隨著對(duì)便攜式設(shè)備更長運(yùn)作時(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(huì)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(shí)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。

圖1  過電流或過溫狀況下，PPTC組件的保護(hù)原理

圖2 針對(duì) PolySwitch SRP，VTP及VLR聚合物的PTC材料使用的無源阻抗 vs， 溫度曲線

圖3  動(dòng)作時(shí)間作為VLR170在不受限制的空氣中，接上電池，其故障電流的函數(shù)

圖4  動(dòng)作時(shí)間作為兩者皆為正常和長帶狀接腳VLR230 和 VLR170故障電流的函數(shù)

圖5 典型單顆鋰離子電池盒的保護(hù)電路

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(duì)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(duì)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PolySwitch  VTP 或 VLR 組件。
早期電路設(shè)計(jì)使用一次性保險(xiǎn)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(dòng)作時(shí)間較慢。低阻值對(duì)于大型設(shè)備的通話時(shí)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(huì)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(shí)，聚合物中的微晶粒就會(huì)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(shí)，會(huì)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(duì)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(shí)間，即所謂的動(dòng)作時(shí)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(cè)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(duì)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(shí)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(shí)間為
t=(T-Ta)·Cp/(I2·R(T))    (6)
在低故障電流(接近動(dòng)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(dòng)作時(shí)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(dòng)作時(shí)間，見圖2。當(dāng)組件接近切換溫度時(shí)，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(shí)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(duì)VTP和VLR組件每個(gè)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(shí)，提供短路保護(hù)功能。
圖3 所示為室溫下，將組件放在接上電池的溫度接點(diǎn)上TtT使溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)增加的結(jié)果。由此可見， 緊密接上電池的溫度接點(diǎn)在邊緣增加TtT，但只有在故障電流時(shí)低于10A。
圖4顯示使用帶狀接腳(它們可能用在電池盒中)，降低溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)的結(jié)果。比較指出，帶狀接腳能在故障電流接近組件特定動(dòng)作電流時(shí)，降低TtT，但此結(jié)果在較高電流時(shí)并不存在。

圖6因不當(dāng)過度充電引起的,鋰離子電池溫度上升，當(dāng)使用PolySwitch VTP PPTC組件時(shí),溫度明顯降低

圖7同值的VLR及VTP組件，在不限定溫度、1安培下的熱截止(TCO)

圖8  同值的PolySwitch VLR及VTP組件，在以熱接點(diǎn)接到電池上時(shí)、1A下的熱截止(TCO)

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(cè)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(dòng)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(huì)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(shí)，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(xiǎn)絲或雙片金屬斷路器。
圖6顯示不當(dāng)過度充電時(shí)，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(shí)，阻斷充電電流。
PolySwitch VTP組件在75℃時(shí)動(dòng)作，變?yōu)楦咦杩梗柚闺姵販囟瓤焖偕?BR>PPTC過充保護(hù)原理
不當(dāng)充電期間，高電壓會(huì)加在電池上。PPTC組件內(nèi)部的充電電流會(huì)產(chǎn)生熱，同時(shí)，化學(xué)反應(yīng)也會(huì)生熱。根據(jù)公式(6)，熱流在兩個(gè)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(huì)影響電池的溫度，但對(duì)于該組件周圍溫度會(huì)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(huì)流進(jìn)PPTC組件中并快速累積起來，最后導(dǎo)致該組件動(dòng)作(Trip)。一旦被觸發(fā)動(dòng)作，充電器電壓通過PPTC組件就會(huì)降低，而非電池，由于PPTC觸發(fā)動(dòng)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(cè)試方式，稱為熱截止(thermal cutoff)，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(dòng)作為止。熱截止溫度便定義成PPTC去中斷充電電流時(shí)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(gè)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(cè)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(shí)，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(píng)估的重要性，若無法做到這項(xiàng)針對(duì)電池盒的系統(tǒng)層級(jí)保護(hù)檢查，恐怕會(huì)造成保護(hù)功能不完全。相同組件常會(huì)在電池盒保護(hù)及效能上提供不同的結(jié)果。

結(jié)語
低溫的PPTC組件在接近正常電池盒的使用溫度下，能達(dá)到充電電流最大值，實(shí)現(xiàn)快捷充電。其可重置能力確保不當(dāng)動(dòng)作不會(huì)造成電池永久性的損壞。PPTC組件可以在不犧牲過電流或是過充電保護(hù)的情況下，改善鋰電池的效能。