针对大电流锂离子电池应用的PPTC/双金属混合器件技术

传统的针对大电流锂离子电池应用(如无线电动工具、电动车和后备电源)的电路保护方案倾向于使用大型、复杂或昂贵的保护技术。例如，一般电路保护设计方案采用IC和MOSFET结合使用的方案或者其他类似的复杂方案。某些设计可能考虑在要求30A以上工作电流的直流电源应用中采用传统的双金属片保护器件，不过，该方案要求双金属片接触点足够大，以承受大电流，这导致保护器件体积过大；此外，这些传统双金属保护器件的动作次数必须受到限制，因为触点之间可能产生的电弧会损坏触点。
   本文介绍了一种新的混合式技术，它可提供一种紧凑、稳健的电路保护器件，它能在额定电压超过30VDC的情况下提供30A以上的工作电流。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。这种组合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，使其保持在打开锁定状态。
   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，使其保持在打开锁定状态。如图1所示，MHP器件的动作步骤包括：
   1. 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。
   2. 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。
   3. 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。
   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6.48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
   
   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：
   1. 由于电流路径极短，所以器件的电阻非常低、
   2. 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
   3. 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凑
   相比之下，因为标准双金属触点仅位于一个位置，所以它的耐压能力不如MHP器件。
   耐冲击/振动能力
   MHP器件可以提供更长的使用寿命，能承受较大的振动和冲击，可应用于大电流应用的苛刻工作环境。典型的电动工具电池组都是在较大的振动和冲击条件下工作。为了满足这些要求，MHP器件的触点之间需要足够的接触压力。
   标准的保护器件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)产生的压力也达不到保持触点接触所需的压力。
   为了解决这一挑战，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。在靠近触点的地方增加一个倒钩可以减少移动臂的转动，从而在两个触点上产生更大的向下压力。MHP器件经过了1500g跌落测试方法下的1000次冲击，未出现故障，还通过了三次3000g的冲击测试。
   图4a给出了器件在1A负载条件下经过1500g冲击/1000次循环测试的结果。结果表明，在1500g冲击下没有发生电流切断。图4b给出了器件在1A负载条件下经过3000g冲击/3次循环测试的结果。冲击或振动方向也与图4a相同。结果表明，在3000g冲击下也没有发生电流切断。
   跌落测试结果：
   · 1500g x 1000次循环/无负载→无电阻变化
   · 1500g x 1000次循环/1A负载→无电流切断
   · 3000g x 3次循环/1A负载→无电流切断
   
图4a：1A负载条件下的1500g跌落测试结果。图4b：1A负载条件下的3000g跌落测试结果。
   MHP器件规格
   MHP30-36器件是规划的MHP产品系列中的首批器件，最大额定值为36VDC/100A，在100A (@25℃)条件下的跳闸时间小于5秒。这些器件的工作电流为30A，初始电阻不到2mΩ，低于常见双金属保护器的初始电阻(通常为3至4mΩ)。
   MHP30-36器件在50A条件下的跳闸时间为25秒±5秒。该跳闸时间长短刚好，既可防止电池组因过度放电而出现过热，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(钻头)转子卡住)为电池组提供保护的最关键参数。在这种情况下，跳闸时间不应超过5秒，复位时间(向工具重新供电所需的时间)不应超过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5显示了MHP器件的开关和尺寸。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毫米直径锂离子电池单元之间。
   
图5：MHP30-36器件尺寸
   结论
   混合式MHP器件通过集成双金属保护器和PPTC器件提供可复位的过电流保护，并利用PPTC器件的低电阻抑制大电流条件下的电弧放电。这种技术提供了一种耐用的可复位的电路保护方案，为锂离子电池组设计师提供了一种优化空间、节约成本并且满足未来电池安全要求的有效方法。、
   MHP器件的可扩展技术可以针对不同应用进行配置。目前正在开发适用于更高电压(最高可达400VDC)和工作电流(60A)的器件。用于保护太阳能系统和其它后备电源应用中使用的锂离子电池组和模块的设计概念也在开发中。通过提供用作信号线的第3个端子，这些MHP器件可以使用“智能激活”检测技术监视电池的各种重要功能。