快充让锂电池保护元件化敌为友
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锂电池是目前能量密度很高而且很轻的电池，但是由于化学特性非常活跃，所以本身因为有安全保护的需要，而增加充放电保护电路。充放电保护电路关键元件——Mosfet也有一定比率的短路失效，如果锂电池产量并不大，那么这个效果就不会体现出来。但是锂电池的需求量非常大，仅2014年全球小型锂电池出货量就达56亿颗。在这么巨大的出货量面前，即使1ppm的概率风险，那也是平均有5600次/年的危险事件可能发生。所以在主保护电路之外，再加一个二次保护，进一步降低风险。在二次保护的元器件中，一般只用一颗元件，有用一次性断保险丝的，也有用PTC的，还有用温度保险丝等多种元件。用了PTC就不用保险丝(fuse)，用了保险丝(fuse)就不用PTC，保护器件是相互竞争关系，就好像不同的等位基因争夺染色体上同一个位置一样。但是由于各种保护元件并非是全面胜出，所以形成了多种元件并存的局面，满足各种不同的应用需求。 但是随着智能手机快速普及，手机电池容量越来越大，出现了快速充电的需求，目前已经有多个标准如OPPO Vooc标准，高通的QC 2.0标准，MTK的Pump Express Plus的标准横出于世。在快速充电的情况下，在前30分钟内的电流会很大，一般会达到3A左右。 在快速充电前30分钟的大电流冲击下，伴随着发热和温升，将改变锂电池的二次保护元件的竞争局面，取而代之的将是合作模式：PTC fuse形成一个保护组合。 首先，PTC fuse可以互补温度保护和过流保护。PTC具有温度保护功能，但是由于温度折减比率比较高，所以选择规格比较大，相对过电流保护能力就弱了一些，而且PTC动作速度较慢。保险丝(fuse)对于温度不敏感，不能提供温度保护，但是温度折减比率也非常低，所以可以选择比较小的电流规格，相对过流保护能力强，而且动作速度快得多。 其次，PTC fuse将会是通过UL2054的低成本解决方案。在大电流充电情况下，仅靠单一元件比较难通过UL2054的全部测试，因为每个元件都有一些优点和不足。第一，常用的PTC。因为充电电流很大，为了保证在快速充电而温升很高的情况下不动作，选择的规格必然会到1206 6A/7A。选择如此大的规格，锂电池在通过UL2054的LPS测试时就会碰到困难，因为很难在60秒内将电流限制在8A以下。第二，常用的保险丝(fuse)。最大的优点是对于温度不敏感，可以选择5A规格，<=5A规格保险丝极有利于锂电池通过UL2054 的LPS测试;但是因为本身对于温度不敏感，不具备过温保护功能，所以比较难通过UL2054的6V/1C和6V2C的滥充测试项目。第三，三端保险丝，虽然能够解决过温保护的温度，但是因为电流规格更大，高达10A/12A，也过不了LPS测试;而且成本很高。第四，有的厂商采用双IC方案，虽然效果比较好，但是成本比较高。如果将PTC和保险丝(fuse)相结合，首先依靠对温度不敏感的5A保险丝(fuse)轻松通过LPS、短路等测试项目;然后再依靠1206 6A/7A 的PTC通过6V/1C和6V2C的滥充等测试项目，整个方案成本很低。 最后，PTC fuse的保护方案将较单一元件更安全。因为将两个元件组合在一起，相当于在二次保护之外又加了一次保护，对锂电池的安全性又加了一重保险，进一步大幅降低风险系数。 |
