6010电池充电器ATE与6020电池BMS ATE提供NTC测试的解决方案

6010电池充电器ATE与6020电池BMS ATE提供NTC测试的解决方案

目前市面上笔电、平板、手机、行动电源等手持装置，甚至电动自行车、机车与汽车使用锂电池(Li-ion battery) 已经非常普遍，锂电池在高温及低温下过度充电，会对使用者造成危险。因此电池安全充电，已成为电池供电的可携式设备中最重要的设计规范之一，日本电子资讯技术产业协会(Japan Electronics Information Technology Association；JEITA)即公布标准以增进电池充电安全性。以下介绍笔记型电脑和单一电池手持装置应用中，符合JEITA安全规范的电池充电器解决方案。

博计6010 电池充电器ATE与6020电池BMS ATE开发完成高温/低温的温度模拟装置可对电池模组(Battery Pack)，电池管理系统BMS(battery Management System)中的温度监控感知器–热敏电阻，负温度系数电阻(Negative Temperature Coefficient 简称NTC)，提供各种温度模拟，对于充电器的温度测试验证非常精确、迅速、方便。 NTC模拟器的NTC模组可以安装在3302F电子负载机框内，6010 ATE的99093专用测试治具内及6020电池BMS ATE的99096 BMS板测试治具内。

1. 在研发测试阶段，3302机框可选购NTC模组搭配3310F系列电子负载，就可以在电子负载上操作，设定NTC的电阻值来模拟NTC的温度变化。
2. 于6010充电器ATE上，在99093专用测试治具选购NTC模组，便可以在6010 ATE上编辑设定及执行测试。
3. 在6020电池BMS ATE上，于99096 BMS板测试治具选购NTC模组，便可以在6020 BMS ATE上编辑设定与执行测试。

负温度系数电阻(Negative Temperature Coefficient 简称NTC)是个电阻器，其电阻值会随温度而变化，负温度系数电阻NTC就是电阻值会随温度升高而降低，如下图所示，因此NTC电阻值就可对应出温度的变化，业界一般都使用10K欧姆（在25℃时的电阻值）的NTC来感测电池的温度，可以将NTC电阻安装于电池组内温度最敏感的位置，所以能够随时提供电池的温度给电池BMS，BMS便能够有效地控制电池的充电与放电，确保电池安全无虞。

电池充电器安全与JEITA规范

锂电池广泛应用于消费电子产品中，从手机到笔记型电脑。在众多可充电电池中，其拥有最高容量和重量能量密度，且不具记忆效应，可提供系统需要的恒定电能。
新闻曾报导笔记型电脑爆炸，也听说过因电池安全问题所出现的大规模的召回事件。

高温、起火和爆炸都是热崩溃(thermal runaway)的结果，即电池进入失控状态。在热崩溃(thermal runaway)过程中，电池内部温度高达约175°C，出现不可逆的高度放热反应，因此在电池充电时引起火灾。图1显示经常用于早期锂电池充电系统的充电电流和充电电压过温，这些系统很容易出现热崩溃(thermal runaway)。在0到45°C电池温度下，电池充电电流和充电电压均为恒定。较高的电池温度会加速电池老化，也会增加电池故障的风险。

图1 早期锂电池充电系统的充电电流上限和充电电压

为了提高锂电池充电的安全性，JEITA和日本电池协会(Battery Association of Japa)在2007年4月20日颁布安全规范。此规范强调在某些低高温范围内，避免使用高充电电流和高充电电压。 JEITA认为，锂电池问题均出现在高充电电压和高电池温度下。图2显示笔记型电脑中所使用的电池温度下，充电电流和充电电压的JEITA规范。

图2 笔记型电脑中所使用的锂离子电池充电电流和充电电压的JEITA规范

在标准充电温度范围(T2到T3)内，使用者可在电池制造厂商建议的上限充电电压和上限充电电流最佳状态下，安全地对锂电池充电。

低温充电

如果充电期间电池的表面温度低于 T2，锂电池内部的化学反应会产生大量热能，产生热崩溃(thermal runaway)。因此，在低电池温度下，充电电流和充电电压均须降低。如果温度降低至T1(例如：0°C)，则系统不应再允许充电。

高温充电

如果充电期间电池表面温度升至T3以上(例如：45°C)，在电池电压升高时与电解质产生化学反应。如果电池温度进一步升高至 T4，则系统应禁止充电。如果电池温度达到4.3V电池电压下的175°C，则可能会出现热崩溃(thermal runaway)，而且电池可能会爆炸。
同样地，图3显示单节电池手持应用中锂电池充电的JEITA规范，其充电电流和充电电压也为电池温度的函数。 4.25V最大充电电压是电池充电器的最大容限。使用者可在高达60°C的温度下，以低充电电压充电，确保安全性。

图3 单节电池手持应用中锂电池充电的JEITA规范

符合JEITA规范的电池充电器解决方案

智慧电池组包含电量计和保护电路，时常用于笔记型电脑中。电量计透过SMBus向系统提供电池电压、充电和放电电流、电池温度、剩余电量及可执行时间等资讯，以优化系统效能。基于JEITA对电池充电电流和充电电压的规范，温度阈值可由使用者以程式设定，满足不同应用的各种规范。
单节电池型可携式设备的电池组通常具有电池和安全保护电路，使用充电器来监测电池温度，并对充电电压和电流进行调节。
单节线性电池充电器为满足手持设备的JEITA规范设计。电池温度位于0°C和10°C之间时，可将充电电流降低一半，电池温度为45°C和60°C之间时，把充电电压降至4.06V。充电器透过热敏电阻 (thermistor；TS)接脚，监控电池温度，在温度达到阈值时调节充电电流和电压。
锂电池安全充电至关重要，其已经成为充电器设计的关键规范之一。按照JEITA建议，降低低温和高温下的充电电流和电压，可大幅提高电池充电安全性。

NTC 模组

博计的NTC 模拟器可以模拟NTC 电阻值变化，电阻值为100Ω~500KΩ，相当于-46℃ ~+179℃温度变化，NTC 模拟器就像标准电阻箱，使用多个精确的电阻组成，能够依需要自动输出所需温度的电阻值，因此将NTC模拟器连接往充电器的NTC接口，便能够模拟低温(0℃)或高温下，电器是否能够依设计停止充电，除此之外还可模拟当温度回复到可用温度时，如0℃回复到5℃或回复到能够正常充电的能力，下表是一般充电器对温度变化时所需的测试项目

下图说明6010的测试功能设定画面及结果画面

正常温度(25℃)充电测试

低温报警(约0℃)测试

高温报警测试

6020 電池 BMS 自動測試系統

2020-05-15

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