasi porta esterna al fine di impedire il surriscaldamento delle celle che può dare origine alla fuga termica, con conseguente pericolo di incendi o esplosioni.
Il surriscaldamento può essere originato da diversi fattori, come ad esempio tensioni di carica troppo elevate, scarica troppo veloce o troppo profonda, corto circuiti o correnti di carico eccessive.
Per tale motivo è necessario ricorrere a una combinazione di dispositivi di protezione che operano a vari livelli, dalle singole celle al pacco batteria, ai circuiti del sistema BMS fino ad arrivare alle porte esterne.
Per assolvere a questi compiti sono disponibili diverse tipologie di prodotti, tra cui fusibili elettronici, PPTC e diodi TVS, oltre a circuiti per la protezione della batteria che abbinano la protezione contro sovracorrenti e sovratensioni, e indicatori di temperatura che integrano le funzionalità di un limitatore di corrente e un PPTC in un unico dispositivo.
La conformità agli standard di sicurezza, l’utilizzo di dispositivi di protezione adeguati e il rispetto delle linee guida raccomandate per l’utilizzo e la ricarica permettono di gestire in maniera corretta le batterie a ioni di litio, garantendone un funzionamento sicuro.
*articolo di Mark Patrick, Mouser Electronics
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