CN101228651B - 二次电池保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是有关于一种二次电池保护装置，其中，当二次电池如锂离子二次电池因外部环境的改变、外部撞击等原因而暴露在超过工作范围的高温下，或因内部故障而自动产生热时，二次电池会放电。装置包括晶闸管或晶体管，其具有正极与负极，分别连接至二次电池的两个端子，而且当有栅极电流时，其会将二次电池的两个端子短路，以及包括温度传感器，用以检测二次电池的温度，并在检测到的温度比预定的温度高时，提供栅极电流给晶闸管。因此，当二次电池因外部环境的改变、外部撞击使得二次电池温度增加，或因内部故障、过度充电等原因使得电池产生热时，二次电池会放电至安全状态，以避免二次电池膨胀、燃烧或爆炸，而增加其安全性。

Description

二次电池保护装置
技术领域
本发明是有关于一种二次电池的保护装置，尤指一种保护二次电池的装置，其中当二次电池因外部环境的改变、外部撞击、内部故障、过度充电等原因而暴露在超过工作范围的高温下时，二次电池会放电至安全状态，由此避免其膨胀、燃烧或爆炸。
背景技术
一般来说，电池分为化学电池与物理电池，其中，化学电池又分为原电池、二次电池，以及燃料电池。二次电池包括镍镉二次电池、镍金属氢二次电池、密闭式铅酸二次电池(SealedLead-Acid(SLA)secondary battery)、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池、以及可充电碱性二次电池。
首先，锂离子二次电池是有机电解质电池，其具高能量密度、低温特性、可储存性等方面的稳定属性，而且因此常作为可移动电脑的电池。在此，术语“能量密度”指的是充电能量的多少，并且是将能量容量除以容量或重量的值。
锂离子二次电池可能因使用者粗心大意而暴露在超过工作范围的高温环境下，举例来说，夏季的车内、公共澡堂的蒸气室、电热毯、微波炉等。进一步，锂离子二次电池可能因内部短路、过度充电等情况而自发性地产生热。
如此，当锂离子二次电池暴露在超过特定温度的高温或被自动产生的热加热时，其可能会膨胀、燃烧或爆炸。
传统上，为避免锂离子二次电池因简单的过度充电所产生的热而损坏，会将锂离子二次电池与正温度系数(PTC)电阻器串联，其电阻根据锂离子二次电池所产生的热而增加。
当锂离子二次电池过热时，PTC电阻器可阻止电流流入锂离子二次电池，因而避免锂离子二次电池被进一步充电。
然而，除了过度充电之外，锂离子二次电池可能会因外部环境的改变、内部短路、外部撞击等而产生热。进一步，当锂离子二次电池暴露在高温的环境下时，其也会被加热。当锂离子二次电池暴露在高温环境或在充电状态中产生热时，其导致相对地容易地产生气体，其导致膨胀现象，而在最糟糕的情况中会爆炸或燃烧。
考量到锂离子二次电池会因外部环境的改变、内部短路、外部撞击等而产生热，或因暴露在高温的环境下，故而急需开发一种能保护锂离子二次电池的技术。
发明内容
本发明之一目的是提供一种二次电池的保护装置，其能够在二次电池产生经受发热或暴露在高温环境下时，使其放电。
本发明的另一目的是提供一种二次电池的保护装置，其能够在二次电池经受发热或暴露在高温环境下时，通过简单的结构来保护二次电池，该结构包括：负温度系数(NTC)热敏电阻或金属绝缘体相变(MIT)热敏电阻，以及开关元件。
本发明的另一目的是提供一种二次电池的保护装置，其能够在二次电池经受发热或暴露在高温环境下时，通过简单的结构来保护二次电池，该结构包括：负温度系数(NTC)热敏电阻或金属绝缘体相变(MIT)热敏电阻，以及晶闸管。
根据本发明的技术，其提供一种二次电池的保护装置。本装置包括温度传感器，其能检测二次电池的温度并依据检测到的温度来产生控制电流，以及开关元件，用以依据控制电流连接二次电池的二个端子，并强制将二次电池放电。
在此，开关元件可以连接到二次电池的正极及负极，当提供有控制电流时，开关元件会连接二次电池的两个端子。温度传感器能检测二次电池的温度，当检测到的温度比预定温度高时，其会提供控制电流给开关元件。
进一步，温度传感器可包括负温度系数(NTC)热敏电阻或金属绝缘体相变(MIT)热敏电阻。
根据本发明的另一方面，其提供一种二次电池的保护装置。本装置包括晶闸管，其具有分别连接至二次电池的两个端子正极与负极，且当提供栅极电流时，其会使二次电池的两个端子短路。本装置也包括温度传感器，其用以检测二次电池的温度，以及当检测到的温度比预定的温度高时，其会提供栅极电流给晶闸管。
在此，温度传感器可包括NTC热敏电阻或MIT热敏电阻，且晶闸管可包括下列的其中一个：硅控整流器(SCR)、N型晶闸管、双栅极晶闸管、双向晶闸管(TRIAC)、以及栅极关断(GTO)晶闸管。
依据本发明，二次电池保护装置是与二次电池并联。当检测到二次电池产生热或暴露在高温环境下时，二次电池会放电。因此，稳定了二次电池的电解质溶液，因此可预先避免二次电池燃烧或爆炸。
附图说明
图1是本发明第一示例性实施例的二次电池的保护装置。
图2是负温度系数(NTC)特征曲线。
图3示出了图1的二次电池保护装置的电流。
图4是本发明第二示例性实施例的二次电池的保护装置。
图5是金属绝缘体相变(MIT)特征曲线。
图6示出了图4的二次电池保护装置的电流。
图7是本发明示例性第三实施例的二次电池保护装置。
图8是第一晶闸管的特征曲线。
图9与图10示出了图7二次电池保护装置的电流。
图11是本发明第四示例性实施例的二次电池保护装置。
图12与图13示出了图11二次电池保护装置的电流。
具体实施方式
现在，将参照图示详细说明本发明的实施例。
参考图1，其示出了根据本发明第一实施例的二次电池保护装置。
锂离子二次电池100与二次电池保护装置102并联连接，其中，二次电池保护装置102是由负温度系数(NTC)热敏电阻104与第一晶体管106所组成。NTC热敏电阻104连接在锂离子二次电池100的正极(+)与第一晶体管106的基极端之间，而第一晶体管106的发射极与集电极分别与锂离子二次电池100的相对电极(正极和负极)连接。
NTC热敏电阻104具高稳定性、生产率、电阻率、及温度系数，其电阻的高温度系数是金属的高温度系数的五到十倍，而且可轻易制成各种形状。NTC热敏电阻104主要用作温度检测、温度补偿、液体水平检测、风速检测、真空检测、浪涌电流保护、延迟等的装置，而目前最广泛的应用则是将其作为温度传感器。
参考图2以更详细地描述NTC热敏电阻104的特性。当温度增加时，在NTC热敏电阻104中，电阻会减少。电阻的降低是与NTC热敏电阻104的电阻系数有关。在图2中，NTC热敏电阻104的三种类型：R10K3000、R10K4000及R10K8000具有不同的电阻系数，由此取决于温度的增加而具有不同的电阻降低。在本发明中，从各种NTC热敏电阻中任选一种或者加入与如电阻等元件结合的电压配电电路，以便允许第一晶体管106在预定温度处导通。
在图1中，所描绘的第一晶体管106是使用PNP晶体管以当作开关元件，但是也可使用依据预定的控制信号短路或通路的任何开关元件。换句话说，对本技术领域的人士来说，可清楚知道除了PNP晶体管之外，图1的第一晶体管106可由NPN晶体管取代。
现在，参考图3，将描述本发明的第一示例性实施例中二次电池保护装置的操作。
NTC热敏电阻104可感应到如下状态，在所述状态中，因外部环境的改变、内部短路、外部撞击等而使得锂离子二次电池100经受发热或暴露在高温环境下。换句话说，当锂离子二次电池100在预定温度处产生热且因此使得NTC热敏电阻104的电阻值降低到预定电阻值时，NTC热敏电阻104会从锂离子二次电池100提供控制电流I1到第一晶体管106的基极。根据流过NTC热敏电阻104的控制电流I1而导通第一晶体管106。
当第一晶体管106导通时，锂离子二次电池100的两个端子被短路，而因此使得锂离子二次电池100的电流I2流过第一晶体管106。结果，锂离子二次电池100被强制放电。
如上所述，通过由NTC热敏电阻104与第一晶体管106所简单地组合而成的二次电池保护装置102，本发明的第一示例性实施例可限制因内部短路、外部撞击等而产生热或暴露在高温环境下的锂离子二次电池100的燃烧或爆炸。
现在，参考图4，将描述本发明第二示例性实施例的二次电池保护装置。
锂离子二次电池200与二次电池保护装置202并联，其中，二次电池保护装置202是由金属绝缘体相变(MIT)热敏电阻204与第二晶体管206所组成。MIT热敏电阻204连接在锂离子二次电池200的正电极(+)与第二晶体管206的基极之间，而第二晶体管206的发射极与集电极端子分别与锂离子二次电池200的两个电极(正极和负极)连接。
参考图5更详细地描述MIT热敏电阻204的特性。在MIT热敏电阻204中，电阻在预定温度处急剧减小。电阻急剧减小的点与MIT热敏电阻204的电阻系数有关。换句话说，由于MIT热敏电阻204的电阻系数会因其类型而变化，因此电阻急剧减小时的温度也会不同。本发明中，从各种MIT热敏电阻中任选一种，以使得第二晶体管206在预定的温度时可以导通。
在图4中，所描绘的第二晶体管206是使用PNP晶体管以作为开关元件，但是也可使用依据预定控制信号短路或开路的任何开关元件。换句话说，对于本领域技术人员，可清楚知道除了PNP晶体管之外，也可使用NPN晶体管取代图4的第二晶体管206。
现在，参考图6，将描述本发明第二示例性实施例中二次电池的保护装置的操作。
MIT热敏电阻204可感应到因内部短路、外部撞击等而经受产生热或暴露在高温环境下的锂离子二次电池200的状态。换句话说，当锂离子二次电池200在预定温度时产生热且因此使得MIT热敏电阻204的电阻值被降低到预定电阻值时，MIT热敏电阻204会从锂离子二次电池200向第二晶体管206的基极端子提供控制电流I3。根据流过MIT热敏电阻204的控制电流I3而导通第二晶体管206。
当第二晶体管206导通时，锂离子二次电池200的正极与负极短路，因此使得锂离子二次电池200的电流I4流过第二晶体管206。结果，锂离子二次电池200会被强制放电。
如上所述，通过由MIT热敏电阻204与第二晶体管206所简单组合而成的二次电池保护装置202，本发明的第二示例性实施例可限制因内部短路、外部撞击等而经受产生热或暴露在高温环境下的锂离子二次电池200的燃烧或爆炸。
现在，参考图7，将描述本发明第三实施例的二次电池保护装置。
锂离子二次电池300是与二次电池保护装置302并联，其中，二次电池保护装置302是由NTC热敏电阻304与第一晶闸管306所组成。NTC热敏电阻304连接在锂离子二次电池300的正极(+)与第一晶闸管306的栅极端子之间，而第一晶闸管306的负极与正极端子是分别与锂离子二次电池300的正极和负极连接。
NTC热敏电阻304具有高稳定性、生产率、电阻率、及温度系数，其温度系数是金属电阻的温度系数的五到十倍，而且可轻易制成各种形状。NTC热敏电阻304主要用作温度检测、温度补偿、液体水平检测、风速检测、真空检测、浪涌电流保护、延迟等的装置，而目前最广泛被用为温度传感器。
参考图2更详细地描述NTC热敏电阻304的特性。当温度增加时，在NTC热敏电阻304中，电阻会降低。电阻降低是与NTC热敏电阻304的电阻系数有关。在图2中，三种类型的NTC热敏电阻304：R10K3000、R10K4000及R10K8000具有不同的电阻系数，故而取决于温度的增加，其具有不同的电阻降低。在本发明中，可以选择各种NTC热敏电阻中的一种或加入与如电阻等元件结合的电压分配电路，以让第一晶闸管306在预定温度时可以导通。
第一晶闸管306是称做硅控整流器(SCR)，其具有三个端子：正极、负极、及栅极。当施加栅极信号时，在正负极间流动电流。相反地，当不施加栅极信号时，正负极间不会有电流，而因此维持高电压。第一晶闸管306有四层结构，其包括P、N、P及N层，且其能承受6000V或以上的电压以及3000A或以上的控制电流。
在此，参考图8，其显示出第一晶闸管306的特性，当预定栅极电流Ig被施加在第一晶闸管306时，第一晶闸管306被导通，而因此使得电流Ia在正负极之间流动。
在图7中，虽然第一晶闸管306是被描述作为开关元件使用，但是也可使用依据预定的控制信号来短路或开路的任何开关元件。举例来说，对于本领域技术人员，其可清楚地知道，N型晶闸管、双栅极晶闸管、双向晶闸管(TRIAC)，栅极关断(GTO)晶闸管等均可被用作开关元件。
现在，参考图9与图10，将描述本发明第三示例性实施例中二次电池的保护装置302的操作。
NTC热敏电阻304可感应到因外部环境的改变、内部短路、外部撞击等而使得锂离子二次电池300经受产生热或暴露在高温环境下的状态。换句话说，当锂离子二次电池300在预定温度产生热且因此使得NTC热敏电阻304的电阻值被降低到预定电阻值时，NTC热敏电阻304会从锂离子二次电池300向第一晶闸管306的栅极端子提供控制电流I1。根据流过NTC热敏电阻304的控制电流I1而导通第一晶闸管306。
当第一晶闸管306导通时，锂离子二次电池300的两个端子电极短路，而因此使得锂离子二次电池300的电流I2流过第一晶闸管306。结果，锂离子二次电池300被强制放电。
如上所述，通过由NTC热敏电阻304与第一晶闸管306所简单组合而成的二次电池保护装置302，本发明的第三示例性实施例可限制因内部短路、外部撞击等而经受产生热或暴露在高温环境下的锂离子二次电池300的燃烧或爆炸。
现在，参考图11，将描述本发明第四实施例的二次电池保护装置。
锂离子二次电池400与二次电池保护装置402并联，其中，二次电池保护装置402是由MIT热敏电阻404与第二晶闸管406所组成。MIT热敏电阻404连接在锂离子二次电池400的正电极(+)与第二晶闸管406的栅极端子之间，而第二晶闸管406的正极与负极端子分别与锂离子二次电池400的负极与正极连接。
参考图5更详细地描述MIT热敏电阻404的特性。在MIT热敏电阻404中，电阻在预定温度时会骤降。电阻骤降点是与MIT热敏电阻404的电阻系数相关。换句话说，由于MIT热敏电阻404的电阻系数会因其类型而变化，因此电阻骤降时的温度也会不同。在本发明中，从各种MIT热敏电阻中任选一种，以使得第二晶闸管406在预定温度时可以导通。
在图11中，第二晶闸管406虽被描述作为开关元件，但是对于本领域技术人员来说，其可清楚地知道，也可使用依据预定的控制电流短路或开路的任何开关元件。
现在，参考图12与图13，将描述本发明第四示例性实施例中二次电池保护装置402的操作。
MIT热敏电阻404可感应到因外部环境的改变、内部短路、外部撞击等而使得锂离子二次电池400经受产生热或暴露在高温环境下的状态。换句话说，当锂离子二次电池400在预定温度时产生热且因此使得MIT热敏电阻404的电阻值被降低到预定电阻值时，MIT热敏电阻404从锂离子二次电池400向第二晶闸管406的栅极端子提供栅极电流I3。根据流过MIT热敏电阻404的栅极电流I3而导通第二晶闸管406。
当第二晶闸管406导通时，锂离子二次电池400的两个端子会短路，而因此使得锂离子二次电池400的电流I4流过第二晶闸管406。结果，锂离子二次电池400会被强制放电。
如上所述，通过由MIT热敏电阻404与第二晶闸管406所简单组合而成的二次电池保护装置402，本发明的第四示例性实施例可限制因内部短路、外部撞击等而产生热或暴露在高温环境下的锂离子二次电池400的燃烧或爆炸。
工业实用性
如上所述，依据本发明，当锂离子二次电池经受产生热或暴露在高温环境时，其会放电。因此，使用者在使用锂离子二次电池时可避免其燃烧或爆炸。
进一步，本发明的锂离子二次电池并非限制提供充电电流以防止热的产生，而是当经受产生热或暴露在高温环境下时放电。因此，即使当在充电状态的锂离子二次电池经受产生热或暴露在高温环境下时，也可以限制其燃烧或爆炸。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权力范围自应以权利要求范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (5)

1.一种保护二次电池的装置，该装置包括：
负温度系数(NTC)热敏电阻或金属绝缘体相变(MIT)热敏电阻，用以检测该二次电池的温度，并依据检测到的温度产生控制电流，所述负温度系数(NTC)热敏电阻或金属绝缘体相变(MIT)热敏电阻的一端与该二次电池的负极直接连接，而所述负温度系数(NTC)热敏电阻或金属绝缘体相变(MIT)热敏电阻的另一端与晶体管的基极端子直接连接；以及，
晶体管，用以连接该二次电池的两个端子，并依据该控制电流强制将该二次电池放电，
所述晶体管的发射极和集电极分别与所述二次电池的正极和负极直接相连。
2.如权利要求1所述的装置，其中：
该晶体管在提供控制电流时连接该二次电池的两个电极；以及
所述负温度系数(NTC)热敏电阻或金属绝缘体相变(MIT)热敏电阻检测该二次电池的温度，而且当检测到的温度比预定温度高时，提供该控制电流给该开关元件。
3.一种保护二次电池的装置，该装置包括：
晶闸管，其具有分别与该二次电池的两个端子直接连接的正极与负极，并在提供栅极电流时，使二次电池的两个端子短路；以及
负温度系数(NTC)热敏电阻或金属绝缘体相变(MIT)热敏电阻，用以检测该二次电池的温度，并在检测到的温度高于预定温度时，提供该栅极电流给该晶闸管，
其中所述负温度系数(NTC)热敏电阻或金属绝缘体相变(MIT)热敏电阻的一端直接连接到该二次电池的负极，而所述负温度系数(NTC)热敏电阻或金属绝缘体相变(MIT)热敏电阻的另一端直接连接至该晶闸管的栅极端子。
4.如权利要求3所述的装置，其中该晶闸管包括下列中的任意一种：硅控整流器(SCR)、N型晶闸管、双栅极晶闸管、双向晶闸管(TRIAC)、以及栅极关断(GTO)晶闸管。
5.一种二次电池，其包括权利要求1至4中任意一项所述的装置。
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