锂离子电池保护元件自控制保险丝探析范文
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摘要：随着锂离子电池在便携式电子设备与电动汽车领域应用越来越多，其安全性也引起人们特别重视。本文从锂电保护的必要性出发，阐述了现有各大锂电保护方案的缺点以及自控制保险丝在锂电保护方面的优越性。最后已日本某公司生产的SCP为例介绍了自控制保险丝的工作原理与结构特征。
关键词：锂离子电池；二级保护方案；自控制保险丝；结构；工作原理
概述
1970年3月，美国埃克森石油公司工程师惠廷厄姆研发出了世界第一个锂离子电池模型——其采用钛硫化物作为电池负极材料，锂金属作电池正极材料，其充放电过程的微观原理是锂离子在正极与负极材料上发生氧化还原反应，从而形成电子在正负极之间的运动进而形成电流。由于锂离子电池在能量密度、自放电程度等各项指标上，都大大优于镍镉、镍氢、铅蓄等可充电电池，从而引发了科学界和企业界的研发热潮。1992年日本Sony公司成功开发出商用锂离子电池18650型号，其在体积、使用寿命、价格方面的优势，使其迅速占领可充电电池市场。也进一步引发了各大企业对锂离子电池的进一步开发与商用推广。众所周知，锂离子电池因为其选用的材料原因比起镍镉电池更容易出现爆炸风险，而且其又广泛用于便携式电子设备与电动汽车领域，更多地涉及到人身与财产安全，所以UL、IEC等组织与认证机构对其使用进行了强行规定，一般要求锂离子电池必须具有至少二级以上防护措施。在此，我们介绍最早由日本某公司开发的常用于锂离子电池二级防护的自控制保险丝，索尼化学叫SelfControlProtector（简称SCP），台湾与大陆有些厂家称作SelfControlfuse（简称SCF），其结构与工作原理大都类似，下面已SCP为代表进行介绍。
1自控制保险丝的作用
1.1对锂离子电芯保护的必要性
由于锂离子电池正负极材料本身化学性质较活跃，另外各大制造厂商的电池制备技术和生产工艺的差异，导致锂离子电池安全性问题频发。比如震惊业界的波音787“梦幻”客机锂电池起火事件，以及SamsungGalaxyNote7大范围的电池起火爆炸事件，给锂离子电池的安全性问题再次敲响了警钟。对锂离子电池发生爆炸进行原因分析，大体可以分为电芯外部短路、电芯内部短路、电池过充电、过放电、水分含量高、负极容量不足等六种情况。下面已前三个原因为例讲述其爆炸原理分析。
1）电芯外部短路时，电池大电流放电，电芯发热出现热量累积从而持续高温，高温会使电芯内部的隔膜收缩或完全坏坏，造成内部短路，从而爆炸。
2）电芯内部短路时，电芯大电流放电，产生大量的热，烧坏隔膜，而造成进一步更大的短路现象，同时电芯持续的高温，使电解液分解成气体，造成内部压力过大，当电芯的外壳无法承受这个压力时，电芯就会爆炸，严重时还会出现电解液燃烧现象。
3）电池过充电时，锂离子会大量的从正极脱嵌，经过电解质插入负极，当过多的锂离子无法插入负极中时，会在负极表面进行结晶析锂，其形貌上是负极材料表面上出现刺状突起。当突起达到一定长度就会穿破电芯内部的隔膜纸从而导致内部短路。后续现象与上述一样，此处不做赘述。综上所述，锂离子电池想要避免出现爆炸，主要从其过充防护、外部短路防护、及提升电芯制造安全性三方面。其中电芯安全性将是电池正负极材料、隔膜、电解液等原材料厂家以及电芯组装厂家的主要攻关方向，过充防护以及外部短路防护则通过锂离子电芯的保护电路来实现上
1.2常见锂离子电池保护电路及其缺点
随着电压、电流、温度检测IC这些年来的发展，成本大幅下降，同时其拥有的精准的电压、电流、温度检测功能，与MOSFET搭配使用，当线路出现过压（过充）、过流（外部短路）、过温时可以打开MOSFET开关，使线路断开从而保护电芯。而常态下，MOSFET两端连通不影响电芯线路工作。目前电压、电流、温度检测IC与MOSFET开关搭配使用的方案基本完全占据了便携式电子装置里锂离子电池一级防护方案市场。但是，便携式设备所使用的电池组，因使用者、使用环境、使用方法的差异，也会导致检测IC和MOSFET出现故障。例如，人体静电就可以导致检测IC和MOSFET出现故障。无论检测IC与FET哪一个出现故障，整个电芯保护电路将失效。因此，从这方面讲锂离子电芯也具有需要多级防护的必要性。
1.3常见锂离子电池二级保护方案及其缺点
市面上常见的二级保护方案：采用与一级保护一样的方案，检测IC与MOSFET。这种情况下其设计是在一级失效的情况下才启动二级防护，所以二级防护检测IC的阀值要比一级防护IC选用的高。那么在这样的电路里，假如一级防护IC或者FET出现故障，但又未达到二级防护IC阀值，那么存在给电芯持续充电导致热失控爆炸风险。基于此，大部分厂家会优选二级防护使用被动元器件的方案。诸如电流保险丝，PPTC，ThinThermalfuse，breaker等被动元器件。电流保险丝只具有外部短路保护功能无法实现过充防护，当出现外部短路时，持续的过电流使电流保险丝的熔丝升温直到其自熔断，切断电路从而保护电芯。其为一次性，故障出现保险丝动作后必须更换才能恢复线路正常；PPTC为正温度系数热敏电阻，当环境温度超过其材料的居里温度时材料阻值会出现数量级突变增大。外部出现短路与过充时，持续的过电流或者过电压导致PPTC升温，当热量累积到使温度超过其材料的居里温度时就会出现阻值数量级般的急剧增大，从而减小干路电路电流保护电芯。同时余温可以持续使PPTC保持高阻状态，直至外部故障解除后，PPTC自散热冷却后阻值会恢复到毫欧级别，从而恢复正常线路。其为可恢复的，可以多次使用，但是随着使用的次数增多，反复动作与恢复后，阻值会出现漂移逐渐增大，从而无法精准保护过充电压，另外也会增加常态下的功率消耗；ThinThermalfuse为薄膜温度保险丝，其熔丝材料的熔点一般都比较低，实际应用中不管是过充还是外部短路最终都是导致温度的上升，当达到温度保险丝的熔点时，熔丝自熔断从而保护线路。其也是一次性使用，但是因为选用的低熔点材料导致该元件不能回流焊贴装，只能点焊或者手工焊。Breaker为小型断路器，其内部结构为PPTC与双金属片、臂杆之间的桥联。常态下，臂杆与双金属片接入回路，PPTC不接入回路。
但，当线路出现外部短路或者过充时，持续的过电流或过电压使臂杆升温，当热量累积使温度达到双金属片的弹跳温度时，双金属片弹跳使PPTC接入线路中，此时工作原理与上面介绍的PPTC动作保护原理一致。需要注意的是，PPTC持续的热量可以使双金属片温度维持在弹跳状态，当外部故障解除后，PPTC、臂杆冷却双金属片恢复，PPTC脱离线路。但是，不管是PPTC还是ThinThermalfuse亦或者breaker都是在线路故障出现后，电池温度升高到一定值后才开始动作，存在动作慢、滞后、被动等特点。而且这些元件在线路板上放置的位置不同，导致其感温快慢不一，存在很大的动作时间不确定性。
自控制保险丝是一种即解决了PPTC、ThinThermalfuse等锂离子电池二级保护电路响应速度慢，又能进行高温设备故障点检测的保护器件。在电流保险丝的基础上，为保护过充电，内置了电连接到保险丝上的发热器。过充电时，过电压使发热器发热主动熔断保险丝，从而切断电路。即使一级防护出现故障也不会出现过充电导致的持续升温而处于危险状态。自控制保险丝二级保护方案特点：
1）同时具有过充电、外部短路保护功能；
2）其与过压检测IC2、MOSFET，可以实现过电压精确动作，响应速度块，同时在线路板上的安装位置不同不会带来动作的不确定性；
3）过充电保护时，保险丝与发热体同时电连入线路中，保险丝被发热体释放的热量快速熔断，切断线路的同时，也截至了发热体的通电。因此自控制保险丝本身不会出像PPTC、breaker等过热状态；
4）其通过内部发热器阻值的调节可以匹配不同电芯数的电池组的每一节电芯防护，电路设计简单；5）其主体材质为高温点金属，因此自控制保险丝可以回流焊快速贴装，也可以用于高温设备的测试。
1.5自控制保险丝保护原理常态时，IC2使FET处于关闭状态，此时发热器没有接入回路。当一级保护失效时，电池可能会持续被充电，直至Cell两侧电压过充，即会触发过电压检测IC2，从而使二级保护的FET打开，此时外部充电的过电压几乎全部加在自控制保险丝的1与3端子间，发热体的热量将会使1与2端子间合金熔断分断电路，从而阻止电池进一步充电导致的爆炸、起火。同时1、3端子间也断开了，加热器通电停止，整个产品不会出现过热现象。当一级保护失效时，同时电池又出现外部短路现象，线路将出现过电流（此时FET为关闭状态，发热器没有接入回路）），合金自发热熔断，使1、2端子断开停止通电。
1.6自控制保险丝的结构
日本某公司生产的自控制保险丝，其中广泛使用于笔记本电脑电芯保护的SFH系列。其是在陶瓷基板上采用厚膜印刷形成端子、发热体，然后在发热体上涂覆绝缘层形成半成品，在半成品上设置合金形成保险丝，整个产品是通过这一系列组合而成。目前，某公司已经开发出从额定电流最小5A、尺寸2.7mm×1.8mm×0.75mm、便携式电子设备用的SFR系列，到额定电流为120A、尺寸40mm×29.4mm×6.0mm、动力锂离子电池保护用螺丝安装的SFM系列。同时，为了适应电池Pack厂家采用多个电芯串并联使电池组保证电容量的需求，已经开发出匹配最小1个电芯到最高14个电芯串联电压输出保护的SCP。
2结论
首先本文从锂离子电池的起源以及目前广泛应用出发，着重介绍了锂离子电池自身存在的爆炸原因分析，得出了主要从过充防护、外部短路防护、电芯材料与组装工艺三个方面入手。然后详细阐述了为了解决过充与外部短路，目前市面上常见的五种保护方案及其局限性，佐证了自控制保险丝出现的必要性。最后以日本某公司生产的自控制保险丝SCP为例，着重介绍了SCP锂电保护方案的优点以及面对电芯过充、外部短路时保护原理。末后以日本某公司生产的广泛用于笔记本电脑电芯保护的SFH系列产品为例，简单介绍了自控制保险丝代表性的结构特征。自控制保险丝其在锂离子电池保护方案里独一无二的优点，相信会越来越被更多的厂家采纳与使用。
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作者:胡志明 单位:南京萨特科技发展有限公司