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(lái)，越來(lái)越常應用在手機、平板計算機、超輕薄筆電及其他可攜式電子產(chǎn)品，近幾年來(lái)這些電子產(chǎn)品對電池容量要求越來(lái)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(mǎn)足更薄的要求，所以其市場(chǎng)占有率不斷提升，特別是智慧手機、平板計算機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(huì )發(fā)生起火燃燒，甚至爆炸，例如過(guò)充電（Overcharge）、短路及高溫等情況都會(huì )導致電池內部產(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(mén)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準，像是中國GBT18287和GB31241-2014、美國及北美地區適用的UL1642及 UL2054、歐盟的EN60950 與EN62133、日本PSE及韓國KC標準等，這些標準在規范市場(chǎng)和保護消費者方面都具有積極作用。

　　選擇合適被動(dòng)保護器件 確保鋰電池安全

　　在很多情況下，電池設計者在選擇被動(dòng)保護器件時(shí)都會(huì )遇到一些問(wèn)題，例如是否要使用被動(dòng)保護器件？用哪一種？對鋰電池來(lái)說(shuō)，安規標準和性能要求互相沖突，有時(shí)難以?xún)扇涿?，怎么辦？

　　本文將說(shuō)明如何選擇合適的被動(dòng)保護器件保險絲（Fuse）/可自恢復的聚合物正溫度系數（Polymeric Positive Thermal Coefficient， PPTC）/MHP-TA（Metal Hybrid PPTC-Thermal Activation Device），以同時(shí)滿(mǎn)足安規標準及主機對鋰電池充放電性能要求，本文中的安規標準以UL2054為例。

　　一次性熔斷保險絲較脆弱

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

　　一次性熔斷保險絲的不可恢復性使得設計者在選用時(shí)需要格外謹慎，以免在電池組裝、測試以及使用中，容易因為失誤而使得電池遭受破壞。

　　選擇慢斷型保險絲另一個(gè)主要目的是受限制電源（Limited Power Source， LPS）要求，如表2。通常會(huì )選擇額定電流為5安培（A）的表面黏著(zhù)型Fuse，因可同時(shí)滿(mǎn)足LPS及電池充放電要求，由于SMD Fuse不可恢復性，因此所選擇的慢斷型Fuse熔斷時(shí)間必須比保護IC的過(guò)電流動(dòng)作時(shí)間長(cháng)，從而確保當保護電路正常工作時(shí)，Fuse不會(huì )動(dòng)作而熔斷。

　　保護組件供貨商要達到這樣要求，Fuse在生產(chǎn)過(guò)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最大規格為5A，因此難以滿(mǎn)足對充放電要求高應用（表3）。

　　PPTC性能/安規須綜合考慮

　　PPTC是正溫度系數熱敏電阻，廣泛應用于鋰電池保護電路中，隨著(zhù)鋰電池容量不斷增加，及手機等可攜式電子產(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(lái)越多，一方面既要滿(mǎn)足產(chǎn)品性能要求，同時(shí)又要滿(mǎn)足鋰電池的安規要求（圖1）。

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

　　．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(guò)程，例如回流焊溫度曲線(xiàn)設置及有效控制、回流焊次數、電路板點(diǎn)膠及固化方式（紫外線(xiàn)照射還是高溫烘烤）、低溫注塑參數設置（壓力、溫度及時(shí)間），以及是否有手工焊的過(guò)程。PPTC有可能因為在這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(zhù)型PPTC透過(guò)回流焊安裝在印刷電路板（PCB）上，焊盤(pán)大小、銅箔厚度、走線(xiàn)寬度及相鄰元器件發(fā)熱等因素都會(huì )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(guò)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(cháng)度、寬度及厚度會(huì )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

　　．安規要求

　　對于PPTC應用在鋰電池中時(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(mǎn)足高溫下大電流放電要求與安規中過(guò)充電要求，不僅要考慮PPTC本身特性，還須要配合具體項目所選用的鋰電池芯進(jìn)行過(guò)充電試驗。不同廠(chǎng)家、不同規格型號的鋰電池芯在過(guò)充電試驗中具有不同溫度及安全特性。 表面黏著(zhù)型PPTC在電路板上位置距離電池芯較遠，因此不能充分感測到電池芯溫度變化，而且還會(huì )受到電路板上布線(xiàn)及其他組件發(fā)熱影響，因此為滿(mǎn)足安規要求，選擇表面黏著(zhù)型PPTC時(shí)應該要略微降低電流規格。

　　對于帶狀PPTC，在電池設計和生產(chǎn)過(guò)程中，不能受到外力和施加在器件上應力；與電池芯連接方式、貼合程度及鎳帶尺寸都會(huì )影響到電池是否能通過(guò)安規測試（圖3）。

　　圖3　不帶過(guò)流保護器件的電源的限制

　　MHP-TA體積小/溫度保護精度高 適合大電流需求

　　MHP-TA是可恢復的溫度保護器件，體積小而且溫度保護精度高，因此適合大電流需求，是大容量鋰電池安全保護理想選擇（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溫度保護精度高，導通電阻小，且性能基本上不會(huì )隨著(zhù)時(shí)間及動(dòng)作次數而變化，因此MHP多半應用在對于溫度保護和性能要求較高的鋰電池。

　　在保持電流方面，低電流規格的MHP與PPTC具有基本相同性能，但是在鋰電池芯保護方面，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。當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(mǎn)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(mǎn)足大電流需求，又可以有效保護鋰電池芯（圖5）。

　　圖5　不同溫度也會(huì )影響電池芯的安全性能

　　根據鋰電池最大電流要求選擇MHP規格之后，還要通過(guò)過(guò)充電測試，通常是6V/1C、2C，或9V、12V等規格要求，MHP電流及溫度規格越低，對電池安全保護越好，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(mǎn)足，則須要和客戶(hù)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(mǎn)足安規要求。

　　在電池的設計和組裝過(guò)程中，MHP-TA不能遭受外力，而施加在器件上或兩端子上的應力會(huì )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(huì )影響到電池是否能通過(guò)安規測試（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(huì )影響安規測試。

　　LPS要求受限制電源

　　幾乎所有手機制造商都會(huì )要求鋰電池要能滿(mǎn)足安規中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(huì )略低于規格書(shū)中所規定的電流值?；阡囯姵氐某潆娞匦?，動(dòng)作溫度為90度規格的MHP很少可以用于鋰電池安全保護，所以除去90度規格MHP外，所有低電流系列MHP基本上都可以滿(mǎn)足LPS。筆記本電腦及一些平板計算機要求較高放電電流，可以選用高電流系列MHP，并且藉由其他設計方法去滿(mǎn)足LPS。

　　了解電池設計方式 選擇適合電池芯

　　總結來(lái)說(shuō)，溫度保險絲Thermal Fuse由于體積大及手工焊接等因素，已經(jīng)越來(lái)越少用于鋰電池保護；表面黏著(zhù)型PPTC由于其體積小、成本低、回流焊制程簡(jiǎn)單等因素，用于手機電池保護的情況越來(lái)越見(jiàn)，但是難以滿(mǎn)足具有大電流要求平板計算機以及筆記本電腦電池需求；帶狀PPTC的保護效果良好，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具有溫度保護精度高、導通電阻小而且穩定等性能優(yōu)勢，因此被廣泛應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(lèi)產(chǎn)品。

　　滿(mǎn)足鋰電池性能要求和通過(guò)安規測試的關(guān)鍵，不僅與保護器件型號及規格選擇有關(guān)，也和具體電池芯種類(lèi)、充放電性能、安全特性、保護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(kāi)新電池項目時(shí)，為能更準確、迅速提供Fuse/PPTC/MHP-TA樣品，與電池設計者多溝通交流，盡可能地多了解電池性能要求、組裝方式、安規要求及詳細制程等等，都有助于避免由于試驗不通過(guò)而造成項目延誤。