鉅大LARGE | 點擊量：1020次 | 2020年02月27日
PPTC組件在鋰離子電池組短路及過充電保護中的應用
隨著對便攜式設備更長運作時間、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，同時要具備更高能量密度與更快的充電速率。由于數字無線電話、數碼相機等對脈沖電流供應的需求增加，電池充電速率與內部阻抗也成為重要課題。
電池化學物具有較高的能量密度與充電速率，使電池電路保護設計變得很復雜。以二次充電鋰化學物為基礎的電池和電池盒，對過電流/過溫狀態(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，導致電池受損或設備故障。
當金屬物體(如筆記本用蝴蝶夾或鑰匙環(huán))連接于電池盒外漏的端點，就會造成意外短路而導致溫度過高，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)定了電池盒所供應的最大電流及短路的承受時間。
電池盒過度充電，一方面是由于不穩(wěn)定充電導致，如充電器充滿電而無法停止充電電流。另一方面，充電不當，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備受損。
電路保護設計的考慮
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
電池盒可利用半導體和無源電路保護組件，對短路及過度充電的情況加以保護。在鋰離子及鋰聚合物電池盒中，對于無源電路保護組件的選擇，是采用低操作溫度、低電阻值的聚合物pTC組件，如polySwitchVTp或VLR組件。
早期電路設計使用一次性保險絲，來提供過電流保護。但是，由于大多數電池盒的故障情況都相當罕見或是間歇性事件，自復式保護方式成了更佳選擇。
雙片金屬電路斷路器是一種可自復的限流組件，但由于電子機械式特點，容易出現接點電弧及磨損。陶瓷式pTC組件也提供自復式保護，但是它們的電阻值較高，而且動作時間較慢。低阻值對于大型設備的通話時間而言非常重要。
聚合物式正向溫度系數(ppTC)組件由于具有可重復使用功能、低電阻值與增強的溫度保護特性，是目前電池電路保護方面最有效果的方法。
ppTC操作原理
ppTC電路保護組件是以特殊塑料及傳導性粒子混合而成的傳導式聚合物，如圖1所示。在常溫下，該傳導性粒子會在聚合物中形成低阻值鏈路，當溫度上升超過該組件的切換溫度時，聚合物中的微晶粒就會熔化，變成非結晶狀。當微晶粒階段熔化期間數量增加時，會使傳導性粒子分離，導致該組件內阻抗呈非線性增加。產生熱的原因是由于周圍環(huán)境或電池溫度上升所致，也可能受到過電流狀態(tài)下阻抗加熱引起，或是因前述不當的充電產生。
短路保護原理
對任何電池盒電路保護組件而言，保護電池避免短路故障的關鍵在于限制故障電路所需的時間，即所謂的動作時間(TIme-to-trip，即TtT)。雖然中斷電流的機械裝置有很多種，但所有無源電子測溫組件所操作的切換溫度(TSw)及該類組件達到切換溫度的方法，卻是相同的。在故障發(fā)生期間，組件內部的熱產生速度比以下溫度公式所示的周圍耗散更快:
(熱累加)=(熱進)-(熱出)(1)
對高故障電流而言，公式的(熱出)部分是無關緊要的，因此TtT主要依賴熱產生比例，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)
式中:dH為熱改變,T為組件溫度，Ta為周圍溫度，Cp為組件熱容量，p為功率,I為故障電流，R為組件阻抗，t為時間。
但是，由于ppTC組件的阻抗為一溫度低于TSw的漸增函數，因此公式(4)變成:
(T-Ta)·Cp=I2·R(T)·t(5)
由此得知時間為
t=(T-Ta)·Cp/(I2·R(T))(6)
在低故障電流(接近動作電流)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雜，但有一簡化公式顯示重要系數:
dH=b·(T-Ta)·k·A(7)
式中b為常數，k為熱轉換系數，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)
整合此式，得出從Ta到TSw動作時間。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作時間，見圖2。當組件接近切換溫度時，該組件的阻抗增加，因此所產生的熱更具效率；切換溫度較低，因此在較短時間內就能達到所需的溫度變化。
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換系數來實現。針對VTp和VLR組件每個外型，雖然VLR組件阻抗比VTp組件要低，但其能在故障電流到達額定電流時，提供短路保護功能。
過充保護重要性及原理
ppTC提供鋰離子電池過充電保護的重要性
鋰離子電池盒一般包括有源過壓及過電流檢測安全電路(IC和MOEFET)，以及串聯聚合物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提供過溫度保護。雖然半導體電路很可靠，在某些情況下故障也可能發(fā)生，例如靜電過度放電，高溫或在短路情況下的震動等。
若電路中無過溫保護，并且各種過壓電路都無作用，由于過充電或充電電路設計不良導致內部損害，可能會因電池破裂造成電池盒漏氣，冒煙甚或起火。電池溫度過高是充電不當的情況之一，是電池盒設計者最關心的問題所在。
低溫ppTC在溫度上升過高時，可以截斷電池的充電電流。不管溫度上升是由于外部短路或不當充電，串聯在電池盒內部電池上的ppTC帶裝組件提供過電流及過溫雙重保護，可以省卻溫度保險絲或雙片金屬斷路器。
圖6顯示不當過度充電時，溫度急劇升高的情形，VTp低溫ppTC組件將鋰離子電池充電電流中斷。只有ppTC組件具有低切換溫度，才可避免鋰離子過度充電。高切換溫度的ppTC(>95℃)不能在電池溫度過高時，阻斷充電電流。
polySwitchVTp組件在75℃時動作，變?yōu)楦咦杩?，阻止電池溫度快速升?/p>
ppTC過充保護原理
不當充電期間，高電壓會加在電池上。ppTC組件內部的充電電流會產生熱，同時，化學反應也會生熱。根據公式(6)，熱流在兩個物體之間產生。低阻抗ppTC組件內部產生的熱非常低，不會影響電池的溫度，但對于該組件周圍溫度會產生較大影響。當電池溫度上升(Ta=Tcell)，根據公式(6)，熱會流進ppTC組件中并快速累積起來，最后導致該組件動作(Trip)。一旦被觸發(fā)動作，充電器電壓通過ppTC組件就會降低，而非電池，由于ppTC觸發(fā)動作，電池因此保持冷溫。
瑞侃電路保護系列開發(fā)了一種測試方式，稱為熱截止(thermalcutoff)，來仿真ppTC組件在電池過度充電下的反應。將組件放在烤箱中，仿真額定電壓下流過組件的充電電流。烤箱中的溫度由室溫開始穩(wěn)定增加，直到組件動作為止。熱截止溫度便定義成ppTC去中斷充電電流時的環(huán)境溫度。圖7顯示VLR及VTp組件在1A的仿真熱截止數據，并且也顯示了室溫低于TSw以下，阻值的增加與充電的限制。這個圖說明了ppTC組件提供了在過電流下的可重置性及非高溫保護能力。
標準的熱截止測試仿真ppTC組件的自行反應，但因接觸電池表面而影響熱截止溫度。ppTC組件在接近熱截止時，在公式(1)的熱輸出部分有特殊意義，組件以電池的金屬外殼做內部的熱接點為一特例。圖8顯示組件以真實電池的金屬外殼做內部的熱接點，在1A的仿真熱截止資料，該例中，熱截止溫度由電池的熱電偶獲得。
在特殊電池盒設計中，實際熱截止可能是介于圖7和圖8所示結果之間的某處，需視組件粘貼與電池盒的電路配置而定。這顯示電池盒設計者一旦最后組件的選定與機構布局完成后，實現最后溫度保護效能評估的重要性，若無法做到這項針對電池盒的系統層級保護檢查，恐怕會造成保護功能不完全。相同組件常會在電池盒保護及效能上提供不同的結果。
