中心論題：

• 分析鋰電池組電路保護(hù)設(shè)計(jì)的考慮因素
• 闡釋PPTC的操作原理
• 強(qiáng)調(diào)PPTC對(duì)鋰離子電池組的過(guò)充保護(hù)重要性及原理

解決方案：

• PPTC器件具有可重復(fù)使用功能、低電阻值與增強(qiáng)的溫度保護(hù)特性
• PPTC器件是目前電池電路保護(hù)方面最有效果的方法

隨著對(duì)便攜式設(shè)備更長(zhǎng)運(yùn)作時(shí)間、小尺寸及重量等需求日增,促使業(yè)界不斷朝體積更小、更輕的鋰離子及鋰聚合物電池發(fā)展,同時(shí)要具備更高能量密度與更快的充電速率。由于數(shù)字無(wú)線電話(huà)、數(shù)碼相機(jī)等對(duì)脈沖電流供應(yīng)的需求增加,電池充電速率與內(nèi)部阻抗也成為重要課題。

池化學(xué)物具有較高的能量密度與充電速率,使電池電路保護(hù)設(shè)計(jì)變得很復(fù)雜。 以二次充電鋰化學(xué)物為基礎(chǔ)的電池和電池盒,對(duì)過(guò)電流/過(guò)溫狀態(tài)特別敏感,這種狀況是由意外短路、濫用或難以控制的充電所致,使電池溫度升高,導(dǎo)致電池受損或設(shè)備故障。

金屬物體(如筆記本用蝴蝶夾或鑰匙環(huán))連接于電池盒外漏的端點(diǎn)，就會(huì)造成意外短路而導(dǎo)致溫度過(guò)高,造成其它組件及外圍材料的損壞，甚至燃燒。UL電氣規(guī)范規(guī)定了電池盒所供應(yīng)的最大電流及短路的承受時(shí)間。

電池盒過(guò)度充電，一方面是由于不穩(wěn)定充電導(dǎo)致,如充電器充滿(mǎn)電而無(wú)法停止充電電流。另一方面,充電不當(dāng),如電池盒反向充電或由不匹配的充電器充電,也可能引起重要的設(shè)備受損。

 
圖1  過(guò)電流或過(guò)溫狀況下,PPTC組件的保護(hù)原理
 
圖2 針對(duì) PolySwitch SRP,VTP及VLR聚合物的PTC材料使用的無(wú)源阻抗 vs, 溫度曲線

圖3  動(dòng)作時(shí)間作為VLR170在不受限制的空氣中,接上電池,其故障電流的函數(shù)
 
圖4  動(dòng)作時(shí)間作為兩者皆為正常和長(zhǎng)帶狀接腳VLR230 和 VLR170故障電流的函數(shù)

圖5 典型單顆鋰離子電池盒的保護(hù)電路

電路保護(hù)設(shè)計(jì)的考慮
電池盒可利用半導(dǎo)體和無(wú)源電路保護(hù)組件,對(duì)短路及過(guò)度充電的情況加以保護(hù)。在鋰離子及鋰聚合物電池盒中,對(duì)于無(wú)源電路保護(hù)組件的選擇,是采用低操作溫度、低電阻值的聚合物PTC組件,如PolySwitch  VTP 或 VLR 組件。

早期電路設(shè)計(jì)使用一次性保險(xiǎn)絲,來(lái)提供過(guò)電流保護(hù)。但是,由于大多數(shù)電池盒的故障情況都相當(dāng)罕見(jiàn)或是間歇性事件,自復(fù)式保護(hù)方式成了更佳選擇。

雙片金屬電路斷路器是一種可自復(fù)的限流組件,但由于電子機(jī)械式特點(diǎn),容易出現(xiàn)接點(diǎn)電弧及磨損。陶瓷式PTC組件也提供自復(fù)式保護(hù),但是它們的電阻值較高,而且動(dòng)作時(shí)間較慢。低阻值對(duì)于大型設(shè)備的通話(huà)時(shí)間而言非常重要。

聚合物式正向溫度系數(shù)(PPTC)組件由于具有可重復(fù)使用功能、低電阻值與增強(qiáng)的溫度保護(hù)特性,是目前電池電路保護(hù)方面最有效果的方法。

PPTC操作原理
PPTC電路保護(hù)組件是以特殊塑料及傳導(dǎo)性粒子混合而成的傳導(dǎo)式聚合物,如圖1所示。在常溫下,該傳導(dǎo)性粒子會(huì)在聚合物中形成低阻值鏈路,當(dāng)溫度上升超過(guò)該組件的切換溫度時(shí),聚合物中的微晶粒就會(huì)熔化,變成非結(jié)晶狀。當(dāng)微晶粒階段熔化期間數(shù)量增加時(shí),會(huì)使傳導(dǎo)性粒子分離,導(dǎo)致該組件內(nèi)阻抗呈非線性增加。產(chǎn)生熱的原因是由于周?chē)h(huán)境或電池溫度上升所致,也可能受到過(guò)電流狀態(tài)下阻抗加熱引起,或是因前述不當(dāng)?shù)某潆姰a(chǎn)生。

短路保護(hù)原理
對(duì)任何電池盒電路保護(hù)組件而言,保護(hù)電池避免短路故障的關(guān)鍵在于限制故障電路所需的時(shí)間,即所謂的動(dòng)作時(shí)間(time-to-trip,即TtT)。雖然中斷電流的機(jī)械裝置有很多種,但所有無(wú)源電子測(cè)溫組件所操作的切換溫度(TSw)及該類(lèi)組件達(dá)到切換溫度的方法,卻是相同的。在故障發(fā)生期間,組件內(nèi)部的熱產(chǎn)生速度比以下溫度公式所示的周?chē)纳⒏?
 
(熱累加)=(熱進(jìn))-(熱出)   (1)

對(duì)高故障電流而言, 公式的(熱出)部分是無(wú)關(guān)緊要的,因此TtT主要依賴(lài)熱產(chǎn)生比例,該組件的熱的主要部分與溫度的改變。決定公式的基本要件是:

dH=(T-Ta)•Cp     (2)

dH=P•t=I2•R•t    (3)

兩式合并成：

(T-Ta)•Cp =I2•R•t    (4)

式dH為熱改變,T為組件溫度,Ta為周?chē)鷾囟?Cp為組件熱容量,P為功率,I為故障電流,R為組件阻抗, t為時(shí)間。

但是,由于PPTC 組件的阻抗為一溫度低于TSw  的漸增函數(shù),因此公式(4)變成:
 
(T-Ta)•Cp =I2•R(T)•t   (5)

由此得知時(shí)間為

t=(T-Ta)•Cp/(I2•R(T))    (6)

在低故障電流(接近動(dòng)作電流)下,溫度公式中(熱出)的部分也同樣重要。決定熱耗損的指定公式頗為復(fù)雜,但有一簡(jiǎn)化公式顯示重要系數(shù):

dH=b•(T-Ta)•k•A     (7)

式中b 為 常數(shù),k為熱轉(zhuǎn)換系數(shù),且A為組件表面面積。將此(熱出)公式與公式(5)合并得出:

t=(T-Ta)•[(Cp/(I2•R(T)))-(b•k•A)] (8)

合此式,得出從Ta 到 TSw 動(dòng)作時(shí)間。此式的重要性在于一已知的起始阻抗低切換溫度聚合物PTC組件,在故障期間提供更快速的動(dòng)作時(shí)間,見(jiàn)圖2。當(dāng)組件接近切換溫度時(shí),該組件的阻抗增加,因此所產(chǎn)生的熱更具效率;切換溫度較低,因此在較短時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到所需的溫度變化。

為了降低TtT,溫度公式的(熱出)部分必須減至最小。這必須使用小型組件及降低溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)VTP和VLR組件每個(gè)外型,雖然VLR組件阻抗比VTP組件要低,但其能在故障電流到達(dá)額定電流時(shí),提供短路保護(hù)功能。

圖3 所示為室溫下,將組件放在接上電池的溫度接點(diǎn)上TtT使溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)增加的結(jié)果。由此可見(jiàn), 緊密接上電池的溫度接點(diǎn)在邊緣增加TtT,但只有在故障電流時(shí)低于10A。

圖4顯示使用帶狀接腳(它們可能用在電池盒中),降低溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)的結(jié)果。比較指出,帶狀接腳能在故障電流接近組件特定動(dòng)作電流時(shí),降低TtT,但此結(jié)果在較高電流時(shí)并不存在。

圖6因不當(dāng)過(guò)度充電引起的,鋰離子電池溫度上升,當(dāng)使用PolySwitch VTP PPTC組件時(shí),溫度明顯降低


圖7同值的VLR及VTP組件,在不限定溫度、1安培下的熱截止(TCO)


圖8  同值的PolySwitch VLR及VTP組件,在以熱接點(diǎn)接到電池上時(shí)、1A下的熱截止(TCO)

過(guò)充保護(hù)重要性及原理
PPTC提供鋰離子電池過(guò)充電保護(hù)的重要性
鋰離子電池盒一般包括有源過(guò)壓及過(guò)電流檢測(cè)安全電路(IC和MOEFET),以及串聯(lián)聚合物PTC組件,如圖5所示。若PPTC組件有低溫操作特性,在電池溫持續(xù)升高的情況下,它將以切斷充電或放電來(lái)提供過(guò)溫度保護(hù)。雖然半導(dǎo)體電路很可靠,在某些情況下故障也可能發(fā)生,例如靜電過(guò)度放電,高溫或在短路情況下的震動(dòng)等。

若電路中無(wú)過(guò)溫保護(hù),并且各種過(guò)壓電路都無(wú)作用,由于過(guò)充電或充電電路設(shè)計(jì)不良導(dǎo)致內(nèi)部損害,可能會(huì)因電池破裂造成電池盒漏氣,冒煙甚或起火。電池溫度過(guò)高是充電不當(dāng)?shù)那闆r之一,是電池盒設(shè)計(jì)者最關(guān)心的問(wèn)題所在。