锂离子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要,而新增充放电保护电路。充放电保护电路关键元件——Mosfet也有一定比率的短路失效,假如锂离子电池产量并不大,那么这个效果就不会体现出来。但是锂离子电池的需求量非常大,仅2014年全球小型锂离子电池出货量就达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相同。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。
电路示意图
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OppOVooc标准,高通的QC2.0标准,MTK的pumpExpressplus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。
曲线示意图
在快速充电前30分钟的大电流冲击下,伴随着发热和温升,将改变锂离子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。
电路示意图
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)关于温度不敏感,不能供应温度保护,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的低成本解决方法。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12066A/7A。选择如此大的规格,锂离子电池在通过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)。最大的优点是关于温度不敏感,可以选择5A规格,=5A规格保险丝极有利于锂离子电池通过UL2054的LpS测试;但是因为本身关于温度不敏感,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方法,虽然效果比较好,但是成本比较高。假如将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12066A/7A的pTC通过6V/1C和6V2C的滥充等测试项目,整个方法成本很低。
最后,pTC+fuse的保护方法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,对锂离子电池的安全性又加了一重保险,进一步大幅降低风险系数。