PPTC組件在鋰離子電池組短路及過(guò)充電保護(hù)中的應(yīng)用

隨著對(duì)便攜式設(shè)備更長(zhǎng)運(yùn)作時(shí)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(shí)要具備更高能量密度與更快的充電速率。由于數(shù)字無(wú)線(xiàn)電話(huà)、數(shù)碼相機(jī)等對(duì)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(xué)物具有較高的能量密度與充電速率，使電池電路保護(hù)設(shè)計(jì)變得很復(fù)雜。 以二次充電鋰化學(xué)物為基礎(chǔ)的電池和電池盒，對(duì)過(guò)電流/過(guò)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(dǎo)致電池受損或設(shè)備故障。
當(dāng)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(diǎn)，就會(huì)造成意外短路而導(dǎo)致溫度過(guò)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(shí)間。
電池盒過(guò)度充電，一方面是由于不穩(wěn)定充電導(dǎo)致，如充電器充滿(mǎn)電而無(wú)法停止充電電流。另一方面，充電不當(dāng)，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(guò)電流或過(guò)溫狀況下，PPTC組件的保護(hù)原理

圖2 針對(duì) PolySwitch SRP，VTP及VLR聚合物的PTC材料使用的無(wú)源阻抗 vs， 溫度曲線(xiàn)

圖3  動(dòng)作時(shí)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(dòng)作時(shí)間作為兩者皆為正常和長(zhǎng)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(hù)電路

電路保護(hù)設(shè)計(jì)的考慮
電池盒可利用半導(dǎo)體和無(wú)源電路保護(hù)組件，對(duì)短路及過(guò)度充電的情況加以保護(hù)。在鋰離子及鋰聚合物電池盒中，對(duì)于無(wú)源電路保護(hù)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(jì)使用一次性保險(xiǎn)絲，來(lái)提供過(guò)電流保護(hù)。但是，由于大多數(shù)電池盒的故障情況都相當(dāng)罕見(jiàn)或是間歇性事件，自復(fù)式保護(hù)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(jī)械式特點(diǎn)，容易出現(xiàn)接點(diǎn)電弧及磨損。陶瓷式PTC組件也提供自復(fù)式保護(hù)，但是它們的電阻值較高，而且動(dòng)作時(shí)間較慢。低阻值對(duì)于大型設(shè)備的通話(huà)時(shí)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(qiáng)的溫度保護(hù)特性，是目前電池電路保護(hù)方面最有效果的方法。

PPTC操作原理
PPTC電路保護(hù)組件是以特殊塑料及傳導(dǎo)性粒子混合而成的傳導(dǎo)式聚合物，如圖1所示。在常溫下，該傳導(dǎo)性粒子會(huì)在聚合物中形成低阻值鏈路，當(dāng)溫度上升超過(guò)該組件的切換溫度時(shí)，聚合物中的微晶粒就會(huì)熔化，變成非結(jié)晶狀。當(dāng)微晶粒階段熔化期間數(shù)量增加時(shí)，會(huì)使傳導(dǎo)性粒子分離，導(dǎo)致該組件內(nèi)阻抗呈非線(xiàn)性增加。產(chǎn)生熱的原因是由于周?chē)h(huán)境或電池溫度上升所致，也可能受到過(guò)電流狀態(tài)下阻抗加熱引起，或是因前述不當(dāng)?shù)某潆姰a(chǎn)生。
短路保護(hù)原理
對(duì)任何電池盒電路保護(hù)組件而言，保護(hù)電池避免短路故障的關(guān)鍵在于限制故障電路所需的時(shí)間，即所謂的動(dòng)作時(shí)間(time-to-trip，即TtT)。雖然中斷電流的機(jī)械裝置有很多種，但所有無(wú)源電子測(cè)溫組件所操作的切換溫度(TSw)及該類(lèi)組件達(dá)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?chē)纳⒏?
 (熱累加)=(熱進(jìn))-(熱出)   (1)
對(duì)高故障電流而言， 公式的(熱出)部分是無(wú)關(guān)緊要的，因此TtT主要依賴(lài)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)