谈谈锂离子电池使用安全性 - 中科因仑“3+1”工程特种兵精英论坛

自从锂离子（Lithium-Ion， Li-ion）电池取代镍氢（NiMH）电池以来，越来越常应用在手机、平板计算机、超轻薄笔电及其他可携式电子产品，近几年来这些电子产品对电池容量要求越来越高，但同时要求电池体积要更小和更薄，这使得锂电池要具有更高容量密度。

　　锂聚合物（Lithium Polymer， LiP）电池可满足更薄的要求，所以其市场占有率不断提升，特别是智慧手机、平板计算机及超轻薄笔电几乎全部都是使用锂聚合物电池。但由于锂离子电池在某些滥用情况下会发生起火燃烧，甚至爆炸，例如过充电（Overcharge）、短路及高温等情况都会导致电池内部产生热能和气体，使得电池膨胀、破裂及起火，因此锂离子电池安全性也引起制造商、终端使用者及管理部门重视。

　　中国及其他国家都针对电池先后发布该国本身的安全标准，像是中国GBT18287和GB31241-2014、美国及北美地区适用的UL1642及 UL2054、欧盟的EN60950 与EN62133、日本PSE及韩国KC标准等，这些标准在规范市场和保护消费者方面都具有积极作用。

　　在很多情况下，电池设计者在选择被动保护器件时都会遇到一些问题，例如是否要使用被动保护器件？用哪一种？对锂电池来说，安规标准和性能要求互相冲突，有时难以两全其美，怎么办？

　　本文将说明如何选择合适的被动保护器件保险丝（Fuse）/可自恢复的聚合物正温度系数（Polymeric Positive Thermal Coefficient， PPTC）/MHP-TA（Metal Hybrid PPTC-Thermal Activation Device），以同时满足安规标准及主机对锂电池充放电性能要求，本文中的安规标准以UL2054为例。

　　这里提到的保险丝是一次性熔断保险丝（熔丝），在锂电池应用中通常包含热保险丝（Thermal Fuse）和慢断型表面黏着保险丝（SMD Fuse）（表1）。

　　一次性熔断保险丝的不可恢复性使得设计者在选用时需要格外谨慎，以免在电池组装、测试以及使用中，容易因为失误而使得电池遭受破坏。

　　选择慢断型保险丝另一个主要目的是受限制电源（Limited Power Source， LPS）要求，如表2。通常会选择额定电流为5安培（A）的表面黏着型Fuse，因可同时满足LPS及电池充放电要求，由于SMD Fuse不可恢复性，因此所选择的慢断型Fuse熔断时间必须比保护IC的过电流动作时间长，从而确保当保护电路正常工作时，Fuse不会动作而熔断。

　　保护组件供货商要达到这样要求，Fuse在生产过程中要具有出色的质量控制，以确保性能一致性。由于LPS限制Fuse最大规格为5A，因此难以满足对充放电要求高应用（表3）。

　　PPTC是正温度系数热敏电阻，广泛应用于锂电池保护电路中，随着锂电池容量不断增加，及手机等可携式电子产品对电池电流需求不断提升，在选择PPTC时所需要考虑因素也越来越多，一方面既要满足产品性能要求，同时又要满足锂电池的安规要求（图1）。

　　PPTC 是温度敏感器件，因此须充分考虑其在电池中的装配方式及生产过程，例如回流焊温度曲线设置及有效控制、回流焊次数、电路板点胶及固化方式（紫外线照射还是高温烘烤）、低温注塑参数设置（压力、温度及时间），以及是否有手工焊的过程。PPTC有可能因为在这些制程中受到压力及高温而增大电阻，间接影响保持电流及动作特性。

　　表面黏着型PPTC透过回流焊安装在印刷电路板（PCB）上，焊盘大小、铜箔厚度、走线宽度及相邻元器件发热等因素都会影响到PPTC散热性能，从而影响保持电流与动作特性。

　　带状PPTC透过电阻焊或雷射焊方式，与锂电池芯电极及镍带与PCB板相连，因此镍带的长度、宽度及厚度会影响散热性能，从而影响PPTC保持电流及动作特性（图2）。

　　对于PPTC应用在锂电池中时，LPS对其要求与Fuse不同，选择时需要考虑因素较多，特别是须要同时满足高温下大电流放电要求与安规中过充电要求，不仅要考虑PPTC本身特性，还须要配合具体项目所选用的锂电池芯进行过充电试验。不同厂家、不同规格型号的锂电池芯在过充电试验中具有不同温度及安全特性。表面黏着型PPTC在电路板上位置距离电池芯较远，因此不能充分感测到电池芯温度变化，而且还会受到电路板上布线及其他组件发热影响，因此为满足安规要求，选择表面黏着型PPTC时应该要略微降低电流规格。

　　对于带状PPTC，在电池设计和生产过程中，不能受到外力和施加在器件上应力；与电池芯连接方式、贴合程度及镍带尺寸都会影响到电池是否能通过安规测试（图3）。

　　MHP-TA是可恢复的温度保护器件，体积小而且温度保护精度高，因此适合大电流需求，是大容量锂电池安全保护理想选择（图4）。

　　MHP-TA温度保护精度高，导通电阻小，且性能基本上不会随着时间及动作次数而变化，因此MHP多半应用在对于温度保护和性能要求较高的锂电池。

　　在保持电流方面，低电流规格的MHP与PPTC具有基本相同性能，但是在锂电池芯保护方面，不同温度特性及安全性能的电池芯可选用不同动作温度MHP，从而更充分利用锂电池充放电性能，以及提供更安全保护。当要求电池电流较高时，例如在60度下要求大于3.2A时，PPTC便难以满足要求，而MHP则是较好选择，特别是高电流系列的MHP，既可以满足大电流需求，又可以有效保护锂电池芯（图5）。

　　根据锂电池最大电流要求选择MHP规格之后，还要通过过充电测试，通常是6V/1C、2C，或9V、12V等规格要求，MHP电流及温度规格越低，对电池安全保护越好，但是这与电池电流要求互相矛盾，因此在选择时须要兼顾这两方面要求；但在有些情况下难以同时满足，则须要和客户沟通，在这两方面要求之间求取平衡，例如降低电池在高温下大电流要求，从而满足安规要求。

　　在电池的设计和组装过程中，MHP-TA不能遭受外力，而施加在器件上或两端子上的应力会对MHP的电阻及温度特性产生影响。与电池芯连接方式、贴合程度及镍带的尺寸都会影响到电池是否能通过安规测试（图6）。

　　几乎所有手机制造商都会要求锂电池要能满足安规中LPS要求。MHP对LPS的要求和PTC相同。在通常情况下，MHP被装配到电池中时，散热条件不如外部测试时，因此锂电池中MHP所具有实际保持电流特性将会略低于规格书中所规定的电流值。基于锂电池的充电特性，动作温度为90度规格的MHP很少可以用于锂电池安全保护，所以除去90度规格MHP外，所有低电流系列MHP基本上都可以满足LPS。笔记本电脑及一些平板计算机要求较高放电电流，可以选用高电流系列MHP，并且藉由其他设计方法去满足LPS。

　　总结来说，温度保险丝Thermal Fuse由于体积大及手工焊接等因素，已经越来越少用于锂电池保护；表面黏着型PPTC由于其体积小、成本低、回流焊制程简单等因素，用于手机电池保护的情况越来越见，但是难以满足具有大电流要求平板计算机以及笔记本电脑电池需求；带状PPTC的保护效果良好，因此仍然有一些锂电池采用，特别是更适合于金属外壳的方形锂离子电池装配；MHP-TA具有温度保护精度高、导通电阻小而且稳定等性能优势，因此被广泛应用于对安全要求较高的高阶可携式电子产品，特别是具有大电流以及高电压要求的笔记本电脑电池，几乎全部都是采用这一类产品。

　　满足锂电池性能要求和通过安规测试的关键，不仅与保护器件型号及规格选择有关，也和具体电池芯种类、充放电性能、安全特性、保护器件的连接安装方式、电路板及电池组装的散热条件密切相关，因此在展开新电池项目时，为能更准确、迅速提供Fuse/PPTC/MHP-TA样品，与电池设计者多沟通交流，尽可能地多了解电池性能要求、组装方式、安规要求及详细制程等等，都有助于避免由于试验不通过而造成项目延误。