غالبًا ما تتم مناقشة حماية بطاريات الليثيوم من منظور الشحن الزائد والتفريغ الزائد والتيار الزائد. وتستحق درجة الحرارة القدر نفسه من الاهتمام. فقد تتصرف خلية الليثيوم-أيون بصورة مختلفة جدًا عند شحنها في بيئة باردة، أو تشغيلها تحت حمل مرتفع، أو تعريضها لحرارة مفرطة. ولهذا تشتمل كثير من حزم البطاريات على مقاوم حراري NTC كجزء من نظام مراقبة درجة الحرارة.
بعبارة مبسطة، حماية NTC لبطارية الليثيوم تمنح الشاحن أو نظام إدارة البطارية وسيلة لتقدير درجة حرارة البطارية. ولا يقوم NTC عادةً بفصل البطارية بنفسه. بل تتغير مقاومته مع تغير درجة الحرارة، وتستخدم الدوائر الإلكترونية هذه المعلومة لتحديد ما إذا كان الشحن سيستمر بصورة طبيعية، أو يتم خفضه، أو إيقافه.
هذا الفرق مهم. فتصميم الحماية الحرارية الجيد لا يعني مجرد “إضافة مقاوم حراري”. يجب أن تعمل معًا منحنيات المقاوم الحراري، وموقع الحساس، وحدود الشاحن، ومنطق BMS، وشروط الشحن المسموح بها من الشركة المصنّعة للخلية.
ماذا يعني NTC في بطارية الليثيوم؟
يرمز NTC إلى معامل درجة الحرارة السالب. ومقاوم NTC الحراري هو مقاومة حساسة للحرارة تنخفض مقاومتها كلما ارتفعت درجة حرارتها.
إذا أصبحت البطارية أكثر دفئًا تنخفض مقاومة NTC، وإذا أصبحت أبرد ترتفع المقاومة. ومن خلال قياس هذه المقاومة — أو بشكل أكثر شيوعًا الجهد الذي ينشئه المقاوم الحراري ضمن شبكة مقاومات — يستطيع الشاحن أو BMS تقدير درجة حرارة البطارية.
كيف تعمل حماية NTC في بطارية الليثيوم
معظم دوائر استشعار NTC بسيطة من حيث المبدأ. يُوصل المقاوم الحراري بمدخل استشعار الحرارة في الشاحن أو بمحول ADC عبر شبكة مقاومات. ومع تغير مقاومة NTC يتغير أيضًا الجهد عند نقطة الاستشعار.
بعد ذلك يقارن النظام القيمة المقاسة بحدود درجة حرارة مبرمجة أو محددة بواسطة العتاد.
- ترتفع أو تنخفض درجة حرارة خلية الليثيوم.
- يتتبع مقاوم NTC الحراري درجة حرارة الخلية.
- تتغير مقاومة المقاوم الحراري.
- يقرأ الشاحن أو BMS الإشارة الكهربائية الناتجة.
- تقارن دائرة التحكم القراءة بمناطق درجة الحرارة المسموح بها.
- قد يستمر الشحن بصورة طبيعية، أو يعمل بشروط معدلة، أو يتوقف.
تتضمن كثير من دوائر شحن الليثيوم-أيون المتخصصة مدخل استشعار حرارة أو طرف TS مخصصًا لهذا الغرض. يطبق بعضها حدود HOT/COLD بسيطة، بينما يدعم بعضها الآخر عدة مناطق حرارية تسمح بإعداد تيارات أو جهود شحن مختلفة.
لماذا تهم درجة الحرارة أثناء شحن الليثيوم-أيون
تؤثر درجة الحرارة في معدلات التفاعل الكهروكيميائي والمقاومة الداخلية وطريقة حركة أيونات الليثيوم داخل الخلية. لذلك لا يمكن التعامل مع الشحن باعتباره مستقلًا عن درجة الحرارة.
من المهم بشكل خاص التحكم في الشحن في الأجواء الباردة. فعند درجات الحرارة المنخفضة بدرجة كافية يصبح انتقال أيونات الليثيوم وإدخالها إلى الأنود أكثر صعوبة. واعتمادًا على كيمياء الخلية وتيار الشحن وحالة الشحن، قد يزيد الشحن غير المناسب في البرد من خطر ترسيب الليثيوم.
وعند درجات الحرارة المرتفعة قد يلزم أيضًا تعديل ظروف الشحن. فالحرارة العالية تسرّع التفاعلات الكيميائية غير المرغوبة وقد تقلل عمر البطارية. وإذا ارتفعت درجة حرارة الخلية بما يكفي، فيجب ألا يستمر الشحن.
استراتيجية نموذجية للتحكم في درجة الحرارة
قد يقسم نظام شحن البطارية درجة الحرارة إلى عدة مناطق تشغيل. تختلف درجات الحرارة الدقيقة، لكن فلسفة التحكم تكون غالبًا على النحو التالي:
| حالة درجة الحرارة | استجابة الشحن المحتملة | اعتبارات هندسية |
|---|---|---|
| باردة جدًا | الشحن ممنوع | يساعد على منع الشحن خارج نطاق درجات الحرارة المنخفضة الذي تسمح به الشركة المصنّعة للخلية. |
| باردة | قد يتم تقييد الشحن | تخفض بعض ملفات الشحن تيار الشحن و/أو الجهد في نطاق درجات الحرارة المنخفضة. |
| طبيعية | ظروف شحن طبيعية | يمكن السماح بأقصى تيار وجهد شحن محددين عند استيفاء جميع الشروط الأخرى. |
| دافئة | قد يتم خفض قدرة الشحن | تخفض بعض الأنظمة جهد الشحن أو تياره قبل الوصول إلى حد الفصل عند الحرارة المرتفعة. |
| ساخنة | الشحن ممنوع | يجب ألا تُشحن البطارية فوق الحد الذي يحدده نظام البطارية الذي تم التحقق منه. |
تصف إرشادات JEITA، على سبيل المثال، مناطق حرارية قد يلزم فيها تغيير جهد الشحن و/أو تياره. ومن الأمثلة الشائعة نطاق يقارب 10°C إلى 45°C لظروف الشحن القصوى، لكنه ليس مواصفة عامة لكل خلية أو منتج.
فهم R25 وقيمة Beta في NTC
تظهر مواصفتان باستمرار عند اختيار المهندسين لمقاوم NTC للبطارية: R25 و قيمة Beta.
R25
R25 هي مقاومة المقاوم الحراري عند 25°C. فمثلًا تكون المقاومة الاسمية لمقاوم NTC بقيمة 10 kΩ هي 10 kΩ عند 25°C.
تُستخدم مقاومات 10 kΩ الحرارية كثيرًا في استشعار حرارة البطارية، لكن عبارة “10K” وحدها لا تحدد الحساس بالكامل.
قيمة Beta
تصف قيمة Beta الميل التقريبي لمنحنى المقاومة-درجة الحرارة للمقاوم الحراري ضمن مجال حراري محدد.
R(T) = R25 × exp [ B × (1/T − 1/298.15) ]
حيث:
- R(T) = مقاومة المقاوم الحراري عند درجة الحرارة T
- R25 = المقاومة عند 25°C
- B = ثابت Beta للمقاوم الحراري
- T = درجة الحرارة المطلقة بالكلفن
والنتيجة العملية المهمة هي أن مقاومين حراريين من نوع NTC بقيمة 10K قد يمتلكان قيم مقاومة مختلفة عند درجة الحرارة نفسها إذا اختلفت قيمة Beta أو منحنيات المقاومة بينهما.
وقد يغير هذا الاختلاف درجة الحرارة التي يعتبر عندها الشاحن أن البطارية وصلت إلى حد HOT أو COLD.
لهذا السبب ينبغي عادةً التحقق من تصميمات الإنتاج باستخدام جدول R/T أو المعاملات المنشورة من الشركة المصنّعة للمقاوم الحراري. ومعادلة Beta البسيطة مفيدة للتقدير، لكن قد تكون هناك حاجة إلى نماذج أدق عندما تكون دقة قياس الحرارة مهمة.
NTC بقيمة 10K لا يعني التوافق تلقائيًا
من أخطاء الشراء الشائعة تحديد المواصفة على النحو التالي فقط:
“حزمة بطارية مزودة بـ NTC بقيمة 10K.”
وهذا غير كافٍ.
المواصفة الأكثر فائدة تكون أقرب إلى:
10 kΩ عند 25°C، قيمة Beta محددة، سماحات محددة لـ R25 وB، مجال تشغيل مطلوب، بنية حساس محددة، وتوافق مؤكد مع دائرة استشعار الحرارة في الشاحن/BMS.
| معلمة NTC | لماذا هي مهمة | ما الذي يجب التحقق منه |
|---|---|---|
| R25 | تحدد المقاومة الاسمية عند 25°C | يجب أن تتطابق مع تصميم دائرة الاستشعار. |
| قيمة Beta | تؤثر في منحنى المقاومة-درجة الحرارة | تحقق من مجال Beta وجدول R/T الفعلي. |
| سماحية المقاومة | تؤثر في خطأ قياس درجة الحرارة | أدخل السماحية عند حساب نقاط الفصل. |
| سماحية Beta | تغير دقة المنحنى بعيدًا عن 25°C | تزداد أهميتها عندما تكون الحدود بعيدة عن درجة حرارة الغرفة. |
| زمن الاستجابة | يحدد مدى سرعة تتبع الحساس لتغيرات الحرارة | قيّم الحساس بعد تركيبه، وليس فقط في الهواء الحر. |
| مجال التشغيل | يحدد البيئة المسموح بها للمقاوم الحراري | يجب أن يتجاوز ظروف تشغيل البطارية المقصودة. |
| التسخين الذاتي | قد يؤدي تيار القياس إلى تسخين المقاوم الحراري نفسه | استخدم تيار استشعار مناسبًا. |
| التغليف / العزل | يؤثر في الموثوقية والعزل الكهربائي | يجب أن يتناسب مع بنية الخلية وطريقة التجميع. |
أين يجب وضع حساس NTC؟
اختيار NTC ليس سوى نصف المسألة. قد يكون الموقع الحراري مهمًا بقدر الدقة الكهربائية.
تخيل حساس حرارة معايرًا بدقة ومعلقًا على بعد عدة مليمترات من الخلية في تيار هواء. قد يكون دقيقًا كهربائيًا، لكنه قد لا يمثل درجة حرارة الخلية الفعلية أثناء الشحن أو التفريغ بتيار مرتفع.
في كثير من حزم البطاريات يكون NTC مقترنًا حراريًا بسطح الخلية. واعتمادًا على التصميم يمكن تثبيته بمادة لاصقة مناسبة أو شريط أو عازل أو حامل مخصص للحساس.
يعتمد الموقع المثالي على:
- شكل الخلية وأبعادها؛
- تكوين التوصيل على التوالي والتوازي؛
- تيار الشحن والتفريغ؛
- موقع قضبان التوصيل والوصلات الحاملة للتيار؛
- وحدات MOSFET القريبة أو الإلكترونيات الأخرى المولدة للحرارة؛
- تدفق الهواء داخل الغلاف؛
- مواد الواجهة الحرارية؛
- مصادر الحرارة الخارجية المتوقعة.
بالنسبة لحزمة صغيرة بخلية واحدة، قد يكون مقاوم حراري واحد كافيًا إذا وُضع بصورة صحيحة. أما الحزم الأكبر متعددة الخلايا فقد تحتاج إلى عدة حساسات لأن قياسًا واحدًا لا يمثل دائمًا أكثر خلايا النظام سخونة أو برودة.
درجة حرارة NTC مقابل درجة حرارة الشاحن
هناك نقطة يسهل إغفالها: درجة حرارة البطارية ودرجة حرارة دائرة الشاحن المتكاملة ليستا القياس نفسه.
تحتوي كثير من دوائر الشحن المتكاملة على تنظيم حراري داخلي أو وظيفة إيقاف حراري. وهذا يحمي شريحة الشاحن من ارتفاع درجة حرارة الوصلة.
أما NTC الخارجي للبطارية فيُستخدم لتوفير معلومات عن درجة حرارة الحزمة أو الخلية.
| القياس | ما الذي يمثله | الغرض المعتاد |
|---|---|---|
| NTC البطارية | درجة حرارة الخلية أو حزمة البطارية | تأهيل الشحن والمراقبة الحرارية للبطارية |
| الحساس الداخلي للشاحن | درجة حرارة وصلة دائرة الشاحن المتكاملة | التنظيم الحراري أو الإيقاف الخاص بالدائرة المتكاملة |
| حساس لوحة BMS | درجة حرارة PCB أو MOSFET أو الإلكترونيات المحلية | حماية إلكترونيات القدرة وتقدير الحالة الحرارية للنظام |
لا ينبغي افتراض أن حساسًا واحدًا يمكن أن يحل تلقائيًا محل الحساسات الأخرى.
حماية NTC ليست سوى طبقة واحدة من حماية البطارية
مراقبة درجة الحرارة مهمة، لكن نظام بطارية الليثيوم الآمن يعتمد عادةً على عدة وظائف حماية تعمل معًا.
وبحسب التطبيق قد تشمل:
- الحماية من الشحن الزائد؛
- الحماية من التفريغ الزائد؛
- الحماية من التيار الزائد؛
- الحماية من القصر؛
- مراقبة درجة الحرارة؛
- حماية دخل الشاحن؛
- موازنة الخلايا في الحزم متعددة التوصيل على التوالي؛
- حماية ثانوية أو عناصر مصهر عند الحاجة؛
- مراقبة برمجية على مستوى النظام.
تعتمد البنية الصحيحة بدرجة كبيرة على عدد الخلايا وكيميائها ومستوى قدرة المنتج ومتطلبات المنتج المعمول بها.
أخطاء شائعة في تصميم NTC
1. الاختيار اعتمادًا على المقاومة فقط
اختيار “NTC بقيمة 10K” دون التحقق من قيمة Beta ومنحنى المقاومة-درجة الحرارة الكامل قد يؤدي إلى حدود حرارة غير صحيحة.
2. اتصال حراري ضعيف
قد يتفاعل الحساس الصحيح كهربائيًا ببطء شديد أو يقيس درجة حرارة خاطئة إذا كان اقترانه الحراري بالخلية ضعيفًا.
3. قياس مصدر الحرارة الخطأ
قد يبلغ NTC الموضوع بجانب MOSFET ساخن عن حرارة الإلكترونيات بدلًا من حرارة تمثل الخلية.
4. تجاهل تراكم السماحات
يمكن لسماحية مقاومة المقاوم الحراري وسماحية Beta وسماحية مقاوم السحب ودقة ADC ودقة حدود الشاحن أن تؤثر جميعها في نقطة الكشف النهائية.
5. تجاهل حالات الدائرة المفتوحة والقصر
قد يؤدي انقطاع سلك الحساس أو مشكلة في الموصل أو قصر NTC إلى قراءة غير طبيعية. ينبغي أن تكون للنظام استجابة محددة لأعطال الحساس المحتملة.
6. نسخ حدود الحرارة من بطارية أخرى
ملف الشحن المناسب لخلية ليثيوم-أيون معينة لا يناسب بالضرورة خلية أخرى. كيمياء الخلية وتصميم الأقطاب والسعة وحدود الشركة المصنّعة كلها عوامل مهمة.
7. اعتبار NTC نظام الأمان بالكامل
يوفر المقاوم الحراري المعلومات، وعلى بقية النظام أن تستجيب لهذه المعلومات بصورة صحيحة.
هل تحتاج البطارية إلى NTC واحد أم عدة حساسات؟
لا توجد إجابة ثابتة.
غالبًا ما تتمتع حزم البطاريات الاستهلاكية الصغيرة ببيئة حرارية متجانسة نسبيًا، لذلك قد يوفر حساس واحد موضوع جيدًا معلومات حرارية مفيدة.
ومع زيادة حجم الحزمة تتغير الصورة. فقد تنشأ فروق حرارية بين الخلايا، خاصةً تحت الأحمال العالية أو عند عدم تجانس التبريد.
عندئذ يمكن استخدام حساسات NTC إضافية لمراقبة خلايا أو مناطق حرارية مختلفة.
السؤال الهندسي المفيد ليس ببساطة:
“كم عدد المقاومات الحرارية التي نحتاج إليها؟”
بل هو:
“هل تستطيع مواقع الحساسات المختارة اكتشاف الظروف الحرارية المهمة التي يحتاج نظام التحكم إلى إدارتها؟”
كيفية تحديد متطلبات NTC لبطارية ليثيوم مخصصة
عند مناقشة بطارية ليثيوم مخصصة مع الشركة المصنّعة، يمكن أن يؤدي تقديم معلومات أكثر منذ البداية إلى تجنب التعديلات المتكررة لاحقًا.
| المعلومة | لماذا تحتاجها الشركة المصنّعة للبطارية |
|---|---|
| كيمياء الخلية | تختلف متطلبات التشغيل باختلاف كيمياء الليثيوم والخلايا. |
| تكوين التوالي / التوازي | يحدد جهد الحزمة وتوزيع التيار وبنية BMS. |
| أقصى تيار شحن | يؤثر في درجة حرارة الخلية ومتطلبات الشاحن. |
| أقصى تيار تفريغ | مهم للتصميم الحراري وحماية BMS. |
| درجة حرارة البيئة المحيطة بالمنتج | تساعد في تقييم البيئة الحرارية المتوقعة. |
| مجال درجة حرارة الشحن المطلوب | يجب التحقق منه مقابل الخلية المختارة. |
| NTC R25 | يجب أن يتطابق مع واجهة الاستشعار. |
| قيمة Beta لـ NTC أو منحنى R/T | تحدد المقاومة عبر مجال حرارة التشغيل. |
| طراز الشاحن أو BMS | يسمح بالتحقق من دائرة استشعار TS/ADC. |
| توزيع أطراف الموصل | يؤكد كيفية توصيل إشارة NTC إلى المنتج المضيف. |
| متطلبات موقع الحساس | مهمة عندما يتضمن التصميم الحراري للمنتج المضيف مناطق ساخنة أو باردة معروفة. |
قائمة عملية لمراجعة تصميم NTC
قبل اعتماد تصميم البطارية، ينبغي أن تتمكن المراجعة الهندسية من الإجابة عن الأسئلة التالية:
- ما طراز NTC أو منحنى المقاومة المستخدم بالضبط؟
- ما سماحية R25؟
- ما قيمة Beta وما سماحيتها؟
- هل يتوقع الشاحن/BMS منحنى NTC نفسه؟
- ما المقاومة المقابلة لكل حد من حدود درجة الحرارة؟
- هل أُخذت سماحات المقاومات وADC/IC في الحسبان؟
- أين تم تركيب NTC فعليًا؟
- هل يتتبع درجة حرارة الخلية الحقيقية أثناء الشحن والتفريغ؟
- ماذا يحدث إذا أصبح سلك NTC مفتوح الدائرة؟
- ماذا يحدث إذا حدث قصر في NTC؟
- هل تعتمد حدود الشحن في البرد والحرارة على مواصفات الخلية المختارة؟
- هل تم اختبار مجموعة البطارية الكاملة حراريًا بدلًا من اختبار الدائرة فقط على طاولة الاختبار؟
هذه القائمة أكثر فائدة بكثير من مجرد التأكد من وجود مقاوم حراري في المخطط.
الأسئلة الشائعة حول حماية NTC في بطاريات الليثيوم
ما هي حماية NTC في بطارية الليثيوم؟
هي طريقة لمراقبة درجة الحرارة يوفر فيها مقاوم NTC الحراري معلومات مقاومة تعتمد على الحرارة إلى الشاحن أو BMS أو دائرة التحكم، ثم تستخدم الدوائر الإلكترونية هذه المعلومات لإدارة الشحن أو وظائف البطارية الأخرى.
لماذا يُستخدم NTC بقيمة 10K بكثرة في حزم البطاريات؟
تعد قيمة 10 kΩ عند 25°C مناسبة عمليًا للعديد من دوائر استشعار الحرارة، كما أن عددًا من تصميمات شواحن البطاريات مهيأ للعمل مع مقاومات حرارية من فئة 10K. ومع ذلك يعتمد التوافق أيضًا على قيمة Beta ومنحنى R/T.
هل يوقف NTC الشحن مباشرةً؟
عادةً لا. يغير NTC مقاومته، ويكتشف الشاحن أو BMS الإشارة الناتجة ثم ينفذ إجراء التحكم.
هل يمكنني استبدال NTC البطارية بمقاومة ثابتة؟
تصف بعض وثائق دوائر الشحن المتكاملة استخدام مقاومة ثابتة في التطبيقات التي لا يُستخدم فيها استشعار الحرارة عمدًا. لكن هذا لا يجعلها بديلًا عامًا لمراقبة حرارة البطارية. فهذا يلغي التغذية الراجعة الحرارية من مسار الاستشعار ولا ينبغي النظر فيه إلا عندما يسمح تصميم النظام الكامل ومتطلبات السلامة بذلك صراحةً.
هل المجال من 0°C إلى 45°C هو مجال الشحن الصحيح لكل بطارية ليثيوم؟
لا. حدود الحرارة تعتمد على الخلية والتطبيق. تقدم إرشادات الصناعة مفاهيم مفيدة لمناطق التشغيل، لكن مواصفات الشركة المصنّعة لخلية الليثيوم-أيون المختارة وتصميم الشحن الذي تم التحقق منه يجب أن يحددا الحدود النهائية.
هل يستطيع NTC واحد مراقبة حزمة بطارية كاملة متعددة الخلايا؟
أحيانًا، ولكن ليس دائمًا. يعتمد ذلك على حجم الحزمة وترتيب الخلايا والتيار والتبريد والفروق الحرارية. وقد تحتاج الحزم الأكبر إلى عدة حساسات حرارة.
أفكار ختامية
حماية NTC في بطاريات الليثيوم بسيطة من حيث المبدأ، لكن من السهل بصورة مفاجئة تحديد مواصفاتها بطريقة غير صحيحة.
قد يكون ثمن المقاوم الحراري ضئيلًا مقارنة ببقية حزمة البطارية، لكن منحنى مقاومته وموقعه الفعلي قد يؤثران في كيفية تفسير نظام الشحن لدرجة حرارة البطارية.
ولذلك فإن أفضل نهج تصميمي هو التعامل مع NTC والخلية والشاحن وBMS كنظام تحكم حراري واحد بدلًا من اعتبارها مكونات منفصلة.
ابدأ بشروط الشحن المسموح بها للخلية المختارة. ثم تحقق من منحنى R/T للمقاوم الحراري ودائرة الاستشعار وسماحات الحدود وموقع الحساس. وأخيرًا تحقق من البطارية المجمعة بالكامل في ظروف بيئية وكهربائية واقعية.
تنتج هذه العملية نتيجة أكثر فائدة بكثير من اختيار “NTC بقيمة 10K” عام وافتراض أن المهمة انتهت.
هل تخطط لحزمة بطارية ليثيوم مخصصة؟
إذا كان مشروعك يحتاج إلى بطارية ليثيوم-أيون مخصصة أو بطارية ليثيوم-بوليمر مزودة باستشعار حرارة NTC، فمن المفيد تقديم تيار الشحن/التفريغ المتوقع وبيئة التشغيل وتكوين الخلايا وواجهة الشاحن أو BMS وتعريف الموصل وخصائص NTC المطلوبة في بداية عملية التصميم.
يمكن لفريقنا الهندسي مراجعة هذه المعلمات مع الخلية المختارة وبنية إدارة البطارية لتحديد حل مناسب لاستشعار الحرارة للتطبيق.
في المناقشات الهندسية، يكون تحديد قيمة R25 أو قيمة Beta أو منحنى R/T، والسماحية، ومجال الحرارة المتوقع أكثر فائدة من طلب “NTC بقيمة 10K” فقط.
المراجع الفنية
1. JEITA — إرشادات بشأن مناطق درجات حرارة التشغيل وشروط شحن خلايا الليثيوم-أيون الثانوية.
2. Texas Instruments — وثائق BQ25170J وشواحن بطاريات الليثيوم-أيون ذات الصلة التي تغطي مراقبة المقاوم الحراري NTC وتأهيل درجة حرارة البطارية عبر طرف TS.
3. Vishay BCcomponents — وثائق تطبيق مقاومات NTC الحرارية التي تغطي خصائص المقاومة-درجة الحرارة وR25 وقيم Beta وحسابات الحرارة.
4. TDK Electronics — معلومات فنية عامة عن مقاومات NTC الحرارية، بما في ذلك قيمة B وخصائص المقاومة-درجة الحرارة.
ملاحظة هندسية: هذا المقال مخصص للتثقيف الفني العام. يجب تحديد حدود درجة حرارة البطارية وتيار الشحن وجهد الشحن وحدود الحماية وفق مواصفات الخلية الفعلية ووثائق الشاحن/BMS ومتطلبات تصميم المنتج ومعايير السلامة المعمول بها.