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(wú)線電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車(chē)、后備電源等領(lǐng)域的大電流放電鋰離子電池快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)催生了對(duì)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(gè)雙金屬保護(hù)器及一個(gè)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(guò)電流保護(hù)保護(hù)功能，又可利用PPTC器件的低電阻特性來(lái)抑制雙金屬保護(hù)器在大電流條件下動(dòng)作時(shí)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(lèi)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(guò)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(dòng)作次數(shù)。

　　相比之下，泰科電子開(kāi)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(guò)雙金屬片流過(guò)。在異常情況下，比如電動(dòng)工具轉(zhuǎn)子閉鎖時(shí)，電路中將產(chǎn)生很高的電流，導(dǎo)致雙金屬觸點(diǎn)打開(kāi)，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(shí)電流將通過(guò)低電阻的PPTC流過(guò)。流過(guò)PPTC的電流，不僅抑制了觸點(diǎn)之間電弧的產(chǎn)生，同時(shí)又加熱雙金屬片，使其保持在打開(kāi)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(guò)流保護(hù)器件的要求。

　　如圖1所示，MHP器件的動(dòng)作步驟包括：

　　a 在正常工作過(guò)程中，由于接觸電阻非常低，所以大部分電流將通過(guò)雙金屬。

　　b 觸點(diǎn)開(kāi)始打開(kāi)，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(huì)很少或完全沒(méi)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。

　　觸點(diǎn)打開(kāi)后，PPTC器件開(kāi)始對(duì)雙金屬進(jìn)行加熱，讓其保持打開(kāi)狀態(tài)，直到過(guò)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(shuō)即使觸點(diǎn)只打開(kāi)一小部分，接觸電阻只是略有上升，電流也會(huì)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(shì)

　　圖3和圖4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3顯示了雙金屬保護(hù)器在24VDC/20A額定條件下的典型打開(kāi)情況，它在1.28毫秒后打開(kāi)。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(gè)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(kāi)始打開(kāi)到出現(xiàn)短路的時(shí)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(kāi)始動(dòng)作起到PPTC器件被完全激活的時(shí)間是6.48毫秒。從保護(hù)器開(kāi)始動(dòng)作起到電流被切斷的時(shí)間是4.80毫秒（見(jiàn)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(guò)渡，沒(méi)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(shì)

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

　　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(gè)觸點(diǎn)，所以其耐壓能力并不強(qiáng)。對(duì)于單觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，較高的電流所需的觸點(diǎn)尺寸也會(huì)很大。為解決該問(wèn)題，MHP器件采用“雙閉合/雙斷開(kāi)”觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，從而大大縮小了裝置尺寸（見(jiàn)圖6）。

該技術(shù)相對(duì)于常用雙金屬保護(hù)器而言具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

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

　　c 它使MHP器件相對(duì)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(kāi)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(gè)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(dòng)能力

　　圖8顯示了MHP器件的具體設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，這種設(shè)計(jì)使MHP器件能提供更長(zhǎng)的使用壽命，能承受較大的振動(dòng)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(dòng)工具在使用時(shí)通常會(huì)承受較大的振動(dòng)和沖擊。

　　為達(dá)到此類(lèi)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(guò)強(qiáng)力彈簧讓移動(dòng)接觸臂與固定觸點(diǎn)保持接觸。但是，在較大的沖擊或振動(dòng)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(dòng)和沖擊條件下的穩(wěn)定接觸）為解決這一問(wèn)題，MHP器件將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在雙金屬盤(pán)上，因?yàn)闆](méi)有熱觸點(diǎn)的雙金屬盤(pán)有足夠的強(qiáng)度保持穩(wěn)定。此外，我們還給移動(dòng)接觸臂增加了一個(gè)倒鉤，以增加雙金屬盤(pán)提供的接觸壓力。移動(dòng)接觸臂通過(guò)裝置另一側(cè)的插銷(xiāo)固定。在接觸點(diǎn)上增加一個(gè)倒鉤可減少移動(dòng)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，在兩個(gè)觸點(diǎn)上產(chǎn)生更大的向下壓力。MHP器件經(jīng)過(guò)了1000次沖擊和1500次掉落測(cè)試，未出現(xiàn)故障；此外還通過(guò)了三次3000克沖擊測(cè)試。

　　4.3 跳閘周期測(cè)試

　　圖9顯示了MHP器件的電阻/溫度曲線。器件的打開(kāi)和閉合溫度可通過(guò)選擇具有不同打開(kāi)和閉合溫度的雙金屬進(jìn)行定制。