PPTC组件在锂离子电池组短路及过充电保护中的应用

随着对便携式设备更长运作时间、小尺寸及重量等需求日增，促使业界不断朝体积更小、更轻的锂离子及锂聚合物电池发展，同时要具备更高能量密度与更快的充电速率。由于数字无线电话、数码相机等对脉冲电流供应的需求增加，电池充电速率与内部阻抗也成为重要课题。
电池化学物具有较高的能量密度与充电速率，使电池电路保护设计变得很复杂。 以二次充电锂化学物为基础的电池和电池盒，对过电流/过温状态特别敏感，这种状况是由意外短路、滥用或难以控制的充电所致，使电池温度升高，导致电池受损或设备故障。
当金属物体(如笔记本用蝴蝶夹或钥匙环)连接于电池盒外漏的端点，就会造成意外短路而导致温度过高，造成其它组件及外围材料的损坏，甚至燃烧。UL电气规范规定了电池盒所供应的最大电流及短路的承受时间。
电池盒过度充电，一方面是由于不稳定充电导致，如充电器充满电而无法停止充电电流。另一方面，充电不当，如电池盒反向充电或由不匹配的充电器充电，也可能引起重要的设备受损。

图1  过电流或过温状况下，PPTC组件的保护原理

图2 针对 PolySwitch SRP，VTP及VLR聚合物的PTC材料使用的无源阻抗 vs， 温度曲线

图3  动作时间作为VLR170在不受限制的空气中，接上电池，其故障电流的函数

图4  动作时间作为两者皆为正常和长带状接脚VLR230 和 VLR170故障电流的函数

图5 典型单颗锂离子电池盒的保护电路

电路保护设计的考虑
电池盒可利用半导体和无源电路保护组件，对短路及过度充电的情况加以保护。在锂离子及锂聚合物电池盒中，对于无源电路保护组件的选择，是采用低操作温度、低电阻值的聚合物PTC组件，如PolySwitch  VTP 或 VLR 组件。
早期电路设计使用一次性保险丝，来提供过电流保护。但是，由于大多数电池盒的故障情况都相当罕见或是间歇性事件，自复式保护方式成了更佳选择。
双片金属电路断路器是一种可自复的限流组件，但由于电子机械式特点，容易出现接点电弧及磨损。陶瓷式PTC组件也提供自复式保护，但是它们的电阻值较高，而且动作时间较慢。低阻值对于大型设备的通话时间而言非常重要。
聚合物式正向温度系数(PPTC)组件由于具有可重复使用功能、低电阻值与增强的温度保护特性，是目前电池电路保护方面最有效果的方法。

PPTC操作原理
PPTC电路保护组件是以特殊塑料及传导性粒子混合而成的传导式聚合物，如图1所示。在常温下，该传导性粒子会在聚合物中形成低阻值链路，当温度上升超过该组件的切换温度时，聚合物中的微晶粒就会熔化，变成非结晶状。当微晶粒阶段熔化期间数量增加时，会使传导性粒子分离，导致该组件内阻抗呈非线性增加。产生热的原因是由于周围环境或电池温度上升所致，也可能受到过电流状态下阻抗加热引起，或是因前述不当的充电产生。
短路保护原理
对任何电池盒电路保护组件而言，保护电池避免短路故障的关键在于限制故障电路所需的时间，即所谓的动作时间(time-to-trip，即TtT)。虽然中断电流的机械装置有很多种，但所有无源电子测温组件所操作的切换温度(TSw)及该类组件达到切换温度的方法，却是相同的。在故障发生期间，组件内部的热产生速度比以下温度公式所示的周围耗散更快:
 (热累加)=(热进)-(热出)   (1)
对高故障电流而言， 公式的(热出)部分是无关紧要的，因此TtT主要依赖热产生比例，该组件的热的主要部分与温度的改变。决定公式的基本要件是:
dH=(T-Ta)·Cp     (2)
dH=P·t=I2·R·t    (3)
两式合并成：
(T-Ta)·Cp =I2·R·t    (4)
式中:dH 为 热改变,T为组件温度，Ta为周围温度，Cp为组件热容量，P为功率,I为故障电流，R为  组件阻抗， t为时间。
但是，由于PPTC 组件的阻抗为一温度低于TSw  的渐增函数，因此公式(4)变成:
 (T-Ta)·Cp =I2·R(T)·t   (5)
由此得知时间为
t=(T-Ta)·Cp/(I2·R(T))    (6)
在低故障电流(接近动作电流)下，温度公式中(热出)的部分也同样重要。决定热耗损的指定公式颇为复杂，但有一简化公式显示重要系数:
dH=b·(T-Ta)·k·A     (7)
式中b 为 常数，k为热转换系数，且A为组件表面面积。将此(热出)公式与公式(5)合并得出:
t=(T-Ta)·[(Cp/(I2·R(T)))-(b·k·A)] (8)
整合此式，得出从Ta 到 TSw 动作时间。此式的重要性在于一已知的起始阻抗低切换温度聚合物PTC组件，在故障期间提供更快速的动作时间，见图2。当组件接近切换温度时，该组件的阻抗增加，因此所产生的热更具效率；切换温度较低，因此在较短时间内就能达到所需的温度变化。
为了降低TtT，温度公式的(热出)部分必须减至最小。这必须使用小型组件及降低温度转换系数来实现。针对VTP和VLR组件每个外型，虽然VLR组件阻抗比VTP组件要低，但其能在故障电流到达额定电流时，提供短路保护功能。
图3 所示为室温下，将组件放在接上电池的温度接点上TtT使温度转换系数增加的结果。由此可见， 紧密接上电池的温度接点在边缘增加TtT，但只有在故障电流时低于10A。
图4显示使用带状接脚(它们可能用在电池盒中)，降低温度转换系数的结果。比较指出，带状接脚能在故障电流接近组件特定动作电流时，降低TtT，但此结果在较高电流时并不存在。

图6因不当过度充电引起的,锂离子电池温度上升，当使用PolySwitch VTP PPTC组件时,温度明显降低

图7同值的VLR及VTP组件，在不限定温度、1安培下的热截止(TCO)

图8  同值的PolySwitch VLR及VTP组件，在以热接点接到电池上时、1A下的热截止(TCO)

过充保护重要性及原理
PPTC提供锂离子电池过充电保护的重要性
锂离子电池盒一般包括有源过压及过电流检测安全电路(IC和MOEFET)，以及串联聚合物PTC组件，如图5所示。若PPTC组件有低温操作特性，在电池温持续升高的情况下，它将以切断充电或放电来提供过温度保护。虽然半导体电路很可靠，在某些情况下故障也可能发生，例如静电过度放电，高温或在短路情况下的震动等。
若电路中无过温保护，并且各种过压电路都无作用，由于过充电或充电电路设计不良导致内部损害，可能会因电池破裂造成电池盒漏气，冒烟甚或起火。电池温度过高是充电不当的情况之一，是电池盒设计者最关心的问题所在。
低温PPTC在温度上升过高时，可以截断电池的充电电流。不管温度上升是由于外部短路或不当充电，串联在电池盒内部电池上的PPTC带装组件提供过电流及过温双重保护，可以省却温度保险丝或双片金属断路器。
图6显示不当过度充电时，温度急剧升高的情形，VTP低温PPTC组件将锂离子电池充电电流中断。只有PPTC组件具有低切换温度，才可避免锂离子过度充电。高切换温度的PPTC(>95℃)不能在电池温度过高时，阻断充电电流。
PolySwitch VTP组件在75℃时动作，变为高阻抗，阻止电池温度快速升高
PPTC过充保护原理
不当充电期间，高电压会加在电池上。PPTC组件内部的充电电流会产生热，同时，化学反应也会生热。根据公式(6)，热流在两个物体之间产生。低阻抗PPTC组件内部产生的热非常低，不会影响电池的温度，但对于该组件周围温度会产生较大影响。当电池温度上升(Ta=Tcell)，根据公式(6)，热会流进PPTC组件中并快速累积起来，最后导致该组件动作(Trip)。一旦被触发动作，充电器电压通过PPTC组件就会降低，而非电池，由于PPTC触发动作，电池因此保持冷温。
瑞侃电路保护系列开发了一种测试方式，称为热截止(thermal cutoff)，来仿真PPTC组件在电池过度充电下的反应。将组件放在烤箱中，仿真额定电压下流过组件的充电电流。烤箱中的温度由室温开始稳定增加，直到组件动作为止。热截止温度便定义成PPTC去中断充电电流时的环境温度。图7显示VLR及VTP组件在1A的仿真热截止数据，并且也显示了室温低于TSw以下，阻值的增加与充电的限制。这个图说明了PPTC组件提供了在过电流下的可重置性及非高温保护能力。
标准的热截止测试仿真PPTC组件的自行反应，但因接触电池表面而影响热截止温度。PPTC组件在接近热截止时，在公式(1)的热输出部分有特殊意义，组件以电池的金属外壳做内部的热接点为一特例。图8显示组件以真实电池的金属外壳做内部的热接点，在1A的仿真热截止资料，该例中，热截止温度由电池的热电偶获得。
在特殊电池盒设计中，实际热截止可能是介于图7和图8所示结果之间的某处，需视组件粘贴与电池盒的电路配置而定。这显示电池盒设计者一旦最后组件的选定与机构布局完成后，实现最后温度保护效能评估的重要性，若无法做到这项针对电池盒的系统层级保护检查，恐怕会造成保护功能不完全。相同组件常会在电池盒保护及效能上提供不同的结果。

结语
低温的PPTC组件在接近正常电池盒的使用温度下，能达到充电电流最大值，实现快捷充电。其可重置能力确保不当动作不会造成电池永久性的损坏。PPTC组件可以在不牺牲过电流或是过充电保护的情况下，改善锂电池的效能。