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智慧型手機電池對被動保護元件的新要求

上網時間: 2015年08月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:手機  電池  電流  保護元件  平板 

作者:孫明 / TECP

隨著智慧型手機螢幕尺寸越做越大,功能越來越多,以及4G網路的普及,對智慧手機電池的容量的要求也越來越高,另外對於電池自身的充/放電能力要求也隨之大幅提升。據一些為中國手機廠提供電池的供應商開發工程師表示,目前手機廠商既要求電池的容量要大以滿足續航時間,同時還要求電池的放電能力可以支持相當高的持續放電電流,並且也要具有耐受暫態大電流的能力。

在進一步溝通後瞭解,目前有一些中國的手機廠已經明確地要求,電池必須保證在55℃甚至60℃的環境下可以持續4A放電。最近,個別的國際品牌手機廠商也傳出了類似的開發要求:即要確保被動保護元件在常溫環境下的額定負載電流為6A,並且同時要求電池產品能滿足UL相關安規的過充測試要求:UL2054/6V/1C 和6V/2C 過充以及UL受限制電源(LPS:8A/60s)要求。

由於被動保護器PTC / Breaker均是以與電池芯串聯的方式連接,為了滿足上述客戶應用的要求,以PTC來看,PTC在常溫條件下必須具有相應甚至更高的保持電流能力:即需要在常溫時為6A以及以上規格才可以滿足;以Breaker來看,根據廠商公佈的產品特性曲線,其低電流系列產品的電流vs.溫度特性典型值顯示為:LC77度的產品,它在60度條件下的電流為4A,考慮到在實際應用環境下的條件會更加嚴苛,因此需要選擇更高的動作溫度(>77度)或高電流HC系列才能滿足上述應用端的需求。

本文將從電池安規/過充測試條件要求來對此進一步分析。電池容量一旦確定,其過充電流1C/2C也就確定了,為了提供更好的安全保護,很明確地,在被動保護器的選擇上,元件自身的保護溫度點越低,也就越有利於提供良好保護效果,所以體現在PTC元件,元件在高溫條件下動作電流Itrip越低,對發揮保護效果越有利,從而通過測試;體現在溫度感測雙金屬片元件MHP-TA上,元件自身的動作溫度點越低,越容易動作,更有利於通過測試。

圖一說明了在鋰離子電池過充測試中有加PTC和不加PTC情況下的溫度變化之對照與比較。

圖一 鋰離子電池過充測試中有加PTC和不加PTC情況下的溫度變化之對照與比較
圖一 鋰離子電池過充測試中有加PTC和不加PTC情況下的溫度變化之對照與比較

從上圖實驗結果可以看出,在過充測試中,沒有加被動保護元件PTC的電池芯溫度會一直升高到120度,直至電芯失效,然後起火燃燒;而加有合適的被動保護元件PTC的電池芯在80度左右即因PTC動作後呈現高電阻,從而快速拉低充電電流,溫度下降,發揮了保護電池芯安全的作用,也不會發生起火及燃燒的情況。

圖二 鋰離子電池過充測試
圖二 鋰離子電池過充測試

接下來關於LPS;LPS 是Limited Power Source的縮寫,針對鋰離子/鋰聚合物電池應用中,通常使用PPTC元件來滿足UL/LPS要求,8A/60s的要求就決定了PTC的規格選擇範圍。查閱各PTC廠商公佈的產品規格資料,常溫保持電流大於4A的PTC均不能確保符合LPS (8A/60S)。

綜合上述幾方面的分析,可以發現,目前實際應用端的要求已經超出了現有PTC材料自身的特性,為滿足應用要求,急需改變PTC材料的自身特性,可以預見的是,如果可以研發出一種具有分段式電流VS溫度特性的PTC材料,如圖三所示,在正常情況下,PTC的電流vs.溫度特性近似一條直線,而如果可以通過改變PTC自身材料高溫(>70℃)特性,如在70℃到90℃區間,PTC電流能力VS溫度的斜率陡增,如圖三箭頭所示,這將可以在一定程度上解決應用與安規過充測試兩方面對PTC元件參數要求的衝突。

圖三 PTC的電流vs.溫度特性
圖二 PTC的電流vs.溫度特性

電池的容量越做越大,繼續採用傳統的充電方式,勢必延長一次完全充電的時間,這將給用戶體驗帶來極大的負面影響。因此,鋰離子二次電池快速充電已經成為各手機廠商新的發展方向,而提升充電電流則是最為直接的方式。從市場上各手機品牌廠商的產品來看,目前其充電電流已經提升到4.5A上下。

對於被動保護元件而言,長時間以如此大的電流來充電也是一項極大的挑戰,傳統使用於鋰離子電池保護的PTC已無法滿足快充的要求,這也促使PTC必須在技術上有所突破,才能滿足應用上的需求。

TE在鋰離子電池保護元件的開發及應用方面已經累積了多年的經驗,在此一基礎上日前適時地推出了MHP-TA產品, 該產品整合了雙金屬片和PTC兩方面特性,分為低電流TA6和高電流TA15兩個系列,其常溫條件下的保持電流分別達到6A和15A,完全可以因應現今鋰離子電池在快充應用時對電流的要求,同時其動作溫度點也相當精確,分別為72/77/82/85/90℃,可以充分因應不同電池芯廠家對保護溫度的要求。





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