Giải pháp giám sát nhiệt độ pin bằng tải điện tử

Giải pháp giám sát nhiệt độ kiểm tra pin sử dụng tải điện tử DC mô phỏng thiết bị NTC

Cách sử dụng tải DC có thể lập trình để mô phỏng các cảm biến nhiệt độ dùng trong hệ thống quản lý pin BMS.

Hiện nay, pin li-ion đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị cầm tay từ điện thoại, laptop, và máy tính bảng đến các phương tiện như xe đạp, xe trượt và ô tô. Tất cả những thiết bị và phương tiện trên đều đang có đà tăng trưởng nhanh chóng. Phần lớn chúng đều sử dụng công nghệ pin li-ion vì loại pin này sở hữu mật độ năng lượng lớn hơn hẳn các loại pin khác. Tuy nhiên, nếu pin li-ion bị sạc quá mức dù ở nhiệt độ thấp hay cao thì cũng đều dấy lên quan ngại về độ an toàn. Do các sự cố về pin bắt lửa trong các thiết bị và phương tiên nêu trên được ghi lại rộng rãi nên yếu tố an toàn khi sạc pin đã trở thành một trong những điều kiện thiết kế quan trọng nhất đối với các thiết bị bỏ túi. Chính vì vậy, Hiệp hội ngành công nghiệp công nghệ thông tin và thiết bị điện tử Nhật bản (JEITA) đã công bố những tiêu chuẩn để cải thiện độ an toàn sạc pin. Cụ thể, các giải pháp an toàn cho bộ sạc pin dành cho máy tính bảng và các thiết bị cầm tay đơn cực sẽ được giới thiệu và mô tả ở bên dưới.

Để hỗ trợ cho việc kiểm tra tiêu chuẩn an toàn pin của JEITA, hãng Prodigit đã phát triển giải pháp mô phỏng nhiệt độ thấp và cao ứng dụng trong giám sát những khối pin mà hệ thống quản lý pin của chúng có tích hợp các nhiệt điện trở NTC. Nhiệt điện trở là các điện trở với hệ số nhiệt độ âm (NTC là viết tắt của Negative Temperature Coefficient). Chúng cung cấp cho hệ thống quản lý pin BMS dữ liệu nhiệt độ với độ chính xác cao, nhanh chóng và tiện lợi.

Nhiệt điện trở NTC là điện trở trong đó điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ. Từ “Negative” ở đây thể hiện giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, quan sát đồ thị bên dưới. Thông qua việc đo giá trị của điện trở NTC được tích hợp trong khối pin mà sự thay đổi nhiệt độ của khối pin có thể được giám sát chặt chẽ. Thông thường các nhà sản xuất pin sẽ chọn điện trở NTC với trị số 10K ohm ở 25 độ C để dò nội nhiệt pin. Các con trở này được gắn trên vị trí nhạy cảm nhất của mạch bảo vệ để có thể dò nội nhiệt pin tại bất kỳ thời điểm nào. Điều này cho phép mạch bảo vệ pin kiểm soát hiệu quả hoạt động sạc/xả pin, đảm bảo pin hoạt động trong vùng an toàn.

Như đã nêu, pin li-ion đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị cầm tay từ điện thoại, laptop, và máy tính bảng đến các sản phẩm điện tử khác. Trong số các loại pin hiện hành có thể sạc được, pin lithium sở hữu mật độ năng lượng dày nhất và lớn nhất. Và pin lithium cũng không hề có hiệu ứng bộ nhớ quá trình sạc xả và có thể duy trì mức năng lượng ổn định.

Trong vài năm gần đây đã có một số phản ánh về việc pin laptop và smartphone gặp sự cố như cháy nổ, khiến cho các nhà sản xuất buộc phải thu rồi rất rất nhiều các sản phẩm trước đó đã được bày bán rộng rãi. Việc pin bắt lửa dẫn tới cháy nổ bắt nguồn từ tình trạng bất ổn nhiệt (thermal runaway conditions), trong đó tính chất của pin bị mất kiểm soát. Khi tình trạng này xảy ra, nội nhiệt pin có thể lên tới 175 độ C, sau đó trong pin xảy ra phản ứng phóng nhiệt dẫn tới cháy nổ khi đang sạc. Hình 1 mô tả dòng và điện áp sạc theo hàm thời gian, thường được sử dụng phổ biến trong các hệ thống quản lý pin BMS đời đầu. Tình trạng bất ổn nhiệt rất dễ khiến các mạch sạc pin bị hỏng. Khi nhiệt độ pin nằm trong khoảng 0-45 độ C, dòng và điện áp sạc của pin đều không đổi. Nhiệt độ pin tăng cao có thể khiến pin nhanh bị chai và tăng nguy cơ hỏng pin. 

Nhằm cải thiện độ an toàn cho mạch sạc pin, JEITA cùng với Hiệp hội pin Nhật Bản đã biên soạn bộ quy định an toàn vào ngày 20/4/2007. Bộ quy định nhấn mạnh sự cần thiết của việc tránh sử dụng dòng và điện áp sạc cao trong dải nhiệt độ thấp và cao nhất định. Hiệp hội JEITA tin rằng các vấn đề của pin lithium đều phát sinh dưới điều kiện điện áp sạc và nhiệt độ pin cao. Hình 2 mô tả quy định của JEITA về điện áp và dòng sạc ở mức giới hạn nhiệt độ của pin áp dụng cho máy tính notebook.

Ngoài dải nhiệt độ sạc tiêu chuẩn (T2 tới T3), người dùng có thể sạc pin lithium an toàn với điện áp và dòng sạc vượt giới hạn trên trong điều kiện tối ưu theo nhà SX khuyến cáo.

Sạc nhiệt độ thấp

Nếu trong quá trình sạc mà nhiệt độ pin thấp hơn T2, phản ứng trong pin sẽ sinh nhiệt, gây ra hiện tượng bất ổn nhiệt. Vì vậy, khi ở sạc ở nhiệt độ thấp bắt buộc phải giảm dòng và điện áp sạc. Nếu nhiệt độ giảm xuống T1 (0 độ C), mạch bảo vệ pin khi đó sẽ ngắt sạc hoàn toàn.

Sạc nhiệt độ cao

Nếu nhiệt độ pin vượt mức T3 (45 độ C) khi đang sạc, trong pin sẽ xảy ra phản ứng hóa học đồng thời điện áp pin tăng. Nếu nhiệt độ pin tăng tới T4, mạch bảo vệ pin BMS sẽ ngắt sạc. Nếu nhiệt độ vẫn tiếp tục tăng tới mức 175 độ C ở điện áp 4.3V sẽ gây ra hiện tượng bất ổn nhiệt và pin có thể phát nổ. 

Hình 3 mô tả quy định của JEITA đối với việc sạc pin lithium trong các thiết bị bỏ túi trong đó điện áp và dòng sạc cũng là một hàm của nhiệt độ pin. Điện áp sạc cực đại thể hiện mức điện áp ra cực đại của bộ sạc pin. Người dùng có thể sạc pin lên mức 60 độ C với điện áp sạc thấp để đảm bảo an toàn.

Các khối pin thông minh thường có hệ thống quản lý pin và bộ đo dung lượng như trong các khối pin dùng cho laptop. Bộ đo dung lượng cung cấp các thông tin như điện áp pin, dòng sạc/xả, nhiệt độ pin, dung lượng còn lại, thời gian thực thi thông qua SMBus để tối ưu hóa hiệu năng của mạch. Dựa theo bộ quy định của JEITA về dòng và điện áp sạc cho pin, người dùng có thể cài đặt nhiệt độ tới hạn để đáp ứng theo từng tiêu chuẩn cụ thể. 

Khối pin đơn dùng trong các thiết bị bỏ túi bao gồm một cell và hệ thống quản lý pin sử dụng bộ sạc để kiểm soát nhiệt độ pin và điều chỉnh điện áp và dòng sạc. 

Bộ sạc đơn pin được thiết kế để đáp ứng quy định về các thiết bị bỏ túi của JEITA. Khi nhiệt độ pin trong khoảng 0 – 10 độ C, dòng sạc có thể bị giới hạn xuống còn nửa. Và khi nhiệt độ pin trong khoảng 45 đến 60 độ C, điện áp sạc có thể giảm tới 4,0V. Bộ sạc giám sát nhiệt độ pin qua nhiệt điện trở (TS) rồi điều chỉnh dòng lẫn điện áp sạc khi nhiệt độ chạm ngưỡng.

Do an toàn khi sạc pin lithium là một vấn đề rất quan trọng, nên đây là thông số được quan tâm hàng đầu khi thiết kế bộ sạc. Theo khuyến cáo của JEITA, độ an toàn sạc pin có thể được cải thiện đáng kể khi giảm dòng sạc và điện áp sạc cả trong điều kiện nhiệt độ thấp và cao. 

Nguồn mô phỏng NTC thế hệ mới của Prodigit có thể mô phỏng sự biến thiên giá trị điện trở NTC. Nguồn có các dải đo từ 100Ω đến 500KΩ, tương ứng với mức biến thiên nhiệt độ từ 46 đến 179 độ C. Nguồn mô phỏng NTC đóng vai trò như hộp điện trở chuẩn - cấu tạo gồm nhiều điện trở chính xác - có thể cho đầu ra giá trị nhiệt điện trở theo yêu cầu. Nếu nguồn mô phỏng NTC được nối với giao diện NTC của bộ sạc, nguồn có thể mô phỏng các điều kiện sạc nhiệt độ thấp (0 độ C) hoặc cao. Điều này cho phép người dùng kiểm tra liệu bộ sạc có ngắt sạc theo đúng yêu cầu thiết kế không. Ngoài ra, nguồn có thể mô phỏng trạng thái khi nhiệt độ quay về dải nhiệt độ được cài đặt sẵn trong nguồn, chẳng hạn 0 lên 5 độ C rồi quay về chế độ sạc bình thường. Bảng dưới đây mô tả những mục cần kiểm tra trên bộ sạc trong điều kiện nhiệt độ thay đổi.

Bài kiểm tra chất lượng bộ sạc pin sử dụng đầu vào nhiệt độ của nhiệt điện trở được mô tả như bên dưới, trong đó trở 10KΩ sử dụng trong điều kiện nhiệt độ bình thường, trở 33K dùng để mô phỏng nhiệt độ thấp (0 độ C), và trở 4k7 để mô phỏng nhiệt độ cao (45 độ C).

Phần bên dưới mô tả cài đặt option cho điện trở NTC trên thân máy 3302F. Người dùng có thể trực tiếp thao tác trên bảng điều khiển ở mặt trước của nguồn tải điện tử series 3310F:

Nhấn Config để vào chế độ Config, Led hiển thị ON, thứ tự cài đặt NTC được mô tả như bên dưới:

Các giá trị NTC cài theo giá trị điện trở. Giá trị ban đầu là 10KΩ. Khi cài đặt được thay đổi, giá trị cài đặt sẽ nháy. Nhấn Knob Up để để tăng giá trị, Knob Down để giảm giá trị cài đặt, hoặc dùng núm vặn để thay đổi giá trị trong khoảng từ OFF tới 500KΩ. Giá trị điện trở NTC thấp nhất có thể cài đặt là 100Ω. Khoảng dừng cài đặt của nút bấm và vút vặn là 100.

Cài giá trị trở NTC là 10KΩ. Đầu ra NTC dành cho đầu kết nối chuẩn DSUB-15PIN nằm ở đằng sau thân máy tải điện tử 3302F. Sử dụng đồng hồ vạn năng để đo giá trị trở giữa chân 9 và 11 ở hai đầu của đầu kết nối DSUB-15PIN. Hình bên trái mô tả giá trị đã cài đặt còn bên trái mô tả giá trị thực đo.

Cài giá trị trở NTC là 500Ω. Đầu ra NTC dành cho đầu kết nối chuẩn DSUB-15PIN nằm ở đằng sau thân máy tải điện tử 3302F. Sử dụng đồng hồ vạn năng để đo giá trị trở giữa chân 9 và 11 ở hai đầu của đầu kết nối DSUB-15PIN. Hình bên trái mô tả giá trị đã cài đặt còn bên trái mô tả giá trị thực đo.

Bài kiểm tra được minh họa theo bảng bên dưới. Các bước kiểm tra ban đầu đòi hỏi thay đổi điện trở. Tuy nhiên, khi dùng máy 3302F và 3311F với chức năng NTC thì không cần thay đổi thủ công các điện trở. Thứ tự các bước kiểm tra như dưới đây:

1. Cài Config. NTC, 10KΩ, (pin sạc đầy) lưu là Memory 1.

2. Cài Config. NTC, 10KΩ, CV 7V, Tải ON, (sạc thông thường) lưu là Memory 2.

3. Cài Config. 33KΩ, CV 7V, Tải ON, (báo động nhiệt độ thấp) lưu là Memory 3.

4. Cài Config. NTC 4,7KΩ, CV 7V, Tải ON, (báo động nhiệt độ cao) lưu là Memory 4.

5. Cài Config. NTC 10KΩ, CV 7V, Tải ON, (Chức năng kiểm tra độ gợn và hiệu suất) lưu là Memory 5.

6. Cài Config. NTC 10KΩ, Tải ON, (Chức năng kiểm tra dòng rò) lưu là Memory 6.

7. Cài Config. NTC 10KΩ, CC 300mA, Tải ON, (kiểm tra khả năng tăng áp của mạch) lưu là Memory 7.

8. Truy xuất lại các giá trị lưu 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 là hoàn tất kiểm tra mô phỏng trở nhiệt NTC.

Khi cần kiểm tra mô phỏng NTC cho các bộ sạc pin hoặc kiểm tra hệ thống bảo vệ pin BMS, người dùng có thể mua thân máy 3302F và cài option mô đun NTC để đáp ứng yêu cầu kiểm tra. Hệ thống kiểm tra 010F của chúng tôi cũng có chức năng kiểm tra mô phỏng NTC tương tự. Quý khách vui lòng liên hệ bộ phận bán hàng của Prodigit để biết thêm chi tiết.

Hãy ghé thăm chúng tôi !