一種大電流放電鋰離子電池的保護(hù)新方案

引言

　　應(yīng)用于無線電動工具、電動自行車、后備電源等領(lǐng)域的大電流放電鋰離子電池快速增長的市場催生了對大電流（在30V直流電壓下，保持電流在30A以上）電路保護(hù)器件的需求。

　　一種新型的MHP保護(hù)器件應(yīng)運(yùn)而生，該器件由一個雙金屬保護(hù)器及一個PPTC（聚合物正溫度系數(shù)）器件并聯(lián)而成。這種器件既能提供可復(fù)位的過電流保護(hù)保護(hù)功能，又可利用PPTC器件的低電阻特性來抑制雙金屬保護(hù)器在大電流條件下動作時產(chǎn)生電弧。

　　1 傳統(tǒng)解決方案與MHP器件

　　大電流電鋰離子電池組應(yīng)用需要穩(wěn)定、可靠的電路保護(hù)；但是，目前可用的傳統(tǒng)電路保護(hù)裝置普遍較大、較復(fù)雜或價(jià)格較高。有些電路保護(hù)設(shè)計(jì)結(jié)合使用IC和MOSFET或類似復(fù)雜方案；有些考慮在30A+工作電流的直流電應(yīng)用中采用雙金屬保護(hù)器，但必須用很大的觸點(diǎn)才能承受這么高的電流，結(jié)果導(dǎo)致保護(hù)裝置體積過大。此外，由于觸點(diǎn)之間產(chǎn)生電弧可能損壞觸點(diǎn)，所以還必須限制動作次數(shù)。

　　相比之下，泰科電子開發(fā)的新型MHP綜合器件可代替或減少某些復(fù)雜IC/FET電池保護(hù)設(shè)計(jì)中所用的放電FET及散熱器件。將MHP器件用于高倍率放電鋰離子電池組應(yīng)用可減少空間占用，節(jié)約成本，提高保護(hù)性能。

　　2 工作原理

　　在正常狀態(tài)下，由于雙金屬片的電阻低，電流通過雙金屬片流過。在異常情況下，比如電動工具轉(zhuǎn)子閉鎖時，電路中將產(chǎn)生很高的電流，導(dǎo)致雙金屬觸點(diǎn)打開，其接觸電阻為大電流放電鋰離子電池應(yīng)用提供可復(fù)位電路保護(hù)的新方案增加。此時電流將通過低電阻的PPTC流過。流過PPTC的電流，不僅抑制了觸點(diǎn)之間電弧的產(chǎn)生，同時又加熱雙金屬片，使其保持在打開狀態(tài)和鎖定位置。這種集成設(shè)計(jì)滿足了大電流直流應(yīng)用中具有電弧抑制功能的可復(fù)位過流保護(hù)器件的要求。

　　如圖1所示，MHP器件的動作步驟包括：

　　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。

　　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，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，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。

　　觸點(diǎn)打開后，PPTC器件開始對雙金屬進(jìn)行加熱，讓其保持打開狀態(tài)，直到過電流條件消失或電源關(guān)閉為止。PPTC器件的電阻要遠(yuǎn)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，接觸電阻只是略有上升，電流也會被分流至PPTC器件，從而有效防止觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧。一般情況下，陶瓷PTC器件與聚合物PTC器件的電阻相差約10的兩次方（x10^2）。所以，電阻較高的陶瓷PTC裝置在抑制高電流電弧放電方面遠(yuǎn)不如聚合物PTC器件有效。

　　圖2是顯示雙金屬保護(hù)器與PPTC器件并聯(lián)的電路圖

　　3 結(jié)合使用雙金屬和PPTC的優(yōu)勢

　　圖3和圖4顯示了只使用一個雙金屬保護(hù)器時的電流和電壓情況。圖3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4顯示了雙金屬保護(hù)器在兩倍額定電壓條件下的表現(xiàn)。一個標(biāo)準(zhǔn)的雙金屬保護(hù)器在故障條件產(chǎn)生電弧，從觸點(diǎn)開始打開到出現(xiàn)短路的時間是334毫秒。

　　圖5顯示了并聯(lián)使用PPTC器件和雙金屬保護(hù)器的結(jié)果——電流被切斷。從雙金屬保護(hù)器開始動作起到PPTC器件被完全激活的時間是6.48毫秒。從保護(hù)器開始動作起到電流被切斷的時間是4.80毫秒（見圖5的右圖）。

　　結(jié)合圖5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，沒有出現(xiàn)保護(hù)器觸點(diǎn)熔合，我們還可看到PPTC器件如何幫助防止觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧。

　　4 MHP器件優(yōu)勢

　　接下來的部分描述了MHP器件相對于常用電路保護(hù)器件而言所具有的優(yōu)勢。

　　4.1 觸點(diǎn)小，電阻低

　　典型的雙金屬保護(hù)器上通常只有一個觸點(diǎn)，所以其耐壓能力并不強(qiáng)。對于單觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，較高的電流所需的觸點(diǎn)尺寸也會很大。為解決該問題，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（見圖6）。

      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)生熱量，從而可以通過熱控制器件實(shí)施準(zhǔn)確的熱激活；

　　c 它使MHP器件相對于額定參數(shù)相當(dāng)?shù)钠渌麛嗦费b置而言可以更加緊湊。

　　圖6:用于綜合MHP器件的雙閉合/雙斷開觸點(diǎn)設(shè)計(jì)為方便比較，圖7顯示了標(biāo)準(zhǔn)的雙金屬觸點(diǎn)。

　　從圖7可以看出，觸點(diǎn)僅位于一個位置上，所以它的耐壓能力不如MHP器件。

　　4.2 提高耐沖擊/耐振動能力

　　圖8顯示了MHP器件的具體設(shè)計(jì)優(yōu)勢，這種設(shè)計(jì)使MHP器件能提供更長的使用壽命，能承受較大的振動和沖擊，可用于高電流應(yīng)用的苛刻工作環(huán)境。

　　典型的電動工具在使用時通常會承受較大的振動和沖擊。

　　為達(dá)到此類要求，MHP器件的觸點(diǎn)之間需要足夠的接觸壓力。標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)裝置通常通過強(qiáng)力彈簧讓移動接觸臂與固定觸點(diǎn)保持接觸。但是，在較大的沖擊或振動條件下，彈簧（即使是強(qiáng)力彈簧）產(chǎn)生的壓力通常達(dá)不到保持觸點(diǎn)接觸所需的壓力。

　　倒鉤（確保振動和沖擊條件下的穩(wěn)定接觸）為解決這一問題，MHP器件將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在雙金屬盤上，因?yàn)闆]有熱觸點(diǎn)的雙金屬盤有足夠的強(qiáng)度保持穩(wěn)定。此外，我們還給移動接觸臂增加了一個倒鉤，以增加雙金屬盤提供的接觸壓力。移動接觸臂通過裝置另一側(cè)的插銷固定。在接觸點(diǎn)上增加一個倒鉤可減少移動臂的轉(zhuǎn)動，在兩個觸點(diǎn)上產(chǎn)生更大的向下壓力。MHP器件經(jīng)過了1000次沖擊和1500次掉落測試，未出現(xiàn)故障；此外還通過了三次3000克沖擊測試。

　　4.3 跳閘周期測試

　　圖9顯示了MHP器件的電阻/溫度曲線。器件的打開和閉合溫度可通過選擇具有不同打開和閉合溫度的雙金屬進(jìn)行定制。[!--empirenews.page--]

　　圖10顯示了MHP30器件如何通過500多個跳閘周期測試。

圖10:DC36V/100A（額定）條件下的周期壽命

　　圖11顯示了器件電阻的耐振動/沖擊能力，器件在1500克的振動/沖擊條件下進(jìn)行了1000個周期的振動/沖擊測試。沿觸點(diǎn)打開方向?qū)ζ骷?yīng)用沖擊或振動力后，器件設(shè)計(jì)始終能保持接觸，證明該設(shè)計(jì)能承受較大的沖擊/振動。

　　圖12顯示了一個條件為“1500克沖擊/1000個周期”的測試，器件的電流負(fù)荷為1安。該測試的沖擊或振動方向與圖11一樣，即沿觸點(diǎn)打開方向。從圖12中我們可以看出，器件在1500克沖擊/振動條件下沒有出現(xiàn)電源被切斷的情況。圖13顯示了一個條件為“3000克沖擊/3個周期”的測試，裝置電流負(fù)荷為1安；沖擊/振動方向與圖12一樣。從圖13可以看出，在該測試條件下也沒有出現(xiàn)電流被切斷的情況。

　　掉落測試結(jié)果：

　　1,500gx1,000個周期/無負(fù)荷無電阻變化

　　1,500gx1,000個周期/1A負(fù)荷無電流切斷

　　3,000gx3個周期/1A負(fù)荷無電流切斷

　　4.4 減少占用空間，節(jié)約成本

　　與常用電路保護(hù)裝置相比，將MHP器件用于無線電動工具電池組可減少占用空間，節(jié)約成本（見圖14a和14b）。MHP器件可用一個價(jià)格較低的N通道FET代替兩個價(jià)格較高的P通道FET（僅用于充電控制）。另一個節(jié)約成本的潛在方法是將IC移動到應(yīng)用的系統(tǒng)（工具）側(cè)，用MHP器件在電池組中提供過度放電保護(hù)/短路保護(hù)，以達(dá)到以后可能出臺的鋰電池電動工具應(yīng)用法規(guī)要求。

　　5 MHP器件規(guī)格

　　表1列出了MHP30器件的規(guī)格。MHP30器件的最大額定值為36VDC/100A，在100A（@25°C）條件下的跳閘時間為5秒。該裝置的工作電流為30A，初始電阻不到2mohm，低于常見雙金屬保護(hù)器的初始電阻（通常為3-4mohm）。

表1: MHP30 參考值

　　MHP30在50A條件下的跳閘時間為25秒+/-5秒。該跳閘時間長短剛好，它既可防止電池組因過度放電而出現(xiàn)過熱條件，又不會因頻繁跳閘給電動工具操作員帶來不便。

　　在100A條件下的跳閘時間是在異常條件下（比如電動工具轉(zhuǎn)子卡住）為電池組提供保護(hù)的最關(guān)鍵參數(shù)。在這種情況下，跳閘時間不應(yīng)長于5秒，恢復(fù)時間（向工具重新供電所需的時間）不應(yīng)長于30秒——該時間也是既能方便用戶，又能防止電池過熱的最佳選擇。

　　圖15顯示了MHP器件的形狀和大小。該MHP器件的額定工作電流為30A，同等大小的常用雙金屬保護(hù)器的額定電流只有15A。此外，器件的一側(cè)為扁角，適合安裝在電池組的標(biāo)準(zhǔn)18毫米直徑鋰電池單元之間。

　　6 結(jié)論

　　外形緊湊，安裝方便的MHP30器件利用PPTC器件的低電阻抑制高電流電弧放電，能在超過30VDC的額定條件下提供30A+工作電流。MHP器件能在苛刻條件下提供可復(fù)位電路保護(hù)，為電池組設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)商提供了一種優(yōu)化空間，節(jié)約成本，達(dá)到未來電池安全要求的有效方法。

　　MHP器件技術(shù)可通過配置用于各種應(yīng)用，目前正在開發(fā)適用于更高電壓（最高可達(dá)400VDC）和工作電流（60A）的裝置。下一步設(shè)計(jì)考慮包括用于無線電動工具、電動自行車、電動速可達(dá)、輕型電動汽車、備用電源應(yīng)用及非電池應(yīng)用（比如電機(jī)保護(hù)）的鋰電池組電池保護(hù)。