- 傳統(tǒng)的電池電路保護(hù)方法
- MHP器件的工作原理
- MHP器件耐沖擊和耐振動(dòng)能力
- MHP技術(shù)相對(duì)于常用雙金屬保護(hù)器而言具有的優(yōu)勢(shì)
鋰離子電池的先進(jìn)技術(shù)使得高能量的鋰離子電池具備更高的能量密度和更輕的重量，可以取代諸如電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車、輕型電動(dòng)車和備用電源等應(yīng)用中使用的鎳鎘電池，甚至鉛酸電池。
鋰離子技術(shù)比鎳鎘或鉛酸技術(shù)更加環(huán)保。但是，在新興市場(chǎng)中采用鋰離子電池所面臨的挑戰(zhàn)是，相比于鎳鎘或鉛酸技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們?cè)絹?lái)越強(qiáng)調(diào)電池的安全要求。
現(xiàn)有一種鋰離子電池電路保護(hù)的新方法，通過(guò)替代傳統(tǒng)的高成本、占用空間的保護(hù)技術(shù)，從而應(yīng)對(duì)這些市場(chǎng)挑戰(zhàn)。該新型混合技術(shù)將一個(gè)雙金屬保護(hù)器和一個(gè)PPTC（聚合物正溫度系數(shù)）器件并聯(lián)在一起。由此產(chǎn)生的雙金屬與PPTC結(jié)合器件（MHP）可幫助提供在高速放電電池包中的可復(fù)位過(guò)流保護(hù)，同時(shí)通過(guò)利用PPTC器件的低阻抗來(lái)防止雙金屬保護(hù)器在更高電流時(shí)的電弧放電行為，并通過(guò)加熱雙金屬來(lái)保持它的開路和閉鎖狀態(tài)。
傳統(tǒng)的方法
許多高能量放電鋰離子應(yīng)用中的傳統(tǒng)電路保護(hù)技術(shù)往往比較大型、復(fù)雜或昂貴。一些電路保護(hù)設(shè)計(jì)方案可能會(huì)結(jié)合使用IC和MOSFET，或者采用類似的復(fù)雜解決方案。其他的設(shè)計(jì)方案可能考慮在直流電源應(yīng)用中傳統(tǒng)的雙金屬保護(hù)器需要30A+的保持電流，但是接觸面積必須足夠大才能應(yīng)對(duì)這種高電流，這就導(dǎo)致器件在整體尺寸上更大了。此外，開關(guān)周期次數(shù)必須是有限的，因?yàn)榻佑|面之間產(chǎn)生的電弧可能會(huì)造成接觸面損傷。
相比之下，泰科電子推出新型MHP混合器件能夠取代或幫助減少在一些復(fù)雜IC/FET電池保護(hù)設(shè)計(jì)中使用的放電場(chǎng)效應(yīng)管和附隨的散熱器的數(shù)量。MHP器件為高速放電鋰離子電池包應(yīng)用提供了節(jié)省空間、成本降低和保護(hù)增強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。首款器件MHP30-36的最大額定值為36VDC/100A，保持電流為30A。MHP器件技術(shù)可被配置到各種不同的應(yīng)用中，而且現(xiàn)在正在開發(fā)具有更高電壓（高達(dá)400VDC）和保持電流（60A）的器件。
工作原理
在正常狀態(tài)下，由于雙金屬片的電阻低，電流通過(guò)雙金屬片流過(guò)。在異常情況下，比如電動(dòng)工具轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時(shí)，電路中將產(chǎn)生很高的電流，導(dǎo)致雙金屬觸點(diǎn)打開，其接觸電阻增加。此時(shí)電流將通過(guò)低電阻的PPTC流過(guò)。流過(guò)PPTC的電流，不僅抑制了觸點(diǎn)之間電弧的產(chǎn)生，同時(shí)又加熱雙金屬片，使其保持在打開狀態(tài)和鎖定位置。
如圖1所示，MHP器件的激活步驟包括：
1.在正常狀態(tài)下，由于雙金屬片的電阻低，大部分電流通過(guò)雙金屬片流過(guò)。
2.當(dāng)觸點(diǎn)打開時(shí)，接觸電阻迅速增加。如果接觸電阻比PPTC器件的電阻高，大部分電流就會(huì)通過(guò)PPTC器件流過(guò)，沒(méi)有電流或很少的電流流經(jīng)觸點(diǎn)，因此抑制了觸點(diǎn)之間電弧的產(chǎn)生。當(dāng)電流分流到PPTC器件時(shí)，它的電阻迅速增加到比接觸電阻還要高，從而PPTC發(fā)熱。
3.觸點(diǎn)打開之后，PPTC器件開始加熱雙金屬，并使其保持打開狀態(tài)直到過(guò)流事件結(jié)束或電源關(guān)閉。
圖1：MHP器件的激活步驟。
PPTC器件的電阻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于陶瓷PTC器件電阻，也就是說(shuō)即使觸點(diǎn)只打開一小部分，接觸電阻只是略有上升，電流也會(huì)被分流至PPTC器件，從而有效防止觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧。一般來(lái)說(shuō)，處于室溫條件下，陶瓷PTC器件與聚合物PTC器件的電阻相差約10的兩次方（x10^2）。所以，電阻較高的陶瓷PTC器件與雙金屬并行聯(lián)接時(shí)，在抑制高電流電弧放電方面遠(yuǎn)不如聚合物MHP器件有效。
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圖2顯示的是雙金屬保護(hù)器與PPTC器件并聯(lián)的電路圖。
圖2：雙金屬保護(hù)器與PPTC器件并聯(lián)的電路圖。
觸點(diǎn)更小，電阻更低
典型的雙金屬保護(hù)器上通常只有一個(gè)觸點(diǎn)，所以其耐壓能力并不強(qiáng)。對(duì)于單觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，較高的電流所需的觸點(diǎn)尺寸也會(huì)很大。為解決該問(wèn)題，MHP器件采用“雙閉合/雙斷開”觸點(diǎn)設(shè)計(jì)，從而大大縮小了裝置尺寸（見圖3）。
圖3：MHP混合器件采用“雙閉合/雙斷開”觸點(diǎn)設(shè)計(jì)。
該技術(shù)相對(duì)于常用雙金屬保護(hù)器而言具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
1.由于電流路徑極短，所以器件的電阻非常低；
2.只有接觸點(diǎn)才會(huì)產(chǎn)生熱量，因此不必使用熱控制就能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的熱激活。
3.它使MHP器件相對(duì)于額定參數(shù)相當(dāng)?shù)钠渌麛嗦费b置而言可以更加緊湊。
相比而言，采用標(biāo)準(zhǔn)的雙金屬觸點(diǎn)，由于觸點(diǎn)僅位于一個(gè)位置上，因此它的耐壓能力一般不如MHP器件。
耐沖擊和耐振動(dòng)能力
MHP器件的一個(gè)獨(dú)有優(yōu)勢(shì)是她能提供更長(zhǎng)的使用壽命，能承受較大的振動(dòng)和沖擊，可用于高電流應(yīng)用的苛刻環(huán)境。
典型的電動(dòng)工具的電池包在使用時(shí)通常會(huì)承受較大的振動(dòng)和沖擊。為達(dá)到此類要求，MHP器件的觸點(diǎn)之間需要足夠的接觸壓力。標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)裝置通常通過(guò)強(qiáng)力彈簧讓移動(dòng)接觸臂與固定觸點(diǎn)保持接觸。但是，在較大的沖擊或振動(dòng)條件下，彈簧（即使是強(qiáng)力彈簧）產(chǎn)生的壓力通常達(dá)不到保持觸點(diǎn)接觸所需的壓力。
為解決這一問(wèn)題，MHP器件將設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在雙金屬盤上，因?yàn)闆](méi)有熱觸點(diǎn)的雙金屬盤有足夠的強(qiáng)度保持穩(wěn)定。此外，我們還給移動(dòng)接觸臂增加了一個(gè)倒鉤，以增加雙金屬盤提供的接觸壓力。移動(dòng)接觸臂通過(guò)裝置另一側(cè)的插銷固定。在接觸點(diǎn)上增加一個(gè)倒鉤可減少移動(dòng)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，在兩個(gè)觸點(diǎn)上產(chǎn)生更大的向下壓力。首款用于電動(dòng)電池應(yīng)用的MHP器件經(jīng)過(guò)了至少500次、1，500g的掉落測(cè)試，未出現(xiàn)故障；此外還通過(guò)了三次3，000克的測(cè)試。
計(jì)劃中的MHP器件產(chǎn)品系列的首款產(chǎn)品MHP30-36-T的最大額定值為36VDC/100A，100A（@25°C）下的動(dòng)作時(shí)間少于5秒。該器件的保持電流是30A，初始電阻低于2毫歐，而典型雙金屬保護(hù)器的電阻通常為3到4毫歐。
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圖4顯示了MHP30-36器件的形狀和尺寸。它的保持電流為30A，同等大小的常用雙金屬保護(hù)器的額定電流只有15A。此外，器件的一側(cè)為扁角，適合安裝在電池包的標(biāo)準(zhǔn)18毫米直徑鋰電池單元之間。
圖4：MHP30-36器件的尺寸。
本文小結(jié)
高能量放電鋰電池市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)正在對(duì)那些能夠處理更高電流和電壓額定值的電池電路保護(hù)器件形成新的要求。新型MHP混合器件為電池包設(shè)計(jì)師們提供了一種全新的電路保護(hù)方法，從而使得這些設(shè)計(jì)具有更高的成本效益。與傳統(tǒng)方法相比，該混合器件提供了一種抑制電弧的增強(qiáng)保護(hù)，同時(shí)也不需要先前IC加MOSFET電池保護(hù)設(shè)計(jì)中所用的多個(gè)大型的放電FET及散熱器件。
通過(guò)并行使用PPTC和選擇具有不同電壓額定值的PPTC，MHP設(shè)計(jì)可通過(guò)配置用于各類應(yīng)用。MHP的器件架構(gòu)可針對(duì)各種不同的應(yīng)用進(jìn)行配置，，目前正在開發(fā)適用于更高電壓（最高可達(dá)400VDC）和工作電流（60A）的裝置。
加入第三個(gè)端子作為控制信號(hào)線的設(shè)計(jì)理念正在處于研發(fā)中，這樣MHP器件就能充分利用IC的先進(jìn)特性來(lái)監(jiān)測(cè)電池多種多樣的重要的運(yùn)行情況。如果發(fā)現(xiàn)異常情況，IC就會(huì)通過(guò)一條低功率開關(guān)線發(fā)出信號(hào)，從而激活器件和斷開主電路。這類帶有“智能激活”功能的MHP器件，將會(huì)為那些用于太陽(yáng)能電源系統(tǒng)和備用電源應(yīng)用等的大型鋰離子電池和模組提供更多的電路保護(hù)控制。
