谈谈锂离子电池使用安全性
自从锂离子(Lithium-Ion, Li-ion)电池取代镍氢(NiMH)电池以来,越来越常应用在手机、平板计算机、超轻薄笔电及其他可携式电子产品,近几年来这些电子产品对电池容量要求越来越高,但同时要求电池体积要更小和更薄,这使得锂电池要具有更高容量密度。
本文引用地址:https://www.eepw.com.cn/article/201710/366811.htm锂聚合物(Lithium Polymer, LiP)电池可满足更薄的要求,所以其市场占有率不断提升,特别是智慧手机、平板计算机及超轻薄笔电几乎全部都是使用锂聚合物电池。但由于锂离子电池在某些滥用情况下会发生起火燃烧,甚至爆炸,例如过充电(Overcharge)、短路及高温等情况都会导致电池内部产生热能和气体,使得电池膨胀、破裂及起火,因此锂离子电池安全性也引起制造商、终端使用者及管理部门重视。
中国及其他国家都针对电池先后发布该国本身的安全标准,像是中国GBT18287和GB31241-2014、美国及北美地区适用的UL1642及 UL2054、欧盟的EN60950 与EN62133、日本PSE及韩国KC标准等,这些标准在规范市场和保护消费者方面都具有积极作用。
选择合适被动保护器件 确保锂电池安全
在很多情况下,电池设计者在选择被动保护器件时都会遇到一些问题,例如是否要使用被动保护器件?用哪一种?对锂电池来说,安规标准和性能要求互相冲突,有时难以两全其美,怎么办?
本文将说明如何选择合适的被动保护器件保险丝(Fuse)/可自恢复的聚合物正温度系数(Polymeric Positive Thermal Coefficient, PPTC)/MHP-TA(Metal Hybrid PPTC-Thermal Activation Device),以同时满足安规标准及主机对锂电池充放电性能要求,本文中的安规标准以UL2054为例。
一次性熔断保险丝较脆弱
这里提到的保险丝是一次性熔断保险丝(熔丝),在锂电池应用中通常包含热保险丝(Thermal Fuse)和慢断型表面黏着保险丝(SMD Fuse)(表1)。
一次性熔断保险丝的不可恢复性使得设计者在选用时需要格外谨慎,以免在电池组装、测试以及使用中,容易因为失误而使得电池遭受破坏。
选择慢断型保险丝另一个主要目的是受限制电源(Limited Power Source, LPS)要求,如表2。通常会选择额定电流为5安培(A)的表面黏着型Fuse,因可同时满足LPS及电池充放电要求,由于SMD Fuse不可恢复性,因此所选择的慢断型Fuse熔断时间必须比保护IC的过电流动作时间长,从而确保当保护电路正常工作时,Fuse不会动作而熔断。
保护组件供货商要达到这样要求,Fuse在生产过程中要具有出色的质量控制,以确保性能一致性。由于LPS限制Fuse最大规格为5A,因此难以满足对充放电要求高应用(表3)。
PPTC性能/安规须综合考虑
PPTC是正温度系数热敏电阻,广泛应用于锂电池保护电路中,随着锂电池容量不断增加,及手机等可携式电子产品对电池电流需求不断提升,在选择PPTC时所需要考虑因素也越来越多,一方面既要满足产品性能要求,同时又要满足锂电池的安规要求(图1)。
图1 选择PPTC时考虑因素多,要满足产品性能又要满足锂电池安规要求。
.装配方式
PPTC 是温度敏感器件,因此须充分考虑其在电池中的装配方式及生产过程,例如回流焊温度曲线设置及有效控制、回流焊次数、电路板点胶及固化方式(紫外线照射还是高温烘烤)、低温注塑参数设置(压力、温度及时间),以及是否有手工焊的过程。PPTC有可能因为在这些制程中受到压力及高温而增大电阻,间接影响保持电流及动作特性。
表面黏着型PPTC透过回流焊安装在印刷电路板(PCB)上,焊盘大小、铜箔厚度、走线宽度及相邻元器件发热等因素都会影响到PPTC散热性能,从而影响保持电流与动作特性。
带状PPTC透过电阻焊或雷射焊方式,与锂电池芯电极及镍带与PCB板相连,因此镍带的长度、宽度及厚度会影响散热性能,从而影响PPTC保持电流及动作特性(图2)。
图2 带状PPTC与锂电池芯电极及镍带与PCB板相连
.安规要求
对于PPTC应用在锂电池中时,LPS对其要求与Fuse不同,选择时需要考虑因素较多,特别是须要同时满足高温下大电流放电要求与安规中过充电要求,不仅要考虑PPTC本身特性,还须要配合具体项目所选用的锂电池芯进行过充电试验。不同厂家、不同规格型号的锂电池芯在过充电试验中具有不同温度及安全特性。 表面黏着型PPTC在电路板上位置距离电池芯较远,因此不能充分感测到电池芯温度变化,而且还会受到电路板上布线及其他组件发热影响,因此为满足安规要求,选择表面黏着型PPTC时应该要略微降低电流规格。
对于带状PPTC,在电池设计和生产过程中,不能受到外力和施加在器件上应力;与电池芯连接方式、贴合程度及镍带尺寸都会影响到电池是否能通过安规测试(图3)。
图3 不带过流保护器件的电源的限制
MHP-TA体积小/温度保护精度高 适合大电流需求
MHP-TA是可恢复的温度保护器件,体积小而且温度保护精度高,因此适合大电流需求,是大容量锂电池安全保护理想选择(图4)。
图4 MHP-TA体积小
MHP-TA分为高电流(15A)和低电流(6A)两个系列,分别对应不同的动作温度,如表4所示。
.选择组件考虑
MHP-TA温度保护精度高,导通电阻小,且性能基本上不会随着时间及动作次数而变化,因此MHP多半应用在对于温度保护和性能要求较高的锂电池。
在保持电流方面,低电流规格的MHP与PPTC具有基本相同性能,但是在锂电池芯保护方面,不同温度特性及安全性能的电池芯可选用不同动作温度MHP,从而更充分利用锂电池充放电性能,以及提供更安全保护。当要求电池电流较高时,例如在60度下要求大于3.2A时,PPTC便难以满足要求,而MHP则是较好选择,特别是高电流系列的MHP,既可以满足大电流需求,又可以有效保护锂电池芯(图5)。
图5 不同温度也会影响电池芯的安全性能
根据锂电池最大电流要求选择MHP规格之后,还要通过过充电测试,通常是6V/1C、2C,或9V、12V等规格要求,MHP电流及温度规格越低,对电池安全保护越好,但是这与电池电流要求互相矛盾,因此在选择时须要兼顾这两方面要求;但在有些情况下难以同时满足,则须要和客户沟通,在这两方面要求之间求取平衡,例如降低电池在高温下大电流要求,从而满足安规要求。
在电池的设计和组装过程中,MHP-TA不能遭受外力,而施加在器件上或两端子上的应力会对MHP的电阻及温度特性产生影响。与电池芯连接方式、贴合程度及镍带的尺寸都会影响到电池是否能通过安规测试(图6)。
图6 MHP-TA与电池芯连接方式、贴合程度及镍带尺寸皆会影响安规测试。
LPS要求受限制电源
几乎所有手机制造商都会要求锂电池要能满足安规中LPS要求。MHP对LPS的要求和PTC相同。在通常情况下,MHP被装配到电池中时,散热条件不如外部测试时,因此锂电池中MHP所具有实际保持电流特性将会略低于规格书中所规定的电流值。基于锂电池的充电特性,动作温度为90度规格的MHP很少可以用于锂电池安全保护,所以除去90度规格MHP外,所有低电流系列MHP基本上都可以满足LPS。笔记本电脑及一些平板计算机要求较高放电电流,可以选用高电流系列MHP,并且藉由其他设计方法去满足LPS。
了解电池设计方式 选择适合电池芯
总结来说,温度保险丝Thermal Fuse由于体积大及手工焊接等因素,已经越来越少用于锂电池保护;表面黏着型PPTC由于其体积小、成本低、回流焊制程简单等因素,用于手机电池保护的情况越来越见,但是难以满足具有大电流要求平板计算机以及笔记本电脑电池需求;带状PPTC的保护效果良好,因此仍然有一些锂电池采用,特别是更适合于金属外壳的方形锂离子电池装配;MHP-TA具有温度保护精度高、导通电阻小而且稳定等性能优势,因此被广泛应用于对安全要求较高的高阶可携式电子产品,特别是具有大电流以及高电压要求的笔记本电脑电池,几乎全部都是采用这一类产品。
满足锂电池性能要求和通过安规测试的关键,不仅与保护器件型号及规格选择有关,也和具体电池芯种类、充放电性能、安全特性、保护器件的连接安装方式、电路板及电池组装的散热条件密切相关,因此在展开新电池项目时,为能更准确、迅速提供Fuse/PPTC/MHP-TA样品,与电池设计者多沟通交流,尽可能地多了解电池性能要求、组装方式、安规要求及详细制程等等,都有助于避免由于试验不通过而造成项目延误。
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