審慎配置PPTC/MHP　鋰電池提升大電流充放電安全性

手機除了要求大容量電池以提高續航能力外，電池還要支援更高的持續放電電流及暫態大電流，而這些高放電電流的應用要求，與電池本身須要通過的安規測試彼此存在一定衝突。

圖1　鋰電池被動保護元件設計概念

如過充測試及其對保護元件的要求：二次被動保護元件的電流能力/動作溫度愈低，愈有助於其靈敏地測量電池芯的溫度變化，當電池芯溫度異常升高時，保護元件可立即呈現高阻狀態，從而令電池芯的充電電流下降，以抑制電池芯繼續升溫(圖1)。因此，找到兩者之間的平衡點，對於電池開發設計者就十分重要。

確保鋰電池充放電安全　UL2054安規標準扮要角

若要清楚了解兩者之間的關係，可從圖2認識鋰離子電池的基本保護電路。其中，一級保護的主動保護元件為IC加金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)，二級保護的被動保護元件為聚合物正溫度係數(PPTC)、金屬混合聚合物正溫度係數(MHP)等方案，如TE Connectivity的MHP-TA系列元件，只要選擇適合的保護元件，此電路設計可以完全滿足UL及其他安規認證的測試要求。

電池行業最普遍的安規標準(表1)--UL2054的過充測試，主要內容包括對電池內部元件的要求及短路(Fault)原則及例外項目。

至於非認證的保護元件在測試過程中必須被短路，短路原則如下：

‧	有安規認證的元件不會被短路。
‧	任何非認證的保護元件會被短路，例如MOSFET和電流檢測電阻在測試時會被短路。

圖2　鋰離子電池基本保護電路圖

UL2054電池過充試驗方法用於測試的樣品電池以10×C5(2C)的恆定電流充電(一些電池製造廠商要求更為嚴格，測試電流要求為1C)，每個電池或電池芯都貼上熱耦合元件然後充電，直到電池或電池芯爆炸或漏液，或者讓外殼表面的溫度恢復到環境溫度或達到穩定狀態。在測試中，做出反應的過流和過熱保護裝置必須取得安規認證，沒有經過認可的保護裝置則應被短路。

對鋰電池而言，首要合格條件為不起火、不爆炸。圖3顯示增加二次被動保護元件的典型過充測試曲線，值得注意的是，為靈敏地測量電池芯的溫度變化，被動保護元件PPTC/MHP-TA與電池芯裝配時必須緊貼電池芯(圖4)，當電池溫度異常升高時，保護元件呈現高阻狀態以阻礙電池的充放電電流，從而抑制電池芯持續升溫，確保電池的安全使用，避免爆炸或起火。

分析上述安規/過充測試要求，可以明確得知，在二次被動保護器的選擇上，元件的保護點愈低愈有利於發揮良好保護效果。若是選用PPTC元件，會發現元件的高溫動作電流(Itrip)愈小便愈容易通過測試；若選用溫度敏感元件如MHP-TA，則元件本身動作溫度點愈低則愈容易動作，更容易通過測試。

圖3　鋰離子電池典型過充測試曲線圖

耐受高溫/高電流　電池保護元件選用要求遽增

智慧型手機的螢幕尺寸日益增加，功能亦愈來愈豐富，對電池放電能力的要求也跟著提升，一些手機的電池容量已經提升到3,000～4,000mAh；同時一些手機廠商根據功能設計，特別要求電池符合高溫(55度甚至更高)持續1C放電和暫態(毫秒級?秒級)大電流(5～6A)放電的要求。

圖4　被動保護元件組裝位置示意圖

在現今情況下，手機廠商對電池使用的工作溫度範圍界定為-20～60度(個別客戶可能要求達到70度)，因此選用的被動保護元件同樣要具有相應的電流承受能力。若採用保護元件PPTC，該元件在高溫55度甚至更高溫度下，可提供相應的保持電流(Ihold)能力；若採用溫度敏感元件MHP-TA，就必須選擇高電流的MHP-TA15系列。

然而，選擇PPTC/MHP-TA參數時，須考慮留有一定餘量。因為保護元件在電池包內運作時，元件的實際參數與其相對位置和連接方式都有關係，實際的應用環境比個別元件級別測試的要求更為嚴苛。

基於上述兩方面的分析，可以明顯看出「滿足安規測試」和「高放電電流」這兩方面的要求存在衝突。被動保護元件PPTC和MHP-TA的選用，與實際應用條件、結構設計、連接方式及參考測試標準等因素息息相關，因此電池開發設計人員在開發前期應考慮周全，同時與保護元件供應商進行充分溝通並提出明確要求，再配合完整的實驗驗證以找到平衡點，才可以一方面滿足安規測試的相關要求，同時符合產品的實際應用需要。

以鋰電池保護元件開發商觀點來看，對於電池容量較低且成本壓力較大的產品，PPTC是比較理想的選擇；若電池容量較高，而且PPTC元件無法同時滿足兩方面要求時，則推薦選擇MHP-TA。 MHP-TA是結合雙金屬片和PPTC兩者特性的溫度敏感元件，在過溫保護的特性上更加精確，適合用於電流能力要求較大、過溫保護要求更高的電子設備。

(本文作者任職於TE Connectivity)