PPTC组件在锂离子电池组短路及过充电保护中的应用

随着对便携式设备更长运作时间、小尺寸及重量等需求日增，促使业界不断朝体积更小、更轻的锂离子及锂聚合物电池发展，同时要具备更高能量密度与更快的充电速率。由于数字无线电话、数码相机等对脉冲电流供应的需求增加，电池充电速率与内部阻抗也成为重要课题。
电池化学物具有较高的能量密度与充电速率，使电池电路保护设计变得很复杂。以二次充电锂化学物为基础的电池和电池盒，对过电流/过温状态特别敏感，这种状况是由意外短路、滥用或难以控制的充电所致，使电池温度升高，导致电池受损或设备故障。
当金属物体(如笔记本用蝴蝶夹或钥匙环)连接于电池盒外漏的端点，就会造成意外短路而导致温度过高，造成其它组件及外围材料的损坏，甚至燃烧。UL电气规范规定了电池盒所供应的最大电流及短路的承受时间。
电池盒过度充电，一方面是由于不稳定充电导致，如充电器充满电而无法停止充电电流。另一方面，充电不当，如电池盒反向充电或由不匹配的充电器充电，也可能引起重要的设备受损。

图1 过电流或过温状况下，PPTC组件的保护原理

图2 针对 PolySwitch SRP，VTP及VLR聚合物的PTC材料使用的无源阻抗 vs，温度曲线

图3 动作时间作为VLR170在不受限制的空气中，接上电池，其故障电流的函数

图4 动作时间作为两者皆为正常和长带状接脚VLR230 和 VLR170故障电流的函数

图5 典型单颗锂离子电池盒的保护电路

电路保护设计的考虑
电池盒可利用半导体和无源电路保护组件，对短路及过度充电的情况加以保护。在锂离子及锂聚合物电池盒中，对于无源电路保护组件的选择，是采用低操作温度、低电阻值的聚合物PTC组件，如PolySwitch VTP 或 VLR 组件。
早期电路设计使用一次性保险丝，来提供过电流保护。但是，由于大多数电池盒的故障情况都相当罕见或是间歇性事件，自复式保护方式成了更佳选择。
双片金属电路断路器是一种可自复的限流组件，但由于电子机械式特点，容易出现接点电弧及磨损。陶瓷式PTC组件也提供自复式保护，但是它们的电阻值较高，而且动作时间较慢。低阻值对于大型设备的通话时间而言非常重要。
聚合物式正向温度系数(PPTC)组件由于具有可重复使用功能、低电阻值与增强的温度保护特性，是目前电池电路保护方面最有效果的方法。

PPTC操作原理
PPTC电路保护组件是以特殊塑料及传导性粒子混合而成的传导式聚合物，如图1所示。在常温下，该传导性粒子会在聚合物中形成低阻值链路，当温度上升超过该组件的切换温度时，聚合物中的微晶粒就会熔化，变成非结晶状。当微晶粒阶段熔化期间数量增加时，会使传导性粒子分离，导致该组件内阻抗呈非线性增加。产生热的原因是由于周围环境或电池温度上升所致，也可能受到过电流状态下阻抗加热引起，或是因前述不当的充电产生。
短路保护原理
对任何电池盒电路保护组件而言，保护电池避免短路故障的关键在于限制故障电路所需的时间，即所谓的动作时间(time-to-trip，即TtT)。虽然中断电流的机械装置有很多种，但所有无源电子测温组件所操作的切换温度(TSw)及该类组件达到切换温度的方法，却是相同的。在故障发生期间，组件内部的热产生速度比以下温度公式所示的周围耗散更快:
(热累加)=(热进)-(热出)   (1)
对高故障电流而言，公式的(热出)部分是无关紧要的，因此TtT主要依赖热产生比例，该组件的热的主要部分与温度的改变。决定公式的基本要件是:
dH=(T-Ta)·Cp     (2)
dH=P·t=I2·R·t    (3)
两式合并成：
(T-Ta)·Cp =I2·R·t    (4)
式中:dH 为热改变,T为组件温度，Ta为周围温度，Cp为组件热容量，P为功率,I为故障电流，R为组件阻抗， t为时间。
但是，由于PPTC 组件的阻抗为一温度低于TSw 的渐增函数，因此公式(4)变成:
(T-Ta)·Cp =I2·R(T)·t   (5)
由此得知时间为
t=(T-Ta)·Cp/(I2·R(T))    (6)
在低故障电流(接近动作电流)下，温度公式中(热出)的部分也同样重要。决定热耗损的指定公式颇为复杂，但有一简化公式显示重要系数:
dH=b·(T-Ta)·k·A     (7)
式中b 为常数，k为热转换系数，且A为组件表面面积。将此(热出)公式与公式(5)合并得出:
t=(T-Ta)·[(Cp/(I2·R(T)))-(b·k·A)] (8)
整合此式，得出从Ta 到 TSw 动作时间。此式的重要性在于一已知的起始阻抗低切换温度聚合物PTC组件，在故障期间提供更快速的动作时间，见图2。当组件接近切换温度时，该组件的阻抗增加，因此所产生的热更具效率；切换温度较低，因此在较短时间内就能达到所需的温度变化。
为了降低TtT，温度公式的(热出)部分必须减至最小。这必须使用小型组件及降低温度转换系数来实现。针对VTP和VLR组件每个外型，虽然VLR组件阻抗比VTP组件要低，但其能在故障电流到达额定电流时，提供短路保护功能。
图3 所示为室温下，将组件放在接上电池的温度接点上TtT使温度转换系数增加的结果。由此可见，紧密接上电池的温度接点在边缘增加TtT，但只有在故障电流时低于10A。
图4显示使用带状接脚(它们可能用在电池盒中)，降低温度转换系数的结果。比较指出，带状接脚能在故障电流接近组件特定动作电流时，降低TtT，但此结果在较高电流时并不存在。

图6因不当过度充电引起的,锂离子电池温度上升，当使用PolySwitch VTP PPTC组件时,温度明显降低

图7同值的VLR及VTP组件，在不限定温度、1安培下的热截止(TCO)

图8 同值的PolySwitch VLR及VTP组件，在以热接点接到电池上时、1A下的热截止(TCO)

过充保护重要性及原理
PPTC提供锂离子电池过充电保护的重要性
锂离子电池盒一般包括有源过压及过电流检测安全电路(IC和MOEFET)，以及串联聚合物PTC组件，如图5所示。若PPTC组件有低温操作特性，在电池温持续升高的情况下，它将以切断充电或放电来提供过温度保护。虽然半导体电路很可靠，在某些情况下故障也可能发生，例如静电过度放电，高温或在短路情况下的震动等。
若电路中无过温保护，并且各种过压电路都无作用，由于过充电或充电电路设计不良导致内部损害，可能会因电池破裂造成电池盒漏气，冒烟甚或起火。电池温度过高是充电不当的情况之一，是电池盒设计者最关心的问题所在。
低温PPTC在温度上升过高时，可以截断电池的充电电流。不管温度上升是由于外部短路或不当充电，串联在电池盒内部电池上的PPTC带装组件提供过电流及过温双重保护，可以省却温度保险丝或双片金属断路器。
图6显示不当过度充电时，温度急剧升高的情形，VTP低温PPTC组件将锂离子电池充电电流中断。只有PPTC组件具有低切换温度，才可避免锂离子过度充电。高切换温度的PPTC(>95℃)不能在电池温度过高时，阻断充电电流。
PolySwitch VTP组件在75℃时动作，变为高阻抗，阻止电池温度快速升高
PPTC过充保护原理
不当充电期间，高电压会加在电池上。PPTC组件内部的充电电流会产生热，同时，化学反应也会生热。根据公式(6)，热流在两个物体之间产生。低阻抗PPTC组件内部产生的热非常低，不会影响电池的温度，但对于该组件周围温度会产生较大影响。当电池温度上升(Ta=Tcell)，根据公式(6)，热会流进PPTC组件中并快速累积起来，最后导致该组件动作(Trip)。一旦被触发动作，充电器电压通过PPTC组件就会降低，而非电池，由于PPTC触发动作，电池因此保持冷温。
瑞侃电路保护系列开发了一种测试方式，称为热截止(thermal cutoff)，来仿真PPTC组件在电池过度充电下的反应。将组件放在烤箱中，仿真额定电压下流过组件的充电电流。烤箱中的温度由室温开始稳定增加，直到组件动作为止。热截止温度便定义成PPTC去中断充电电流时的环境温度。图7显示VLR及VTP组件在1A的仿真热截止数据，并且也显示了室温低于TSw以下，阻值的增加与充电的限制。这个图说明了PPTC组件提供了在过电流下的可重置性及非高温保护能力。
标准的热截止测试仿真PPTC组件的自行反应，但因接触电池表面而影响热截止温度。PPTC组件在接近热截止时，在公式(1)的热输出部分有特殊意义，组件以电池的金属外壳做内部的热接点为一特例。图8显示组件以真实电池的金属外壳做内部的热接点，在1A的仿真热截止资料，该例中，热截止温度由电池的热电偶获得。
在特殊电池盒设计中，实际热截止可能是介于图7和图8所示结果之间的某处，需视组件粘贴与电池盒的电路配置而定。这显示电池盒设计者一旦最后组件的选定与机构布局完成后，实现最后温度保护效能评估的重要性，若无法做到这项针对电池盒的系统层级保护检查，恐怕会造成保护功能不完全。相同组件常会在电池盒保护及效能上提供不同的结果。

结语
低温的PPTC组件在接近正常电池盒的使用温度下，能达到充电电流最大值，实现快捷充电。其可重置能力确保不当动作不会造成电池永久性的损坏。PPTC组件可以在不牺牲过电流或是过充电保护的情况下，改善锂电池的效能。

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充电能力的锂电池组保护板结构框图如下图1所示。　　　　图1 锂电池组保护板结构框图　　其中：1为单节锂离子电池；2为充电过电压分流放电支路电阻；3 为分流放电支路控制用开关器件；4为过流检测保护电阻；5

2018-09-28 11:16:48

什么样的充电方式最好？电动汽车电池组快速充电研究

使用上是有很大区别的. 在电池组中, 各单体锂离子电池在生产制造中必然存在个体差异, 在使用中老化程度也不一样, 若不在充电过程中采取措施, 这种差异将被累积甚至扩大, 导致整个电池组的性能大打折扣或

2018-10-10 16:51:53

动力锂离子电池安全技术的进展

起见，应检测全充放循环一定周次后的电池；经历低温充电后的电池；对电池模块和电池组进行安全测试。　　还有，在电池使用过程中，整车厂商尽可能将动力锂离子电池的环境温度控制在20~45℃范围，这样既能

2013-05-29 10:23:24

动力锂离子电池的安全性

，这也是社会公众所能接受的最低标准。而对于大容量锂离子电池，特别是汽车等用大容量动力锂离子电池，安全问题尤为突出，也一直是研究的热点。但随着大容量锂离子电池的深入研究和应用，其过充电、短路等滥用

2013-05-25 10:54:58

单电池锂离子 / 聚合物电池保护集成电路PW3130

一个外部组件使它成为电池组有限空间的理想解决方案。PW3130具有电池应用所需的所有保护功能，包括过充、过放电、过电流和负载短路保护等，精确的过充检测电压确保安全、充分利用充电。那个低待机电流在电池

2020-12-28 14:17:04

单电池锂离子 / 聚合物电池保护集成电路PW3133A

，只有一个外部组件，使其成为电池组有限空间的理想解决方案。PW3133A具有电池应用所需的所有保护功能，包括过充电、过放电、过电流和负载短路保护等。精确的过充电检测电压确保安全、充分的充电。低备用

2020-12-28 14:21:59

单节锂离子电池保护器

-20～+80℃。　　AIC1811组成的单节锂离子电池保护电路如图1所示，其内部结构简化图及外部元器件图如图2所示。V1为控制放电的MOSFET，V2为控制充电的MOSFET，R1、C1用来消除充电

2009-05-27 14:12:17

单节锂离子电池保护电路的改进

单节锂离子电池保护电路的改进摘要:提出了一种低成本的单节锂电池保护回路系统,采用0.6um混合信号CMOS工艺和修调技术使芯片具有低功耗,高精度检测电压等特点.通过基准电路和取样电路设计的改进,使

2009-12-02 11:58:36

四种高电压锂离子电池组的充电方法的比较

锂离子电池之间在容量、内阻、衰减特性、自放电等性能方面的差异，在对锂离子电池组串联充电时，电池组中容量最小的那只单体锂离子电池将最先充满电，而此时，其他电池还没有充满电，如果继续串联充电，则已充满电的单体

2011-12-14 13:59:05

基于锂离子电池的过充保护方案

免受损坏。 JDT高分子ＰＴＣ热敏电阻产品，在高电流密度的锂离子电池及其管理电路的过流、过温、短路保护中具有突出的优势，JDT高分子ＰＴＣ热敏电阻又叫自复位过载保护器或自恢复保险丝，单个PPTC元件就可

2020-11-04 06:37:47

基于DW01A电池保护IC和FS8205A双mosfet的Lipo/锂离子保护板

描述Lipo/锂离子保护板该保护板可保护您的 Lipo 或锂离子电池。它基于DW01A电池保护IC和FS8205A双mosfet。这个微型 PCB 将保护您的 Lipo 或锂离子电池免受过充电、过放电、过电流、短路的影响。

2022-08-08 06:12:39

基于LTC6802的串联锂离子电池组监控平台设计

　　摘要：应用美国Linear Technology 公司推出的电池组监控芯片LTC6802,设计了一套可用于锂离子电池组的监控平台。该系统单板可实现对多达12 节串联单体电池的监控，可采用分布式

2018-09-26 15:50:31

多节锂离子电池的充放电保护

记忆效应和无环境污染等优点。其全球供货量正在持续增加。根据市场调研公司的报告，07全年锂离子可充电电池的全球供货量比上年增加了17%。而随着锂离子电池的使用面的扩大，对锂离子电池的充放电保护就显得愈发重要。

2011-09-28 14:55:33

如何保证锂离子电池安全的设计

保证锂离子电池安全的设计

2021-02-26 08:35:59

如何自制手机锂离子电池充电器

上电了，其实都是因为充电不当造成电池的损坏。锂离子电池充电条件要求严格，充电控制要求精度高，对过充电的承受能力差，如果用一般的充电器对其充电，必定会因过充电而损坏。因此，锂离子电池的充电器必须符合

2021-05-14 06:22:40

如何选择动力型锂离子电池的正极材料？

锂离子电池中使用量最多的正极材料有哪几种？如何选择动力型锂离子电池的正极材料？

2021-05-12 06:57:10

如何采用ATJ2085实现锂电池检测系统的设计？

本文以珠海炬力SOC芯片ATJ2085来设计锂电池的外围检测系统，该设计方案以微处理器作为各种功能控制的核心，除了对锂离子电池组提供过充、过放、过流保护外，还可有效的对锂离子电池组内各单节锂电的充、放电提供平衡保护、能够实时检测出电池所处状态并对锂电池进行保护。

2021-04-15 06:56:48

展嵘提供赛芯微XB8989AF充电器反向保护IC

需要包括过充、过充、过流负载短路保护等。精确过充检测电压确保安全和充分利用收费。低待机电流漏电小在储藏室里从细胞中取出。该设备不仅针对数字手机，还有任何其他 锂离子和锂离子电池供电需要

2020-06-16 15:09:49

拆解：高压锂离子电池组管理——安全供电的保证

)　　信号隔离　　在雪佛兰Volt的系统之系统中，通信与控制是汽车工作的基础，而Volt提供了多个网络用于隔离和保护各个子系统。上述复杂算法需要管理各个锂离子电池组，并监视特定电池接口控制模块上的每个

2012-12-20 13:56:14

新型智能锂离子电池充电控制器LTC4007应用设计

锂离子电池智能充电控制器，其依据锂离子电池特性定制，具备对三节或四节锂离子电池组进行大电流恒流、恒压、定时充电、过热保护等多种功能，实际应用表明，该控制器能对锂电池组进行大电流充电，同时其小型

2018-11-29 11:12:25

新型高性能锂离子电池充电器的设计方案

1引言锂离子电池因具有体积小、重量轻与能量密度高等优势，所以在GSM/CDMA和高端便携式产品(如数字相机、摄像机等)中被广泛应用。锂离子电池在使用中为避免过充电、过放电对其造成的损害，而对保护电路

2018-11-29 14:53:39

用于锂离子电池的电压保护器BQ29413的介绍

用于锂离子电池的电压保护器BQ29413   bq2941x 是一种用于 2、3 或 4 节锂离子电池组的二次过压保护 IC，其集成了高精度过压检测电路以及针对过压检测时间的可编程

2009-10-28 14:30:46

用于大功率锂电池组的电池管理设计

的充电曲线(见图1)。例如，仅为几毫伏的电池电压变化就代表了1%的充电状态变化。图1 典型的锂离子电池放电曲线在一个高压电池组中，采用多节锂离子电池给保持特定充电状态范围这个目标，增加了极大的复杂性

2011-03-10 11:20:20

电动摩托车16S-17S锂离子电池组介绍

平台，其中最普遍的是60V，它在一个电池组中需要16S或者17S锂离子电池。实现更长的运行时间需要解决三个设计难题：高精度电池电压采样以提高电池容量计算精度。电池电压平衡。低系统电流损耗，特别是在待机模式

2022-11-08 07:43:57

电动摩托车16S-17S锂离子电池组怎么样？

电动摩托车16S-17S锂离子电池组更持久更耐用

2021-03-08 07:27:41

磷酸铁锂和锂离子电池在紧急呼叫系统中应用哪个效果更佳？

，bq25071-Q1可为LiFePO4电池充电，而bq24081-Q1和bq24075-Q1则可为锂离子电池充电。所有这三个设备都是汽车Q100级，具有诸如欠压、过压、短路和热保护的集成安全特性，这有

2019-08-07 04:45:01

移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组标准

　　本标准规定了移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组的术语和定义、要求、试验方法、质量评定及标志、包装、运输和储存。　　本标准适用于移动电话用锂离子蓄电池（以下简称电池）及蓄电池组（以下简称电池组）。其他移动通信终端产品用锂离子电池及电池组可参照执行。

2018-09-30 15:52:48

能改善EMI抑制性能的单节锂离子电池充电器参考设计方案

并可最大限度减少组件数。该设计已针对单节锂离子电池应用中的效率和输出纹波进行构建和性能鉴定。主要特色EMI 性能增强的集成电源 PET，可实现高达 0.5 A 的充电率并具有低厚度 1mm 电感器

2018-08-24 10:58:16

误区：长时间充电对锂离子电池不会有损害?

器或座充,确实是不会有损害的.这个不是因为保护线路的功劳,而是靠充电线路的严格精确的设计来保证的.　　2.有保护线路的存在,并不能完全的防止锂离子电池的过充的发生,保护线路只有在电池过充的时候才会起防止

2016-01-19 11:57:17

赛芯XB8886A单电池锂离子电池组高精度电压检测电路和延迟电路电池反向保护

应用中需要包括过充、过充、过流负载短路保护等。精确过充检测电压确保安全和充分利用收费。低待机电流漏电小在储藏室里从细胞中取出。该设备不仅针对数字手机，还有任何其他锂离子和锂离子电池供电需要长期使用的信息

2021-11-06 15:37:34

赛芯微充电器反向保护XB8783A

电压MOSFET检测电路和延迟电路。XB8783A被放入一个SOP8包中只有一个外部组件使其成为有限的理想解决方案电池组的空间。XB8783A具有所有的保护功能在电池应用中需要，包括过充电、过放电

2020-07-04 14:39:06

赛芯微xb3153,TWS方案锂电保护IC 蓝牙耳机智能穿戴，二合一力点保护ic

SOT23-3封装，仅一个外部元件使其成为理想的 电池组有限空间内的解决方案。 XB3153IS具有所有保护功能在电池应用中需要，包括过充电、过放电、过电流和负载短路保护等。这精确的过充电

2021-11-23 18:21:04

采用锂电池组保护芯片的均衡充电保护板设计方案

　　摘要：本文介绍了一种基于锂电池组均衡充电保护板的设计方案。方案采用单节锂电池保护芯片设计电池保护板，对任意串联数的成组锂电池进行过充、过放、过流、短路保护，充电过程中实现整组电池均衡充电。在

2018-09-28 16:20:34

锂电保护芯片XB7608AJL过充电压4.1V,过放电压2.4V,充电过流7.5A

，只有一个外部组件使其成为有限的电池组空间的理想解决方案。XB7608AJL具有电池应用程序中所需的所有保护功能，包括过充、过放电、过电流和负载短路保护等。准确的过充电检测电压，保证了安全、充分利用

2022-01-14 16:11:22

锂空气电池未来或击败锂离子电池

能技术完全不同，击败锂离子电池的潜力极大。这种电池的用金属锂做负极，在正极一端直接与空气中的氧气反应。由于反应物之一是空气，理论上讲，该电池储存同样能量所需材料仅为其他电池的一半，其重量也可减半。这一

2018-10-09 10:28:23

高电压锂离子电池组的充电方法

高电压锂离子电池组的充电方法摘要：本文介绍了高电压锂离子电池组的四种充电方法，并进行了优缺点的比较。关键词：高电压；锂离子电池组；串联充

2010-04-29 12:07:51

高电压锂离子电池组的充电方法

高电压锂离子电池组的充电方法　摘要：本文介绍了高电压锂离子电池组的四种充电方法，并进行了优缺点的比较。　　关键词：高电压；

2010-02-02 09:06:53

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基于“飞电容”技术的动力锂离子电池组保护系统

基于“飞电容”技术的动力锂离子电池组保护系统 0 引言　　近年来，越来越多的锂离子电池厂家加入到动力锂离子电池的

2010-01-04 09:27:12

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锂离子电池组的电气特性及其快速智能充电技术的介绍

本文阐述了锂离子电池的基本电气特性。对锂离子电池组中单体电池压差导致电池组使用寿命严重缩短的问题进行了分析根据锂离子电池组充电的特殊要求，设计了一种基于单片机的锂离子电池组快速智能充电管理系统，它能

2017-10-01 12:20:13

如何给锂离子电池组做维护？有哪些注意事项？

锂离子电池组是由多个锂离子电池单体组合而成的电池组件。锂离子电池组广泛用于电动汽车、电动自行车、电动工具、储能系统等领域，其优点包括高能量密度、长寿命、低自放电率、无记忆效应等。 锂离子电池组由电池

2023-05-25 15:30:02

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什么是锂离子电池组，锂离子电池组在组装注意事项

所谓锂离子电池组是指为了满足某一要将锂离子电池进行串联或并联。锂离子电池组能量密度高、无污染，应用广泛，但它也不是毫无缺点，跌落、碰撞、弯曲等等都可能会降锂离子电池组的性能。

2023-07-12 17:37:37

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PPTC组件在锂离子电池组短路及过充电保护中的应用

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