導讀：目前，越來越多的大功率應用開始使用鋰離子電池，這導致了對更穩(wěn)健電路保護解決方案的需求。可是，目前針對如電動工具、電動自行車、輕型電動汽車(LEV)和備用電源應用等高倍率放電鋰離子電池應用的保護解決方案仍然很少，而傳統(tǒng)電路保護技術往往較為大型、復雜而且昂貴。
金屬混合PPTC(MHP)技術正好為鋰離子電池應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)，提供了可恢復的過流保護，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器中的電弧放電。
圖1 標準MHP器件的激活步驟
核心設計概念
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行加熱，使之保持斷開并處于鎖定位置(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。當電流分流至PPTC器件后，它的電阻快速增加，達到遠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，并使之保持斷開狀態(tài)，直到過流事件結(jié)束或電源關閉。
PPTC器件的電阻遠低于陶瓷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，它含有一個第三端輸入信號端來用作過充保護信號，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)在異常事件下導通(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3是以一個電池過充保護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)
智能激活器件的優(yōu)勢包括：
在電池組中提供過充保護；
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，尺寸更小且外形更薄；
電弧抑制PPTC設計，抑制觸點電弧；
可以使用低功率開關線路來斷開主線路(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器的典型結(jié)果，保護器在1.28ms內(nèi)斷開。圖4b則描述了雙金屬保護器在雙倍額定電壓下的情形。在故障條件下標準的雙金屬片保護器發(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器 (b)2倍額定電壓下的雙金屬片保護器
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顯示了當所施加的電壓為額定電壓的兩倍時，從保護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器到PPTC器件的平滑轉(zhuǎn)移，保護器觸點無熔接，并且顯示了PPTC器件如何保護觸點防止電弧放電。
圖5 通過PPTC器件和雙金屬片保護器的并聯(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解決方案，為電池組設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；隨著鋰離子技術的不斷發(fā)展和進步，其應用正變得更為普遍。
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控制功能。
MHP和MHP-SA器件技術可以配置用于不同的應用，目前正在開發(fā)電壓和保持電流更高的器件。未來的設計考慮因素包括備用電源、能量存儲系統(tǒng)(ESS)等應用中的鋰離子電池保護，以及馬達保護等非電池應用。
