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。

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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)

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