PPTC組件在鋰離子電池組短路及過充電保護中的應用

隨著對便攜式設備更長運作時間、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，同時要具備更高能量密度與更快的充電速率。由于數(shù)字無線電話、數(shù)碼相機等對脈沖電流供應的需求增加，電池充電速率與內(nèi)部阻抗也成為重要課題。
電池化學物具有較高的能量密度與充電速率，使電池電路保護設計變得很復雜。 以二次充電鋰化學物為基礎的電池和電池盒，對過電流/過溫狀態(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，導致電池受損或設備故障。
當金屬物體(如筆記本用蝴蝶夾或鑰匙環(huán))連接于電池盒外漏的端點，就會造成意外短路而導致溫度過高，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)定了電池盒所供應的最大電流及短路的承受時間。
電池盒過度充電，一方面是由于不穩(wěn)定充電導致，如充電器充滿電而無法停止充電電流。另一方面，充電不當，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備受損。

圖1  過電流或過溫狀況下，PPTC組件的保護原理

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

圖3  動作時間作為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  動作時間作為兩者皆為正常和長帶狀接腳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電路

電路保護設計的考慮
電池盒可利用半導體和無源電路保護組件，對短路及過度充電的情況加以保護。在鋰離子及鋰聚合物電池盒中，對于無源電路保護組件的選擇，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。
早期電路設計使用一次性保險絲，來提供過電流保護。但是，由于大多數(shù)電池盒的故障情況都相當罕見或是間歇性事件，自復式保護方式成了更佳選擇。
雙片金屬電路斷路器是一種可自復的限流組件，但由于電子機械式特點，容易出現(xiàn)接點電弧及磨損。陶瓷式PTC組件也提供自復式保護，但是它們的電阻值較高，而且動作時間較慢。低阻值對于大型設備的通話時間而言非常重要。
聚合物式正向溫度系數(shù)(PPTC)組件由于具有可重復使用功能、低電阻值與增強的溫度保護特性，是目前電池電路保護方面最有效果的方法。

PPTC操作原理
PPTC電路保護組件是以特殊塑料及傳導性粒子混合而成的傳導式聚合物，如圖1所示。在常溫下，該傳導性粒子會在聚合物中形成低阻值鏈路，當溫度上升超過該組件的切換溫度時，聚合物中的微晶粒就會熔化，變成非結(jié)晶狀。當微晶粒階段熔化期間數(shù)量增加時，會使傳導性粒子分離，導致該組件內(nèi)阻抗呈非線性增加。產(chǎn)生熱的原因是由于周圍環(huán)境或電池溫度上升所致，也可能受到過電流狀態(tài)下阻抗加熱引起，或是因前述不當?shù)某潆姰a(chǎn)生。
短路保護原理
對任何電池盒電路保護組件而言，保護電池避免短路故障的關(guān)鍵在于限制故障電路所需的時間，即所謂的動作時間(time-to-trip，即TtT)。雖然中斷電流的機械裝置有很多種，但所有無源電子測溫組件所操作的切換溫度(TSw)及該類組件達到切換溫度的方法，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圍耗散更快:
 (熱累加)=(熱進)-(熱出)   (1)
對高故障電流而言， 公式的(熱出)部分是無關(guān)緊要的，因此TtT主要依賴熱產(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)