導(dǎo)讀：目前，越來(lái)越多的大功率應(yīng)用開始使用鋰離子電池，這導(dǎo)致了對(duì)更穩(wěn)健電路保護(hù)解決方案的需求。可是，目前針對(duì)如電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車、輕型電動(dòng)汽車(LEV)和備用電源應(yīng)用等高倍率放電鋰離子電池應(yīng)用的保護(hù)解決方案仍然很少，而傳統(tǒng)電路保護(hù)技術(shù)往往較為大型、復(fù)雜而且昂貴。
金屬混合PPTC(MHP)技術(shù)正好為鋰離子電池應(yīng)用這一市場(chǎng)趨勢(shì)提供了一種高性價(jià)比而且節(jié)省空間的替代選擇。MHP器件通過將一個(gè)雙金屬片保護(hù)器與一個(gè)聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)器件并聯(lián)，提供了可恢復(fù)的過流保護(hù)，同時(shí)在較大的電流下，還可利用PPTC器件的低電阻來(lái)幫助防止雙金屬片保護(hù)器中的電弧放電。
圖1 標(biāo)準(zhǔn)MHP器件的激活步驟
核心設(shè)計(jì)概念
在MHP器件正常工作期間，由于具有低接觸電阻，電流可以通過雙金屬片觸點(diǎn)。當(dāng)異常事件發(fā)生時(shí)，例如電動(dòng)工具轉(zhuǎn)子卡住，會(huì)在電路中產(chǎn)生較大的電流，引起雙金屬片觸點(diǎn)斷開。此時(shí)，電流分流至較低電阻的PPTC器件，從而幫助防止觸點(diǎn)間的電弧放電，PPTC同時(shí)還對(duì)雙金屬片進(jìn)行加熱，使之保持?jǐn)嚅_并處于鎖定位置(圖1)。
如圖1所示，MHP器件的激活步驟包括：
1. 在正常工作期間，因?yàn)榻佑|電阻很小，大部分電流通過雙金屬片。
2. 當(dāng)觸點(diǎn)開始斷開時(shí)，接觸電阻快速增加。假如接觸電阻高于PPTC器件的電阻，由于大部分電流流向PPTC器件，而沒有或很少電流流經(jīng)觸點(diǎn)，因此防止了觸點(diǎn)間發(fā)生電弧放電。當(dāng)電流分流至PPTC器件后，它的電阻快速增加，達(dá)到遠(yuǎn)大于接觸電阻的水平，使PPTC器件升溫。
3. 在觸點(diǎn)斷開后，PPTC器件開始對(duì)雙金屬片加熱，并使之保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，直到過流事件結(jié)束或電源關(guān)閉。
PPTC器件的電阻遠(yuǎn)低于陶瓷PTC，這意味著即使觸點(diǎn)只是少許斷開，而接觸電阻僅稍微增加，也可將電流分流至PPTC器件，幫助防止在觸點(diǎn)上發(fā)生電弧放電。通常，室溫下陶瓷和聚合物PTC器件之間的電阻率差異在百倍(100:1)，因而當(dāng)較高電阻的陶瓷PTC器件與雙金屬片并聯(lián)組合時(shí)，在較大電流下對(duì)于抑制電弧放電，它們不如MHP器件有效。
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智能激活
MHP-SA器件是最新一代的MHP技術(shù)，它含有一個(gè)第三端輸入信號(hào)端來(lái)用作過充保護(hù)信號(hào)，這使得該器件可利用IC來(lái)監(jiān)測(cè)電池的各種主要功能。假如IC檢測(cè)到異常情況，會(huì)通過低功率開關(guān)器件發(fā)送信號(hào)，激活MHP-SA器件并斷開主線路，如圖2所示。激活步驟如下：
1. IC監(jiān)控電池系統(tǒng)的溫度、電流、電壓的異常情況；
2. FET(或開關(guān))在異常事件下導(dǎo)通(1→3)；
3. 加熱器(PPTC)激活并加熱雙金屬片；
4. 觸點(diǎn)斷開并切斷與主線路(1→2)的連接。
圖2 最新代MHP-SA器件整合了一個(gè)第三端子，用于外部激活
圖3是以一個(gè)電池過充保護(hù)的概念和激活步驟的一個(gè)范例。該50A/400VDC器件在主線路上具有50A的保持電流。在此例子中，IC監(jiān)測(cè)各個(gè)電池電壓，在異常電壓事件期間，F(xiàn)ET導(dǎo)通，加熱器(PPTC)激活并加熱雙金屬片，然后觸點(diǎn)斷開并切斷到主線路的電流。
圖3 MHP-SA器件的激活步驟(充電期間)
智能激活器件的優(yōu)勢(shì)包括：
在電池組中提供過充保護(hù)；
通過外部激活信號(hào)線路，使器件可以利用電池監(jiān)測(cè)IC來(lái)檢測(cè)過壓、過熱等，并激活器件；
可重置器件(無(wú)需因?yàn)榭紤]浪涌電流而選擇更高額定值的器件)；
與大型DC保險(xiǎn)絲或其它斷路器件相比，尺寸更小且外形更薄；
電弧抑制PPTC設(shè)計(jì)，抑制觸點(diǎn)電??；
可以使用低功率開關(guān)線路來(lái)斷開主線路(可以使用較低成本的FET)。
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無(wú)弧觸點(diǎn)
圖4a和4b所示為僅使用雙金屬片保護(hù)器的電流和電壓圖形。圖4a顯示了在24VDC額定電壓和20A電流下斷開雙金屬片保護(hù)器的典型結(jié)果，保護(hù)器在1.28ms內(nèi)斷開。圖4b則描述了雙金屬保護(hù)器在雙倍額定電壓下的情形。在故障條件下標(biāo)準(zhǔn)的雙金屬片保護(hù)器發(fā)生電弧放電，從觸點(diǎn)開始斷開到短路熔接的時(shí)間為334ms。
圖4 (a)額定電壓下的雙金屬片保護(hù)器 (b)2倍額定電壓下的雙金屬片保護(hù)器
圖5a和5b顯示了PPTC器件和雙金屬片器件并聯(lián)組合的結(jié)果，就是電流完全斷開。圖5a顯示從雙金屬片保護(hù)器開始工作，直到PPTC器件完全激活之間的時(shí)間延遲為6.48ms。圖5b顯示了當(dāng)所施加的電壓為額定電壓的兩倍時(shí)，從保護(hù)器工作直到電流斷開的時(shí)間為4.80μs。這一系列圖像證明了從雙金屬片保護(hù)器到PPTC器件的平滑轉(zhuǎn)移，保護(hù)器觸點(diǎn)無(wú)熔接，并且顯示了PPTC器件如何保護(hù)觸點(diǎn)防止電弧放電。
圖5 通過PPTC器件和雙金屬片保護(hù)器的并聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)了平滑的電流切斷
本文小結(jié)
MHP器件提供了穩(wěn)健的可重置電路保護(hù)解決方案，為電池組設(shè)計(jì)人員和制造商提供了優(yōu)化空間、降低成本和增強(qiáng)安全性的方法。MHP器件的無(wú)電弧觸點(diǎn)技術(shù)可用于鋰離子電池組和模塊，支持更高的電壓和電流額定值；隨著鋰離子技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，其應(yīng)用正變得更為普遍。
最新的MHP-SA器件包含了一個(gè)第三端信號(hào)端，該技術(shù)允許MHP器件利用現(xiàn)今電子產(chǎn)品中的智能電池監(jiān)測(cè)功能，在用于蓄能系統(tǒng)的大型鋰離子電池組和模塊中，提供更多的電路保護(hù)控制功能。
MHP和MHP-SA器件技術(shù)可以配置用于不同的應(yīng)用，目前正在開發(fā)電壓和保持電流更高的器件。未來(lái)的設(shè)計(jì)考慮因素包括備用電源、能量存儲(chǔ)系統(tǒng)(ESS)等應(yīng)用中的鋰離子電池保護(hù)，以及馬達(dá)保護(hù)等非電池應(yīng)用。
