CN101399441A - 用于电池组的保护电路、电池组及操作该电池组的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于电池组的保护电路、电池组及操作该电池组的方法。一种保护电路，用于控制电池组在高温区域和低温区域中的充放电。该电池组受到保护，以免在高温区域中发生起火、燃烧或爆炸的风险，从而保护电池组的安全性。而且，该电池组的充电和放电在低温区域中得到控制，以防止不完全充电并增加电池的容量效率。

Description

用于电池组的保护电路、电池组及操作该电池组的方法

技术领域

本发明涉及用于电池组的保护电路、包括该保护电路的电池组以及操作该电池组的方法，更具体地说，本发明涉及一种用于电池组的保护电路、一种包括该保护电路的电池组以及一种操作该电池组的方法，在该方法中不仅控制高温区域中的充放电而且还控制低温区域中的充放电，使得充放电操作在高温和低温下均得到控制，并且效率和安全性得到保证。

背景技术

由于诸如笔记本电脑、移动电话之类的便携式终端已经被快速发展成小型和轻质的终端，因此用作这些终端的驱动电源的电池也日益需要是小型且具有高容量的电池。特别是，由于锂二次电池具有3.6V或更高的工作电压，该工作电压是镍镉电池或镍氢电池的工作电压的三倍高，并且锂二次电池具有高的每单位重量的能量密度，因此锂二次电池在使用方面已经得到快速扩展。

不过，在锂二次电池被充电到4.5V或4.5V以上时，电池内的电解液被分解，从而产生气体。然后，这些气体使电池的内部压力增加，从而使电解液漏出。而且，在电池被放电到一预定电压以下时，作为负集电体的铜开始在电解液中熔化，从而恶化电池的性能。

此外，考虑到电池的化学特性，一旦经受过充电、过放电或由端子之间的短路引起的过电流，起火、爆裂或爆炸的风险就会很高。

因此，二次电池在包括裸电池的同时还包括保护电路模块。裸电池是通过将由正极板、负极板和隔板组成的电极组件设置到由铁或铝材料制成的罐中，利用盖组件完成该罐，将电解液注入罐中，以及密封罐来形成的。

保护电路模块防止发生由于过充电、过放电或过电流引起的事故，从而保证安全性和可靠性。在裸电池被形成之后，保护电路模块被设置在裸电池的外部并且被电连接至该裸电池。

保护电路模块包括位于印刷电路板的形成有布线图的一侧上的保护电路器件和电极端子，以及位于印刷电路板的另一侧上以被连接至用于使用二次电池的端子的外部连接端子。印刷电路板和裸电池通过将印刷电路板的正端子和负端子分别连接至裸电池的正端子和负端子的正引线板和负引线板被互相连接。

在裸电池和保护电路模块被互相连接时，该裸电池和该保护电路模块之间的空间被树脂填充之后，二次电池被贴上标签或者被放入外部壳体中，从而形成电池组。电池组被放置在便携式终端中进行使用。

在常规电池组中，当电池通过外部端口被连接至外部电源设备或负载时，充电或放电操作发生。电池与外部端口之间的路径为用作充放电路径的高电流路径，有相当高的电流流过该路径。

在电源设备被连接至外部端口时，充电操作发生。然后，从外部端口、充电元件、温度保险丝、保险丝到电池连接成充电路径。

在负载被连接至外部端口时，放电操作发生。然后，从电池、保险丝、温度保险丝、放电元件、外部端口到负载连接成放电路径。

也就是说，充放电元件根据充电或放电模式交替操作充电元件或放电元件。

电池将其内部信息输出到一次保护电路和二次保护电路。该内部信息包括单电池相关信息，例如单电池的温度、单电池的电荷电势及单电池中流动的电流的强度。传感电阻器(sensor resistance)检测过充电、过放电或过电流的发生，并将检测信息传送给一次保护电路和二次保护电路

一次保护电路根据从电池提供的单电池相关信息以及从传感电阻器提供的检测信息来控制充放电元件。二次保护电路根据从电池提供的单电池相关信息以及从传感电阻器提供的检测信息来控制是否熔断保险丝。

在充放电元件的温度被检测并超过额定温度时，温度保险丝的两端都断开，以防止充放电元件由于异常现象引起的起火、燃烧或爆炸。

在具有前述结构的常规电池组中，提供了一种用于检测高温区域中的异常操作的装置，但是没有任何用于解决低温区域中发生的问题的装置。

此外，电池单元的放电容量的效率在60℃时为95％，在20℃时为100％，在0时为80％，在-10℃时为70％，在-20℃时为40％。因此，一旦在低温(低于0℃)下充电，电池单元就可能受到直接损坏，并且在较低温下工作时，由于工作在40％到80％的效率，因此电池单元被非常快地放电。结果，在常规电池单元中，由于电池未被完全充电，因此电池的容量效率明显降低并且存在不便。

发明内容

因此，本发明在于提供一种用于电池组的保护电路、一种具有该保护电路的电池组以及一种操作该电池组的方法，以用于不仅控制高温区域中的充放电而且还控制低温区域中的充放电，使得充放电在高温和低温下均得到控制，并且效率和安全性得到保证。

在本发明的一方面，一种用于电池组的保护电路包括：充放电元件单元，被设置在电池组的高电流路径中；温度传感器，被设置在所述电池组的一侧，用于检测电池的温度；和一次保护电路，被连接至所述温度传感器和所述充放电元件单元，用于依据所述温度传感器检测到的温度是否在参考工作温度的范围内来控制所述充放电元件单元。

在本发明的另一方面，一种电池组包括：电池，包括一个或多个裸电池；保护电路，被电连接至所述电池，并包括充放电元件单元、温度传感器和一次保护电路，该一次保护电路用于依据所述温度传感器检测到的所述电池的温度是否在参考工作温度的范围内来控制所述充放电元件单元；和外部端子，用于将所述电池电连接至外部电源或负载。

在本发明的又一方面，一种操作电池组的方法包括：检测电池的温度；确定电池组是被充电还是被放电；一旦所述电池组在被充电，就比较检测到的温度和充电期间的预定参考工作温度并判断检测到的温度是否在所述参考工作温度的范围内，并且一旦所述电池组在被放电，就比较检测到的温度和放电期间的预定参考工作温度并判断检测到的温度是否在所述参考工作温度的范围内；一旦所述电池组在被充电并且检测到的温度在用于充电的所述参考工作温度的范围内，就输出正常操作信号，一旦所述电池组在被充电并且检测到的温度不在用于充电的所述参考工作温度的范围内，就输出异常操作信号，并且一旦所述电池组在被放电并且检测到的温度在用于放电的所述参考工作温度的范围内，就输出正常操作信号，一旦所述电池组在被放电并且检测到的温度不在用于放电的所述参考工作温度的范围内，就输出异常操作信号；以及根据充电期间的所述正常操作信号接通充电元件或者根据充电期间的所述异常操作信号断开所述充电元件，并且根据放电期间的所述正常操作信号接通放电元件或者根据放电期间的所述异常操作信号断开所述放电元件。

因此，用于电池组的保护电路和具有该保护电路的电池组包括温度传感器，以用于测量电池的温度，并依据该温度传感器检测到的温度来控制充放电元件单元，使得所述电池组受到保护，以免在高温区域中工作时发生起火、燃烧或爆炸的危险，从而保证安全，并使得充放电在低温区域中得到控制，从而防止不完全充电并改进电池的容量效率。

附图说明

通过参考以下结合附图所考虑的详细描述，对本发明更全面的理解以及本发明的附带优点将变得更好理解并容易显而易见，在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的部件，其中：

图1是根据本发明实施例的包含在电池组中的裸电池的分解透视图；

图2是根据本发明实施例的电池组的框图；以及

图3是根据本发明实施例的用于阐述操作电池组的方法的流程图。

具体实施方式

下文中，将结合附图对本发明进行更全面的描述，附图中示出了本发明的示例性实施例。不过，本发明可以以多种不同的形式来具体实现，而不应被看作是局限于此处所给出的实施例。实际上，所提供的这些实施例是为了使本公开内容更充分和更完整，并向本领域技术人员充分表达本发明的范围。

图1是根据本发明实施例的包含在电池组中的裸电池的分解透视图。在本实施例中，该裸电池具有方形形状，但本发明不局限于此。因此，该裸电池可以具有圆柱形状或袋形状。

进一步，在电池组被形成以安装到设备上时，该电池组被形成为硬包装或内包装。由于本发明并不局限于这其中的任何一种，因此可以应用于硬包装和内包装。

参见图1，裸电池包括电极组件100、具有开口顶部以用于容纳电极组件100和电解液的罐200，以及用于封闭罐200并被电连接至电极组件100的盖组件300。

电极组件100是通过堆叠和卷绕正极板110、负极板120和隔板130来形成的。正极板110是通过利用正活性物质涂覆正电极集电体来形成的，负极板120是通过利用负活性物质涂覆负电极集电体来形成的。隔板130被插置在正极板110和负极板120之间，以防止这两个极板110和120之间的短路，并使电解离子能够移动。

正极板110和负极板120中每个极板的一侧均包括未利用正活性物质和负活性物质涂覆的非涂覆部分。非涂覆正电极部分和非涂覆负电极部分被分别连接至正电极接线片140和负电极接线片150。

在图1中，正电极接线片140和负电极接线片150均伸出到罐200之上。不过，正电极接线片140或负电极接线片150可以向罐200向下伸出，以被电连接至罐200。

罐200可以由金属材料制成，且该罐的顶部打开。优选地，轻质且柔韧的铝、不锈钢等可以用作该金属材料，使得在罐200接触正电极接线片140或负电极接线片150时，罐200能够执行端子的功能。

被连接至罐200的开口顶部的盖组件300包括电极端子310、绝缘壳体320、端子板330、绝缘板340、盖板350、绝缘垫圈360以及用于电解液注入孔的塞子370。

盖板350为具有与罐200的顶部的开口对应的尺寸和形状的金属板。具有预定尺寸的端子通孔352以及电解液注入孔354被形成在盖板350中。安全通风口(未示出)可以进一步被形成在盖板350中。

电解液注入孔354用于注入电解液，以使锂离子流畅地移动到容纳电极组件100的罐200中。在罐200利用盖组件300被封闭之后，电解液通过电解液注入孔354被注入，而且电解液注入孔354利用塞子370被封闭，使得罐200被封闭。

端子通孔352用于插入电极端子310。电极端子310通过端子通孔352被电连接至盖板330，而且由具有高绝缘特性的橡胶或非导电材料制成的绝缘垫圈360被设置在电极端子310的外部，以使电极端子310与盖板350绝缘。

绝缘板340和端子板330被顺序设置在盖板350的下方。端子板330被电连接至电极组件100的负电极接线片150，使得电极端子310和负电极接线片150彼此被电连接。绝缘板340将端子板330与盖板350电绝缘，使得即使盖板350被电连接至电极组件100的正电极接线片140时，也不会发生短路。

绝缘壳体320设置在电极组件100的顶部，以固定电极组件100的正电极接线片140和负电极接线片150。绝缘壳体320可以由诸如聚丙烯(PP)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)或改性聚苯醚(PPO)之类的绝缘聚合物树脂制成。为了提供用于支撑端子板330和绝缘板340的空间，可以在绝缘壳体320的边缘上形成支撑件。

图2是根据本发明实施例的电池组的框图。该电池组包括电池400、保护电路500和用于将电池400电连接至外部电源或负载的外部端子P⁺和P^-。

电池400可以由一个或多个能够充放电的裸电池构成。如参见图2所描述的那样，所述裸电池可以具有方形形状、圆柱形状或袋形状。此外，所述裸电池将其内部信息输出到一次保护电路510和二次保护电路520，所述内部信息也就是单电池相关信息，包括单电池的电荷电势和在单电池中流动的电流的强度。

外部端子P⁺和P^-被电连接至电池400，并由待连接至电池400的正极(未示出)和负极(未示出)的正电极P⁺和负电极P^-形成。外部端子P⁺和P^-通过将电池400连接至外部电源或负载来便于电池400的充电或放电。更具体地说，在外部电源设备被连接至外部端子P⁺和P^-时，电池400被充电，而在负载被连接至外部端子P⁺和P^-时，电池400被放电。

保护电路是通过将电气元件利用点焊接或软钎焊设置在印刷电路板(PCB)上来形成的。本发明的保护电路500包括一次保护电路510、二次保护电路520、充放电元件单元530、温度传感器540、温度保险丝550、保险丝560和传感电阻器570。

除了包括图2中所示的FET驱动单元510、比较器514和参考设置单元516以外，一次保护电路510还可以进一步包括其它组成元件。在该一次保护电路包括组成元件512、514和516以阐述本发明的思想时，不论其它附加组成元件如何，都应该被视为在本发明的范围之内。

一次保护电路510从电池400和传感电阻器570接收信号。在过放电、过充电或过电流发生时，一次保护电路510控制充放电元件单元530，以中断电流的流动，使得充电或放电不被进行。

而且，一次保护电路510接收设置在电池400附近的温度传感器540测量到的电池400的温度，利用比较器514比较测量到的温度与参考设置单元516设置的温度，来确定温度是否正常，并且相应地，通过驱动FET驱动单元512来控制充放电元件单元530。

也就是说，在比较温度传感器540测量到的温度与参考设置单元516设置的参考工作温度，并且结果是测量到的温度在电池400的参考工作温度的范围内时，一次保护电路510控制充放电元件单元530以正常执行充放电操作。不过，在测量温度不在参考工作温度的范围内时，一次保护电路510控制充放电元件单元530以不执行充放电操作。

FET驱动单元512被连接至充放电元件单元530的放电元件531和充电元件533。FET驱动单元512接收由比较器514确定的温度是否正常的信息，控制充电元件533以在充电时控制充电操作，并且控制放电元件531以在放电时控制放电操作。

比较器514被连接至温度传感器540和参考设置单元516。在比较从温度传感器540接收到的电池400的温度与从参考设置单元516接收到的参考工作温度时，比较器514向FET驱动单元512输出正常操作信号或异常操作信号作为比较的结果。

参考设置单元516设置电池400的参考工作温度，并将该参考工作温度输出到比较器514。由参考设置单元516设置的电池400的参考工作温度可以依据电池的应用场合进行各种设置。优选地，参考工作温度可以在充电时被设置为0℃到45℃，并且在放电时被设置为-20℃到60℃，不过并不局限于这些温度。可以通过控制参考设置单元516来设置各种温度。

相应地，由于一次保护电路510能够基于从温度传感器540输入的信号以及从电池400和传感电阻器570输入的信号来控制充放电元件单元530，因此一次保护电路510能够依据参考设置单元516设置的温度在高温和低温下控制充放电元件单元530。因此，一次保护电路510不但防止高温区域中的异常操作而且还防止低温区域中的单电池损坏以及效率的恶化。

而且，由于一次保护电路510不仅能够控制诸如保险丝之类的断了就无法再使用的一次性元件，而且还能够控制充放电元件单元530，因此，一次保护电路510防止由于温度的暂时升高导致电池组无法使用。

然而，在由于短路或其它原因使得电池组内流动有高电流时，电流的流动需要被快速中断以停止温度的快速升高，或者具有暂时性的风险的电池组需要被丢弃，一次保护电路510可以形成为有意控制诸如保险丝之类的一次性元件，使得电池组被断开。

二次保护电路520响应于从电池400和传感电阻器570输入的信号工作。在诸如过电流之类的异常操作发生时，二次保护电路520通过熔断设置在位于电池400和外部端子P⁺之间的或位于电池400和外部端子P^-之间的高电流路径中的保险丝560来中断电流的流动，以防止电池组起火、燃烧或爆炸。

充放电元件单元530包括放电元件531和充电元件533。放电元件531和充电元件533被连接至一次保护电路510的FET驱动单元512。根据FET驱动单元512的信号，放电元件531在放电期间被接通，充电元件533在充电期间被接通，以执行充电和放电操作。

进一步，当诸如过放电、过充电或过电流之类的异常操作发生时，充电元件531和放电元件533通过FET驱动单元512的控制信号被断开，以停止充电和放电操作。

放电元件531和充电元件533由MOS场效应晶体管(MOSFET)组成，并且可以是N型MOSFET或P型MOSFET。

温度传感器540的一端被连接至电池400，而温度传感器540的另一端被连接至一次保护电路510的比较器514，以检测电池400的温度，并将检测到的温度传送到比较器514。温度传感器540使用能够将环境温度的变化转化为电阻、电压或电流的变化的元件，并且可以使用正特性热元件或负特性热元件。

温度保险丝550被设置成靠近充放电元件单元530。在充放电元件单元530过热以使温度升高时，温度保险丝550通过检测充放电元件单元530的温度来中断电流的流动，以防止充放电元件单元530由于过热而被损坏，从而保证电池组的安全性。

保险丝560被设置在充放电元件单元530和外部端子P⁺之间。在过充电、过放电或由于外部短路引起过电流时，保险丝560被强制熔化以断开电路，从而中断电流的流动。保险丝560被连接至二次保护电路520并根据二次保护电路520的控制信号工作。保险丝560可以是自控式保护器(SCP)。

优选地，考虑到制造普通电池组的工艺所使用的温度在110℃以下，并且在电池组内的温度超过130℃时可能产生热或由于膨胀现象而爆炸，因此保险丝560可在110℃到130℃的范围内被熔化或熔断。

传感电阻器570被设置在电池400和外部端子P-之间，并被连接至一次保护电路510和二次保护电路520，以检测在高电流路径中流动的电流并将该电流提供给一次保护电路510和二次保护电路520。

此外，由于传感电阻器570的电阻值是已知的，因此在检测到提供给传感电阻器570的电压时，不仅电池400的充放电电压被间接检测到，而且充放电电流和外部短路也被间接检测到。

以下参见图3对根据本发明实施例的操作电池组的方法进行描述。

温度传感器540持续检测电池400的温度，并将检测到的温度传送给比较器514。比较器514将检测到的温度与参考设置单元516提供的参考工作温度进行比较。

在电池被充电并且检测到的温度在0℃到45℃的充电参考工作温度的范围内时，比较器514将正常操作信号输出到FET驱动单元512，FET驱动单元512响应于该正常操作信号接通充电元件533，使得充电被进行。在检测到的温度不在0℃到45℃的充电参考工作温度的范围内时，比较器514将异常操作信号输出到FET驱动单元512，FET驱动单元512响应于该异常操作信号断开充电元件533，使得充电不被进行。

此外，在电池被放电并且检测到的温度在-20℃到60℃的放电参考工作温度的范围内时，比较器514将正常操作信号输出到FET驱动单元512，FET驱动单元512响应于该正常操作信号接通放电元件531，使得放电被进行。在检测到的温度不在-20℃到60℃的放电参考工作温度的范围内时，比较器514将异常操作信号输出到FET驱动单元512，FET驱动单元512响应于该异常操作信号断开放电元件533，使得放电不被进行。

相应地，由于根据本发明实施例的用于电池组的保护电路、具有该保护电路的电池组包括温度传感器，以用于测量包括一个或多个裸电池的电池的温度，因此基于温度传感器检测到的温度来控制充放电元件单元。该电池组避免在高温区域中工作时的起火、燃烧或爆炸的风险，从而电池组的安全性得到保证。进一步，由于该电池能够控制充放电以不在低温区域中进行，因此解决充电不完全进行的问题并增加了电池容量的效率。

Claims (18)

1、一种用于电池组的保护电路，包括：

充放电元件单元，被设置在所述电池组的高电流路径中；

温度传感器，被设置在所述电池组的一侧，用于检测电池的温度；和

一次保护电路，被连接至所述温度传感器和所述充放电元件单元，用于基于所述温度传感器检测到的温度是否在参考工作温度的范围内来控制所述充放电元件单元。

2、根据权利要求1所述的保护电路，其中所述一次保护电路包括：

参考设置单元，用于输出充电和放电时的所述参考工作温度；

比较器，被连接至所述温度传感器和所述参考设置单元，用于将所述参考工作温度与所述温度传感器检测到的温度进行比较并输出异常操作信号或正常操作信号；和

FET驱动单元，被连接至所述比较器和所述充放电元件单元，用于响应于所述异常操作信号或所述正常操作信号来控制所述充放电元件单元。

3、根据权利要求1所述的保护电路，其中所述充放电元件单元包括充电元件和放电元件。

4、根据权利要求3所述的保护电路，其中所述充电元件和所述放电元件为MOS场效应晶体管。

5、根据权利要求1所述的保护电路，其中所述温度传感器为用于将环境温度的变化转换为电阻、电压或电流的变化的元件。

6、根据权利要求2所述的保护电路，其中充电期间的所述参考工作温度为0℃到45℃，并且放电期间的所述参考工作温度为-20℃到60℃。

7、一种电池组，包括：

电池，包括一个或多个裸电池；

保护电路，被电连接至所述电池，并包括充放电元件单元、温度传感器和一次保护电路，该一次保护电路用于基于所述温度传感器检测到的所述电池的温度是否在参考工作温度的范围内来控制所述充放电元件单元；和

外部端子，用于将所述电池电连接至外部电源或负载。

8、根据权利要求7所述的电池组，其中所述裸电池为方形形状、圆柱形状或袋形状。

9、根据权利要求7所述的电池组，其中所述一次保护电路包括：

参考设置单元，用于输出充电和放电期间的所述参考工作温度；

比较器，被连接至所述温度传感器和所述参考设置单元，用于将所述参考工作温度与所述温度传感器检测到的温度进行比较并输出异常操作信号或正常操作信号；和

FET驱动单元，被连接至所述比较器和所述充放电元件单元，用于响应于所述异常操作信号或所述正常操作信号来控制所述充放电元件单元。

10、根据权利要求7所述的电池组，其中所述充放电元件单元包括充电元件和放电元件。

11、根据权利要求10所述的电池组，其中所述充电元件和所述放电元件为MOS场效应晶体管。

12、根据权利要求7所述的电池组，其中所述保护电路进一步包括：

温度保险丝，被连接至所述充放电元件单元，用于检测温度并在所述充放电元件单元过热时中断电流的流动；

传感电阻器，被设置在所述电池和所述外部端子之间；和

二次保护电路，用于基于从所述电池和所述传感电阻器提供的信号来控制所述保险丝，其中所述传感电阻器被连接至所述一次保护电路和二次保护电路，并且所述传感电阻器用于检测高电流路径中流动的电流并将该电流提供给所述一次保护电路和所述二次保护电路。

13、根据权利要求12所述的电池组，其中所述一次保护电路基于来自所述电池和所述传感电阻器的信号来控制所述充放电元件单元。

14、根据权利要求7所述的电池组，其中所述温度传感器为用于将环境温度的变化转换为电阻、电压或电流的变化的元件。

15、根据权利要求14所述的电池组，其中所述温度传感器为正特性热元件或负特性热元件。

16、根据权利要求9所述的电池组，其中充电期间的所述参考工作温度为0℃到45℃，并且放电期间的所述参考工作温度为-20℃到60℃。

17、一种操作电池组的方法，该方法包括：

检测电池的温度；

确定电池组是被充电还是被放电；

一旦所述电池组在被充电，就比较检测到的温度和预定充电参考工作温度并判断检测到的温度是否在该参考工作温度的范围内，并且一旦所述电池组在被放电，就比较检测到的温度和预定放电参考工作温度并判断检测到的温度是否在该参考工作温度的范围内；

在所述电池组在被充电时，一旦检测到的温度在所述充电参考工作温度之内，就输出正常操作信号，并且一旦检测到的温度不在所述充电参考工作温度之内，就输出异常操作信号；在所述电池组在被放电时，一旦检测到的温度在所述放电参考工作温度之内时，就输出正常操作信号，并且一旦检测到的温度不在所述放电参考工作温度之内时，就输出异常操作信号；以及

在充电期间，基于所述正常操作信号接通充电元件或者基于所述异常操作信号断开所述充电元件，并且在放电期间，基于所述正常操作信号接通放电元件或者基于所述异常操作信号断开所述放电元件。

18、根据权利要求17所述的方法，其中充电期间的所述参考工作温度为0℃到45℃，并且放电期间的所述参考工作温度为-20℃到60℃。

Images