鋰離子電池保護(hù)元件選型指南的探討

徐國靜

摘? 要：鋰電池被用于便攜式電子產(chǎn)品中，由于其自身的特點(diǎn)決定其需要采用安全可靠的保護(hù)器件發(fā)揮保護(hù)作用。從鋰電池所使用的材料來看，其充電和放電都要合理控制，不能出現(xiàn)過流的問題和短路的問題，更不可以在超高溫環(huán)境中充電和放電，所以，鋰電池需要保護(hù)元件發(fā)揮保護(hù)作用。要做到保護(hù)元件的正確選型，需要按照一定的要求進(jìn)行。文章著重于研究鋰離子電池保護(hù)元件選型指南。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;保護(hù)元件;選型;指南

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）36-0053-02

Abstract： Lithium battery is used in portable electronic products， because of its own characteristics， it needs to use safe and reliable protection devices to play a protective role. From the point of view of the materials used in lithium battery， the charge and discharge of lithium battery should be controlled reasonably， and there can be no problem of overcurrent and short circuit， let alone charging and discharging in ultra-high temperature environment. Therefore， lithium-ion battery needs protective components to play a protective role. In order to achieve the correct selection of protection components， it needs to be carried out in accordance with certain requirements. This paper focuses on the guide for the selection of protective components for lithium-ion batteries.

Keywords： lithium-ion battery; protective element; selection; guide

引言

當(dāng)前鋰電池的容量不斷提高，而電池的體積越來越小，而且更薄，這就需要增高鋰電池的能量密度才能滿足要求。但是，如果鋰電池濫用就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部有熱量產(chǎn)生，出現(xiàn)電池膨脹，甚至產(chǎn)生破裂的問題。要確保鋰電池正常發(fā)揮功能，維護(hù)使用者的安全，就要合理選用保護(hù)元件，避免電池在使用中發(fā)生損壞。

1 Fuse簡介

所謂的“Fuse”就是一次性的熔斷保險(xiǎn)絲，鋰電池電通常會(huì)選用兩種保險(xiǎn)絲，即熱保險(xiǎn)絲和慢斷型貼片保險(xiǎn)絲。熱保險(xiǎn)絲的體積比較大，使用手工焊接的方式安裝，其具有很好的熱保護(hù)作用;慢斷型貼片保險(xiǎn)絲的體積比較小，使用回流焊接方式安裝，其具有很好的保護(hù)電流的作用。

一次性熔斷保險(xiǎn)絲的一個(gè)重要特點(diǎn)是，一旦損壞即不可恢復(fù)，所以，在選用這種電阻絲的時(shí)候要謹(jǐn)慎，特別是在組裝電池或者對(duì)電池測(cè)試的時(shí)候，稍有不慎導(dǎo)致保險(xiǎn)絲損壞，電池不能得到有效的保護(hù)而損壞。在使用這種保險(xiǎn)絲的時(shí)候，如果安裝不當(dāng)出現(xiàn)誤動(dòng)作，也會(huì)造成電池?fù)p壞，因此需格外注意。

通常在選擇電阻絲的時(shí)候，通常會(huì)選擇慢斷型貼片保險(xiǎn)絲，額定電流為5安培，其可以滿足限功率電源，也可以滿足電池充電和放電的需求，所以在選用這種慢斷型貼片保險(xiǎn)絲的時(shí)候，要求熔斷的時(shí)間需要超過保護(hù)IC過電流動(dòng)作的時(shí)間，當(dāng)保護(hù)電路運(yùn)行的過程中，不會(huì)出現(xiàn)Fuse動(dòng)作的問題，更不會(huì)產(chǎn)生Fuse熔斷的現(xiàn)象，這就需要在生產(chǎn)Fuse的時(shí)候控制好產(chǎn)品的質(zhì)量，保證其性能正常發(fā)揮。限功率電源對(duì)Fuse的規(guī)格有一定的限制，需要控制在5安培，如果鋰電池對(duì)充電和放電都有很高的要求，F(xiàn)use就難以更好的發(fā)揮其保護(hù)作用了。

2 PTC簡介

PTC即為正溫度系數(shù)熱敏電阻，作為一種保護(hù)電路可以對(duì)鋰電池發(fā)揮有效的保護(hù)作用。隨著鋰電池的設(shè)計(jì)越來越薄，對(duì)保護(hù)電路也有了更高的要求，特別是手機(jī)、平板等等都屬于便攜式電子產(chǎn)品，對(duì)電池電流有更大的需求量，在選擇PTC型號(hào)的時(shí)候，對(duì)于多方面因素要充分考慮，不僅在產(chǎn)品性能上要符合要求，還要確保鋰電池安全使用。

2.1 裝配方式

PTC是對(duì)使用環(huán)境溫度有較高敏感度的器件，在安裝的過程中，采用回流焊接方式將PTC安裝在剛性線路板上，PTC的散熱性能與安裝焊盤的規(guī)格、銅箔的厚度、線路的寬度以及鄰接的各種元器件發(fā)熱情況都有直接相關(guān)性，因此對(duì)電流的特性以及產(chǎn)生動(dòng)作的情況都有直接的影響。

如果PTC為帶狀，在安裝在剛性線路板上的時(shí)候，可以采用電阻焊接方式或者激光焊接方式。在安裝的過程中，鋰電池的鎳帶以及電池芯的電極都采用電阻焊接的方式連接，所以，其散熱的性能會(huì)受到鎳帶的長度、寬度和厚度的影響，因此對(duì)電流的特性以及產(chǎn)生動(dòng)作的情況都有直接的影響。

2.2 安規(guī)要求

在鋰電池中安裝PTC，限功率電源對(duì)PTC的要求不同于Fuse，在選擇型號(hào)的時(shí)候需要考慮更多的因素，特別是電池處于高溫環(huán)境下，需要滿足大電流電源放電，還能在符合安全規(guī)定的情況下滿足過充的要求。要在使用PTC的時(shí)候這兩項(xiàng)要求都能夠得到滿足，需要分析其自身具備的特性，還要做到具體問題具體分析，對(duì)所選擇的鋰電池芯采用試驗(yàn)的方式確定其特定。鋰電池的規(guī)格不同，類型不同，通過試驗(yàn)可以明確，對(duì)溫度的要求不同，安全特性也有所不同。

在電路板上使用貼片PTC，要與電池芯保持較遠(yuǎn)的距離，對(duì)電池芯的溫度變化情況進(jìn)行感測(cè)，此外，還要考慮到電路板的布線以及其它元件的發(fā)熱對(duì)鋰電池產(chǎn)生的影響，所以，在選用貼片PTC的時(shí)候，要考慮到安全規(guī)定，必要的時(shí)候需要將電流的規(guī)格稍稍降低一些。

如果PTC是帶狀的，在設(shè)計(jì)電池以及生產(chǎn)電池的時(shí)候，要考慮到其不能受到外力的影響，也不可以向器件上施加應(yīng)力，都會(huì)對(duì)電池的性能造成一定的影響。將PTC連接到電池芯上所采用的方式以及貼合的程度，鎳帶的規(guī)格等等都會(huì)都會(huì)對(duì)電池造成不同程度的影響，甚至?xí)?dǎo)致電池安全測(cè)試的時(shí)候無法通過。

3 TCO簡介

TCO作為電池保護(hù)器件具有可恢復(fù)性，其體積非常小，在溫度保護(hù)時(shí)候有較高的精度，如果是大電流則可以滿足需求。如果鋰電池的容量非常大，可以選用TCO，可以對(duì)鋰電池起到很好的安全保護(hù)作用[2]。

TCO包括兩個(gè)系列，即高電流電池保護(hù)器件和低電流電池保護(hù)器件，對(duì)不同的動(dòng)作溫度環(huán)境下的鋰電池予以保護(hù)。

3.1 選型

TCO在溫度保護(hù)中有較高的精度，為非常小的導(dǎo)通電阻，其性能比較穩(wěn)定，不會(huì)由于時(shí)間的變化而有所變化，也不會(huì)因?yàn)閯?dòng)作次數(shù)的變化而產(chǎn)生變化，所以，如果鋰電池對(duì)溫度保護(hù)有較高的要求，對(duì)性能也有很高的要求，適合選擇TCO。電流角度而言，TCO為低電流規(guī)格，與PTC的性能基本相同，但是，從鋰電池保護(hù)的角度而言，在選用電池芯的時(shí)候，溫度特性不同，安全性能不同，MHP動(dòng)作溫度也有所不同，這就使得鋰電池的充電性能和放電性能被充分利用起來，并且能夠提供的保護(hù)更加安全可靠。如果鋰電池對(duì)電流有很高的要求，比如當(dāng)溫度不足60攝氏度的時(shí)候，電流要超過3.2安培，PTC就無法滿足要求，此時(shí)就要選擇TCO，尤其是高電流電池保護(hù)器件，對(duì)于大電流需求能夠滿足，還可以對(duì)鋰電池芯起到很好的保護(hù)作用[1]。

3.2 安規(guī)

其一，在進(jìn)行非正常充電試驗(yàn)的時(shí)候，需要按照鋰電池的電流要求最大值對(duì)TCO的規(guī)格進(jìn)行選擇，還要進(jìn)行充電測(cè)試，TCO的電流規(guī)格低、溫度規(guī)格低，對(duì)電池有良好的安全保護(hù)性能，但是不符合電池對(duì)電流的要求，所以，在選擇保護(hù)器件型號(hào)的時(shí)候，需要對(duì)各方面要求充分考慮。在各方面需求不能同時(shí)滿足的情況下，就需要及時(shí)與客戶之間建立溝通，對(duì)各種要求予以平衡，將電池處于高溫環(huán)境下的大電流要求適當(dāng)?shù)亟档?，以符合安?guī)要求。

在設(shè)計(jì)電池和組裝電池的時(shí)候， TCO對(duì)外力不具有承受力，也能夠承受施加在器件上的力量，對(duì)施加在兩端子上的應(yīng)力也無法承受，同時(shí)還要考慮到MHP受到電阻的影響以及受到溫度的影響，在連接電池芯的時(shí)候、其貼合的程度以及鎳帶的規(guī)格等等都會(huì)不同程度地影響到電池安規(guī)測(cè)試，甚至造成無法通過的后果[3]。

其二，由于受限制電源的要求鋰電池需要對(duì)安規(guī)中的受限制電源的要求予以滿足。在電池中安裝TCO，當(dāng)安裝到電池中之后，其散熱效果不是很好，安裝到電池的外部則散熱性能良好，所以鋰電池中安裝MHP，其對(duì)電流的保持特性與規(guī)定的電流值相比較要稍稍低一些。鑒于鋰電池有很好的充電特性，當(dāng)TCO的動(dòng)作溫度是90攝氏度的時(shí)候，就不能對(duì)鋰電池起到很好的安全保護(hù)作用了，如果不要求90攝氏度的規(guī)格，低電流電池保護(hù)器件都可以滿足受限制電源的要求。通常筆記本電腦和平板電腦對(duì)放電電流都有比較高的要求，使用高電流電池保護(hù)器件，要滿足受限制電源的要求，則可以采用其他的設(shè)計(jì)方法。

4 結(jié)束語

通過上面的研究可以明確，由于當(dāng)前的鋰電池容量比較大，而且設(shè)計(jì)比較高，對(duì)于保護(hù)器件就會(huì)有較高的要求。通過對(duì)Fuse、PTC、TCO三種能保護(hù)器件所具備的性能進(jìn)行描述，并介紹選擇的方法，分析的結(jié)果是：

其一，使用溫度保險(xiǎn)絲Thermal Fuse對(duì)鋰電池予以保護(hù)，由于其體積比較大，在安裝的時(shí)候需要采用手工焊接的方式，因此幾乎不被用于鋰電池保護(hù)。

其二，選用貼片PTC，其體積比較小，成本比較低，安裝的時(shí)候采用回流環(huán)節(jié)工藝技術(shù)，操作比較簡單，在手機(jī)電池保護(hù)上較為常用，但是其也存在弊端，對(duì)于諸如平板電腦和筆記本電腦的大電流要求則無法滿足。

其三，如果選用帶狀PTC對(duì)鋰電池有良好的保護(hù)效果，因此一些鋰電池會(huì)采用這種保護(hù)方式，如果鋰電池的外殼是方形的，而且為金屬材質(zhì)，則會(huì)裝配這種保護(hù)器件。

其四，TCO具有非常高的溫度保護(hù)精度效果，精度非常高，而且導(dǎo)通電阻小，各項(xiàng)性能穩(wěn)定，如果電子產(chǎn)品對(duì)于安全要求很高，就可以發(fā)揮TCO的保護(hù)作用，特別是筆記本電腦有大電流的要求，同時(shí)有高電壓要求，采用TCO效果良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]王琳，楊進(jìn)，楊淼，等.鋰離子蓄電池組的bypass元器件可靠性研究[J].質(zhì)量與可靠性，2019，200（02）：52-56.

[2]范麗娟.鋰離子電池中兩點(diǎn)問題的探究及自充電儲(chǔ)能器件的嘗試[D].中國科學(xué)院大學(xué)，2019.

[3]袁偉.電池功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造[C]//第五屆全國儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)大會(huì)摘要集，2018.