鋰離子電池由於其自身特性，在過充電、過放電、短路等情況下極易發生安全事故，所以國內外的安全標準要求多級鋰離子電池保護，除積體電路(IC)加上金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)的一級保護外，還應該有被動元件組成的二級保護，以最大限度地保證鋰離子電池的安全。
如圖1所示，通常主動元件(IC)在過充電時，保護IC須檢測電池電壓，當到達設定的上限電壓值時(假設電池過充點為4.25伏特(V))即通過CO輸出低位準，將功率MOSFET由開通轉為切斷，進而截止充電。
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| 圖1 典型的鋰離子電池保護電路 |
如果主動元件出現故障(UL測試時要求短路MOSFET，使IC不能關斷電路)，這時過充電就需要被動元件來保護電芯，那麼被動元件如MHP-TA和PPTC，是如何在過充電時保護電芯呢?
鋰離子電芯過充測試具四大關卡
首先，了解過電芯是如何充電是非常重要的。鈷酸鋰鋰離子電芯過充測試的整個過充過程大概可以分為四個階段(圖2)：第一階段，鋰離子不斷從正極脫出，負極析鋰，此階段電芯溫升不大；第二階段，正極中絕大多數的鋰離子已經脫出，電芯電阻變大，同時電解液開始分解，電芯溫度開始上升。
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| 圖2 鈷酸鋰鋰離子電芯過充電測試 |
第三階段，此時電芯溫度已接近70℃，這個階段已脫鋰的正極與電解液還會發生放熱反應，溫度急速上升；第四階段，電芯內部溫度已達到隔膜(本例採用PE隔膜)閉孔溫度，過充得到抑制，電芯溫度下降。
電阻躍增式增大 MHP-TA/PPTC妥善保護電芯
根據ARC測試的結果同樣顯示，部分鋰離子電池在約80℃左右時，電芯內部的反應即可實現電芯自加熱。圖2的過充電測試是較為理想的情況，通常由於設計方案的不同，測試條件和環境等的區別，鋰離子電芯容易在第四個階段電芯本身保護機制生效前就發生熱失穩，進而發生起火或爆炸等事故，當2C過充電時，內部反應過於劇烈，造成溫度上升過快和電芯起火。
MHP-TA或者PPTC在過充電時，由於電芯溫度在第三階段開始快速上升，在達到MHP-TA或PPTC的動作溫度點時，通過自身電阻的階躍式增大，可起到近似關斷充電電路的作用，使得電芯得到保護。
大量的安全測試資料分析表明，在安全測試中，電芯表面最高溫度不超過100℃是比較安全的。透過實際的過充測試對比，可以看出PPTC可以很好的保護鋰離子電芯，不僅電芯表面溫度小於100℃，且還遠遠低於沒有PPTC保護的電芯溫度。
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| 圖3 鋰離子電芯多層結構示意圖 |
由上述的分析可以看出，MHP-TA和PPTC的保護是高度依賴於熱傳導的。圖3是鋰離子電芯多層結構示意圖，結合表1的材料導熱率資料，不難發現，由於實際電芯中通常包含更多層的正負極及隔膜，熱量沿集流體(銅箔和鋁箔)傳導是最快的，電芯內部反應的熱量通過集流體/極耳傳出的速度要遠遠高於熱量沿正負極膜片/隔膜(未考慮電解液影響)至電芯表面的速度。
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| 表1 鋰離子電芯內部材料導熱率 |
在大電流情況下，極耳本身還有匯流溫升。因此若採用溫度感知效果更好的帶狀PPTC或MHP-TA與電芯極耳直接相連的組裝方式，可以取得更為良好的保護效果。
鋰離子電池保護方案中，被動元件MHP-TA和PPTC的選型與客戶的應用條件、設計結構、測試標準等有著極其密切的聯繫。
(本文作者任職於TE電路保護部門)