保护大电流放电的锂电池应用新的PPTC/双金属混合器件技术

  引言

　　传统的针对大电流锂离子电池应用在如无线电动工具、电动车和后备电源等，其电路保护方案倾向于使用大型、复杂或昂贵的保护技术。而如今一种新的混合式技术可提供一种紧凑、稳健的电路保护器件，使得在额定电压超过30VDC的情况下也能正常工作。这种金属混合PPTC器件（MHP）由一个双金属片保护器和一个聚合物正温度系数（PPTC）器件并联而成。因此，既能提供可复位的过电流保护功能，又可利用PPTC器件的低电阻特性来防止双金属片在大电流条件下产生电弧，同时还能加热双金属片，使其保持在打*定状态。

　　1 混合技术——设计概念

　　大电流放电锂离子电池组应用要求稳健、可靠的电路保护。市场对更轻、更小设备日益增长的需求意味着这些电池保护设计必须提供更高的可靠性，同时占用更少的空间。在这种市场趋势下，新的MHP混合器件应运而生。这种器件可以用来替代许多复杂IC/FET电池保护设计中使用的放电FET和相配套的散热器，或减少它们的数量，同时增强保护功能。

　　在MHP器件正常工作时，由于双金属片的电阻低，电流通过双金属片流过。当异常情况发生时，比如电动工具转子闭锁时，电路中将产生很大的电流，导致双金属触点打开，其接触电阻增加。此时电流将流经电阻更低的PPTC器件。流过PPTC的电流不仅抑制了触点之间电弧的产生，同时又能加热双金属片，使其保持在打*定状态。如图1所示，MHP器件的动作步骤包括：

　　a 在正常工作过程中，由于接触电阻非常低，所以大部分电流将通过双金属片。

　　b 触点开始打开，接触电阻迅速上升。当接触电阻高于PPTC器件电阻时，大部分电流将分流至PPTC器件，流经触点的电流会很少或完全没有，从而防止触点之间产生电弧。当电流分流至PPTC器件时，其电阻迅速上升，并达到远远高于接触电阻的水平，使PPTC温度上升。

　　c 触点打开后，PPTC器件开始对双金属片进行加热，使其保持在打开状态，直到过电流条件消失或电源关闭为止。

图1：MHP器件的动作步骤。

　　PPTC器件的电阻要远低于陶瓷PTC器件电阻，也就是说即使触点只打开一小部分，接触电阻也只是略有上升，电流会被分流到PPTC器件，从而有效防止触点间产生电弧。通常在室温下陶瓷PTC器件和聚合物PTC器件的电阻相差约10的两次方（x10^2），所以，当电阻较高的陶瓷PTC器件与双金属并联使用时，在抑制大电流电弧放电方面远不如MHP器件来得有效。

　　2 结合使用双金属和PPTC

　　图2a和2b显示了只使用一个双金属保护器时的电流和电压情况。图2a显示了双金属保护器在24VDC/20A额定条件下的典型打开情况。它在1.28毫秒后打开。图2b显示了双金属保护器在两倍额定电压条件下的表现。一个标准的双金属保护器在故障条件下产生电弧，从触点开始打开到触点粘连（短路）的时间是334毫秒。

图2a：在两倍额定电压条件下的双金属保护器特性。    图2b：在额定电压条件下的双金属保护器特性。

　　图3显示了并联使用PPTC器件和双金属保护器的结果——电流被明显切断。从双金属保护器开始动作到PPTC器件被完全激活的时间是*8毫秒，见图3的左图。图3的右图表明，当施加的电压两倍于额定电压时，从保护器开始动作到电流被切断的时间是4.8微秒。

　　结合图3中的两幅图像，我们可以看到电流从双金属保护器向PPTC器件的平稳过渡，保护器触点不会产生粘连，我们还可看到PPTC器件如何帮助防止触点产生电弧。

　图3：在两倍于额定电压的条件下并联使用PPTC器件和双金属保护器。

　　3 触点尺寸和电阻值

　　典型的双金属保护器上只有一个触点，所以其耐压能力并不强。在单触点设计中，较大的电流所需的触点尺寸会很大。为了解决这个问题，MHP器件采用“双闭合/双断开”触点设计，从而大大缩小了装置尺寸。该技术相对于常用双金属保护器而言具有以下几点优势：

　　a 由于电流路径极短，所以器件的电阻非常低

　　b 只有接触点才会产生热点，从而可以使用热控制方法实现准确的热激活

　　c 它使MHP器件相对于额定参数相当的其他断路器而言可以更加紧