一种大电流放电锂离子电池的保护新方案

引言

　　应用于无线电动工具、电动自行车、后备电源等领域的大电流放电锂离子电池快速增长的市场催生了对大电流（在30V直流电压下，保持电流在30A以上）电路保护器件的需求。

　　一种新型的MHP保护器件应运而生，该器件由一个双金属保护器及一个PPTC（聚合物正温度系数）器件并联而成。这种器件既能提供可复位的过电流保护保护功能，又可利用PPTC器件的低电阻特性来抑制双金属保护器在大电流条件下动作时产生电弧。

　　1 传统解决方案与MHP器件

　　大电流电锂离子电池组应用需要稳定、可靠的电路保护；但是，目前可用的传统电路保护装置普遍较大、较复杂或价格较高。有些电路保护设计结合使用IC和MOSFET或类似复杂方案；有些考虑在30A+工作电流的直流电应用中采用双金属保护器，但必须用很大的触点才能承受这么高的电流，结果导致保护装置体积过大。此外，由于触点之间产生电弧可能损坏触点，所以还必须限制动作次数。

　　相比之下，泰科电子开发的新型MHP综合器件可代替或减少某些复杂IC/FET电池保护设计中所用的放电FET及散热器件。将MHP器件用于高倍率放电锂离子电池组应用可减少空间占用，节约成本，提高保护性能。

　　2 工作原理

　　在正常状态下，由于双金属片的电阻低，电流通过双金属片流过。在异常情况下，比如电动工具转子闭锁时，电路中将产生很高的电流，导致双金属触点打开，其接触电阻为大电流放电锂离子电池应用提供可复位电路保护的新方案增加。此时电流将通过低电阻的PPTC流过。流过PPTC的电流，不仅抑制了触点之间电弧的产生，同时又加热双金属片，使其保持在打开状态和锁定位置。这种集成设计满足了大电流直流应用中具有电弧抑制功能的可复位过流保护器件的要求。

　　如图1所示，MHP器件的动作步骤包括：

　　a 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。

　　b 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。

　　触点打开后，PPTC器件开始对双金属进行加热，让其保持打开状态，直到过电流条件消失或电源关闭为止。PPTC器件的电阻要远远低于陶瓷PTC器件电阻，也就是说即使触点只打开一小部分，接触电阻只是略有上升，电流也会被分流至PPTC器件，从而有效防止触点产生电弧。一般情况下，陶瓷PTC器件与聚合物PTC器件的电阻相差约10的两次方（x10^2）。所以，电阻较高的陶瓷PTC装置在抑制高电流电弧放电方面远不如聚合物PTC器件有效。

　　图2是显示双金属保护器与PPTC器件并联的电路图

　　3 结合使用双金属和PPTC的优势

　　图3和图4显示了只使用一个双金属保护器时的电流和电压情况。图3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4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产生电弧，从触点开始打开到出现短路的时间是334毫秒。

　　图5显示了并联使用PPTC器件和双金属保护器的结果——电流被切断。从双金属保护器开始动作起到PPTC器件被完全激活的时间是6.48毫秒。从保护器开始动作起到电流被切断的时间是4.80毫秒（见图5的右图）。

　　结合图5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，没有出现保护器触点熔合，我们还可看到PPTC器件如何帮助防止触点产生电弧。

　　4 MHP器件优势

　　接下来的部分描述了MHP器件相对于常用电路保护器件而言所具有的优势。

　　4.1 触点小，电阻低

　　典型的双金属保护器上通常只有一个触点，所以其耐压能力并不强。对于单触点设计，较高的电流所需的触点尺寸也会很大。为解决该问题，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（见图6）。

该技术相对于常用双金属保护器而言具有以下几点优势：

　　a 由于电流路径极短，所以器件的电阻非常低；

　　b 只有接触点才会产生热量，从而可以通过热控制器件实施准确的热激活；

　　c 它使MHP器件相对于额定参数相当的其他断路装置而言可以更加紧凑。

　　图6:用于综合MHP器件的双闭合/双断开触点设计为方便比较，图7显示了标准的双金属触点。

　　从图7可以看出，触点仅位于一个位置上，所以它的耐压能力不如MHP器件。

　　4.2 提高耐冲击/耐振动能力

　　图8显示了MHP器件的具体设计优势，这种设计使MHP器件能提供更长的使用寿命，能承受较大的振动和冲击，可用于高电流应用的苛刻工作环境。

典型的电动工具在使用时通