鋰離子二次電池過充保護(hù)與大電流放電平衡
出處:電子技術(shù)設(shè)計(jì) 發(fā)布于:2014-12-10 11:30:28
根據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,2013年中國(guó)市場(chǎng)手機(jī)銷量3.827億部,其中智能手機(jī)銷量高達(dá)3.292億部,中國(guó)已基本完成對(duì)傳統(tǒng)功能手機(jī)的替代進(jìn)程。隨著智能手機(jī)以及新4G LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來,對(duì)智能手機(jī)電池的要求必將更高更嚴(yán)苛,由于具有更大的屏幕尺寸,更復(fù)雜的功能,必將帶來功耗的增加。為保證手機(jī)正常使用,配備高容量電池已不可避免。從市場(chǎng)上各家主打手機(jī)產(chǎn)品來看,3000mAH左右產(chǎn)品已經(jīng)非常普遍。新4G LTE網(wǎng)絡(luò)無論采用何種低功耗的技術(shù),電量的消耗都是一個(gè)大問題,這也帶來配備更高容量電池的需求。而根據(jù)手機(jī)研發(fā)工程師反饋,除了要求大容量電池以滿足續(xù)航要求外,同時(shí)還需要電池在放電能力方面可以支持更高的持續(xù)放電電流以及瞬時(shí)大電流。而這些高放電電流的應(yīng)用要求與電池本身的安全測(cè)試又存在一定的沖突。因此,如何找到他們之間的平衡點(diǎn),對(duì)于電池開發(fā)設(shè)計(jì)者就顯得尤為重要。
為了更好的說明二者的關(guān)系,首先要了解鋰離子電池保護(hù)電路,如下圖,其中有1級(jí)的主動(dòng)保護(hù)IC+MOSFET和 2級(jí)的被動(dòng)保護(hù)器PPTC或者M(jìn)HP-TA。

電池行業(yè)為常見的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)UL2054有過充測(cè)試項(xiàng)要求。
UL2054對(duì)電池內(nèi)部元件的短路原則及例外項(xiàng)條款規(guī)定,如果是非的保護(hù)器件,測(cè)試過程中會(huì)被短路掉。
Fault原則如下:
a.有安規(guī)的器件不Fault;
b.任何非的保護(hù)元件會(huì)被Fault(短路),通常如Mosfet,電流檢測(cè)電阻在測(cè)試時(shí)會(huì)被短路;
UL2054過充試驗(yàn)方法為,用于測(cè)試的樣品電池以10*C5(2C)(一些制造廠商要求更為嚴(yán)格要求以1C)的恒定電流充電,每個(gè)電池或電芯都要貼上熱耦合組件,然后充電直到電池或電芯爆炸,漏液,或外殼表面的溫度恢復(fù)到環(huán)境溫度或者達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。在測(cè)試中,過流和熱保護(hù)裝置必須要經(jīng)過安規(guī),沒有經(jīng)過認(rèn)可的保護(hù)裝置則應(yīng)將其短路。UL2054的指標(biāo)要求為不起火、不爆炸。
分析上述安規(guī)測(cè)試要求,可以確定,在二次被動(dòng)保護(hù)器的選擇上,器件保護(hù)點(diǎn)越低越有利于起到保護(hù)效果。體現(xiàn)在PPTC器件上,既是器件的動(dòng)作電流(Itrip)越小,越容易過測(cè)試;體現(xiàn)在溫度感測(cè)雙金屬片器件MHP-TA上,則是器件本身動(dòng)作溫度點(diǎn)越低,越容易動(dòng)作,更容易通過測(cè)試。
但在實(shí)際應(yīng)用端卻剛好相反,通常要求電池可以滿足短時(shí)間維持高電流供電不斷電,甚至要求在高溫(達(dá)到60攝氏度)條件下維持較高電流(4A)不動(dòng)作。這體現(xiàn)在保護(hù)器件本身即要求PPTC在高溫情況下具有大的保持電流(Ihold)。這兩方面的要求存在一定矛盾,片面的保證某一方面都是不能保證產(chǎn)品安全及實(shí)際應(yīng)用的。被動(dòng)保護(hù)器件MHP-TA和PPTC的選型與實(shí)際應(yīng)用條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參考的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)等有著極其密切的聯(lián)系,需找到一個(gè)二者的平衡點(diǎn)。這就要求電池開發(fā)設(shè)計(jì)人員在開發(fā)前期即與保護(hù)器件供應(yīng)商進(jìn)行充分溝通,同時(shí)配合充分的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,以達(dá)到既滿足安規(guī)測(cè)試的安全要求,又符合實(shí)際應(yīng)用。而TE作為電路保護(hù)行業(yè)引領(lǐng)者,在鋰離子電池保護(hù)器件的開發(fā)及應(yīng)用方面有著多年的經(jīng)驗(yàn),其生產(chǎn)的PPTC和MHP-TA已被大量應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外手機(jī)電池廠商中。
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