談?wù)勪囯x子電池使用安全性

　　自從鋰離子（Lithium-Ion， Li-ion）電池取代鎳氫（NiMH）電池以來，越來越常應(yīng)用在手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)、超輕薄筆電及其他可攜式電子產(chǎn)品，近幾年來這些電子產(chǎn)品對電池容量要求越來越高，但同時(shí)要求電池體積要更小和更薄，這使得鋰電池要具有更高容量密度。

　　鋰聚合物（Lithium Polymer， LiP）電池可滿足更薄的要求，所以其市場占有率不斷提升，特別是智慧手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)及超輕薄筆電幾乎全部都是使用鋰聚合物電池。但由于鋰離子電池在某些濫用情況下會發(fā)生起火燃燒，甚至爆炸，例如過充電（Overcharge）、短路及高溫等情況都會導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生熱能和氣體，使得電池膨脹、破裂及起火，因此鋰離子電池安全性也引起制造商、終端使用者及管理部門重視。

　　中國及其他國家都針對電池先后發(fā)布該國本身的安全標(biāo)準(zhǔn)，像是中國GBT18287和GB31241-2014、美國及北美地區(qū)適用的UL1642及 UL2054、歐盟的EN60950 與EN62133、日本PSE及韓國KC標(biāo)準(zhǔn)等，這些標(biāo)準(zhǔn)在規(guī)范市場和保護(hù)消費(fèi)者方面都具有積極作用。

　　選擇合適被動(dòng)保護(hù)器件 確保鋰電池安全

　　在很多情況下，電池設(shè)計(jì)者在選擇被動(dòng)保護(hù)器件時(shí)都會遇到一些問題，例如是否要使用被動(dòng)保護(hù)器件？用哪一種？對鋰電池來說，安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和性能要求互相沖突，有時(shí)難以兩全其美，怎么辦？

　　本文將說明如何選擇合適的被動(dòng)保護(hù)器件保險(xiǎn)絲（Fuse）/可自恢復(fù)的聚合物正溫度系數(shù)（Polymeric Positive Thermal Coefficient， PPTC）/MHP-TA（Metal Hybrid PPTC-Thermal Activation Device），以同時(shí)滿足安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)及主機(jī)對鋰電池充放電性能要求，本文中的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)以UL2054為例。

　　一次性熔斷保險(xiǎn)絲較脆弱

　　這里提到的保險(xiǎn)絲是一次性熔斷保險(xiǎn)絲（熔絲），在鋰電池應(yīng)用中通常包含熱保險(xiǎn)絲（Thermal Fuse）和慢斷型表面黏著保險(xiǎn)絲（SMD Fuse）（表1）。

　　一次性熔斷保險(xiǎn)絲的不可恢復(fù)性使得設(shè)計(jì)者在選用時(shí)需要格外謹(jǐn)慎，以免在電池組裝、測試以及使用中，容易因?yàn)槭д`而使得電池遭受破壞。

　　選擇慢斷型保險(xiǎn)絲另一個(gè)主要目的是受限制電源（Limited Power Source， LPS）要求，如表2。通常會選擇額定電流為5安培（A）的表面黏著型Fuse，因可同時(shí)滿足LPS及電池充放電要求，由于SMD Fuse不可恢復(fù)性，因此所選擇的慢斷型Fuse熔斷時(shí)間必須比保護(hù)IC的過電流動(dòng)作時(shí)間長，從而確保當(dāng)保護(hù)電路正常工作時(shí)，F(xiàn)use不會動(dòng)作而熔斷。

　　保護(hù)組件供貨商要達(dá)到這樣要求，F(xiàn)use在生產(chǎn)過程中要具有出色的質(zhì)量控制，以確保性能一致性。由于LPS限制Fuse最大規(guī)格為5A，因此難以滿足對充放電要求高應(yīng)用（表3）。

　　PPTC性能/安規(guī)須綜合考慮

　　PPTC是正溫度系數(shù)熱敏電阻，廣泛應(yīng)用于鋰電池保護(hù)電路中，隨著鋰電池容量不斷增加，及手機(jī)等可攜式電子產(chǎn)品對電池電流需求不斷提升，在選擇PPTC時(shí)所需要考慮因素也越來越多，一方面既要滿足產(chǎn)品性能要求，同時(shí)又要滿足鋰電池的安規(guī)要求（圖1）。

　　圖1　選擇PPTC時(shí)考慮因素多，要滿足產(chǎn)品性能又要滿足鋰電池安規(guī)要求。

　　．裝配方式

　　PPTC 是溫度敏感器件，因此須充分考慮其在電池中的裝配方式及生產(chǎn)過程，例如回流焊溫度曲線設(shè)置及有效控制、回流焊次數(shù)、電路板點(diǎn)膠及固化方式（紫外線照射還是高溫烘烤）、低溫注塑參數(shù)設(shè)置（壓力、溫度及時(shí)間），以及是否有手工焊的過程。PPTC有可能因?yàn)樵谶@些制程中受到壓力及高溫而增大電阻，間接影響保持電流及動(dòng)作特性。

　　表面黏著型PPTC透過回流焊安裝在印刷電路板（PCB）上，焊盤大小、銅箔厚度、走線寬度及相鄰元器件發(fā)熱等因素都會影響到PPTC散熱性能，從而影響保持電流與動(dòng)作特性。

　　帶狀PPTC透過電阻焊或雷射焊方式，與鋰電池芯電極及鎳帶與PCB板相連，因此鎳帶的長度、寬度及厚度會影響散熱性能，從而影響PPTC保持電流及動(dòng)作特性（圖2）。

　　圖2　帶狀PPTC與鋰電池芯電極及鎳帶與PCB板相連

　　．安規(guī)要求

　　對于PPTC應(yīng)用在鋰電池中時(shí)，LPS對其要求與Fuse不同，選擇時(shí)需要考慮因素較多，特別是須要同時(shí)滿足高溫下大電流放電要求與安規(guī)中過充電要求，不僅要考慮PPTC本身特性，還須要配合具體項(xiàng)目所選用的鋰電池芯進(jìn)行過充電試驗(yàn)。不同廠家、不同規(guī)格型號的鋰電池芯在過充電試驗(yàn)中具有不同溫度及安全特性。 表面黏著型PPTC在電路板上位置距離電池芯較遠(yuǎn)，因此不能充分感測到電池芯溫度變化，而且還會受到電路板上布線及其他組件發(fā)熱影響，因此為滿足安規(guī)要求，選擇表面黏著型PPTC時(shí)應(yīng)該要略微降低電流規(guī)格。

　　對于帶狀PPTC，在電池設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，不能受到外力和施加在器件上應(yīng)力；與電池芯連接方式、貼合程度及鎳帶尺寸都會影響到電池是否能通過安規(guī)測試（圖3）。

　　圖3　不帶過流保護(hù)器件的電源的限制

　　MHP-TA體積小/溫度保護(hù)精度高 適合大電流需求

　　MHP-TA是可恢復(fù)的溫度保護(hù)器件，體積小而且溫度保護(hù)精度高，因此適合大電流需求，是大容量鋰電池安全保護(hù)理想選擇（圖4）。

　　圖4　MHP-TA體積小

　　MHP-TA分為高電流（15A）和低電流（6A）兩個(gè)系列，分別對應(yīng)不同的動(dòng)作溫度，如表4所示。

　　．選擇組件考慮

　　MHP-TA溫度保護(hù)精度高，導(dǎo)通電阻小，且性能基本上不會隨著時(shí)間及動(dòng)作次數(shù)而變化，因此MHP多半應(yīng)用在對于溫度保護(hù)和性能要求較高的鋰電池。

　　在保持電流方面，低電流規(guī)格的MHP與PPTC具有基本相同性能，但是在鋰電池芯保護(hù)方面，不同溫度特性及安全性能的電池芯可選用不同動(dòng)作溫度MHP，從而更充分利用鋰電池充放電性能，以及提供更安全保護(hù)。當(dāng)要求電池電流較高時(shí)，例如在60度下要求大于3.2A時(shí)，PPTC便難以滿足要求，而MHP則是較好選擇，特別是高電流系列的MHP，既可以滿足大電流需求，又可以有效保護(hù)鋰電池芯（圖5）。

　　圖5　不同溫度也會影響電池芯的安全性能

　　根據(jù)鋰電池最大電流要求選擇MHP規(guī)格之后，還要通過過充電測試，通常是6V/1C、2C，或9V、12V等規(guī)格要求，MHP電流及溫度規(guī)格越低，對電池安全保護(hù)越好，但是這與電池電流要求互相矛盾，因此在選擇時(shí)須要兼顧這兩方面要求；但在有些情況下難以同時(shí)滿足，則須要和客戶溝通，在這兩方面要求之間求取平衡，例如降低電池在高溫下大電流要求，從而滿足安規(guī)要求。

　　在電池的設(shè)計(jì)和組裝過程中，MHP-TA不能遭受外力，而施加在器件上或兩端子上的應(yīng)力會對MHP的電阻及溫度特性產(chǎn)生影響。與電池芯連接方式、貼合程度及鎳帶的尺寸都會影響到電池是否能通過安規(guī)測試（圖6）。

　　圖6　MHP-TA與電池芯連接方式、貼合程度及鎳帶尺寸皆會影響安規(guī)測試。

　　LPS要求受限制電源

　　幾乎所有手機(jī)制造商都會要求鋰電池要能滿足安規(guī)中LPS要求。MHP對LPS的要求和PTC相同。在通常情況下，MHP被裝配到電池中時(shí)，散熱條件不如外部測試時(shí)，因此鋰電池中MHP所具有實(shí)際保持電流特性將會略低于規(guī)格書中所規(guī)定的電流值?；阡囯姵氐某潆娞匦?，動(dòng)作溫度為90度規(guī)格的MHP很少可以用于鋰電池安全保護(hù)，所以除去90度規(guī)格MHP外，所有低電流系列MHP基本上都可以滿足LPS。筆記本電腦及一些平板計(jì)算機(jī)要求較高放電電流，可以選用高電流系列MHP，并且藉由其他設(shè)計(jì)方法去滿足LPS。

　　了解電池設(shè)計(jì)方式 選擇適合電池芯

　　總結(jié)來說，溫度保險(xiǎn)絲Thermal Fuse由于體積大及手工焊接等因素，已經(jīng)越來越少用于鋰電池保護(hù)；表面黏著型PPTC由于其體積小、成本低、回流焊制程簡單等因素，用于手機(jī)電池保護(hù)的情況越來越見，但是難以滿足具有大電流要求平板計(jì)算機(jī)以及筆記本電腦電池需求；帶狀PPTC的保護(hù)效果良好，因此仍然有一些鋰電池采用，特別是更適合于金屬外殼的方形鋰離子電池裝配；MHP-TA具有溫度保護(hù)精度高、導(dǎo)通電阻小而且穩(wěn)定等性能優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于對安全要求較高的高階可攜式電子產(chǎn)品，特別是具有大電流以及高電壓要求的筆記本電腦電池，幾乎全部都是采用這一類產(chǎn)品。

　　滿足鋰電池性能要求和通過安規(guī)測試的關(guān)鍵，不僅與保護(hù)器件型號及規(guī)格選擇有關(guān)，也和具體電池芯種類、充放電性能、安全特性、保護(hù)器件的連接安裝方式、電路板及電池組裝的散熱條件密切相關(guān)，因此在展開新電池項(xiàng)目時(shí)，為能更準(zhǔn)確、迅速提供Fuse/PPTC/MHP-TA樣品，與電池設(shè)計(jì)者多溝通交流，盡可能地多了解電池性能要求、組裝方式、安規(guī)要求及詳細(xì)制程等等，都有助于避免由于試驗(yàn)不通過而造成項(xiàng)目延誤。