中心論題：

• 分析鋰電池組電路保護設計的考慮因素
• 闡釋PPTC的操作原理
• 強調PPTC對鋰離子電池組的過充保護重要性及原理

解決方案：

• PPTC器件具有可重復使用功能、低電阻值與增強的溫度保護特性
• PPTC器件是目前電池電路保護方面最有效果的方法

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,促使業界不斷朝體積更小、更輕的鋰離子及鋰聚合物電池發展,同時要具備更高能量密度與更快的充電速率。由于數字無線電話、數碼相機等對脈沖電流供應的需求增加,電池充電速率與內部阻抗也成為重要課題。

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。

金屬物體(如筆記本用蝴蝶夾或鑰匙環)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電氣規范規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
 
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

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(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,變成非結晶狀。當微晶粒階段熔化期間數量增加時,會使傳導性粒子分離,導致該組件內阻抗呈非線性增加。產生熱的原因是由于周圍環境或電池溫度上升所致,也可能受到過電流狀態下阻抗加熱引起,或是因前述不當的充電產生。

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。在故障發生期間,組件內部的熱產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)部分是無關緊要的,因此TtT主要依賴熱產生比例,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)•Cp     (2)

dH=P•t=I2•R•t    (3)

兩式合并成：

(T-Ta)•Cp =I2•R•t    (4)

式dH為熱改變,T為組件溫度,Ta為周圍溫度,Cp為組件熱容量,P為功率,I為故障電流,R為組件阻抗, t為時間。

但是,由于PPTC 組件的阻抗為一溫度低于TSw  的漸增函數,因此公式(4)變成:
 
(T-Ta)•Cp =I2•R(T)•t   (5)

由此得知時間為

t=(T-Ta)•Cp/(I2•R(T))    (6)

在低故障電流(接近動作電流)下,溫度公式中(熱出)的部分也同樣重要。決定熱耗損的指定公式頗為復雜,但有一簡化公式顯示重要系數:

dH=b•(T-Ta)•k•A     (7)

式中b 為 常數,k為熱轉換系數,且A為組件表面面積。將此(熱出)公式與公式(5)合并得出:

t=(T-Ta)•[(Cp/(I2•R(T)))-(b•k•A)] (8)

合此式,得出從Ta 到 TSw 動作時間。此式的重要性在于一已知的起始阻抗低切換溫度聚合物PTC組件,在故障期間提供更快速的動作時間,見圖2。當組件接近切換溫度時,該組件的阻抗增加,因此所產生的熱更具效率;切換溫度較低,因此在較短時間內就能達到所需的溫度變化。

為了降低TtT,溫度公式的(熱出)部分必須減至最小。這必須使用小型組件及降低溫度轉換系數來實現。針對VTP和VLR組件每個外型,雖然VLR組件阻抗比VTP組件要低,但其能在故障電流到達額定電流時,提供短路保護功能。

圖3 所示為室溫下,將組件放在接上電池的溫度接點上TtT使溫度轉換系數增加的結果。由此可見, 緊密接上電池的溫度接點在邊緣增加TtT,但只有在故障電流時低于10A。

圖4顯示使用帶狀接腳(它們可能用在電池盒中),降低溫度轉換系數的結果。比較指出,帶狀接腳能在故障電流接近組件特定動作電流時,降低TtT,但此結果在較高電流時并不存在。

圖6因不當過度充電引起的,鋰離子電池溫度上升,當使用PolySwitch VTP PPTC組件時,溫度明顯降低


圖7同值的VLR及VTP組件,在不限定溫度、1安培下的熱截止(TCO)


圖8  同值的PolySwitch VLR及VTP組件,在以熱接點接到電池上時、1A下的熱截止(TCO)

過充保護重要性及原理
PPTC提供鋰離子電池過充電保護的重要性
鋰離子電池盒一般包括有源過壓及過電流檢測安全電路(IC和MOEFET),以及串聯聚合物PTC組件,如圖5所示。若PPTC組件有低溫操作特性,在電池溫持續升高的情況下,它將以切斷充電或放電來提供過溫度保護。雖然半導體電路很可靠,在某些情況下故障也可能發生,例如靜電過度放電,高溫或在短路情況下的震動等。

若電路中無過溫保護,并且各種過壓電路都無作用,由于過充電或充電電路設計不良導致內部損害,可能會因電池破裂造成電池盒漏氣,冒煙甚或起火。電池溫度過高是充電不當的情況之一,是電池盒設計者最關心的問題所在。