隨著對便攜式設(shè)備更長運(yùn)作時間、小尺寸及重量等需求日增，促使業(yè)界不斷朝體積更小、更輕的鋰離子及鋰聚合物電池發(fā)展，同時要具備更高能量密度與更快的充電速率。由于數(shù)字無線電話、數(shù)碼相機(jī)等對脈沖電流供應(yīng)的需求增加，電池充電速率與內(nèi)部阻抗也成為重要課題。

電池化學(xué)物具有較高的能量密度與充電速率，使電池電路保護(hù)設(shè)計(jì)變得很復(fù)雜。以二次充電鋰化學(xué)物為基礎(chǔ)的電池和電池盒，對過電流/過溫狀態(tài)特別敏感，這種狀況是由意外短路、濫用或難以控制的充電所致，使電池溫度升高，導(dǎo)致電池受損或設(shè)備故障。

當(dāng)金屬物體(如筆記本用蝴蝶夾或鑰匙環(huán))連接于電池盒外漏的端點(diǎn)，就會造成意外短路而導(dǎo)致溫度過高，造成其它組件及外圍材料的損壞，甚至燃燒。UL電氣規(guī)范規(guī)定了電池盒所供應(yīng)的最大電流及短路的承受時間。

電池盒過度充電，一方面是由于不穩(wěn)定充電導(dǎo)致，如充電器充滿電而無法停止充電電流。另一方面，充電不當(dāng)，如電池盒反向充電或由不匹配的充電器充電，也可能引起重要的設(shè)備受損。

電路保護(hù)設(shè)計(jì)的考慮

電池盒可利用半導(dǎo)體和無源電路保護(hù)組件，對短路及過度充電的情況加以保護(hù)。在鋰離子及鋰聚合物電池盒中，對于無源電路保護(hù)組件的選擇，是采用低操作溫度、低電阻值的聚合物pTC組件，如polySwitchVTp或VLR組件。

早期電路設(shè)計(jì)使用一次性保險絲，來提供過電流保護(hù)。但是，由于大多數(shù)電池盒的故障情況都相當(dāng)罕見或是間歇性事件，自復(fù)式保護(hù)方式成了更佳選擇。

雙片金屬電路斷路器是一種可自復(fù)的限流組件，但由于電子機(jī)械式特點(diǎn)，容易出現(xiàn)接點(diǎn)電弧及磨損。陶瓷式pTC組件也提供自復(fù)式保護(hù)，但是它們的電阻值較高，而且動作時間較慢。低阻值對于大型設(shè)備的通話時間而言非常重要。

聚合物式正向溫度系數(shù)(ppTC)組件由于具有可重復(fù)使用功能、低電阻值與增強(qiáng)的溫度保護(hù)特性，是目前電池電路保護(hù)方面最有效果的方法。

ppTC操作原理

ppTC電路保護(hù)組件是以特殊塑料及傳導(dǎo)性粒子混合而成的傳導(dǎo)式聚合物，如圖1所示。在常溫下，該傳導(dǎo)性粒子會在聚合物中形成低阻值鏈路，當(dāng)溫度上升超過該組件的切換溫度時，聚合物中的微晶粒就會熔化，變成非結(jié)晶狀。當(dāng)微晶粒階段熔化期間數(shù)量增加時，會使傳導(dǎo)性粒子分離，導(dǎo)致該組件內(nèi)阻抗呈非線性增加。產(chǎn)生熱的原因是由于周圍環(huán)境或電池溫度上升所致，也可能受到過電流狀態(tài)下阻抗加熱引起，或是因前述不當(dāng)?shù)某潆姰a(chǎn)生。

短路保護(hù)原理

對任何電池盒電路保護(hù)組件而言，保護(hù)電池避免短路故障的關(guān)鍵在于限制故障電路所需的時間，即所謂的動作時間(TIme-to-trip，即TtT)。雖然中斷電流的機(jī)械裝置有很多種，但所有無源電子測溫組件所操作的切換溫度(TSw)及該類組件達(dá)到切換溫度的方法，卻是相同的。在故障發(fā)生期間，組件內(nèi)部的熱產(chǎn)生速度比以下溫度公式所示的周圍耗散更快:

(熱累加)=(熱進(jìn))-(熱出)(1)

對高故障電流而言，公式的(熱出)部分是無關(guān)緊要的，因此TtT主要依賴熱產(chǎn)生比例，該組件的熱的主要部分與溫度的改變。決定公式的基本要件是:

dH=(T-Ta)·Cp(2)

dH=p·t=I2·R·t(3)

兩式合并成：

(T-Ta)·Cp=I2·R·t(4)

式中:dH為熱改變,T為組件溫度，Ta為周圍溫度，Cp為組件熱容量，p為功率,I為故障電流，R為組件阻抗，t為時間。

但是，由于ppTC組件的阻抗為一溫度低于TSw的漸增函數(shù)，因此公式(4)變成:

(T-Ta)·Cp=I2·R(T)·t(5)

由此得知時間為

t=(T-Ta)·Cp/(I2·R(T))(6)

在低故障電流(接近動作電流)下，溫度公式中(熱出)的部分也同樣重要。決定熱耗損的指定公式頗為復(fù)雜，但有一簡化公式顯示重要系數(shù):

dH=b·(T-Ta)·k·A(7)

式中b為常數(shù)，k為熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，且A為組件表面面積。將此(熱出)公式與公式(5)合并得出:

t=(T-Ta)·[(Cp/(I2·R(T)))-(b·k·A)](8)

整合此式，得出從Ta到TSw動作時間。此式的重要性在于一已知的起始阻抗低切換溫度聚合物pTC組件，在故障期間提供更快速的動作時間，見圖2。當(dāng)組件接近切換溫度時，該組件的阻抗增加，因此所產(chǎn)生的熱更具效率；切換溫度較低，因此在較短時間內(nèi)就能達(dá)到所需的溫度變化。

為了降低TtT，溫度公式的(熱出)部分必須減至最小。這必須使用小型組件及降低溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。針對VTp和VLR組件每個外型，雖然VLR組件阻抗比VTp組件要低，但其能在故障電流到達(dá)額定電流時，提供短路保護(hù)功能。

過充保護(hù)重要性及原理

ppTC提供鋰離子電池過充電保護(hù)的重要性

鋰離子電池盒一般包括有源過壓及過電流檢測安全電路(IC和MOEFET)，以及串聯(lián)聚合物pTC組件，如圖5所示。若ppTC組件有低溫操作特性，在電池溫持續(xù)升高的情況下，它將以切斷充電或放電來提供過溫度保護(hù)。雖然半導(dǎo)體電路很可靠，在某些情況下故障也可能發(fā)生，例如靜電過度放電，高溫或在短路情況下的震動等。

若電路中無過溫保護(hù)，并且各種過壓電路都無作用，由于過充電或充電電路設(shè)計(jì)不良導(dǎo)致內(nèi)部損害，可能會因電池破裂造成電池盒漏氣，冒煙甚或起火。電池溫度過高是充電不當(dāng)?shù)那闆r之一，是電池盒設(shè)計(jì)者最關(guān)心的問題所在。

低溫ppTC在溫度上升過高時，可以截?cái)嚯姵氐某潆婋娏鳌２还軠囟壬仙怯捎谕獠慷搪坊虿划?dāng)充電，串聯(lián)在電池盒內(nèi)部電池上的ppTC帶裝組件提供過電流及過溫雙重保護(hù)，可以省卻溫度保險絲或雙片金屬斷路器。

圖6顯示不當(dāng)過度充電時，溫度急劇升高的情形，VTp低溫ppTC組件將鋰離子電池充電電流中斷。只有ppTC組件具有低切換溫度，才可避免鋰離子過度充電。高切換溫度的ppTC(>95℃)不能在電池溫度過高時，阻斷充電電流。

polySwitchVTp組件在75℃時動作，變?yōu)楦咦杩梗柚闺姵販囟瓤焖偕?/p>

ppTC過充保護(hù)原理

不當(dāng)充電期間，高電壓會加在電池上。ppTC組件內(nèi)部的充電電流會產(chǎn)生熱，同時，化學(xué)反應(yīng)也會生熱。根據(jù)公式(6)，熱流在兩個物體之間產(chǎn)生。低阻抗ppTC組件內(nèi)部產(chǎn)生的熱非常低，不會影響電池的溫度，但對于該組件周圍溫度會產(chǎn)生較大影響。當(dāng)電池溫度上升(Ta=Tcell)，根據(jù)公式(6)，熱會流進(jìn)ppTC組件中并快速累積起來，最后導(dǎo)致該組件動作(Trip)。一旦被觸發(fā)動作，充電器電壓通過ppTC組件就會降低，而非電池，由于ppTC觸發(fā)動作，電池因此保持冷溫。

瑞侃電路保護(hù)系列開發(fā)了一種測試方式，稱為熱截止(thermalcutoff)，來仿真ppTC組件在電池過度充電下的反應(yīng)。將組件放在烤箱中，仿真額定電壓下流過組件的充電電流。烤箱中的溫度由室溫開始穩(wěn)定增加，直到組件動作為止。熱截止溫度便定義成ppTC去中斷充電電流時的環(huán)境溫度。圖7顯示VLR及VTp組件在1A的仿真熱截止數(shù)據(jù)，并且也顯示了室溫低于TSw以下，阻值的增加與充電的限制。這個圖說明了ppTC組件提供了在過電流下的可重置性及非高溫保護(hù)能力。

標(biāo)準(zhǔn)的熱截止測試仿真ppTC組件的自行反應(yīng)，但因接觸電池表面而影響熱截止溫度。ppTC組件在接近熱截止時，在公式(1)的熱輸出部分有特殊意義，組件以電池的金屬外殼做內(nèi)部的熱接點(diǎn)為一特例。圖8顯示組件以真實(shí)電池的金屬外殼做內(nèi)部的熱接點(diǎn)，在1A的仿真熱截止資料，該例中，熱截止溫度由電池的熱電偶獲得。

在特殊電池盒設(shè)計(jì)中，實(shí)際熱截止可能是介于圖7和圖8所示結(jié)果之間的某處，需視組件粘貼與電池盒的電路配置而定。這顯示電池盒設(shè)計(jì)者一旦最后組件的選定與機(jī)構(gòu)布局完成后，實(shí)現(xiàn)最后溫度保護(hù)效能評估的重要性，若無法做到這項(xiàng)針對電池盒的系統(tǒng)層級保護(hù)檢查，恐怕會造成保護(hù)功能不完全。相同組件常會在電池盒保護(hù)及效能上提供不同的結(jié)果。