針對大電流鋰離子電池應(yīng)用的PPTC/雙金屬混合器件技術(shù)

傳統(tǒng)的針對大電流鋰離子電池應(yīng)用(如無線電動工具、電動車和后備電源)的電路保護(hù)方案傾向于使用大型、復(fù)雜或昂貴的保護(hù)技術(shù)。例如，一般電路保護(hù)設(shè)計(jì)方案采用IC和MOSFET結(jié)合使用的方案或者其他類似的復(fù)雜方案。某些設(shè)計(jì)可能考慮在要求30A以上工作電流的直流電源應(yīng)用中采用傳統(tǒng)的雙金屬片保護(hù)器件，不過，該方案要求雙金屬片接觸點(diǎn)足夠大，以承受大電流，這導(dǎo)致保護(hù)器件體積過大；此外，這些傳統(tǒng)雙金屬保護(hù)器件的動作次數(shù)必須受到限制，因?yàn)橛|點(diǎn)之間可能產(chǎn)生的電弧會損壞觸點(diǎn)。

本文介紹了一種新的混合式技術(shù)，它可提供一種緊湊、穩(wěn)健的電路保護(hù)器件，它能在額定電壓超過30VDC的情況下提供30A以上的工作電流。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。這種組合既能提供可復(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，使其保持在打開鎖定狀態(tài)。

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，使其保持在打開鎖定狀態(tài)。如圖1所示，MHP器件的動作步驟包括：

1. 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。

2. 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。

3. 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。

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)器開始動作到PPTC器件被完全激活的時(shí)間是6.48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

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：

1. 由于電流路徑極短，所以器件的電阻非常低、

2. 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

3. 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湊

相比之下，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)雙金屬觸點(diǎn)僅位于一個(gè)位置，所以它的耐壓能力不如MHP器件。

耐沖擊/振動能力

MHP器件可以提供更長的使用壽命，能承受較大的振動和沖擊，可應(yīng)用于大電流應(yīng)用的苛刻工作環(huán)境。典型的電動工具電池組都是在較大的振動和沖擊條件下工作。為了滿足這些要求，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)器件通常通過強(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)生的壓力也達(dá)不到保持觸點(diǎn)接觸所需的壓力。

為了解決這一挑戰(zhàn)，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(gè)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。在靠近觸點(diǎn)的地方增加一個(gè)倒鉤可以減少移動臂的轉(zhuǎn)動，從而在兩個(gè)觸點(diǎn)上產(chǎn)生更大的向下壓力。MHP器件經(jīng)過了1500g跌落測試方法下的1000次沖擊，未出現(xiàn)故障，還通過了三次3000g的沖擊測試。

圖4a給出了器件在1A負(fù)載條件下經(jīng)過1500g沖擊/1000次循環(huán)測試的結(jié)果。結(jié)果表明，在1500g沖擊下沒有發(fā)生電流切斷。圖4b給出了器件在1A負(fù)載條件下經(jīng)過3000g沖擊/3次循環(huán)測試的結(jié)果。沖擊或振動方向也與圖4a相同。結(jié)果表明，在3000g沖擊下也沒有發(fā)生電流切斷。

跌落測試結(jié)果：

· 1500g x 1000次循環(huán)/無負(fù)載→無電阻變化

· 1500g x 1000次循環(huán)/1A負(fù)載→無電流切斷

· 3000g x 3次循環(huán)/1A負(fù)載→無電流切斷

圖4a：1A負(fù)載條件下的1500g跌落測試結(jié)果。圖4b：1A負(fù)載條件下的3000g跌落測試結(jié)果。

MHP器件規(guī)格

MHP30-36器件是規(guī)劃的MHP產(chǎn)品系列中的首批器件，最大額定值為36VDC/100A，在100A (@25℃)條件下的跳閘時(shí)間小于5秒。這些器件的工作電流為30A，初始電阻不到2mΩ，低于常見雙金屬保護(hù)器的初始電阻(通常為3至4mΩ)。

MHP30-36器件在50A條件下的跳閘時(shí)間為25秒±5秒。該跳閘時(shí)間長短剛好，既可防止電池組因過度放電而出現(xiàn)過熱，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(shí)間是在異常條件下(比如電動工具(鉆頭)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(shí)間不應(yīng)超過5秒，復(fù)位時(shí)間(向工具重新供電所需的時(shí)間)不應(yīng)超過30秒——該時(shí)間也是既能方便用戶、又能防止電池過熱的最佳選擇。

圖5顯示了MHP器件的開關(guān)和尺寸。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毫米直徑鋰離子電池單元之間。

圖5：MHP30-36器件尺寸

結(jié)論

混合式MHP器件通過集成雙金屬保護(hù)器和PPTC器件提供可復(fù)位的過電流保護(hù)，并利用PPTC器件的低電阻抑制大電流條件下的電弧放電。這種技術(shù)提供了一種耐用的可復(fù)位的電路保護(hù)方案，為鋰離子電池組設(shè)計(jì)師提供了一種優(yōu)化空間、節(jié)約成本并且滿足未來電池安全要求的有效方法。、

MHP器件的可擴(kuò)展技術(shù)可以針對不同應(yīng)用進(jìn)行配置。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)的器件。用于保護(hù)太陽能系統(tǒng)和其它后備電源應(yīng)用中使用的鋰離子電池組和模塊的設(shè)計(jì)概念也在開發(fā)中。通過提供用作信號線的第3個(gè)端子，這些MHP器件可以使用“智能激活”檢測技術(shù)監(jiān)視電池的各種重要功能。