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MHP器件優(yōu)化鋰電池放電保護(hù)的設(shè)計

發(fā)布時間:2012-10-18 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng) 責(zé)任編輯:Hedyxing

導(dǎo)讀:目前,越來越多的大功率應(yīng)用開始使用鋰離子電池,這導(dǎo)致了對更穩(wěn)健電路保護(hù)解決方案的需求??墒?,目前針對如電動工具、電動自行車、輕型電動汽車(LEV)和備用電源應(yīng)用等高倍率放電鋰離子電池應(yīng)用的保護(hù)解決方案仍然很少,而傳統(tǒng)電路保護(hù)技術(shù)往往較為大型、復(fù)雜而且昂貴。

金屬混合PPTC(MHP)技術(shù)正好為鋰離子電池應(yīng)用這一市場趨勢提供了一種高性價比而且節(jié)省空間的替代選擇。MHP器件通過將一個雙金屬片保護(hù)器與一個聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)器件并聯(lián),提供了可恢復(fù)的過流保護(hù),同時在較大的電流下,還可利用PPTC器件的低電阻來幫助防止雙金屬片保護(hù)器中的電弧放電。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)MHP器件的激活步驟
圖1 標(biāo)準(zhǔn)MHP器件的激活步驟
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核心設(shè)計概念

在MHP器件正常工作期間,由于具有低接觸電阻,電流可以通過雙金屬片觸點。當(dāng)異常事件發(fā)生時,例如電動工具轉(zhuǎn)子卡住,會在電路中產(chǎn)生較大的電流,引起雙金屬片觸點斷開。此時,電流分流至較低電阻的PPTC器件,從而幫助防止觸點間的電弧放電,PPTC同時還對雙金屬片進(jìn)行加熱,使之保持?jǐn)嚅_并處于鎖定位置(圖1)。

如圖1所示,MHP器件的激活步驟包括:

1. 在正常工作期間,因為接觸電阻很小,大部分電流通過雙金屬片。

2. 當(dāng)觸點開始斷開時,接觸電阻快速增加。假如接觸電阻高于PPTC器件的電阻,由于大部分電流流向PPTC器件,而沒有或很少電流流經(jīng)觸點,因此防止了觸點間發(fā)生電弧放電。當(dāng)電流分流至PPTC器件后,它的電阻快速增加,達(dá)到遠(yuǎn)大于接觸電阻的水平,使PPTC器件升溫。

3. 在觸點斷開后,PPTC器件開始對雙金屬片加熱,并使之保持?jǐn)嚅_狀態(tài),直到過流事件結(jié)束或電源關(guān)閉。

PPTC器件的電阻遠(yuǎn)低于陶瓷PTC,這意味著即使觸點只是少許斷開,而接觸電阻僅稍微增加,也可將電流分流至PPTC器件,幫助防止在觸點上發(fā)生電弧放電。通常,室溫下陶瓷和聚合物PTC器件之間的電阻率差異在百倍(100:1),因而當(dāng)較高電阻的陶瓷PTC器件與雙金屬片并聯(lián)組合時,在較大電流下對于抑制電弧放電,它們不如MHP器件有效。
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智能激活

MHP-SA器件是最新一代的MHP技術(shù),它含有一個第三端輸入信號端來用作過充保護(hù)信號,這使得該器件可利用IC來監(jiān)測電池的各種主要功能。假如IC檢測到異常情況,會通過低功率開關(guān)器件發(fā)送信號,激活MHP-SA器件并斷開主線路,如圖2所示。激活步驟如下:

1. IC監(jiān)控電池系統(tǒng)的溫度、電流、電壓的異常情況;

2. FET(或開關(guān))在異常事件下導(dǎo)通(1→3);

3. 加熱器(PPTC)激活并加熱雙金屬片;

4. 觸點斷開并切斷與主線路(1→2)的連接。
圖2:最新代MHP-SA器件整合了一個第三端子,用于外部激活
圖2 最新代MHP-SA器件整合了一個第三端子,用于外部激活

圖3是以一個電池過充保護(hù)的概念和激活步驟的一個范例。該50A/400VDC器件在主線路上具有50A的保持電流。在此例子中,IC監(jiān)測各個電池電壓,在異常電壓事件期間,F(xiàn)ET導(dǎo)通,加熱器(PPTC)激活并加熱雙金屬片,然后觸點斷開并切斷到主線路的電流。


圖3:MHP-SA器件的激活步驟(充電期間)
圖3 MHP-SA器件的激活步驟(充電期間)

智能激活器件的優(yōu)勢包括:

在電池組中提供過充保護(hù);

通過外部激活信號線路,使器件可以利用電池監(jiān)測IC來檢測過壓、過熱等,并激活器件;

可重置器件(無需因為考慮浪涌電流而選擇更高額定值的器件);

與大型DC保險絲或其它斷路器件相比,尺寸更小且外形更??;

電弧抑制PPTC設(shè)計,抑制觸點電??;

可以使用低功率開關(guān)線路來斷開主線路(可以使用較低成本的FET)。
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無弧觸點


圖4a和4b所示為僅使用雙金屬片保護(hù)器的電流和電壓圖形。圖4a顯示了在24VDC額定電壓和20A電流下斷開雙金屬片保護(hù)器的典型結(jié)果,保護(hù)器在1.28ms內(nèi)斷開。圖4b則描述了雙金屬保護(hù)器在雙倍額定電壓下的情形。在故障條件下標(biāo)準(zhǔn)的雙金屬片保護(hù)器發(fā)生電弧放電,從觸點開始斷開到短路熔接的時間為334ms。

圖4:(a)額定電壓下的雙金屬片保護(hù)器。(b)2倍額定電壓下的雙金屬片保護(hù)器
圖4 (a)額定電壓下的雙金屬片保護(hù)器             (b)2倍額定電壓下的雙金屬片保護(hù)器
 
圖5a和5b顯示了PPTC器件和雙金屬片器件并聯(lián)組合的結(jié)果,就是電流完全斷開。圖5a顯示從雙金屬片保護(hù)器開始工作,直到PPTC器件完全激活之間的時間延遲為6.48ms。圖5b顯示了當(dāng)所施加的電壓為額定電壓的兩倍時,從保護(hù)器工作直到電流斷開的時間為4.80μs。這一系列圖像證明了從雙金屬片保護(hù)器到PPTC器件的平滑轉(zhuǎn)移,保護(hù)器觸點無熔接,并且顯示了PPTC器件如何保護(hù)觸點防止電弧放電。

圖5:通過PPTC器件和雙金屬片保護(hù)器的并聯(lián)組合實現(xiàn)了平滑的電流切斷
圖5 通過PPTC器件和雙金屬片保護(hù)器的并聯(lián)組合實現(xiàn)了平滑的電流切斷

本文小結(jié)

MHP器件提供了穩(wěn)健的可重置電路保護(hù)解決方案,為電池組設(shè)計人員和制造商提供了優(yōu)化空間、降低成本和增強安全性的方法。MHP器件的無電弧觸點技術(shù)可用于鋰離子電池組和模塊,支持更高的電壓和電流額定值;隨著鋰離子技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,其應(yīng)用正變得更為普遍。

最新的MHP-SA器件包含了一個第三端信號端,該技術(shù)允許MHP器件利用現(xiàn)今電子產(chǎn)品中的智能電池監(jiān)測功能,在用于蓄能系統(tǒng)的大型鋰離子電池組和模塊中,提供更多的電路保護(hù)控制功能。

MHP和MHP-SA器件技術(shù)可以配置用于不同的應(yīng)用,目前正在開發(fā)電壓和保持電流更高的器件。未來的設(shè)計考慮因素包括備用電源、能量存儲系統(tǒng)(ESS)等應(yīng)用中的鋰離子電池保護(hù),以及馬達(dá)保護(hù)等非電池應(yīng)用。
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