鋰電池的先進技術使得高功率鋰電池具備更高的能量密度和更輕的重量，可以取代諸如電動工具、電動自行車、輕型電動車和備用電源等應用中所使用的鎳鎘電池，甚至鉛酸電池。鋰離子技術比鎳鎘或鉛酸技術更為環保，但是，在新興市場中採用鋰電池所面臨的挑戰是，相較於鎳鎘或鉛酸技術，系統設計者越來越強調電池的安全要求。
現在有一種鋰電池電路保護的新方法，透過替代傳統的高成本、占用空間的保護技術來因應這些市場挑戰。這項新型混合技術將一個雙金屬保護器和一個聚合物正溫度係數(PPTC)元件並聯在一起。由此產生的雙金屬與PPTC結合元件(MHP)可協助提供在高能量放電電池中的可復位過流保護，同時利用PPTC元件的低阻抗來防止雙金屬保護器在更高電流時的電弧放電行為，並以加熱雙金屬保持其開路與閉鎖狀態。
新推出的首款元件MHP30-36，其最大額定值為36VDC/100安培(A)，工作電流為30安培。MHP元件技術可被配置到各種不同的應用中，而且正開發具有更高電壓(高達400VDC)和工作電流(60安培)的元件。
傳統設計效果有限
許多高能量放電鋰離子應用中的傳統電路保護技術往往比較大型、複雜或昂貴。一些電路保護設計方案可能會結合使用IC和金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)，或採用類似的複雜解決方案。其他的設計方案可能考量到，在直流電源應用中傳統的雙金屬保護器需要30安培以上的工作電流，但是接觸面積必須夠大才能因應這種高電流，這導致元件在整體尺寸上變得更大。此外，開關週期次數必須是有限的，因為接觸面之間產生的電弧可能會造成接觸面損傷。
相較之下，該新型MHP混合元件能夠取代或減少在一些複雜IC/場效電晶體(FET)電池保護設計中使用的放電場效應管和伴隨的散熱片數量。MHP元件為高速放電鋰電池應用提供節省空間、成本降低和強化保護的優勢。
MHP防止觸點產生電弧
在正常狀態下，由於雙金屬片的電阻低，電流經由雙金屬片流過。在異常情況下，例如電動工具轉子堵轉時，電路中將產生很高的電流，導致雙金屬觸點打開，其接觸電阻增加。此時，電流將經由低電阻的PPTC流過。流過PPTC的電流，不僅抑制觸點間電弧的產生，同時又加熱雙金屬片，使其保持在打開狀態和鎖定位置。
如圖1所示，MHP元件的啟動步驟包括：首先，在正常狀態下，由於雙金屬片的電阻低，大部分電流通過雙金屬片流過。當觸點打開時，接觸電阻迅速增加。如果接觸電阻比PPTC元件的電阻高，大部分電流就會經由PPTC元件流過，沒有電流或很少的電流流經觸點，因此抑制觸點之間電弧的產生。當電流分流到PPTC元件時，它的電阻迅速增加到比接觸電阻還要高，從而PPTC發熱。最後，觸點打開後，PPTC元件開始加熱雙金屬，並使其保持打開狀態，直到過流事件結束或電源關閉。
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| 圖1 MHP元件的啟動步驟 |
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| 圖2 顯示雙金屬保護器與PPTC元件並聯的電路圖 |
PPTC元件的電阻要遠低於陶瓷被動溫度/熱量控制(PTC)元件電阻，也就是說，即使觸點只打開一小部分，接觸電阻只略有上升，電流也會被分流至PPTC元件，從而有效防止觸點產生電弧。
一般來說，處於室溫條件下，陶瓷PTC元件與聚合物PTC元件的電阻相差約102)。所以，電阻較高的陶瓷PTC元件與雙金屬並行聯接時(圖2)，在抑制高電流電弧放電方面遠不及聚合物MHP元件有效。
雙閉合/雙斷開觸點新設計
典型的雙金屬保護器上通常只有一個觸點，所以其耐壓力並不強。對於單觸點設計，較高的電流所需的觸點尺寸也會很大。為解決該問題，MHP元件採用雙閉合/雙斷開觸點設計，從而大幅縮小裝置尺寸(圖3)。該技術相對於常用雙金屬保護器而言具有三項優勢：其一為由於電流路徑極短，所以元件的電阻非常低；其二只有接觸點才會產生熱量，因此不必透過熱控制就能實現準確的熱啟動；此外，相對於額定參數相同的其他斷路裝置而言，其使MHP元件可以更加精小。
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| 圖3 雙閉合/雙斷開觸點設計 |
相較之下，採用標準的雙金屬觸點，由於觸點僅位於一個位置上，因此耐能力通常不如MHP元件。
提高耐衝擊/耐振動能力
MHP元件的一個獨有優勢是能提供更長的使用壽命，能承受較大的振動和衝擊，可用於高電流應用的嚴苛環境。
典型的電動工具在使用時通常會承受較大的振動和衝擊。為達到此種要求，MHP元件的觸點間需要足夠的接觸壓力。標準的保護裝置通常透過強力彈簧讓移動接觸臂與固定觸點保持接觸。但是，在較大的衝擊或振動條件下，彈簧(即使是強力彈簧)產生的壓力通常達不到保持觸點接觸所需的壓力。
針對此一問題，可替移動接觸臂增加一個倒鉤，以增加雙金屬盤提供的接觸壓力。在接觸點上增加一個倒鉤，可減少移動臂的轉動，在兩個觸點上產生更大的向下壓力。首款用於電動電池應用的MHP元件經過至少五百次、1,500克的掉落測試，未出現故障。此外，還通過三次3,000克的測試。
計畫中的MHP元件產品系列的首款產品MHP30-36-T的最大額定值為36VDC/100安培，100安培於25℃下的動作時間少於5秒。該元件的工作電流是30安培，初始電阻低於2毫歐姆(mΩ)，而典型雙金屬保護器的電阻通常為3～4毫歐姆。
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| 圖4 MHP30-36元件尺寸 |
圖4顯示MHP30-36元件的形狀和尺寸。其工作電流為30安培，同等大小的常用雙金屬保護器的額定電流只有15安培。此外，元件的一側為扁角，適合安裝在電池組的標準18毫米(mm)直徑鋰電池單元之間。
提供更周全電路保護
高能量放電鋰電池市場的快速成長，正對能夠處理更高電流和電壓額定值的電池電路保護元件衍生著新的需求。新型MHP混合元件為電池設計者提供一種全新的電路保護方法，使得這些設計具有更高的成本效益。與傳統方法相比，該混合元件提供一種抑制電弧的增強保護，同時也無需先前IC/FET電池保護設計中所使用的多個大型放電FET及散熱元件。
透過並行使用PPTC和選擇具有不同電壓額定值的PPTC，MHP設計可透過配置用於各類應用。MHP的元件架構可針對各種不同的應用進行配置，而目前也已有適用於更高電壓(最高可達400VDC)和工作電流(60安培)的裝置正在開發中。
加入第三個端子作為控制訊號線的設計理念正處於研發階段，如此MHP元件就能充分利用IC的先進特性來監測電池的多樣化重要操作情況。如果發現異常情況，IC會透過低功率開關線發出訊號，從而啟用元件和斷開主電路。這類帶有智慧啟動(Smart Activation)功能的MHP元件，將會為用於太陽能電源系統和備用電源應用等大型鋰電池和模組提供更多的電路保護控制。
(本文作者為泰科電子電路保護事業部全球電池行銷經理)