一种大电流放电锂离子电池的保护新方案

引言

　　应用于无线电动工具、电动自行车、后备电源等领域的大电流放电锂离子电池快速增长的市场催生了对大电流（在30V直流电压下，保持电流在30A以上）电路保护器件的需求。

　　一种新型的MHP保护器件应运而生，该器件由一个双金属保护器及一个PPTC（聚合物正温度系数）器件并联而成。这种器件既能提供可复位的过电流保护保护功能，又可利用PPTC器件的低电阻特性来抑制双金属保护器在大电流条件下动作时产生电弧。

　　1 传统解决方案与MHP器件

　　大电流电锂离子电池组应用需要稳定、可靠的电路保护；但是，目前可用的传统电路保护装置普遍较大、较复杂或价格较高。有些电路保护设计结合使用IC和MOSFET或类似复杂方案；有些考虑在30A+工作电流的直流电应用中采用双金属保护器，但必须用很大的触点才能承受这么高的电流，结果导致保护装置体积过大。此外，由于触点之间产生电弧可能损坏触点，所以还必须限制动作次数。

　　相比之下，泰科电子开发的新型MHP综合器件可代替或减少某些复杂IC/FET电池保护设计中所用的放电FET及散热器件。将MHP器件用于高倍率放电锂离子电池组应用可减少空间占用，节约成本，提高保护性能。

　　2 工作原理

　　在正常状态下，由于双金属片的电阻低，电流通过双金属片流过。在异常情况下，比如电动工具转子闭锁时，电路中将产生很高的电流，导致双金属触点打开，其接触电阻为大电流放电锂离子电池应用提供可复位电路保护的新方案增加。此时电流将通过低电阻的PPTC流过。流过PPTC的电流，不仅抑制了触点之间电弧的产生，同时又加热双金属片，使其保持在打开状态和锁定位置。这种集成设计满足了大电流直流应用中具有电弧抑制功能的可复位过流保护器件的要求。

　　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。

　　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。

　　触点打开后，PPTC器件开始对双金属进行加热，让其保持打开状态，直到过电流条件消失或电源关闭为止。PPTC器件的电阻要远远低于陶瓷PTC器件电阻，也就是说即使触点只打开一小部分，接触电阻只是略有上升，电流也会被分流至PPTC器件，从而有效防止触点产生电弧。一般情况下，陶瓷PTC器件与聚合物PTC器件的电阻相差约10的两次方（x10^2）。所以，电阻较高的陶瓷PTC装置在抑制高电流电弧放电方面远不如聚合物PTC器件有效。

　　图2是显示双金属保护器与PPTC器件并联的电路图

　　3 结合使用双金属和PPTC的优势

　　图3和图4显示了只使用一个双金属保护器时的电流和电压情况。图3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4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产生电弧，从触点开始打开到出现短路的时间是334毫秒。

　　图5显示了并联使用PPTC器件和双金属保护器的结果——电流被切断。从双金属保护器开始动作起到PPTC器件被完全激活的时间是6.48毫秒。从保护器开始动作起到电流被切断的时间是4.80毫秒（见图5的右图）。

　　结合图5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，没有出现保护器触点熔合，我们还可看到PPTC器件如何帮助防止触点产生电弧。

　　4 MHP器件优势

　　接下来的部分描述了MHP器件相对于常用电路保护器件而言所具有的优势。

　　4.1 触点小，电阻低

　　典型的双金属保护器上通常只有一个触点，所以其耐压能力并不强。对于单触点设计，较高的电流所需的触点尺寸也会很大。为解决该问题，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（见图6）。

      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量，从而可以通过热控制器件实施准确的热激活；

　　c 它使MHP器件相对于额定参数相当的其他断路装置而言可以更加紧凑。

　　图6:用于综合MHP器件的双闭合/双断开触点设计为方便比较，图7显示了标准的双金属触点。

　　从图7可以看出，触点仅位于一个位置上，所以它的耐压能力不如MHP器件。

　　4.2 提高耐冲击/耐振动能力

　　图8显示了MHP器件的具体设计优势，这种设计使MHP器件能提供更长的使用寿命，能承受较大的振动和冲击，可用于高电流应用的苛刻工作环境。

　　典型的电动工具在使用时通常会承受较大的振动和冲击。

　　为达到此类要求，MHP器件的触点之间需要足够的接触压力。标准的保护装置通常通过强力弹簧让移动接触臂与固定触点保持接触。但是，在较大的冲击或振动条件下，弹簧（即使是强力弹簧）产生的压力通常达不到保持触点接触所需的压力。

　　倒钩（确保振动和冲击条件下的稳定接触）为解决这一问题，MHP器件将设计重点放在双金属盘上，因为没有热触点的双金属盘有足够的强度保持稳定。此外，我们还给移动接触臂增加了一个倒钩，以增加双金属盘提供的接触压力。移动接触臂通过装置另一侧的插销固定。在接触点上增加一个倒钩可减少移动臂的转动，在两个触点上产生更大的向下压力。MHP器件经过了1000次冲击和1500次掉落测试，未出现故障；此外还通过了三次3000克冲击测试。

　　4.3 跳闸周期测试

　　图9显示了MHP器件的电阻/温度曲线。器件的打开和闭合温度可通过选择具有不同打开和闭合温度的双金属进行定制。[!--empirenews.page--]

　　图10显示了MHP30器件如何通过500多个跳闸周期测试。

图10:DC36V/100A（额定）条件下的周期寿命

　　图11显示了器件电阻的耐振动/冲击能力，器件在1500克的振动/冲击条件下进行了1000个周期的振动/冲击测试。沿触点打开方向对器件应用冲击或振动力后，器件设计始终能保持接触，证明该设计能承受较大的冲击/振动。

　　图12显示了一个条件为“1500克冲击/1000个周期”的测试，器件的电流负荷为1安。该测试的冲击或振动方向与图11一样，即沿触点打开方向。从图12中我们可以看出，器件在1500克冲击/振动条件下没有出现电源被切断的情况。图13显示了一个条件为“3000克冲击/3个周期”的测试，装置电流负荷为1安；冲击/振动方向与图12一样。从图13可以看出，在该测试条件下也没有出现电流被切断的情况。

　　掉落测试结果：

　　1,500gx1,000个周期/无负荷无电阻变化

　　1,500gx1,000个周期/1A负荷无电流切断

　　3,000gx3个周期/1A负荷无电流切断

　　4.4 减少占用空间，节约成本

　　与常用电路保护装置相比，将MHP器件用于无线电动工具电池组可减少占用空间，节约成本（见图14a和14b）。MHP器件可用一个价格较低的N通道FET代替两个价格较高的P通道FET（仅用于充电控制）。另一个节约成本的潜在方法是将IC移动到应用的系统（工具）侧，用MHP器件在电池组中提供过度放电保护/短路保护，以达到以后可能出台的锂电池电动工具应用法规要求。

　　5 MHP器件规格

　　表1列出了MHP30器件的规格。MHP30器件的最大额定值为36VDC/100A，在100A（@25°C）条件下的跳闸时间为5秒。该装置的工作电流为30A，初始电阻不到2mohm，低于常见双金属保护器的初始电阻（通常为3-4mohm）。

表1: MHP30 参考值

　　MHP30在50A条件下的跳闸时间为25秒+/-5秒。该跳闸时间长短刚好，它既可防止电池组因过度放电而出现过热条件，又不会因频繁跳闸给电动工具操作员带来不便。

　　在100A条件下的跳闸时间是在异常条件下（比如电动工具转子卡住）为电池组提供保护的最关键参数。在这种情况下，跳闸时间不应长于5秒，恢复时间（向工具重新供电所需的时间）不应长于30秒——该时间也是既能方便用户，又能防止电池过热的最佳选择。

　　图15显示了MHP器件的形状和大小。该MHP器件的额定工作电流为30A，同等大小的常用双金属保护器的额定电流只有15A。此外，器件的一侧为扁角，适合安装在电池组的标准18毫米直径锂电池单元之间。

　　6 结论

　　外形紧凑，安装方便的MHP30器件利用PPTC器件的低电阻抑制高电流电弧放电，能在超过30VDC的额定条件下提供30A+工作电流。MHP器件能在苛刻条件下提供可复位电路保护，为电池组设计者和生产商提供了一种优化空间，节约成本，达到未来电池安全要求的有效方法。

　　MHP器件技术可通过配置用于各种应用，目前正在开发适用于更高电压（最高可达400VDC）和工作电流（60A）的装置。下一步设计考虑包括用于无线电动工具、电动自行车、电动速可达、轻型电动汽车、备用电源应用及非电池应用（比如电机保护）的锂电池组电池保护。