鋰離子電池的先進(jìn)技術(shù)使得高能量的鋰離子電池具備更高的能量密度和更輕的重量，可以取代諸如電動工具,、電動自行車,、輕型電動車和備用電源等應(yīng)用中使用的鎳鎘電池，甚至鉛酸電池,。
鋰離子技術(shù)比鎳鎘或鉛酸技術(shù)更加環(huán)保,。但是,，在新興市場中采用鋰離子電池所面臨的挑戰(zhàn)是，相比于鎳鎘或鉛酸技術(shù),，系統(tǒng)設(shè)計師們越來越強(qiáng)調(diào)電池的安全要求,。
現(xiàn)有一種鋰離子電池電路保護(hù)的新方法，通過替代傳統(tǒng)的高成本,、占用空間的保護(hù)技術(shù),，從而應(yīng)對這些市場挑戰(zhàn)。該新型混合技術(shù)將一個雙金屬保護(hù)器和一個PPTC（聚合物正溫度系數(shù)）器件并聯(lián)在一起,。由此產(chǎn)生的雙金屬與PPTC結(jié)合器件（MHP）可幫助提供在高速放電電池包中的可復(fù)位過流保護(hù),，同時通過利用PPTC器件的低阻抗來防止雙金屬保護(hù)器在更高電流時的電弧放電行為，并通過加熱雙金屬來保持它的開路和閉鎖狀態(tài)。
傳統(tǒng)的方法
許多高能量放電鋰離子應(yīng)用中的傳統(tǒng)電路保護(hù)技術(shù)往往比較大型,、復(fù)雜或昂貴,。一些電路保護(hù)設(shè)計方案可能會結(jié)合使用IC和MOSFET，或者采用類似的復(fù)雜解決方案,。其他的設(shè)計方案可能考慮在直流電源應(yīng)用中傳統(tǒng)的雙金屬保護(hù)器需要30A+的保持電流,，但是接觸面積必須足夠大才能應(yīng)對這種高電流，這就導(dǎo)致器件在整體尺寸上更大了,。此外,，開關(guān)周期次數(shù)必須是有限的，因?yàn)榻佑|面之間產(chǎn)生的電弧可能會造成接觸面損傷,。
相比之下，泰科電子推出新型MHP混合器件能夠取代或幫助減少在一些復(fù)雜IC/FET電池保護(hù)設(shè)計中使用的放電場效應(yīng)管和附隨的散熱器的數(shù)量,。MHP器件為高速放電鋰離子電池包應(yīng)用提供了節(jié)省空間,、成本降低和保護(hù)增強(qiáng)的優(yōu)勢。首款器件MHP30-36的最大額定值為36VDC/100A,，保持電流為30A,。MHP器件技術(shù)可被配置到各種不同的應(yīng)用中，而且現(xiàn)在正在開發(fā)具有更高電壓（高達(dá)400VDC）和保持電流（60A）的器件,。
工作原理
在正常狀態(tài)下,，由于雙金屬片的電阻低，電流通過雙金屬片流過,。在異常情況下,，比如電動工具轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時，電路中將產(chǎn)生很高的電流,，導(dǎo)致雙金屬觸點(diǎn)打開,，其接觸電阻增加。此時電流將通過低電阻的PPTC流過,。流過PPTC的電流,，不僅抑制了觸點(diǎn)之間電弧的產(chǎn)生，同時又加熱雙金屬片,，使其保持在打開狀態(tài)和鎖定位置,。
如圖1所示，MHP器件的激活步驟包括：
1.在正常狀態(tài)下,，由于雙金屬片的電阻低,，大部分電流通過雙金屬片流過。
2.當(dāng)觸點(diǎn)打開時,，接觸電阻迅速增加,。如果接觸電阻比PPTC器件的電阻高，大部分電流就會通過PPTC器件流過，沒有電流或很少的電流流經(jīng)觸點(diǎn),，因此抑制了觸點(diǎn)之間電弧的產(chǎn)生,。當(dāng)電流分流到PPTC器件時，它的電阻迅速增加到比接觸電阻還要高,，從而PPTC發(fā)熱,。
3.觸點(diǎn)打開之后，PPTC器件開始加熱雙金屬,，并使其保持打開狀態(tài)直到過流事件結(jié)束或電源關(guān)閉,。
圖1：MHP器件的激活步驟。
PPTC器件的電阻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于陶瓷PTC器件電阻,，也就是說即使觸點(diǎn)只打開一小部分,，接觸電阻只是略有上升，電流也會被分流至PPTC器件,，從而有效防止觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧,。一般來說，處于室溫條件下,，陶瓷PTC器件與聚合物PTC器件的電阻相差約10的兩次方（x10^2）,。所以，電阻較高的陶瓷PTC器件與雙金屬并行聯(lián)接時,，在抑制高電流電弧放電方面遠(yuǎn)不如聚合物MHP器件有效,。
圖2顯示的是雙金屬保護(hù)器與PPTC器件并聯(lián)的電路圖。
圖2：雙金屬保護(hù)器與PPTC器件并聯(lián)的電路圖,。
觸點(diǎn)更小,，電阻更低
典型的雙金屬保護(hù)器上通常只有一個觸點(diǎn)，所以其耐壓能力并不強(qiáng),。對于單觸點(diǎn)設(shè)計,，較高的電流所需的觸點(diǎn)尺寸也會很大。為解決該問題,，MHP器件采用“雙閉合/雙斷開”觸點(diǎn)設(shè)計,，從而大大縮小了裝置
尺寸（見圖3）。
圖3：MHP混合器件采用“雙閉合/雙斷開”觸點(diǎn)設(shè)計,。
該技術(shù)相對于常用雙金屬保護(hù)器而言具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：
1.由于電流路徑極短,，所以器件的電阻非常低；
2.只有接觸點(diǎn)才會產(chǎn)生熱量,，因此不必使用熱控制就能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的熱激活,。
3.它使MHP器件相對于額定參數(shù)相當(dāng)?shù)钠渌麛嗦费b置而言可以更加緊湊。
相比而言,，采用標(biāo)準(zhǔn)的雙金屬觸點(diǎn),，由于觸點(diǎn)僅位于一個位置上,，因此它的耐壓能力一般不如MHP器件。
耐沖擊和耐振動能力
MHP器件的一個獨(dú)有優(yōu)勢是她能提供更長的使用壽命,，能承受較大的振動和沖擊,，可用于高電流應(yīng)用的苛刻環(huán)境。
典型的電動工具的電池包在使用時通常會承受較大的振動和沖擊,。為達(dá)到此類要求,，MHP器件的觸點(diǎn)之間需要足夠的接觸壓力。標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)裝置通常通過強(qiáng)力彈簧讓移動接觸臂與固定觸點(diǎn)保持接觸,。但是,，在較大的沖擊或振動條件下，彈簧（即使是強(qiáng)力彈簧）產(chǎn)生的壓力通常達(dá)不到保持觸點(diǎn)接觸所需的壓力,。
為解決這一問題,，MHP器件將設(shè)計重點(diǎn)放在雙金屬盤上，因?yàn)闆]有熱觸點(diǎn)的雙金屬盤有足夠的強(qiáng)度保持穩(wěn)定,。此外,，我們還給移動接觸臂增加了一個倒鉤，以增加雙金屬盤提供的接觸壓力,。移動接觸臂通過裝置另一側(cè)的插銷固定。在接觸點(diǎn)上增加一個倒鉤可減少移動臂的轉(zhuǎn)動,，在兩個觸點(diǎn)上產(chǎn)生更大的向下壓力,。首款用于電動電池應(yīng)用的MHP器件經(jīng)過了至少500次、1,，500g的掉落測試,，未出現(xiàn)故障；此外還通過了三次3,，000克的測試,。
計劃中的MHP器件產(chǎn)品系列的首款產(chǎn)品MHP30-36-T的最大額定值為36VDC/100A，100A（@25°C）下的動作時間少于5秒,。該器件的保持電流是30A,，初始電阻低于2毫歐，而典型雙金屬保護(hù)器的電阻通常為3到4毫歐,。
圖4顯示了MHP30-36器件的形狀和尺寸,。它的保持電流為30A，同等大小的常用雙金屬保護(hù)器的額定電流只有15A,。此外,，器件的一側(cè)為扁角，適合安裝在電池包的標(biāo)準(zhǔn)18毫米直徑鋰電池單元之間,。
圖4：MHP30-36器件的尺寸,。
本文小結(jié)
高能量放電鋰電池市場的快速增長正在對那些能夠處理更高電流和電壓額定值的電池電路保護(hù)器件形成新的要求。新型MHP混合器件為電池包設(shè)計師們提供了一種全新的電路保護(hù)方法，從而使得這些設(shè)計具有更高的成本效益,。與傳統(tǒng)方法相比,，該混合器件提供了一種抑制電弧的增強(qiáng)保護(hù)，同時也不需要先前IC加MOSFET電池保護(hù)設(shè)計中所用的多個大型的放電FET及散熱器件,。
通過并行使用PPTC和選擇具有不同電壓額定值的PPTC,，MHP設(shè)計可通過配置用于各類應(yīng)用。MHP的器件架構(gòu)可針對各種不同的應(yīng)用進(jìn)行配置,，,，目前正在開發(fā)適用于更高電壓（最高可達(dá)400VDC）和工作電流（60A）的裝置。
加入第三個端子作為控制信號線的設(shè)計理念正在處于研發(fā)中,，這樣MHP器件就能充分利用IC的先進(jìn)特性來監(jiān)測電池多種多樣的重要的運(yùn)行情況,。如果發(fā)現(xiàn)異常情況，IC就會通過一條低功率開關(guān)線發(fā)出信號,，從而激活器件和斷開主電路,。這類帶有“智能激活”功能的MHP器件，將會為那些用于太陽能電源系統(tǒng)和備用電源應(yīng)用等的大型鋰離子電池和模組提供更多的電路保護(hù)控制,。
作者：Ty Bowman
全球電池市場經(jīng)理
電路保護(hù)業(yè)務(wù)部
泰科電子