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針對大電流鋰離子電池應用的PPTC/雙金屬混合器件技術

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年09月05日  

傳統的針對大電流鋰離子電池應用(如無線電動工具、電動車和后備電源)的電路保護方案傾向于使用大型、復雜或昂貴的保護技術。例如,一般電路保護設計方案采用IC和MOSFET結合使用的方案或者其他類似的復雜方案。某些設計可能考慮在要求30A以上工作電流的直流電源應用中采用傳統的雙金屬片保護器件,不過,該方案要求雙金屬片接觸點足夠大,以承受大電流,這導致保護器件體積過大;此外,這些傳統雙金屬保護器件的動作次數必須受到限制,因為觸點之間可能產生的電弧會損壞觸點。


本文介紹了一種新的混合式技術,它可提供一種緊湊、穩健的電路保護器件,它能在額定電壓超過30VDC的情況下提供30A以上的工作電流。這種金屬混合PPTC器件(MHP)由一個雙金屬片保護器和一個聚合物正溫度系數(PPTC)器件并聯而成。這種組合既能提供可復位的過電流保護功能,又可利用PPTC器件的低電阻特性來防止雙金屬片在大電流條件下產生電弧,同時還能加熱雙金屬片,使其保持在打開鎖定狀態。


混合技術——設計概念


大電流放電鋰離子電池組應用要求穩健、可靠的電路保護。市場對更輕、更小設備日益增長的需求意味著這些電池保護設計必須提供更高的可靠性,同時占用更少的空間。在這種市場趨勢下,新的MHP混合器件應運而生。這種器件可以用來替代許多復雜IC/FET電池保護設計中使用的放電FET和相配套的散熱器,或減少它們的數量,同時增強保護功能。


在MHP器件正常工作時,由于雙金屬片的電阻低,電流通過雙金屬片流過。當異常情況發生時,比如電動工具轉子閉鎖時,電路中將產生很大的電流,導致雙金屬觸點打開,其接觸電阻增加。此時電流將流經電阻更低的PPTC器件。流過PPTC的電流不僅抑制了觸點之間電弧的產生,同時又能加熱雙金屬片,使其保持在打開鎖定狀態。如圖1所示,MHP器件的動作步驟包括:


1.在正常工作過程中,由于接觸電阻非常低,所以大部分電流將通過雙金屬片。


2.觸點開始打開,接觸電阻迅速上升。當接觸電阻高于PPTC器件電阻時,大部分電流將分流至PPTC器件,流經觸點的電流會很少或完全沒有,從而防止觸點之間產生電弧。當電流分流至PPTC器件時,其電阻迅速上升,并達到遠遠高于接觸電阻的水平,使PPTC溫度上升。


3.觸點打開后,PPTC器件開始對雙金屬片進行加熱,使其保持在打開狀態,直到過電流條件消失或電源關閉為止。



圖1:MHP器件的動作步驟


PPTC器件的電阻要遠低于陶瓷PTC器件電阻,也就是說即使觸點只打開一小部分,接觸電阻也只是略有上升,電流會被分流到PPTC器件,從而有效防止觸點間產生電弧。通常在室溫下陶瓷PTC器件和聚合物PTC器件的電阻相差約10的兩次方(x10^2),所以,當電阻較高的陶瓷PTC器件與雙金屬并聯使用時,在抑制大電流電弧放電方面遠不如MHP器件來得有效。


結合使用雙金屬和PPTC


圖2a和2b顯示了只使用一個雙金屬保護器時的電流和電壓情況。圖2a顯示了雙金屬保護器在24VDC/20A額定條件下的典型打開情況。它在1.28毫秒后打開。圖2b顯示了雙金屬保護器在兩倍額定電壓條件下的表現。一個標準的雙金屬保護器在故障條件下產生電弧,從觸點開始打開到觸點粘連(短路)的時間是334毫秒。



圖2a:在兩倍額定電壓條件下的雙金屬保護器特性。圖2b:在額定電壓條件下的雙金屬保護器特性。


圖3顯示了并聯使用PPTC器件和雙金屬保護器的結果——電流被明顯切斷。從雙金屬保護器開始動作到PPTC器件被完全激活的時間是6.48毫秒,見圖3的左圖。圖3的右圖表明,當施加的電壓兩倍于額定電壓時,從保護器開始動作到電流被切斷的時間是4.8微秒。


結合圖3中的兩幅圖像,我們可以看到電流從雙金屬保護器向PPTC器件的平穩過渡,保護器觸點不會產生粘連,我們還可看到PPTC器件如何幫助防止觸點產生電弧。



圖3:在兩倍于額定電壓的條件下并聯使用PPTC器件和雙金屬保護器


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