PPTC組件在鋰離子電池組短路及過充電保護中的應(yīng)用
隨著對便攜式設(shè)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(shù)字無線電話、數(shù)碼相機等對脈沖電流供應(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。
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(shè)計變得很復(fù)雜。 以二次充電鋰化學物為基礎(chǔ)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(shè)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(yīng)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(shè)備受損。
圖1 過電流或過溫狀況下,PPTC組件的保護原理
圖2 針對 PolySwitch SRP,VTP及VLR聚合物的PTC材料使用的無源阻抗 vs, 溫度曲線
圖3 動作時間作為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 動作時間作為兩者皆為正常和長帶狀接腳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電路
電路保護設(shè)計的考慮
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PolySwitch VTP 或 VLR 組件。
早期電路設(shè)計使用一次性保險絲,來提供過電流保護。但是,由于大多數(shù)電池盒的故障情況都相當罕見或是間歇性事件,自復(fù)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(fù)的限流組件,但由于電子機械式特點,容易出現(xiàn)接點電弧及磨損。陶瓷式PTC組件也提供自復(fù)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(shè)備的通話時間而言非常重要。
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(jié)晶狀。當微晶粒階段熔化期間數(shù)量增加時,會使傳導性粒子分離,導致該組件內(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?shù)某潆姰a(chǎn)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(guān)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(nèi)部的熱產(chǎn)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(guān)緊要的,因此TtT主要依賴熱產(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)
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