鋰離子電池保護元件自控制保險絲探析范文
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摘要：隨著鋰離子電池在便攜式電子設備與電動汽車領域應用越來越多，其安全性也引起人們特別重視。本文從鋰電保護的必要性出發，闡述了現有各大鋰電保護方案的缺點以及自控制保險絲在鋰電保護方面的優越性。最后已日本某公司生產的SCP為例介紹了自控制保險絲的工作原理與結構特征。
關鍵詞：鋰離子電池；二級保護方案；自控制保險絲；結構；工作原理
概述
1970年3月，美國埃克森石油公司工程師惠廷厄姆研發出了世界第一個鋰離子電池模型——其采用鈦硫化物作為電池負極材料，鋰金屬作電池正極材料，其充放電過程的微觀原理是鋰離子在正極與負極材料上發生氧化還原反應，從而形成電子在正負極之間的運動進而形成電流。由于鋰離子電池在能量密度、自放電程度等各項指標上，都大大優于鎳鎘、鎳氫、鉛蓄等可充電電池，從而引發了科學界和企業界的研發熱潮。1992年日本Sony公司成功開發出商用鋰離子電池18650型號，其在體積、使用壽命、價格方面的優勢，使其迅速占領可充電電池市場。也進一步引發了各大企業對鋰離子電池的進一步開發與商用推廣。眾所周知，鋰離子電池因為其選用的材料原因比起鎳鎘電池更容易出現爆炸風險，而且其又廣泛用于便攜式電子設備與電動汽車領域，更多地涉及到人身與財產安全，所以UL、IEC等組織與認證機構對其使用進行了強行規定，一般要求鋰離子電池必須具有至少二級以上防護措施。在此，我們介紹最早由日本某公司開發的常用于鋰離子電池二級防護的自控制保險絲，索尼化學叫SelfControlProtector（簡稱SCP），臺灣與大陸有些廠家稱作SelfControlfuse（簡稱SCF），其結構與工作原理大都類似，下面已SCP為代表進行介紹。
1自控制保險絲的作用
1.1對鋰離子電芯保護的必要性
由于鋰離子電池正負極材料本身化學性質較活躍，另外各大制造廠商的電池制備技術和生產工藝的差異，導致鋰離子電池安全性問題頻發。比如震驚業界的波音787“夢幻”客機鋰電池起火事件，以及SamsungGalaxyNote7大范圍的電池起火爆炸事件，給鋰離子電池的安全性問題再次敲響了警鐘。對鋰離子電池發生爆炸進行原因分析，大體可以分為電芯外部短路、電芯內部短路、電池過充電、過放電、水分含量高、負極容量不足等六種情況。下面已前三個原因為例講述其爆炸原理分析。
1）電芯外部短路時，電池大電流放電，電芯發熱出現熱量累積從而持續高溫，高溫會使電芯內部的隔膜收縮或完全壞壞，造成內部短路，從而爆炸。
2）電芯內部短路時，電芯大電流放電，產生大量的熱，燒壞隔膜，而造成進一步更大的短路現象，同時電芯持續的高溫，使電解液分解成氣體，造成內部壓力過大，當電芯的外殼無法承受這個壓力時，電芯就會爆炸，嚴重時還會出現電解液燃燒現象。
3）電池過充電時，鋰離子會大量的從正極脫嵌，經過電解質插入負極，當過多的鋰離子無法插入負極中時，會在負極表面進行結晶析鋰，其形貌上是負極材料表面上出現刺狀突起。當突起達到一定長度就會穿破電芯內部的隔膜紙從而導致內部短路。后續現象與上述一樣，此處不做贅述。綜上所述，鋰離子電池想要避免出現爆炸，主要從其過充防護、外部短路防護、及提升電芯制造安全性三方面。其中電芯安全性將是電池正負極材料、隔膜、電解液等原材料廠家以及電芯組裝廠家的主要攻關方向，過充防護以及外部短路防護則通過鋰離子電芯的保護電路來實現上
1.2常見鋰離子電池保護電路及其缺點
隨著電壓、電流、溫度檢測IC這些年來的發展，成本大幅下降，同時其擁有的精準的電壓、電流、溫度檢測功能，與MOSFET搭配使用，當線路出現過壓（過充）、過流（外部短路）、過溫時可以打開MOSFET開關，使線路斷開從而保護電芯。而常態下，MOSFET兩端連通不影響電芯線路工作。目前電壓、電流、溫度檢測IC與MOSFET開關搭配使用的方案基本完全占據了便攜式電子裝置里鋰離子電池一級防護方案市場。但是，便攜式設備所使用的電池組，因使用者、使用環境、使用方法的差異，也會導致檢測IC和MOSFET出現故障。例如，人體靜電就可以導致檢測IC和MOSFET出現故障。無論檢測IC與FET哪一個出現故障，整個電芯保護電路將失效。因此，從這方面講鋰離子電芯也具有需要多級防護的必要性。
1.3常見鋰離子電池二級保護方案及其缺點
市面上常見的二級保護方案：采用與一級保護一樣的方案，檢測IC與MOSFET。這種情況下其設計是在一級失效的情況下才啟動二級防護，所以二級防護檢測IC的閥值要比一級防護IC選用的高。那么在這樣的電路里，假如一級防護IC或者FET出現故障，但又未達到二級防護IC閥值，那么存在給電芯持續充電導致熱失控爆炸風險。基于此，大部分廠家會優選二級防護使用被動元器件的方案。諸如電流保險絲，PPTC，ThinThermalfuse，breaker等被動元器件。電流保險絲只具有外部短路保護功能無法實現過充防護，當出現外部短路時，持續的過電流使電流保險絲的熔絲升溫直到其自熔斷，切斷電路從而保護電芯。其為一次性，故障出現保險絲動作后必須更換才能恢復線路正常；PPTC為正溫度系數熱敏電阻，當環境溫度超過其材料的居里溫度時材料阻值會出現數量級突變增大。外部出現短路與過充時，持續的過電流或者過電壓導致PPTC升溫，當熱量累積到使溫度超過其材料的居里溫度時就會出現阻值數量級般的急劇增大，從而減小干路電路電流保護電芯。同時余溫可以持續使PPTC保持高阻狀態，直至外部故障解除后，PPTC自散熱冷卻后阻值會恢復到毫歐級別，從而恢復正常線路。其為可恢復的，可以多次使用，但是隨著使用的次數增多，反復動作與恢復后，阻值會出現漂移逐漸增大，從而無法精準保護過充電壓，另外也會增加常態下的功率消耗；ThinThermalfuse為薄膜溫度保險絲，其熔絲材料的熔點一般都比較低，實際應用中不管是過充還是外部短路最終都是導致溫度的上升，當達到溫度保險絲的熔點時，熔絲自熔斷從而保護線路。其也是一次性使用，但是因為選用的低熔點材料導致該元件不能回流焊貼裝，只能點焊或者手工焊。Breaker為小型斷路器，其內部結構為PPTC與雙金屬片、臂桿之間的橋聯。常態下，臂桿與雙金屬片接入回路，PPTC不接入回路。
但，當線路出現外部短路或者過充時，持續的過電流或過電壓使臂桿升溫，當熱量累積使溫度達到雙金屬片的彈跳溫度時，雙金屬片彈跳使PPTC接入線路中，此時工作原理與上面介紹的PPTC動作保護原理一致。需要注意的是，PPTC持續的熱量可以使雙金屬片溫度維持在彈跳狀態，當外部故障解除后，PPTC、臂桿冷卻雙金屬片恢復，PPTC脫離線路。但是，不管是PPTC還是ThinThermalfuse亦或者breaker都是在線路故障出現后，電池溫度升高到一定值后才開始動作，存在動作慢、滯后、被動等特點。而且這些元件在線路板上放置的位置不同，導致其感溫快慢不一，存在很大的動作時間不確定性。
自控制保險絲是一種即解決了PPTC、ThinThermalfuse等鋰離子電池二級保護電路響應速度慢，又能進行高溫設備故障點檢測的保護器件。在電流保險絲的基礎上，為保護過充電，內置了電連接到保險絲上的發熱器。過充電時，過電壓使發熱器發熱主動熔斷保險絲，從而切斷電路。即使一級防護出現故障也不會出現過充電導致的持續升溫而處于危險狀態。自控制保險絲二級保護方案特點：
1）同時具有過充電、外部短路保護功能；
2）其與過壓檢測IC2、MOSFET，可以實現過電壓精確動作，響應速度塊，同時在線路板上的安裝位置不同不會帶來動作的不確定性；
3）過充電保護時，保險絲與發熱體同時電連入線路中，保險絲被發熱體釋放的熱量快速熔斷，切斷線路的同時，也截至了發熱體的通電。因此自控制保險絲本身不會出像PPTC、breaker等過熱狀態；
4）其通過內部發熱器阻值的調節可以匹配不同電芯數的電池組的每一節電芯防護，電路設計簡單；5）其主體材質為高溫點金屬，因此自控制保險絲可以回流焊快速貼裝，也可以用于高溫設備的測試。
1.5自控制保險絲保護原理常態時，IC2使FET處于關閉狀態，此時發熱器沒有接入回路。當一級保護失效時，電池可能會持續被充電，直至Cell兩側電壓過充，即會觸發過電壓檢測IC2，從而使二級保護的FET打開，此時外部充電的過電壓幾乎全部加在自控制保險絲的1與3端子間，發熱體的熱量將會使1與2端子間合金熔斷分斷電路，從而阻止電池進一步充電導致的爆炸、起火。同時1、3端子間也斷開了，加熱器通電停止，整個產品不會出現過熱現象。當一級保護失效時，同時電池又出現外部短路現象，線路將出現過電流（此時FET為關閉狀態，發熱器沒有接入回路）），合金自發熱熔斷，使1、2端子斷開停止通電。
1.6自控制保險絲的結構
日本某公司生產的自控制保險絲，其中廣泛使用于筆記本電腦電芯保護的SFH系列。其是在陶瓷基板上采用厚膜印刷形成端子、發熱體，然后在發熱體上涂覆絕緣層形成半成品，在半成品上設置合金形成保險絲，整個產品是通過這一系列組合而成。目前，某公司已經開發出從額定電流最小5A、尺寸2.7mm×1.8mm×0.75mm、便攜式電子設備用的SFR系列，到額定電流為120A、尺寸40mm×29.4mm×6.0mm、動力鋰離子電池保護用螺絲安裝的SFM系列。同時，為了適應電池Pack廠家采用多個電芯串并聯使電池組保證電容量的需求，已經開發出匹配最小1個電芯到最高14個電芯串聯電壓輸出保護的SCP。
2結論
首先本文從鋰離子電池的起源以及目前廣泛應用出發，著重介紹了鋰離子電池自身存在的爆炸原因分析，得出了主要從過充防護、外部短路防護、電芯材料與組裝工藝三個方面入手。然后詳細闡述了為了解決過充與外部短路，目前市面上常見的五種保護方案及其局限性，佐證了自控制保險絲出現的必要性。最后以日本某公司生產的自控制保險絲SCP為例，著重介紹了SCP鋰電保護方案的優點以及面對電芯過充、外部短路時保護原理。末后以日本某公司生產的廣泛用于筆記本電腦電芯保護的SFH系列產品為例，簡單介紹了自控制保險絲代表性的結構特征。自控制保險絲其在鋰離子電池保護方案里獨一無二的優點，相信會越來越被更多的廠家采納與使用。
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作者:胡志明 單位:南京薩特科技發展有限公司