锂电池二次保护技术

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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2017年上半年全球小型锂电池出货量就达100亿颗。那么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1000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。

主流方案:

      在二次保护的方案中,目前 常用的保护方案有以下4种,

  1. 普通保险丝的.
  2. PTC等温度形保险丝等多种元件。
  3. 三端保险丝(SCP)。
  4. 双IC方案 一般二次保护都是选这4种方案,

方案介绍

      用了PTC就不用三端保险丝(SCP),用了三端保险丝(SCP)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,出现了快速充电的需求,手机的充电电流越来越大,目前已经有多个标准如OPPO Vooc标准,高通的QC4.0标准,MTK的P 3.0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,最高会达到6A左右。
     在手机快速充电前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,面临的是充电电流越来越快,单纯的过电流保护以及PTC已经不能满足快充的保护需求,取而代之的将是合作模式:一次保护MOS+二次保护SCP(俗称SCP方案),以及 一次保护MOS+二次MOS(俗称双mos方案)。

  1. MOS+PTC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,且整个Pack阻抗比较高。
  2. MOS+保险丝(fuse)不能满足过压需求,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,无过压功能。
  3. MOS+二次MOS(俗称双mos方案)可满足过压需求,但是Mos的阻抗会随着温度的升高而发生偏大,Mosfet也有一定比率的短路失效,设计起来相对来说比较麻烦一下,而且Mos可重复的使用,站在安全角度来说有一定风险。
  4. MOS+二次保护SCP(俗称SCP方案)可满足过压以及过流的保护需求,而且但是温度折减比率也非常低,阻抗比较小,损耗的功率也比较小,设计起来也比较简单,而且动作速度快得多,相对保护机制比较安全。

认证实现

    上述的二次保护方案在市场上都有应用,各种应用都有自身的特性,然而在在认证方面,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。

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