Bảo vệ pin lithium thường được đề cập dưới góc độ quá sạc, quá xả và quá dòng. Nhiệt độ cũng cần được quan tâm tương đương. Một cell lithium-ion có thể hoạt động rất khác khi được sạc trong môi trường lạnh, vận hành dưới tải lớn hoặc tiếp xúc với nhiệt quá mức. Vì vậy, nhiều bộ pin tích hợp một nhiệt điện trở NTC trong hệ thống giám sát nhiệt độ.

Nói một cách đơn giản, bảo vệ NTC cho pin lithium cho phép bộ sạc hoặc hệ thống quản lý pin ước tính nhiệt độ của pin. Thông thường NTC không tự ngắt pin. Thay vào đó, điện trở của nó thay đổi theo nhiệt độ và mạch điện tử sử dụng thông tin này để quyết định có tiếp tục sạc bình thường, giảm điều kiện sạc hay dừng sạc.

Sự khác biệt này rất quan trọng. Một thiết kế bảo vệ nhiệt tốt không đơn giản là “thêm một nhiệt điện trở”. Đường đặc tính của nhiệt điện trở, vị trí cảm biến, ngưỡng của bộ sạc, logic BMS và điều kiện sạc do nhà sản xuất cell cho phép phải phối hợp với nhau.

NTC có nghĩa là gì trong pin lithium?

NTC là viết tắt của hệ số nhiệt độ âm. Nhiệt điện trở NTC là điện trở nhạy nhiệt có giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng.

Khi pin nóng lên, điện trở NTC giảm. Khi pin lạnh đi, điện trở tăng. Bằng cách đo điện trở đó — hoặc phổ biến hơn là điện áp do nhiệt điện trở tạo ra trong mạng điện trở — bộ sạc hoặc BMS có thể ước tính nhiệt độ pin.

Cell lithium Nhiệt độ cell Cảm biến NTC Thay đổi điện trở Bộ sạc / BMS Đọc tín hiệu NTC So sánh giới hạn nhiệt độ Điều khiển sạc Nhiệt độ → Điện trở → Tín hiệu điện → Hành động điều khiển
Hình 1. NTC đo nhiệt độ gián tiếp thông qua điện trở; bộ sạc hoặc BMS quyết định hành động cần thực hiện.

Cách bảo vệ NTC của pin lithium hoạt động

Hầu hết các mạch cảm biến NTC về nguyên lý khá đơn giản. Nhiệt điện trở được nối với đầu vào cảm biến nhiệt độ của bộ sạc hoặc với ADC thông qua mạng điện trở. Khi điện trở NTC thay đổi, điện áp tại điểm đo cũng thay đổi.

Sau đó hệ thống so sánh giá trị đo được với các ngưỡng nhiệt độ được lập trình hoặc xác định bằng phần cứng.

  1. Cell lithium nóng lên hoặc lạnh đi.
  2. Nhiệt điện trở NTC theo dõi nhiệt độ cell.
  3. Điện trở của nhiệt điện trở thay đổi.
  4. Bộ sạc hoặc BMS đọc tín hiệu điện tương ứng.
  5. Mạch điều khiển so sánh giá trị đọc với các vùng nhiệt độ được phép.
  6. Quá trình sạc có thể tiếp tục bình thường, hoạt động với điều kiện đã điều chỉnh hoặc dừng lại.

Nhiều IC sạc lithium-ion chuyên dụng có đầu vào cảm biến nhiệt độ hoặc chân TS riêng cho mục đích này. Một số áp dụng giới hạn HOT/COLD đơn giản, trong khi số khác hỗ trợ nhiều vùng nhiệt độ với các cài đặt dòng hoặc điện áp sạc khác nhau.

Tại sao nhiệt độ quan trọng khi sạc lithium-ion

Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng điện hóa, điện trở trong và cách ion lithium di chuyển bên trong cell. Vì vậy không thể xem quá trình sạc là độc lập với nhiệt độ.

Kiểm soát sạc ở nhiệt độ thấp đặc biệt quan trọng. Ở nhiệt độ đủ thấp, quá trình vận chuyển ion lithium và chèn vào anode trở nên khó khăn hơn. Tùy theo hóa học cell, dòng sạc và trạng thái sạc, việc sạc không phù hợp trong điều kiện lạnh có thể làm tăng nguy cơ kết tủa lithium.

Ở nhiệt độ cao, điều kiện sạc cũng có thể cần điều chỉnh. Nhiệt độ cao làm tăng tốc các phản ứng hóa học không mong muốn và có thể làm giảm tuổi thọ pin. Khi nhiệt độ cell đủ cao, không nên tiếp tục sạc.

Bảo vệ NTC của pin lithium

Chiến lược kiểm soát nhiệt độ điển hình

Hệ thống sạc pin có thể chia nhiệt độ thành nhiều vùng hoạt động. Giá trị cụ thể có thể khác nhau, nhưng triết lý điều khiển thường như sau:

Điều kiện nhiệt độ Phản ứng sạc có thể xảy ra Yếu tố kỹ thuật cần xem xét
Rất lạnh Cấm sạc Giúp ngăn sạc ngoài vùng nhiệt độ thấp được nhà sản xuất cell cho phép.
Lạnh Có thể hạn chế sạc Một số cấu hình sạc giảm dòng và/hoặc điện áp sạc trong vùng nhiệt độ thấp.
Bình thường Điều kiện sạc bình thường Có thể cho phép dòng và điện áp sạc tối đa theo quy định khi tất cả các điều kiện khác đều được đáp ứng.
Ấm Có thể giảm mức sạc Một số hệ thống giảm điện áp hoặc dòng sạc trước khi đạt ngưỡng ngắt do nhiệt độ cao.
Nóng Cấm sạc Không nên sạc pin trên giới hạn được hệ thống pin đã xác nhận quy định.

Ví dụ, hướng dẫn JEITA mô tả các vùng nhiệt độ mà điện áp và/hoặc dòng sạc có thể cần thay đổi. Một ví dụ thường được trích dẫn cho điều kiện sạc tối đa là khoảng 10°C đến 45°C, nhưng đây không phải thông số chung cho mọi cell hoặc sản phẩm.

Hiểu R25 và giá trị Beta của NTC

Hai thông số xuất hiện thường xuyên khi kỹ sư lựa chọn NTC cho pin là: R25 và giá trị Beta.

R25

R25 là điện trở của nhiệt điện trở tại 25°C. Ví dụ, NTC 10 kΩ có điện trở danh định 10 kΩ tại 25°C.

Nhiệt điện trở 10 kΩ thường được dùng trong đo nhiệt độ pin, nhưng “10K” không mô tả đầy đủ cảm biến.

Giá trị Beta

Giá trị Beta mô tả gần đúng độ dốc của đặc tính điện trở-nhiệt độ của nhiệt điện trở trong một khoảng nhiệt độ xác định.

R(T) = R25 × exp [ B × (1/T − 1/298.15) ]

Trong đó:

  • R(T) = điện trở nhiệt điện trở tại nhiệt độ T
  • R25 = điện trở tại 25°C
  • B = hằng số Beta của nhiệt điện trở
  • T = nhiệt độ tuyệt đối tính bằng kelvin

Điểm thực tế quan trọng là hai nhiệt điện trở NTC 10K có thể có giá trị điện trở khác nhau tại cùng một nhiệt độ nếu giá trị Beta hoặc đường cong điện trở của chúng khác nhau.

Sự khác biệt này có thể làm thay đổi nhiệt độ mà bộ sạc cho rằng pin đã đạt ngưỡng HOT hoặc COLD.

Vì vậy, thiết kế sản xuất thông thường nên được xác minh bằng bảng R/T hoặc các hệ số do nhà sản xuất nhiệt điện trở công bố. Phương trình Beta đơn giản hữu ích để ước tính, nhưng có thể cần mô hình chính xác hơn khi yêu cầu độ chính xác nhiệt độ cao.

NTC 10K không tự động có nghĩa là tương thích

Một lỗi mua hàng phổ biến là chỉ ghi:

“Bộ pin có NTC 10K.”

Thông tin này chưa đầy đủ.

Một thông số hữu ích hơn nên tương tự:

10 kΩ tại 25°C, giá trị Beta xác định, dung sai R25 và B rõ ràng, phạm vi hoạt động yêu cầu, cấu tạo cảm biến xác định và xác nhận tương thích với mạch cảm biến nhiệt độ của bộ sạc/BMS.

Thông số NTC Vì sao quan trọng Cần kiểm tra gì
R25 Xác định điện trở danh định tại 25°C Phải phù hợp với thiết kế mạch cảm biến.
Giá trị Beta Ảnh hưởng đến đường cong điện trở-nhiệt độ Kiểm tra khoảng Beta và bảng R/T thực tế.
Dung sai điện trở Ảnh hưởng đến sai số đo nhiệt độ Tính cả dung sai khi xác định điểm kích hoạt.
Dung sai Beta Làm thay đổi độ chính xác của đường cong khi xa 25°C Quan trọng khi các ngưỡng cách xa nhiệt độ phòng.
Thời gian đáp ứng Quyết định tốc độ cảm biến theo kịp thay đổi nhiệt độ Đánh giá cảm biến sau khi lắp đặt, không chỉ trong không khí tự do.
Phạm vi hoạt động Xác định môi trường cho phép của nhiệt điện trở Nên rộng hơn điều kiện hoạt động dự kiến của pin.
Tự gia nhiệt Dòng đo có thể làm nóng chính nhiệt điện trở Sử dụng dòng cảm biến phù hợp.
Đóng gói / Cách điện Ảnh hưởng đến độ tin cậy và cách điện Phải phù hợp với cấu trúc cell và phương pháp lắp ráp.

Nên đặt cảm biến NTC ở đâu?

Việc chọn NTC mới chỉ là một nửa vấn đề. Vị trí nhiệt có thể quan trọng không kém độ chính xác điện.

Hãy tưởng tượng một cảm biến nhiệt độ được hiệu chuẩn hoàn hảo treo cách cell vài milimét trong luồng không khí. Về điện nó có thể rất chính xác, nhưng có thể không phản ánh nhiệt độ thực tế của cell khi sạc hoặc xả dòng cao.

Trong nhiều bộ pin, NTC được ghép nhiệt với bề mặt cell. Tùy thiết kế, nó có thể được cố định bằng keo phù hợp, băng dính, vật liệu cách điện hoặc giá giữ cảm biến chuyên dụng.

Vị trí lý tưởng phụ thuộc vào:

  • kiểu dáng và kích thước cell;
  • cấu hình nối tiếp và song song;
  • dòng sạc và xả;
  • vị trí thanh cái và các kết nối mang dòng;
  • MOSFET gần đó hoặc các linh kiện điện tử sinh nhiệt khác;
  • luồng khí trong vỏ;
  • vật liệu giao diện nhiệt;
  • nguồn nhiệt bên ngoài dự kiến.

Với bộ pin một cell nhỏ, một nhiệt điện trở có thể đủ nếu được đặt đúng vị trí. Bộ pin nhiều cell lớn hơn có thể cần nhiều cảm biến vì một điểm đo không phải lúc nào cũng đại diện cho cell nóng nhất hoặc lạnh nhất trong hệ thống.

Bảo vệ NTC của pin lithium

Nhiệt độ NTC so với nhiệt độ bộ sạc

Có một điểm dễ bị bỏ qua: nhiệt độ pin và nhiệt độ IC bộ sạc không phải là cùng một phép đo.

Nhiều IC sạc có chức năng điều chỉnh nhiệt nội bộ hoặc ngắt nhiệt riêng. Chức năng này bảo vệ chip sạc khỏi nhiệt độ mối nối quá cao.

Ngược lại, NTC bên ngoài của pin được dùng để cung cấp thông tin về nhiệt độ của bộ pin hoặc cell.

Phép đo Đại diện cho gì Mục đích điển hình
NTC pin Nhiệt độ cell hoặc bộ pin Xác nhận điều kiện sạc và giám sát nhiệt pin
Cảm biến bên trong bộ sạc Nhiệt độ mối nối của IC sạc Điều chỉnh nhiệt hoặc ngắt IC
Cảm biến bo BMS Nhiệt độ PCB, MOSFET hoặc linh kiện điện tử cục bộ Bảo vệ điện tử công suất và ước tính trạng thái nhiệt của hệ thống

Không nên tự động giả định rằng một cảm biến có thể thay thế các cảm biến khác.

Bảo vệ NTC chỉ là một lớp trong hệ thống bảo vệ pin

Giám sát nhiệt độ rất quan trọng, nhưng một hệ thống pin lithium an toàn thường dựa vào nhiều chức năng bảo vệ hoạt động cùng nhau.

Tùy ứng dụng, có thể bao gồm:

  • bảo vệ quá sạc;
  • bảo vệ quá xả;
  • bảo vệ quá dòng;
  • bảo vệ ngắn mạch;
  • giám sát nhiệt độ;
  • bảo vệ đầu vào bộ sạc;
  • cân bằng cell trong các bộ pin nối tiếp nhiều cell;
  • bảo vệ thứ cấp hoặc cầu chì khi cần;
  • giám sát phần mềm ở cấp hệ thống.

Kiến trúc phù hợp phụ thuộc nhiều vào số lượng cell, hóa học, mức công suất sản phẩm và các yêu cầu áp dụng.

Các lỗi thiết kế NTC thường gặp

1. Chỉ lựa chọn theo điện trở

Chọn “NTC 10K” mà không xác nhận giá trị Beta và toàn bộ đường cong điện trở-nhiệt độ có thể dẫn đến ngưỡng nhiệt độ sai.

2. Tiếp xúc nhiệt kém

Một cảm biến đúng về điện nhưng ghép nhiệt kém với cell có thể phản ứng quá chậm hoặc đo sai nhiệt độ.

3. Đo nhầm nguồn nhiệt

NTC đặt cạnh MOSFET nóng có thể báo nhiệt độ của linh kiện điện tử thay vì nhiệt độ đại diện của cell.

4. Bỏ qua tổng dung sai

Dung sai điện trở nhiệt điện trở, dung sai Beta, dung sai điện trở pull-up, độ chính xác ADC và độ chính xác ngưỡng bộ sạc đều có thể ảnh hưởng đến điểm phát hiện cuối cùng.

5. Bỏ qua trạng thái hở mạch và ngắn mạch

Dây cảm biến bị đứt, lỗi đầu nối hoặc NTC bị ngắn mạch có thể tạo ra giá trị bất thường. Hệ thống nên có phản ứng xác định đối với các lỗi cảm biến có thể xảy ra.

6. Sao chép giới hạn nhiệt độ từ pin khác

Hồ sơ sạc phù hợp với một cell lithium-ion không tự động phù hợp với cell khác. Hóa học cell, thiết kế điện cực, dung lượng và giới hạn của nhà sản xuất đều quan trọng.

7. Xem NTC là toàn bộ hệ thống an toàn

Nhiệt điện trở cung cấp thông tin. Phần còn lại của hệ thống phải phản ứng đúng với thông tin đó.

Pin nên có một NTC hay nhiều NTC?

Không có câu trả lời cố định.

Bộ pin tiêu dùng nhỏ thường có môi trường nhiệt tương đối đồng đều, vì vậy một cảm biến được đặt đúng vị trí có thể cung cấp thông tin nhiệt độ hữu ích.

Khi bộ pin lớn hơn, tình hình thay đổi. Mô-đun có thể xuất hiện gradient nhiệt giữa các cell, đặc biệt khi tải lớn hoặc làm mát không đều.

Khi đó có thể dùng thêm cảm biến NTC để giám sát các cell hoặc vùng nhiệt khác nhau.

Một câu hỏi kỹ thuật hữu ích không chỉ đơn giản là:

“Chúng ta cần bao nhiêu nhiệt điện trở?”

Mà là:

“Các vị trí cảm biến đã chọn có thể phát hiện những điều kiện nhiệt quan trọng mà hệ thống điều khiển cần quản lý hay không?”

Cách xác định yêu cầu NTC cho pin lithium tùy chỉnh

Khi thảo luận về pin lithium tùy chỉnh với nhà sản xuất, cung cấp nhiều thông tin hơn ngay từ đầu có thể giúp tránh sửa đổi lặp đi lặp lại về sau.

Thông tin Vì sao nhà sản xuất pin cần thông tin này
Hóa học cell Các hóa học và cell lithium khác nhau có yêu cầu hoạt động khác nhau.
Cấu hình nối tiếp / song song Quyết định điện áp bộ pin, phân bố dòng và kiến trúc BMS.
Dòng sạc tối đa Ảnh hưởng cả nhiệt độ cell lẫn yêu cầu của bộ sạc.
Dòng xả tối đa Quan trọng đối với thiết kế nhiệt và bảo vệ BMS.
Nhiệt độ môi trường của sản phẩm Giúp đánh giá môi trường nhiệt dự kiến.
Phạm vi nhiệt độ sạc yêu cầu Phải được kiểm tra so với cell đã chọn.
NTC R25 Phải phù hợp với giao diện cảm biến.
Giá trị Beta NTC hoặc đường cong R/T Quyết định điện trở trên toàn dải nhiệt độ hoạt động.
Mẫu bộ sạc hoặc BMS Cho phép xác minh mạch cảm biến TS/ADC.
Sơ đồ chân đầu nối Xác nhận cách tín hiệu NTC được truyền đến sản phẩm chủ.
Yêu cầu vị trí cảm biến Quan trọng khi thiết kế nhiệt của sản phẩm chủ có các vùng nóng hoặc lạnh đã biết.

Danh sách kiểm tra thực tế cho việc rà soát thiết kế NTC

Trước khi phát hành thiết kế pin, đánh giá kỹ thuật cần trả lời được các câu hỏi sau:

  • Đang sử dụng chính xác mẫu NTC hoặc đường cong điện trở nào?
  • Dung sai R25 là bao nhiêu?
  • Giá trị Beta và dung sai của nó là bao nhiêu?
  • Bộ sạc/BMS có được thiết kế cho cùng đường cong NTC không?
  • Điện trở nào tương ứng với từng ngưỡng nhiệt độ?
  • Đã tính đến dung sai điện trở và ADC/IC chưa?
  • NTC được lắp thực tế ở đâu?
  • Nó có theo dõi nhiệt độ cell thực tế trong quá trình sạc và xả không?
  • Điều gì xảy ra nếu dây NTC bị hở?
  • Điều gì xảy ra nếu NTC bị ngắn mạch?
  • Giới hạn sạc khi lạnh và nóng có dựa trên thông số của cell đã chọn không?
  • Toàn bộ cụm pin đã được thử nghiệm nhiệt, hay chỉ có mạch trên bàn thử?

Danh sách kiểm tra này hữu ích hơn nhiều so với việc chỉ xác nhận rằng sơ đồ có một nhiệt điện trở.

Bảo vệ NTC của pin lithium

Câu hỏi thường gặp về bảo vệ NTC của pin lithium

Bảo vệ NTC trong pin lithium là gì?

Đó là phương pháp giám sát nhiệt độ trong đó nhiệt điện trở NTC cung cấp thông tin điện trở phụ thuộc nhiệt độ cho bộ sạc, BMS hoặc mạch điều khiển. Sau đó mạch điện tử sử dụng thông tin này để quản lý việc sạc hoặc các chức năng khác của pin.

Tại sao NTC 10K thường được sử dụng trong bộ pin?

10 kΩ tại 25°C là giá trị thực tế phù hợp cho nhiều mạch cảm biến nhiệt độ và nhiều thiết kế bộ sạc được tối ưu cho nhiệt điện trở cấp 10K. Tuy nhiên, khả năng tương thích cũng phụ thuộc vào giá trị Beta và đường cong R/T.

NTC có trực tiếp dừng sạc không?

Thông thường là không. NTC chỉ thay đổi điện trở. Bộ sạc hoặc BMS phát hiện tín hiệu tương ứng và thực hiện hành động điều khiển.

Có thể thay NTC của pin bằng điện trở cố định không?

Một số tài liệu IC sạc mô tả việc dùng điện trở cố định trong các ứng dụng mà chức năng cảm biến nhiệt độ được chủ động không sử dụng. Điều đó không biến điện trở cố định thành phương án thay thế chung cho việc giám sát nhiệt độ pin. Cách làm này loại bỏ phản hồi nhiệt độ khỏi đường cảm biến đó và chỉ nên được xem xét khi thiết kế toàn hệ thống và yêu cầu an toàn cho phép rõ ràng.

0°C đến 45°C có phải là dải sạc đúng cho mọi pin lithium không?

Không. Giới hạn nhiệt độ phụ thuộc vào cell và ứng dụng. Hướng dẫn ngành đưa ra những khái niệm vùng hoạt động hữu ích, nhưng thông số của nhà sản xuất cell lithium-ion đã chọn và thiết kế sạc đã xác nhận phải quyết định giới hạn cuối cùng.

Một NTC có thể giám sát toàn bộ bộ pin nhiều cell không?

Đôi khi có, nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Điều này phụ thuộc vào kích thước bộ pin, bố trí cell, dòng điện, làm mát và gradient nhiệt. Bộ pin lớn hơn có thể cần nhiều cảm biến nhiệt độ.

Kết luận

Bảo vệ NTC của pin lithium đơn giản về nguyên lý nhưng lại rất dễ bị quy định sai thông số.

Một nhiệt điện trở có thể rất rẻ so với phần còn lại của bộ pin, nhưng đường cong điện trở và vị trí vật lý của nó có thể ảnh hưởng đến cách hệ thống sạc diễn giải nhiệt độ pin.

Vì vậy, phương pháp thiết kế tốt nhất là xem NTC, cell pin, bộ sạc và BMS như một hệ thống điều khiển nhiệt thống nhất thay vì các bộ phận độc lập.

Bắt đầu từ điều kiện sạc cho phép của cell đã chọn. Sau đó xác nhận đường cong R/T của nhiệt điện trở, mạch cảm biến, dung sai ngưỡng và vị trí cảm biến. Cuối cùng, xác nhận toàn bộ pin đã lắp ráp trong điều kiện môi trường và điện thực tế.

Quy trình này mang lại kết quả có ý nghĩa hơn nhiều so với việc chọn một “NTC 10K” chung chung rồi cho rằng công việc đã hoàn thành.

Đang lên kế hoạch cho một bộ pin lithium tùy chỉnh?

Nếu dự án của bạn cần pin lithium-ion tùy chỉnh hoặc pin lithium-polymer có cảm biến nhiệt độ NTC, nên cung cấp ngay từ đầu quy trình thiết kế dòng sạc/xả dự kiến, môi trường hoạt động, cấu hình cell, giao diện bộ sạc hoặc BMS, định nghĩa đầu nối và các đặc tính NTC yêu cầu.

Đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi có thể xem xét các thông số này cùng với cell đã chọn và kiến trúc quản lý pin để xác định giải pháp cảm biến nhiệt độ phù hợp cho ứng dụng.

Trong trao đổi kỹ thuật, việc nêu rõ giá trị R25, giá trị Beta hoặc đường cong R/T, dung sai và dải nhiệt độ dự kiến sẽ hữu ích hơn nhiều so với chỉ yêu cầu “NTC 10K”.

Tài liệu tham khảo kỹ thuật

1. JEITA — Hướng dẫn về vùng nhiệt độ hoạt động và điều kiện sạc cho cell lithium-ion thứ cấp.

2. Texas Instruments — Tài liệu BQ25170J và các bộ sạc lithium-ion liên quan, bao gồm giám sát nhiệt điện trở NTC và đánh giá nhiệt độ pin qua chân TS.

3. Vishay BCcomponents — Tài liệu ứng dụng nhiệt điện trở NTC về đặc tính điện trở-nhiệt độ, R25, giá trị Beta và tính toán nhiệt độ.

4. TDK Electronics — Thông tin kỹ thuật chung về nhiệt điện trở NTC, bao gồm giá trị B và đặc tính điện trở-nhiệt độ.

Lưu ý kỹ thuật: Bài viết này nhằm mục đích giáo dục kỹ thuật chung. Giới hạn nhiệt độ pin, dòng sạc, điện áp sạc và ngưỡng bảo vệ phải được xác định dựa trên thông số thực tế của cell, tài liệu bộ sạc/BMS, yêu cầu thiết kế sản phẩm và các tiêu chuẩn an toàn áp dụng.