保護(hù)大電流放電的鋰電池應(yīng)用新的PPTC/雙金屬混合器件技術(shù)

  引言

　　傳統(tǒng)的針對大電流鋰離子電池應(yīng)用在如無線電動(dòng)工具、電動(dòng)車和后備電源等，其電路保護(hù)方案傾向于使用大型、復(fù)雜或昂貴的保護(hù)技術(shù)。而如今一種新的混合式技術(shù)可提供一種緊湊、穩(wěn)健的電路保護(hù)器件，使得在額定電壓超過30VDC的情況下也能正常工作。這種金屬混合PPTC器件（MHP）由一個(gè)雙金屬片保護(hù)器和一個(gè)聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）器件并聯(lián)而成。因此，既能提供可復(fù)位的過電流保護(hù)功能，又可利用PPTC器件的低電阻特性來防止雙金屬片在大電流條件下產(chǎn)生電弧，同時(shí)還能加熱雙金屬片，使其保持在打*定狀態(tài)。

　　1 混合技術(shù)——設(shè)計(jì)概念

　　大電流放電鋰離子電池組應(yīng)用要求穩(wěn)健、可靠的電路保護(hù)。市場對更輕、更小設(shè)備日益增長的需求意味著這些電池保護(hù)設(shè)計(jì)必須提供更高的可靠性，同時(shí)占用更少的空間。在這種市場趨勢下，新的MHP混合器件應(yīng)運(yùn)而生。這種器件可以用來替代許多復(fù)雜IC/FET電池保護(hù)設(shè)計(jì)中使用的放電FET和相配套的散熱器，或減少它們的數(shù)量，同時(shí)增強(qiáng)保護(hù)功能。

　　在MHP器件正常工作時(shí)，由于雙金屬片的電阻低，電流通過雙金屬片流過。當(dāng)異常情況發(fā)生時(shí)，比如電動(dòng)工具轉(zhuǎn)子閉鎖時(shí)，電路中將產(chǎn)生很大的電流，導(dǎo)致雙金屬觸點(diǎn)打開，其接觸電阻增加。此時(shí)電流將流經(jīng)電阻更低的PPTC器件。流過PPTC的電流不僅抑制了觸點(diǎn)之間電弧的產(chǎn)生，同時(shí)又能加熱雙金屬片，使其保持在打*定狀態(tài)。如圖1所示，MHP器件的動(dòng)作步驟包括：

　　a 在正常工作過程中，由于接觸電阻非常低，所以大部分電流將通過雙金屬片。

　　b 觸點(diǎn)開始打開，接觸電阻迅速上升。當(dāng)接觸電阻高于PPTC器件電阻時(shí)，大部分電流將分流至PPTC器件，流經(jīng)觸點(diǎn)的電流會很少或完全沒有，從而防止觸點(diǎn)之間產(chǎn)生電弧。當(dāng)電流分流至PPTC器件時(shí)，其電阻迅速上升，并達(dá)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于接觸電阻的水平，使PPTC溫度上升。

　　c 觸點(diǎn)打開后，PPTC器件開始對雙金屬片進(jìn)行加熱，使其保持在打開狀態(tài)，直到過電流條件消失或電源關(guān)閉為止。

圖1：MHP器件的動(dòng)作步驟。

　　PPTC器件的電阻要遠(yuǎn)低于陶瓷PTC器件電阻，也就是說即使觸點(diǎn)只打開一小部分，接觸電阻也只是略有上升，電流會被分流到PPTC器件，從而有效防止觸點(diǎn)間產(chǎn)生電弧。通常在室溫下陶瓷PTC器件和聚合物PTC器件的電阻相差約10的兩次方（x10^2），所以，當(dāng)電阻較高的陶瓷PTC器件與雙金屬并聯(lián)使用時(shí)，在抑制大電流電弧放電方面遠(yuǎn)不如MHP器件來得有效。

　　2 結(jié)合使用雙金屬和PPTC

　　圖2a和2b顯示了只使用一個(gè)雙金屬保護(hù)器時(shí)的電流和電壓情況。圖2a顯示了雙金屬保護(hù)器在24VDC/20A額定條件下的典型打開情況。它在1.28毫秒后打開。圖2b顯示了雙金屬保護(hù)器在兩倍額定電壓條件下的表現(xiàn)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的雙金屬保護(hù)器在故障條件下產(chǎn)生電弧，從觸點(diǎn)開始打開到觸點(diǎn)粘連（短路）的時(shí)間是334毫秒。

圖2a：在兩倍額定電壓條件下的雙金屬保護(hù)器特性。    圖2b：在額定電壓條件下的雙金屬保護(hù)器特性。

　　圖3顯示了并聯(lián)使用PPTC器件和雙金屬保護(hù)器的結(jié)果——電流被明顯切斷。從雙金屬保護(hù)器開始動(dòng)作到PPTC器件被完全激活的時(shí)間是*8毫秒，見圖3的左圖。圖3的右圖表明，當(dāng)施加的電壓兩倍于額定電壓時(shí)，從保護(hù)器開始動(dòng)作到電流被切斷的時(shí)間是4.8微秒。

　　結(jié)合圖3中的兩幅圖像，我們可以看到電流從雙金屬保護(hù)器向PPTC器件的平穩(wěn)過渡，保護(hù)器觸點(diǎn)不會產(chǎn)生粘連，我們還可看到PPTC器件如何幫助防止觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧。

　圖3：在兩倍于額定電壓的條件下并聯(lián)使用PPTC器件和雙金屬保護(hù)器。

　　3 觸點(diǎn)尺寸和電阻值

　　典型的雙金屬保護(hù)器上只有一個(gè)觸點(diǎn)，所以其耐壓能力并不強(qiáng)。在單觸點(diǎn)設(shè)計(jì)中，較大的電流所需的觸點(diǎn)尺寸會很大。為了解決這個(gè)問題，MHP器件采用“雙閉合/雙斷開”觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，從而大大縮小了裝置尺寸。該技術(shù)相對于常用雙金屬保護(hù)器而言具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

　　a 由于電流路徑極短，所以器件的電阻非常低

　　b 只有接觸點(diǎn)才會產(chǎn)生熱點(diǎn)，從而可以使用熱控制方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的熱激活

　　c 它使MHP器件相對于額定參數(shù)相當(dāng)?shù)钠渌麛嗦菲鞫钥梢愿泳o