PPTC组件在锂离子电池组短路及过充电保护中的应用

中心论题：

• 分析锂电池组电路保护设计的考虑因素
• 阐释PPTC的操作原理
• 强调PPTC对锂离子电池组的过充保护重要性及原理

解决方案：

• PPTC器件具有可重复使用功能、低电阻值与增强的温度保护特性
• PPTC器件是目前电池电路保护方面最有效果的方法

随着对便携式设备更长运作时间、小尺寸及重量等需求日增,促使业界不断朝体积更小、更轻的锂离子及锂聚合物电池发展,同时要具备更高能量密度与更快的充电速率。由于数字无线电话、数码相机等对脉冲电流供应的需求增加,电池充电速率与内部阻抗也成为重要课题。

池化学物具有较高的能量密度与充电速率,使电池电路保护设计变得很复杂。 以二次充电锂化学物为基础的电池和电池盒,对过电流/过温状态特别敏感,这种状况是由意外短路、滥用或难以控制的充电所致,使电池温度升高,导致电池受损或设备故障。

金属物体(如笔记本用蝴蝶夹或钥匙环)连接于电池盒外漏的端点，就会造成意外短路而导致温度过高,造成其它组件及外围材料的损坏，甚至燃烧。UL电气规范规定了电池盒所供应的最大电流及短路的承受时间。

电池盒过度充电，一方面是由于不稳定充电导致,如充电器充满电而无法停止充电电流。另一方面,充电不当,如电池盒反向充电或由不匹配的充电器充电,也可能引起重要的设备受损。

图1 过电流或过温状况下,PPTC组件的保护原理

图2 针对 PolySwitch SRP,VTP及VLR聚合物的PTC材料使用的无源阻抗 vs, 温度曲线

图3 动作时间作为VLR170在不受限制的空气中,接上电池,其故障电流的函数

图4 动作时间作为两者皆为正常和长带状接脚VLR230 和 VLR170故障电流的函数

图5 典型单颗锂离子电池盒的保护电路

电路保护设计的考虑
电池盒可利用半导体和无源电路保护组件,对短路及过度充电的情况加以保护。在锂离子及锂聚合物电池盒中,对于无源电路保护组件的选择,是采用低操作温度、低电阻值的聚合物PTC组件,如PolySwitch VTP 或 VLR 组件。

早期电路设计使用一次性保险丝,来提供过电流保护。但是,由于大多数电池盒的故障情况都相当罕见或是间歇性事件,自复式保护方式成了更佳选择。

双片金属电路断路器是一种可自复的限流组件,但由于电子机械式特点,容易出现接点电弧及磨损。陶瓷式PTC组件也提供自复式保护,但是它们的电阻值较高,而且动作时间较慢。低阻值对于大型设备的通话时间而言非常重要。

聚合物式正向温度系数(PPTC)组件由于具有可重复使用功能、低电阻值与增强的温度保护特性,是目前电池电路保护方面最有效果的方法。

PPTC操作原理
PPTC电路保护组件是以特殊塑料及传导性粒子混合而成的传导式聚合物,如图1所示。在常温下,该传导性粒子会在聚合物中形成低阻值链路,当温度上升超过该组件的切换温度时,聚合物中的微晶粒就会熔化,变成非结晶状。当微晶粒阶段熔化期间数量增加时,会使传导性粒子分离,导致该组件内阻抗呈非线性增加。产生热的原因是由于周围环境或电池温度上升所致,也可能受到过电流状态下阻抗加热引起,或是因前述不当的充电产生。

短路保护原理
对任何电池盒电路保护组件而言,保护电池避免短路故障的关键在于限制故障电路所需的时间,即所谓的动作时间(time-to-trip,即TtT)。虽然中断电流的机械装置有很多种,但所有无源电子测温组件所操作的切换温度(TSw)及该类组件达到切换温度的方法,却是相同的。在故障发生期间,组件内部的热产生速度比以下温度公式所示的周围耗散更快:

(热累加)=(热进)-(热出) (1)

对高故障电流而言, 公式的(热出)部分是无关紧要的,因此TtT主要依赖热产生比例,该组件的热的主要部分与温度的改变。决定公式的基本要件是:

dH=(T-Ta)•Cp (2)

dH=P•t=I2•R•t (3)

两式合并成：

(T-Ta)•Cp =I2•R•t (4)

式dH为热改变,T为组件温度,Ta为周围温度,Cp为组件热容量,P为功率,I为故障电流,R为组件阻抗, t为时间。

但是,由于PPTC 组件的阻抗为一温度低于TSw 的渐增函数,因此公式(4)变成:

(T-Ta)•Cp =I2•R(T)•t (5)

由此得知时间为

t=(T-Ta)•Cp/(I2•R(T)) (6)

在低故障电流(接近动作电流)下,温度公式中(热出)的部分也同样重要。决定热耗损的指定公式颇为复杂,但有一简化公式显示重要系数:

dH=b•(T-Ta)•k•A (7)

式中b 为 常数,k为热转换系数,且A为组件表面面积。将此(热出)公式与公式(5)合并得出:

t=(T-Ta)•[(Cp/(I2•R(T)))-(b•k•A)] (8)

合此式,得出从Ta 到 TSw 动作时间。此式的重要性在于一已知的起始阻抗低切换温度聚合物PTC组件,在故障期间提供更快速的动作时间,见图2。当组件接近切换温度时,该组件的阻抗增加,因此所产生的热更具效率;切换温度较低,因此在较短时间内就能达到所需的温度变化。

为了降低TtT,温度公式的(热出)部分必须减至最小。这必须使用小型组件及降低温度转换系数来实现。针对VTP和VLR组件每个外型,虽然VLR组件阻抗比VTP组件要低,但其能在故障电流到达额定电流时,提供短路保护功能。

图3 所示为室温下,将组件放在接上电池的温度接点上TtT使温度转换系数增加的结果。由此可见, 紧密接上电池的温度接点在边缘增加TtT,但只有在故障电流时低于10A。

图4显示使用带状接脚(它们可能用在电池盒中),降低温度转换系数的结果。比较指出,带状接脚能在故障电流接近组件特定动作电流时,降低TtT,但此结果在较高电流时并不存在。

图6因不当过度充电引起的,锂离子电池温度上升,当使用PolySwitch VTP PPTC组件时,温度明显降低


图7同值的VLR及VTP组件,在不限定温度、1安培下的热截止(TCO)


图8 同值的PolySwitch VLR及VTP组件,在以热接点接到电池上时、1A下的热截止(TCO)

过充保护重要性及原理
PPTC提供锂离子电池过充电保护的重要性
锂离子电池盒一般包括有源过压及过电流检测安全电路(IC和MOEFET),以及串联聚合物PTC组件,如图5所示。若PPTC组件有低温操作特性,在电池温持续升高的情况下,它将以切断充电或放电来提供过温度保护。虽然半导体电路很可靠,在某些情况下故障也可能发生,例如静电过度放电,高温或在短路情况下的震动等。

若电路中无过温保护,并且各种过压电路都无作用,由于过充电或充电电路设计不良导致内部损害,可能会因电池破裂造成电池盒漏气,冒烟甚或起火。电池温度过高是充电不当的情况之一,是电池盒设计者最关心的问题所在。