欢迎您来到中检集团南方电子产品测试(深圳)股份有限公司!

在线客服
联系方式
    0755-86131593
    0755-86136913
公众号
在线客服

兼具低温/后备特保护性 PPTC提升手机电池安全性

2013-07-15  来源:本站

        为确保行动电话使用的可靠性,及其可充电锂电池与锂聚电池的操作安全性,IEEE 1725-2006标准制定了多项设计分析的准则,包括系统整合、电池设计流程、制造考虑要点、组装预防措施、漏液保护、组件与温度考虑要点、过充、过电流与机械考虑要点、接头与端子、安全性与认证,以及质量控管等。此外,它也规范了交流电(AC)与直流电(DC)变压器等主要与次要装置对产品的影响。 
      由于过去并没有一致的业界标准,因此IEEE 1725-2006试图制定一套统一的手机锂电池评估标准。个人通讯系统认证审核理事会(PTCRB)的认证准则是以全系统为主,因此所有系统组件如电池芯、电池组、充电器和手机等都必须符合此标准,整套系统才能通过认证。对孜孜不倦订定严格标准的组织来说,其最大动机就是希望能减少手机电池所带来的意外。而高分子正温度系数热敏电阻(PPTC)由于具备低温特性,因而可大幅减低手机电池所带来的高温威胁。

危机无处不在 手机充电不可不慎

      由于充电式的锂化学电池芯与电池组对于突发性短路、不当充电或充电失控所致的过电流与过热状况特别敏感,而这类情形会导致电池温度升高,使电池芯受损、设备故障,甚至造成漏液、冒烟或起火等现象。 
      在现实生活中,金属物品碰触到外露的电池组端子时可能会造成突发性短路,例如当使用者将备用电池组放在公文包或皮包内时,电池组端子就可能会碰触到钥匙或其它金属物品而短路;而过电流、过电压或两者同时发生将可能导致电池芯的过充。但不论原因为何,若电流或电压超过额定值,电池芯温度将因而大幅攀升,导致漏液、冒烟或起火。 
      此外,过充也可能导因于充电失控所致,亦即电池组在充电完成后,充电器仍持续供电没有停止,而这通常是充电器的问题。不当充电则可能是电池组在不良情况下进行充电所致,最常见的原因是使用副厂或不兼容的充电器。

新标准问世 重视电池设计与备援保护

      IEEE 1725-2006制定了充电式锂电池与锂聚合物电池组设计分析、制造与测试的统一标准,可确保电池在手机使用寿命期间的稳定性。IEEE 1725-2006第六条款特别针对重要安全性考虑加以规范,包括外部短路与限制输出电流、过温保护设计,以及过充与过电压保护等。 
      此一标准要求设备至少要有一项过电流与两项过充保护机制,同时其中一项过充保护机制必须设计在电池组内。设计人员可以在电池芯、电池组、主要装置(如手机)或充电器之间透过数种设计组合与各种保护机制来符合此标准,包括主动电路与(或)温度保险丝、被动温度/热量控制(PTC)或节温器等装置。 
      设计人员可以在电池组中安装一颗PPTC组件,将主要(主动电路)与备援保护机制整合在一起。藉由将PPTC组件放置在电池芯旁边可获得最佳温度感测效果,而当电池组从主要装置移除时,PPTC组件也可提供自复式保护机制以避免外部短路造成的损害;至于设计在电池组而非充电器中的备援保护机制,则可避免因使用不当充电器所产生的危险。 
      接下来看PPTC组件的备援保护机制。除了负温度系数(NTC)热敏电阻之外,锂电池组通常还包含其它保护机制,像是提供过电压、欠低电压与过电流保护的金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)和控制IC,以及在充电与放电时可提供过温保护与备援过电流保护的PPTC组件。 
      PPTC组件在电路中作串联使用,在发生过电流或过热事件时,PPTC组件会从低阻抗转变成高阻抗的状态以提供保护能力。图1是安装PPTC组件的典型单芯锂电池电路图。

 

图1 单芯锂电池的电路保护架构图

      PPTC组件的低阻抗特性可以解决因MOSFET产生的其它串联阻抗问题,同时其低动作温度的特性,还可以防止因不当过充导致的热失控问题。 
      当电路短路时,PPTC组件会因电流过量而迅速产生高温,一旦接近动作温度值,其阻抗便会大幅升高,并将故障电流限制在一定范围内。等到故障排除、电流恢复正常后,组件温度就会下降,并回复到低阻抗状态。若故障未排除、电流未恢复正常,组件便会持续维持高阻抗状态。 
      当过充故障发生时,充饱电电池中的过电压会导致电池组件产生化学性衰退,使得电池芯温度上升。若在电路中采用PPTC组件,当电池芯温度升高时,PPTC组件周遭温度也会跟着上升,而组件动作所需电流则会降低。

取代双金属/温度保险丝 PPTC优势多

      PPTC组件经常被用来取代双金属或温度保险丝等保护装置。一般而言,双金属保险丝不仅成本较高,体积较大,同时在故障发生时也经常无法确保其保护功能,而导致电池组经常性故障及电池芯受损。 
      温度保险丝等一次型次级过电流保护装置很难设定在充电保护所要求的低温状态,而且可能因周围温度上升而动作,以致电池组故障。然而,PPTC组件的低温特性则可以将充电电流限制在电池组正常作业温度附近。由于PPTC具备自复式功能,因此当周遭高温(例如在炎热天气下将手机放置车内一整天)导致动作时,也不用担心电池组会永久性故障。由于大多数的电池组故障并非经常性或周期性事件所致,因此自复式保护机制是一种较为理想的解决方案。

小型化成大势所趋 PPTC不落人后

      PPTC组件有各种规格的尺寸与电流额定值,而且适用于各种电池种类或使用模式。PPTC组件一直朝低阻抗、小尺寸及更佳的过温保护发展。显然,讲求省空间的电池设计也带动了小型化保护组件的发展趋势。同时,将保护电路设计在电池芯附近还可以省掉冗长的内部连接线路并提高温度感测能力。 
      如针对手机印刷电路板(PCB)所设计的片状保护组件(图2)结合导电的金属颗粒,因此其阻抗比使用碳黑微粒导电的传统PPTC组件更低。相较于先前的片状元件,新一代组件(图3)在摄氏60度仍维持几乎相同的工作电流,但是尺寸却缩小了88%,阻抗也低了68%。