锂离子电池保护元件选型指南的探讨

徐国静

摘  要：锂电池被用于便携式电子产品中，由于其自身的特点决定其需要采用安全可靠的保护器件发挥保护作用。从锂电池所使用的材料来看，其充电和放电都要合理控制，不能出现过流的问题和短路的问题，更不可以在超高温环境中充电和放电，所以，锂电池需要保护元件发挥保护作用。要做到保护元件的正确选型，需要按照一定的要求进行。文章着重于研究锂离子电池保护元件选型指南。

关键词：锂离子电池;保护元件;选型;指南

中图分类号：TM912 文献标志码：A         文章编号：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

当前锂电池的容量不断提高，而电池的体积越来越小，而且更薄，这就需要增高锂电池的能量密度才能满足要求。但是，如果锂电池滥用就会导致内部有热量产生，出现电池膨胀，甚至产生破裂的问题。要确保锂电池正常发挥功能，维护使用者的安全，就要合理选用保护元件，避免电池在使用中发生损坏。

1 Fuse简介

所谓的“Fuse”就是一次性的熔断保险丝，锂电池电通常会选用两种保险丝，即热保险丝和慢断型贴片保险丝。热保险丝的体积比较大，使用手工焊接的方式安装，其具有很好的热保护作用;慢断型贴片保险丝的体积比较小，使用回流焊接方式安装，其具有很好的保护电流的作用。

一次性熔断保险丝的一个重要特点是，一旦损坏即不可恢复，所以，在选用这种电阻丝的时候要谨慎，特别是在组装电池或者对电池测试的时候，稍有不慎导致保险丝损坏，电池不能得到有效的保护而损坏。在使用这种保险丝的时候，如果安装不当出现误动作，也会造成电池损坏，因此需格外注意。

通常在选择电阻丝的时候，通常会选择慢断型贴片保险丝，额定电流为5安培，其可以满足限功率电源，也可以满足电池充电和放电的需求，所以在选用这种慢断型贴片保险丝的时候，要求熔断的时间需要超过保护IC过电流动作的时间，当保护电路运行的过程中，不会出现Fuse动作的问题，更不会产生Fuse熔断的现象，这就需要在生产Fuse的时候控制好产品的质量，保证其性能正常发挥。限功率电源对Fuse的规格有一定的限制，需要控制在5安培，如果锂电池对充电和放电都有很高的要求，Fuse就难以更好的发挥其保护作用了。

2 PTC简介

PTC即为正温度系数热敏电阻，作为一种保护电路可以对锂电池发挥有效的保护作用。随着锂电池的设计越来越薄，对保护电路也有了更高的要求，特别是手机、平板等等都属于便携式电子产品，对电池电流有更大的需求量，在选择PTC型号的时候，对于多方面因素要充分考虑，不仅在产品性能上要符合要求，还要确保锂电池安全使用。

2.1 装配方式

PTC是对使用环境温度有较高敏感度的器件，在安装的过程中，采用回流焊接方式将PTC安装在刚性线路板上，PTC的散热性能与安装焊盘的规格、铜箔的厚度、线路的宽度以及邻接的各种元器件发热情况都有直接相关性，因此对电流的特性以及产生动作的情况都有直接的影响。

如果PTC为带状，在安装在刚性线路板上的时候，可以采用电阻焊接方式或者激光焊接方式。在安装的过程中，锂电池的镍带以及电池芯的电极都采用电阻焊接的方式连接，所以，其散热的性能会受到镍带的长度、宽度和厚度的影响，因此对电流的特性以及产生动作的情况都有直接的影响。

2.2 安规要求

在锂电池中安装PTC，限功率电源对PTC的要求不同于Fuse，在选择型号的时候需要考慮更多的因素，特别是电池处于高温环境下，需要满足大电流电源放电，还能在符合安全规定的情况下满足过充的要求。要在使用PTC的时候这两项要求都能够得到满足，需要分析其自身具备的特性，还要做到具体问题具体分析，对所选择的锂电池芯采用试验的方式确定其特定。锂电池的规格不同，类型不同，通过试验可以明确，对温度的要求不同，安全特性也有所不同。

在电路板上使用贴片PTC，要与电池芯保持较远的距离，对电池芯的温度变化情况进行感测，此外，还要考虑到电路板的布线以及其它元件的发热对锂电池产生的影响，所以，在选用贴片PTC的时候，要考虑到安全规定，必要的时候需要将电流的规格稍稍降低一些。

如果PTC是带状的，在设计电池以及生产电池的时候，要考虑到其不能受到外力的影响，也不可以向器件上施加应力，都会对电池的性能造成一定的影响。将PTC连接到电池芯上所采用的方式以及贴合的程度，镍带的规格等等都会都会对电池造成不同程度的影响，甚至会导致电池安全测试的时候无法通过。

3 TCO简介

TCO作为电池保护器件具有可恢复性，其体积非常小，在温度保护时候有较高的精度，如果是大电流则可以满足需求。如果锂电池的容量非常大，可以选用TCO，可以对锂电池起到很好的安全保护作用[2]。

TCO包括两个系列，即高电流电池保护器件和低电流电池保护器件，对不同的动作温度环境下的锂电池予以保护。

3.1 选型

TCO在温度保护中有较高的精度，为非常小的导通电阻，其性能比较稳定，不会由于时间的变化而有所变化，也不会因为动作次数的变化而产生变化，所以，如果锂电池对温度保护有较高的要求，对性能也有很高的要求，适合选择TCO。电流角度而言，TCO为低电流规格，与PTC的性能基本相同，但是，从锂电池保护的角度而言，在选用电池芯的时候，温度特性不同，安全性能不同，MHP动作温度也有所不同，这就使得锂电池的充电性能和放电性能被充分利用起来，并且能够提供的保护更加安全可靠。如果锂电池对电流有很高的要求，比如当温度不足60摄氏度的时候，电流要超过3.2安培，PTC就无法满足要求，此时就要选择TCO，尤其是高电流电池保护器件，对于大电流需求能够满足，还可以对锂电池芯起到很好的保护作用[1]。

3.2 安规

其一，在进行非正常充电试验的时候，需要按照锂电池的电流要求最大值对TCO的规格进行选择，还要进行充电测试，TCO的电流规格低、温度规格低，对电池有良好的安全保护性能，但是不符合电池对电流的要求，所以，在选择保护器件型号的时候，需要对各方面要求充分考虑。在各方面需求不能同时满足的情况下，就需要及时与客户之间建立沟通，对各种要求予以平衡，将电池处于高温环境下的大电流要求适当地降低，以符合安规要求。

在设计电池和组装电池的时候， TCO对外力不具有承受力，也能够承受施加在器件上的力量，对施加在两端子上的应力也无法承受，同时还要考虑到MHP受到电阻的影响以及受到温度的影响，在连接电池芯的时候、其贴合的程度以及镍带的规格等等都会不同程度地影响到电池安规测试，甚至造成无法通过的后果[3]。

其二，由于受限制电源的要求锂电池需要对安规中的受限制电源的要求予以满足。在电池中安装TCO，当安装到电池中之后，其散热效果不是很好，安装到电池的外部则散热性能良好，所以锂电池中安装MHP，其对电流的保持特性与规定的电流值相比较要稍稍低一些。鉴于锂电池有很好的充电特性，当TCO的动作温度是90摄氏度的时候，就不能对锂电池起到很好的安全保护作用了，如果不要求90摄氏度的规格，低电流电池保护器件都可以满足受限制电源的要求。通常笔记本电脑和平板电脑对放电电流都有比较高的要求，使用高电流电池保护器件，要满足受限制电源的要求，则可以采用其他的设计方法。

4 结束语

通过上面的研究可以明确，由于当前的锂电池容量比较大，而且设计比较高，对于保护器件就会有较高的要求。通过对Fuse、PTC、TCO三种能保护器件所具备的性能进行描述，并介绍选择的方法，分析的结果是：

其一，使用温度保险絲Thermal Fuse对锂电池予以保护，由于其体积比较大，在安装的时候需要采用手工焊接的方式，因此几乎不被用于锂电池保护。

其二，选用贴片PTC，其体积比较小，成本比较低，安装的时候采用回流环节工艺技术，操作比较简单，在手机电池保护上较为常用，但是其也存在弊端，对于诸如平板电脑和笔记本电脑的大电流要求则无法满足。

其三，如果选用带状PTC对锂电池有良好的保护效果，因此一些锂电池会采用这种保护方式，如果锂电池的外壳是方形的，而且为金属材质，则会装配这种保护器件。

其四，TCO具有非常高的温度保护精度效果，精度非常高，而且导通电阻小，各项性能稳定，如果电子产品对于安全要求很高，就可以发挥TCO的保护作用，特别是笔记本电脑有大电流的要求，同时有高电压要求，采用TCO效果良好。

参考文献：

[1]王琳，杨进，杨淼，等.锂离子蓄电池组的bypass元器件可靠性研究[J].质量与可靠性，2019，200（02）：52-56.

[2]范丽娟.锂离子电池中两点问题的探究及自充电储能器件的尝试[D].中国科学院大学，2019.

[3]袁伟.电池功能结构设计及制造[C]//第五届全国储能科学与技术大会摘要集，2018.