鋰離子電池保護元件選型指南的探討

徐國靜

摘? 要：鋰電池被用于便攜式電子產品中，由于其自身的特點決定其需要采用安全可靠的保護器件發揮保護作用。從鋰電池所使用的材料來看，其充電和放電都要合理控制，不能出現過流的問題和短路的問題，更不可以在超高溫環境中充電和放電，所以，鋰電池需要保護元件發揮保護作用。要做到保護元件的正確選型，需要按照一定的要求進行。文章著重于研究鋰離子電池保護元件選型指南。

關鍵詞：鋰離子電池;保護元件;選型;指南

中圖分類號：TM912 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）36-0053-02

Abstract： Lithium battery is used in portable electronic products， because of its own characteristics， it needs to use safe and reliable protection devices to play a protective role. From the point of view of the materials used in lithium battery， the charge and discharge of lithium battery should be controlled reasonably， and there can be no problem of overcurrent and short circuit， let alone charging and discharging in ultra-high temperature environment. Therefore， lithium-ion battery needs protective components to play a protective role. In order to achieve the correct selection of protection components， it needs to be carried out in accordance with certain requirements. This paper focuses on the guide for the selection of protective components for lithium-ion batteries.

Keywords： lithium-ion battery; protective element; selection; guide

引言

當前鋰電池的容量不斷提高，而電池的體積越來越小，而且更薄，這就需要增高鋰電池的能量密度才能滿足要求。但是，如果鋰電池濫用就會導致內部有熱量產生，出現電池膨脹，甚至產生破裂的問題。要確保鋰電池正常發揮功能，維護使用者的安全，就要合理選用保護元件，避免電池在使用中發生損壞。

1 Fuse簡介

所謂的“Fuse”就是一次性的熔斷保險絲，鋰電池電通常會選用兩種保險絲，即熱保險絲和慢斷型貼片保險絲。熱保險絲的體積比較大，使用手工焊接的方式安裝，其具有很好的熱保護作用;慢斷型貼片保險絲的體積比較小，使用回流焊接方式安裝，其具有很好的保護電流的作用。

一次性熔斷保險絲的一個重要特點是，一旦損壞即不可恢復，所以，在選用這種電阻絲的時候要謹慎，特別是在組裝電池或者對電池測試的時候，稍有不慎導致保險絲損壞，電池不能得到有效的保護而損壞。在使用這種保險絲的時候，如果安裝不當出現誤動作，也會造成電池損壞，因此需格外注意。

通常在選擇電阻絲的時候，通常會選擇慢斷型貼片保險絲，額定電流為5安培，其可以滿足限功率電源，也可以滿足電池充電和放電的需求，所以在選用這種慢斷型貼片保險絲的時候，要求熔斷的時間需要超過保護IC過電流動作的時間，當保護電路運行的過程中，不會出現Fuse動作的問題，更不會產生Fuse熔斷的現象，這就需要在生產Fuse的時候控制好產品的質量，保證其性能正常發揮。限功率電源對Fuse的規格有一定的限制，需要控制在5安培，如果鋰電池對充電和放電都有很高的要求，Fuse就難以更好的發揮其保護作用了。

2 PTC簡介

PTC即為正溫度系數熱敏電阻，作為一種保護電路可以對鋰電池發揮有效的保護作用。隨著鋰電池的設計越來越薄，對保護電路也有了更高的要求，特別是手機、平板等等都屬于便攜式電子產品，對電池電流有更大的需求量，在選擇PTC型號的時候，對于多方面因素要充分考慮，不僅在產品性能上要符合要求，還要確保鋰電池安全使用。

2.1 裝配方式

PTC是對使用環境溫度有較高敏感度的器件，在安裝的過程中，采用回流焊接方式將PTC安裝在剛性線路板上，PTC的散熱性能與安裝焊盤的規格、銅箔的厚度、線路的寬度以及鄰接的各種元器件發熱情況都有直接相關性，因此對電流的特性以及產生動作的情況都有直接的影響。

如果PTC為帶狀，在安裝在剛性線路板上的時候，可以采用電阻焊接方式或者激光焊接方式。在安裝的過程中，鋰電池的鎳帶以及電池芯的電極都采用電阻焊接的方式連接，所以，其散熱的性能會受到鎳帶的長度、寬度和厚度的影響，因此對電流的特性以及產生動作的情況都有直接的影響。

2.2 安規要求

在鋰電池中安裝PTC，限功率電源對PTC的要求不同于Fuse，在選擇型號的時候需要考慮更多的因素，特別是電池處于高溫環境下，需要滿足大電流電源放電，還能在符合安全規定的情況下滿足過充的要求。要在使用PTC的時候這兩項要求都能夠得到滿足，需要分析其自身具備的特性，還要做到具體問題具體分析，對所選擇的鋰電池芯采用試驗的方式確定其特定。鋰電池的規格不同，類型不同，通過試驗可以明確，對溫度的要求不同，安全特性也有所不同。

在電路板上使用貼片PTC，要與電池芯保持較遠的距離，對電池芯的溫度變化情況進行感測，此外，還要考慮到電路板的布線以及其它元件的發熱對鋰電池產生的影響，所以，在選用貼片PTC的時候，要考慮到安全規定，必要的時候需要將電流的規格稍稍降低一些。

如果PTC是帶狀的，在設計電池以及生產電池的時候，要考慮到其不能受到外力的影響，也不可以向器件上施加應力，都會對電池的性能造成一定的影響。將PTC連接到電池芯上所采用的方式以及貼合的程度，鎳帶的規格等等都會都會對電池造成不同程度的影響，甚至會導致電池安全測試的時候無法通過。

3 TCO簡介

TCO作為電池保護器件具有可恢復性，其體積非常小，在溫度保護時候有較高的精度，如果是大電流則可以滿足需求。如果鋰電池的容量非常大，可以選用TCO，可以對鋰電池起到很好的安全保護作用[2]。

TCO包括兩個系列，即高電流電池保護器件和低電流電池保護器件，對不同的動作溫度環境下的鋰電池予以保護。

3.1 選型

TCO在溫度保護中有較高的精度，為非常小的導通電阻，其性能比較穩定，不會由于時間的變化而有所變化，也不會因為動作次數的變化而產生變化，所以，如果鋰電池對溫度保護有較高的要求，對性能也有很高的要求，適合選擇TCO。電流角度而言，TCO為低電流規格，與PTC的性能基本相同，但是，從鋰電池保護的角度而言，在選用電池芯的時候，溫度特性不同，安全性能不同，MHP動作溫度也有所不同，這就使得鋰電池的充電性能和放電性能被充分利用起來，并且能夠提供的保護更加安全可靠。如果鋰電池對電流有很高的要求，比如當溫度不足60攝氏度的時候，電流要超過3.2安培，PTC就無法滿足要求，此時就要選擇TCO，尤其是高電流電池保護器件，對于大電流需求能夠滿足，還可以對鋰電池芯起到很好的保護作用[1]。

3.2 安規

其一，在進行非正常充電試驗的時候，需要按照鋰電池的電流要求最大值對TCO的規格進行選擇，還要進行充電測試，TCO的電流規格低、溫度規格低，對電池有良好的安全保護性能，但是不符合電池對電流的要求，所以，在選擇保護器件型號的時候，需要對各方面要求充分考慮。在各方面需求不能同時滿足的情況下，就需要及時與客戶之間建立溝通，對各種要求予以平衡，將電池處于高溫環境下的大電流要求適當地降低，以符合安規要求。

在設計電池和組裝電池的時候， TCO對外力不具有承受力，也能夠承受施加在器件上的力量，對施加在兩端子上的應力也無法承受，同時還要考慮到MHP受到電阻的影響以及受到溫度的影響，在連接電池芯的時候、其貼合的程度以及鎳帶的規格等等都會不同程度地影響到電池安規測試，甚至造成無法通過的后果[3]。

其二，由于受限制電源的要求鋰電池需要對安規中的受限制電源的要求予以滿足。在電池中安裝TCO，當安裝到電池中之后，其散熱效果不是很好，安裝到電池的外部則散熱性能良好，所以鋰電池中安裝MHP，其對電流的保持特性與規定的電流值相比較要稍稍低一些。鑒于鋰電池有很好的充電特性，當TCO的動作溫度是90攝氏度的時候，就不能對鋰電池起到很好的安全保護作用了，如果不要求90攝氏度的規格，低電流電池保護器件都可以滿足受限制電源的要求。通常筆記本電腦和平板電腦對放電電流都有比較高的要求，使用高電流電池保護器件，要滿足受限制電源的要求，則可以采用其他的設計方法。

4 結束語

通過上面的研究可以明確，由于當前的鋰電池容量比較大，而且設計比較高，對于保護器件就會有較高的要求。通過對Fuse、PTC、TCO三種能保護器件所具備的性能進行描述，并介紹選擇的方法，分析的結果是：

其一，使用溫度保險絲Thermal Fuse對鋰電池予以保護，由于其體積比較大，在安裝的時候需要采用手工焊接的方式，因此幾乎不被用于鋰電池保護。

其二，選用貼片PTC，其體積比較小，成本比較低，安裝的時候采用回流環節工藝技術，操作比較簡單，在手機電池保護上較為常用，但是其也存在弊端，對于諸如平板電腦和筆記本電腦的大電流要求則無法滿足。

其三，如果選用帶狀PTC對鋰電池有良好的保護效果，因此一些鋰電池會采用這種保護方式，如果鋰電池的外殼是方形的，而且為金屬材質，則會裝配這種保護器件。

其四，TCO具有非常高的溫度保護精度效果，精度非常高，而且導通電阻小，各項性能穩定，如果電子產品對于安全要求很高，就可以發揮TCO的保護作用，特別是筆記本電腦有大電流的要求，同時有高電壓要求，采用TCO效果良好。

參考文獻：

[1]王琳，楊進，楊淼，等.鋰離子蓄電池組的bypass元器件可靠性研究[J].質量與可靠性，2019，200（02）：52-56.

[2]范麗娟.鋰離子電池中兩點問題的探究及自充電儲能器件的嘗試[D].中國科學院大學，2019.

[3]袁偉.電池功能結構設計及制造[C]//第五屆全國儲能科學與技術大會摘要集，2018.