谈谈锂离子电池使用安全性

）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。

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，废旧电瓶回收价格行情因可同时满足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谈谈锂离子电池使用安全性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分为高电流（15A）和低电流（6A）两个系列，分别对应不同的动作温度，如表4所示。

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。