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杨帆

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基于MHP技术的锂电池电路保护应用

锂离子电池的先进技术使得高能量的锂离子电池具备更高的能量密度和更轻的重量，可以取代诸如电动工具、电动自行车、轻型电动车和备用电源等应用中使用的镍镉电池，甚至铅酸电池。
锂离子技术比镍镉或铅酸技术更加环保。但是，在新兴市场中采用锂离子电池所面临的挑战是，相比于镍镉或铅酸技术，系统设计师们越来越强调电池的安全要求。

现有一种锂离子电池电路保护的新方法，通过替代传统的高成本、占用空间的保护技术，从而应对这些市场挑战。该新型混合技术将一个双金属保护器和一个PPTC(聚合物正温度系数)器件并联在一起。由此产生的双金属与PPTC结合器件(MHP)可帮助提供在高速放电电池包中的可复位过流保护，同时通过利用PPTC器件的低阻抗来防止双金属保护器在更高电流时的电弧放电行为，并通过加热双金属来保持它的开路和闭锁状态。

传统的方法

许多高能量放电锂离子应用中的传统电路保护技术往往比较大型、复杂或昂贵。一些电路保护设计方案可能会结合使用IC和MOSFET，或者采用类似的复杂解决方案。其他的设计方案可能考虑在直流电源应用中传统的双金属保护器需要30A+的保持电流，但是接触面积必须足够大才能应对这种高电流，这就导致器件在整体尺寸上更大了。此外，开关周期次数必须是有限的，因为接触面之间产生的电弧可能会造成接触面损伤。

相比之下，泰科电子推出新型MHP混合器件能够取代或帮助减少在一些复杂IC/FET电池保护设计中使用的放电场效应管和附随的散热器的数量。MHP器件为高速放电锂离子电池包应用提供了节省空间、成本降低和保护增强的优势。首款器件MHP30-36的最大额定值为36VDC/100A，保持电流为30A。MHP器件技术可被配置到各种不同的应用中，而且现在正在开发具有更高电压(高达400VDC)和保持电流(60A)的器件。

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，比如电动工具转子堵转时，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。

如图1所示，MHP器件的激活步骤包括：

1.在正常状态下，由于双金属片的电阻低，大部分电流通过双金属片流过。

2.当触点打开时，接触电阻迅速增加。如果接触电阻比PPTC器件的电阻高，大部分电流就会通过PPTC器件流过，没有电流或很少的电流流经触点，因此抑制了触点之间电弧的产生。当电流分流到PPTC器件时，它的电阻迅速增加到比接触电阻还要高，从而PPTC发热。

3.触点打开之后，PPTC器件开始加热双金属，并使其保持打开状态直到过流事件结束或电源关闭。



图1：MHP器件的激活步骤。

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。一般来说，处于室温条件下，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器件与双金属并行联接时，在抑制高电流电弧放电方面远不如聚合物MHP器件有效。

图2显示的是双金属保护器与PPTC器件并联的电路图。



图2：双金属保护器与PPTC器件并联的电路图。




触点更小，电阻更低

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3)。



图3：MHP混合器件采用“双闭合/双断开”触点设计。

该技术相对于常用双金属保护器而言具有以下几点优势：

1.由于电流路径极短，所以器件的电阻非常低；
2.只有接触点才会产生热量，因此不必使用热控制就能实现准确的热激活。
3.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。

相比而言，采用标准的双金属触点，由于触点仅位于一个位置上，因此它的耐压能力一般不如MHP器件。

耐冲击和耐振动能力

MHP器件的一个独有优势是她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环境。

典型的电动工具的电池包在使用时通常会承受较大的振动和冲击。为达到此类要求，MHP器件的触点之间需要足够的接触压力。标准的保护装置通常通过强力弹簧让移动接触臂与固定触点保持接触。但是，在较大的冲击或振动条件下，弹簧(即使是强力弹簧)产生的压力通常达不到保持触点接触所需的压力。

为解决这一问题，MHP器件将设计重点放在双金属盘上，因为没有热触点的双金属盘有足够的强度保持稳定。此外，我们还给移动接触臂增加了一个倒钩，以增加双金属盘提供的接触压力。移动接触臂通过装置另一侧的插销固定。在接触点上增加一个倒钩可减少移动臂的转动，在两个触点上产生更大的向下压力。首款用于电动电池应用的MHP器件经过了至少500次、1,500g的掉落测试，未出现故障；此外还通过了三次3,000克的测试。

计划中的MHP器件产品系列的首款产品MHP30-36-T的最大额定值为36VDC/100A，100A(@25°C)下的动作时间少于5秒。该器件的保持电流是30A，初始电阻低于2毫欧，而典型双金属保护器的电阻通常为3到4毫欧。

图4显示了MHP30-36器件的形状和尺寸。它的保持电流为30A，同等大小的常用双金属保护器的额定电流只有15A。此外，器件的一侧为扁角，适合安装在电池包的标准18毫米直径锂电池单元之间。



图4：MHP30-36器件的尺寸。

本文小结

高能量放电锂电池市场的快速增长正在对那些能够处理更高电流和电压额定值的电池电路保护器件形成新的要求。新型MHP混合器件为电池包设计师们提供了一种全新的电路保护方法，从而使得这些设计具有更高的成本效益。与传统方法相比，该混合器件提供了一种抑制电弧的增强保护，同时也不需要先前IC加MOSFET电池保护设计中所用的多个大型的放电FET及散热器件。

通过并行使用PPTC和选择具有不同电压额定值的PPTC，MHP设计可通过配置用于各类应用。MHP的器件架构可针对各种不同的应用进行配置，，目前正在开发适用于更高电压(最高可达400VDC)和工作电流(60A)的装置。

加入第三个端子作为控制信号线的设计理念正在处于研发中，这样MHP器件就能充分利用IC的先进特性来监测电池多种多样的重要的运行情况。如果发现异常情况，IC就会通过一条低功率开关线发出信号，从而激活器件和断开主电路。这类带有“智能激活”功能的MHP器件，将会为那些用于太阳能电源系统和备用电源应用等的大型锂离子电池和模组提供更多的电路保护控制。

作者：Ty Bowman
全球电池市场经理
电路保护业务部
泰科电子

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