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MHP技术在锂电池电路保护中的应用

导读: 锂离子电池的先进技术使得高能量的锂离子电池具备更高的能量密度和更轻的重量,可以取代诸如电动工具、电动自行车、轻型电动车和备用电源等应用中使用的镍镉电池,甚至铅酸电池。

  锂离子电池的先进技术使得高能量的锂离子电池具备更高的能量密度和更轻的重量,可以取代诸如电动工具、电动自行车、轻型电动车和备用电源等应用中使用的镍镉电池,甚至铅酸电池。

  锂离子技术比镍镉或铅酸技术更加环保。但是,在新兴市场中采用锂离子电池所面临的挑战是,相比于镍镉或铅酸技术,系统设计师们越来越强调电池的安全要求。

  现有一种锂离子电池电路保护的新方法,通过替代传统的高成本、占用空间的保护技术,从而应对这些市场挑战。该新型混合技术将一个双金属保护器和一个PPTC(聚合物正温度系数)器件并联在一起。由此产生的双金属与PPTC结合器件(MHP)可帮助提供在高速放电电池包中的可复位过流保护,同时通过利用PPTC器件的低阻抗来防止双金属保护器在更高电流时的电弧放电行为,并通过加热双金属来保持它的开路和闭锁状态。

  传统的方法

  许多高能量放电锂离子应用中的传统电路保护技术往往比较大型、复杂或昂贵。一些电路保护设计方案可能会结合使用IC和MOSFET,或者采用类似的复杂解决方案。其他的设计方案可能考虑在直流电源应用中传统的双金属保护器需要30A+的保持电流,但是接触面积必须足够大才能应对这种高电流,这就导致器件在整体尺寸上更大了。此外,开关周期次数必须是有限的,因为接触面之间产生的电弧可能会造成接触面损伤。

  相比之下,泰科电子推出新型MHP混合器件能够取代或帮助减少在一些复杂IC/FET电池保护设计中使用的放电场效应管和附随的散热器的数量。MHP器件为高速放电锂离子电池包应用提供了节省空间、成本降低和保护增强的优势。首款器件MHP30-36的最大额定值为36VDC/100A,保持电流为30A。MHP器件技术可被配置到各种不同的应用中,而且现在正在开发具有更高电压(高达400VDC)和保持电流(60A)的器件。

  工作原理

  在正常状态下,由于双金属片的电阻低,电流通过双金属片流过。在异常情况下,比如电动工具转子堵转时,电路中将产生很高的电流,导致双金属触点打开,其接触电阻增加。此时电流将通过低电阻的PPTC流过。流过PPTC的电流,不仅抑制了触点之间电弧的产生,同时又加热双金属片,使其保持在打开状态和锁定位置。

  如图1所示,MHP器件的激活步骤包括:

  1.在正常状态下,由于双金属片的电阻低,大部分电流通过双金属片流过。

  2.当触点打开时,接触电阻迅速增加。如果接触电阻比PPTC器件的电阻高,大部分电流就会通过PPTC器件流过,没有电流或很少的电流流经触点,因此抑制了触点之间电弧的产生。当电流分流到PPTC器件时,它的电阻迅速增加到比接触电阻还要高,从而PPTC发热。

  3.触点打开之后,PPTC器件开始加热双金属,并使其保持打开状态直到过流事件结束或电源关闭。

  

  图1:MHP器件的激活步骤。

  PPTC器件的电阻要远远低于陶瓷PTC器件电阻,也就是说即使触点只打开一小部分,接触电阻只是略有上升,电流也会被分流至PPTC器件,从而有效防止触点产生电弧。一般来说,处于室温条件下,陶瓷PTC器件与聚合物PTC器件的电阻相差约10的两次方(x10^2)。所以,电阻较高的陶瓷PTC器件与双金属并行联接时,在抑制高电流电弧放电方面远不如聚合物MHP器件有效。

  图2显示的是双金属保护器与PPTC器件并联的电路图。

  

  图2:双金属保护器与PPTC器件并联的电路图。

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