CN112072190B - 二次电池及其保护元件 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及二次电池及其保护元件。该二次电池通过第一输出端子和第二输出端子以连接至一外部电路。该二次电池包括蓄电装置、多个保护电路及开关元件。各保护电路包括两个熔丝、加热器及整流元件。该加热器用于加热熔断该熔丝，该两个熔丝串联，该加热器和该整流元件的一端连接于该两个熔丝之间的连接点，该加热器和该整流元件并联。各保护电路中两个熔丝的串联电路彼此并联。开关元件连接该加热器和该整流元件的另一端。各保护电路的两个熔丝中的一个熔丝连接该第一输出端子，该开关元件连接该第二输出端子。

Description

二次电池及其保护元件
技术领域
本发明涉及可反复充放电的二次电池(secondary battery)的技术领域，特别涉及二次电池及其保护元件。
背景技术
移动电话或便携式个人电脑中使用的二次电池，例如锂电池，都会搭配保护电路的设计。随着充电容量的增大，保护电路的设计更为复杂且要求更高。近年来为因应各种大小的额定电流，出现了将保护电路加以并联的需求。
图1显示现有技术的二次电池101，包括具有可充放电的蓄电装置105、开关元件104及控制电路106及三个保护电路U1～U3。二次电池101具有第一输出端子111和第二输出端子112。于该第一输出端子111和第二输出端子112之间，连接由负载(load)或直流(DC)电压源所构成的外部电路110。当蓄电装置105未充电，且由直流电压源构成的外部电路110连接于第一输出端子111和第二输出端子112之间时，蓄电装置105通过外部电路110进行充电。相反地，在蓄电装置105已被充电的情况时，若使第二输出端子112成为接地电位，自第一输出端子111输出正电压，在第一输出端子111和第二输出端子112之间连接由便携式电脑等负载所构成的外部电路110时，即从蓄电装置105经由熔丝供给电力至外部电路110。
各保护电路U1～U3具有加热器以及串联的两个熔丝。此串联两个熔丝的电路连接第一输出端子111与蓄电装置105的正电压侧。加热器的一端连接于两个熔丝之间的连接点，另一端则通过开关元件104连接于第二输出端子112以及蓄电装置105的负电压侧。保护电路U1～U3中的各加热器包括两个并联的电阻加热元件。开关元件104由控制电路106控制，当控制电路106检测到第一输出端子111和第二输出端子112之间有过电压时，输出控制信号至该开关元件104使其导通。供自外部电路110的电流和供自蓄电装置105的电流分别流过左、右熔丝。此二电流流过加热器内的电阻发热元件使其发热。电阻发热元件配置于接近熔丝的位置，熔丝因电阻发热元件的发热而熔断，使自外部电路110流入的电流及蓄电装置105的放电所产生的电流二者均停止。
相对于此，当第一输出端子111和第二输出端子112之间短路时，虽然控制电路106不作动，开关元件104仍为断路状态，但蓄电装置105的两端成为短路状态，自蓄电装置105放出短路电流。当短路电流流过该两个熔丝时，熔丝自行发热，不过无法决定究竟是连接蓄电装置105侧的熔丝会熔断，还是连接第一输出端子111侧的熔丝会熔断，或是两个熔丝都熔断。
在所有保护电路U1～U3内，当蓄电装置105侧的熔丝全部熔断时，蓄电装置105的正电压侧不与外界形成导通，蓄电装置105的放电停止。另一方面，在所有保护电路U1～U3内，当第一输出端子111侧的熔丝全部熔断时，第一输出端子111和所有保护电路U1～U3隔离，使蓄电装置105的正电压侧的输出端子仅连接于开关元件104。此时，由于开关元件104不导通，故蓄电装置105的放电停止。
在所有保护电路U1～U3内、两个熔丝中任一方全部熔断时，虽然放电电流会停止，然而，如图2所示，若存在第一输出端子111侧的熔丝熔断的保护电路U1、与蓄电装置105侧的熔丝熔断的保护电路U2的话，蓄电装置105的正电压侧端子，会通过保护电路U1内蓄电装置105侧的熔丝和加热器，以及保护电路U2内的加热器和第一输出端子111侧的熔丝，连接于第一输出端子111。因此，此导电路径会继续流过残留电流I101。由于受到保护电路U1和U2两个加热器的电阻来限制其电流，等于电阻加倍，保护电路U1和U2中加热器的跨电压减半，所以I101的电流会减小，使得加热器的发热不足以熔断熔丝。此外，两个熔丝亦不会自行发热到熔断程度，故在蓄电装置105完全放电之前残留电流I101不会停止。
参照图3，美国专利US7,333,315公开一种二次电池102。该二次电池102的电路结构类似于前述二次电池101，但各保护电路U1～U3的加热器的端子tc另外连接二极管D1～D3。因为二极管D1～D3只允许电流单向流动，故电流只能从加热器经二极管D1～D3流出，而无法自二极管D1～D3反向流入加热器。因此，相较于图2的电路结构，图3中U2不再存在可供流入其中加热器的电流路径，而得以避免残留电流。然而，二极管D1～D3通常外设于各保护电路U1～U3之外，除了增加电路复杂度，也较不利于模块化。
发明内容
本发明公开一种二次电池，针对二次电池中并联保护电路潜在的残留电流问题，提出解决方案。于保护电路中加上整流元件，使得蓄电装置仍提供足够大的电流能够将剩余的熔丝加以熔断，从而停止电流传输。
根据本发明的第一方面，公开一种二次电池，该二次电池通过第一输出端子和第二输出端子以连接至一外部电路。该二次电池包括蓄电装置、多个保护电路及开关元件。各保护电路包括两个熔丝、加热器及整流元件。该加热器用于加热熔断该熔丝，该两个熔丝串联，该加热器和该整流元件的一端连接于该两个熔丝之间的连接点，该加热器和该整流元件并联。各保护电路中两个熔丝的串联电路彼此并联。开关元件连接该加热器和该整流元件的另一端。各保护电路的两个熔丝中的一个熔丝连接该第一输出端子，该开关元件连接该第二输出端子。
一实施例中，该整流元件为二极管。
一实施例中，各保护电路中的二极管顺向导通时，电流不流经与其并联的加热器。
一实施例中，该二极管的阳极连接该开关元件，该二极管的阴极连接该保护电路的两个熔丝之间的连接点。
一实施例中，该两个熔丝的串联电路连接于该蓄电装置的正电压侧。
一实施例中，该二极管的阴极连接该开关元件，该二极管的阳极连接该保护电路的两个熔丝之间的连接点。
一实施例中，该两个熔丝的串联电路连接于该蓄电装置的负电压侧。
一实施例中，该整流元件为MOS开关。
一实施例中，该二次电池另包括一控制电路以控制该开关元件，当该控制电路检测到异常时，发出信号使得该开关元件导通。
一实施例中，若各保护电路的熔丝不熔断在同一侧，连接该第一输出端子的熔丝已熔断而连接该蓄电装置的熔丝未熔断的保护电路中，电流通过其加热器，从而加热熔断连接该蓄电装置的熔丝。
根据本发明的第二方面，公开一种二次电池的保护元件。该保护元件可制作成表面粘着元件(SMD)形式，并以多个并联于蓄电装置和外接电路之间，提供过电流或过电压异常发生时的保护。保护元件包括两个熔丝、加热器及整流元件。该两个熔丝连接至一连接点，从而串联形成串联电路。该串联电路的两端分别连接第一外接电极和第二外接电极。该加热器用于加热熔断该熔丝。该加热器的一端连接于该连接点，一端连接第三外接电极。该整流元件与该加热器并联。
一实施例中，该保护元件中的整流元件为二极管。
一实施例中，该二极管的阳极连接该第三外接电极，该二极管的阴极连接该连接点。
本发明的二次电池包括多个保护电路，其中各保护电路中将整流元件并联于各自保护电路中的加热器。当保护电路中整流元件顺向导通时可将电流导向流经该整流元件，避免流经加热器，使得其他保护电路的加热器仍有相同的跨电压而能发热进一步将未熔断的熔丝熔断，达到各保护电路同一侧的熔丝熔断的效果，提供有效过电流或过电压保护。
附图说明
图1显示现有的二次电池的电路示意图。
图2显示图1的二次电池可能产生的残留电流。
图3显示另一种现有的二次电池的电路示意图。。
图4显示本发明一实施例的二次电池的电路示意图。
图5显示图4的二次电池中部分熔丝熔断的电流路径。
图6显示图5的二次电池中电流所导致的后续电路状态。
图7显示本发明另一实施例的二次电池的电路示意图。
图8显示本发明又一实施例的二次电池的电路示意图。
图9显示本发明一实施例的二次电池的保护元件。
图10显示本发明再一实施例的二次电池的电路示意图。
图11显示图10的二次电池中部分熔丝熔断的电流路径。
附图标记说明：
10、20、30、50 二次电池
11 蓄电装置
12 开关元件
13 控制电路
14 外部电路
21 第一输出端子
22 第二输出端子
40 二次电池的保护元件
41、42 熔丝
43 加热器
44 整流元件
101、102 二次电池
104 开关元件
105 蓄电装置
106 控制电路
110 外部电路
111 第一输出端子
112 第二输出端子
U1、U2、U3 保护电路
D1、D2、D3 整流元件
T1 第一外接电极
T2 第二外接电极
T3 第三外接电极
P 连接点
具体实施方式
为让本发明的上述和其他技术内容、特征和优点能更明显易懂，下文特举出相关实施例，并配合说明书附图，作详细说明如下。
图4表示本发明一实施例的二次电池的电路示意图。二次电池10包括蓄电装置11、多个保护电路U1、U2和U3、开关元件12及控制电路13。保护电路U1具有串联的两个熔丝、一端连接于该两个熔丝之间连接点的加热器、以及与加热器并联的一个整流元件D1。保护电路U2具有串联的两个熔丝、一端连接于该两个熔丝之间连接点的加热器、以及与加热器并联的一个整流元件D2。保护电路U3具有串联的两个熔丝、一端连接于该两个熔丝之间连接点的加热器、以及与加热器并联的一个整流元件D3。各保护电路U1、U2和U3的内部构造实质相同，各保护电路U1、U2和U3中两个熔丝的串联电路彼此并联。一实施例中，加热器包括并联的两个电阻发热元件。开关元件12连接各保护电路U1、U2和U3中该加热器和该整流元件D1、D2和D3的一端。一实施例中，整流元件D1、D2和D3为二极管，例如肖特基二极管。整流元件D1、D2和D3还包括其他仅允许电流单向流通的元件，例如MOS开关。整流元件D1、D2和D3的阳极连接该开关元件12，通过开关元件12电连接于第二输出端子22及蓄电装置11的负电压侧的端子。整流元件D1、D2和D3的阴极连接该保护电路U1、U2和U3的两个熔丝之间的连接点。因为二极管具有电流单向流通的特性，电流只能流向各保护电路U1、U2和U3中两个熔丝中间的连接点，而无法反向流动。
二次电池10包括第一输出端子21和第二输出端子22。于该第一输出端子21和第二输出端子22之间，连接由负载(load)或直流(DC)电压源所构成的外部电路14。蓄电装置11可进行充放电，当蓄电装置11未充电，且由直流电压源构成的外部电路14连接于第一输出端子21和第二输出端子22之间时，蓄电装置11通过外部电路14进行充电。在蓄电装置11已被充电的情况时，若使第二输出端子22成为接地电位，自第一输出端子21输出正电压，在第一输出端子21和第二输出端子22之间连接由便携式电脑等负载所构成的外部电路14时，即从蓄电装置11放电供给电力至外部电路14。当第一输出端子21和第二输出端子22之间短路时，短路电流流过熔丝，熔丝自行发热而熔断。
各保护电路U1～U3中串联两个熔丝的电路连接第一输出端子21与蓄电装置11的正电压侧，加热器的一端即连接于两个熔丝之间的连接点，另一端则通过开关元件12连接于第二输出端子22以及蓄电装置11的负电压侧。开关元件12由控制电路13控制，当控制电路13检测到第一输出端子21和第二输出端子22之间有过电压时，输出控制信号至该开关元件12使其导通。供自外部电路14的电流和供自蓄电装置11的电流分别流过左、右熔丝。理想状况下，此二电流流过加热器内的电阻发热元件使其发热。加热器中的电阻发热元件配置于接近熔丝的位置，熔丝因电阻发热元件的发热而熔断，使自外部电路14流入的电流及蓄电装置11的放电所产生的电流均停止。
然而，当开关元件12导通，各保护电路U1～U3中，电流流过加热器内的电阻发热元件使其发热，熔丝会因电阻发热元件的发热而熔断，但不能确定是连接第一输出端子21侧的熔丝或是连接蓄电装置11侧的熔丝熔断。如图5所示，若保护电路U1中蓄电装置11侧的熔丝熔断，且保护电路U2中第一输出端子21侧的熔丝熔断时，自蓄电装置11的正电压侧端子、保护电路U2中右侧未熔断的熔丝和加热器、保护电路U1中整流元件D1、保护电路U1左侧的熔丝、第一输出端子21至外部电路14仍形成导电路径，使得蓄电装置11仍有电流I10流至外部电路14。参照图6，因为保护电路U1中加热器的电阻远大于整流元件D1的电阻，且因为两者并联，电流会流经电阻较小的整流元件D1。图5中电流I10的路径上只会经过保护电路U2的加热器，因此保护电路U2中加热器的两端仍保持原来的跨电压，使得保护电路U2中的加热器仍能有效发热，从而熔断保护电路U2中蓄电装置11侧的熔丝。保护电路U3同样先在第一输出端子21侧的熔丝熔断，且因为保护电路U3和保护电路U2中加热器彼此并联而有相同跨电压，故保护电路U3中的加热器同样也能熔断蓄电装置11侧的熔丝。如此一来，保护电路U1～U3中的同一侧(右侧)熔丝全部熔断，故蓄电装置11不再输出电流至外部电路14，亦即不再放电。
实务上，提供U1～U3保护电路有已经商品化的三端保护元件，各保护元件包括熔丝和加热器。本发明的一实施例中，保护电路U1～U3可以将整流元件D1～D3并入，如图7所示的二次电池20。各保护电路U1～U3包括两个熔丝、加热器和整流元件D1～D3。各保护电路U1～U3中的各加热器包括两个并联的电阻加热元件。保护电路U1中，加热器和整流元件D1彼此并联。保护电路U2中，加热器和整流元件D2彼此并联。保护电路U3中，加热器和整流元件D3彼此并联。各保护电路U1～U3中的加热器也可以只包括一个电阻加热元件来加热熔断熔丝，如图8所示的二次电池30。
图8所示的保护电路U1～U3可制作外接电极形成相应的保护元件，例如制作成SMD形式的保护元件。参照图9，二次电池的保护元件40包括两个熔丝41和42、加热器43和整流元件44。该两个熔丝41和42连接至一连接点P，从而串联形成串联电路。该串联电路的两端分别连接第一外接电极T1和第二外接电极T2。加热器43配置于熔丝41和42相近位置，用于加热熔断该熔丝41和42。该加热器43的一端连接于该连接点P，一端连接第三外接电极T3。整流元件44与该加热器43并联。本实施例中，该整流元件44为二极管。该二极管的阳极连接该第三外接电极T3，该二极管的阴极连接该连接点。特别说明，加热器也可以制作成包括两个电阻加热元件，如图7所示的保护电路U1～U3，而为本发明所涵盖。
图10显示本发明再一实施例的二次电池的电路示意图。二次电池50包括蓄电装置11、多个保护电路U1、U2和U3、开关元件12及控制电路13。于第一输出端子21和第二输出端子22之间，连接由负载或直流电压源所构成的外部电路14。保护电路U1～U3具有串联的两个熔丝、一端连接于该两个熔丝之间连接点的加热器、以及与加热器并联的一个整流元件D1～D3。各保护电路U1、U2和U3的内部构造实质相同，各保护电路U1、U2和U3中两个熔丝的串联电路彼此并联。加热器包括并联的两个电阻发热元件。开关元件12连接各保护电路U1、U2和U3中该加热器和该整流元件D1、D2和D3的一端。一实施例中，整流元件D1、D2和D3为二极管，例如肖特基二极管。整流元件D1、D2和D3的阴极连接该开关元件12，通过开关元件12电连接于第一输出端子21及蓄电装置11的正电压侧的端子。整流元件D1、D2和D3的阳极连接该保护电路U1、U2和U3的两个熔丝之间的连接点。因为二极管具有电流单向流通的特性，电流只能自各保护电路U1、U2和U3中两个熔丝中间的连接点流向整流元件D1、D2和D3，而无法反向流动。
图11举例说明图10的二次电池50中的保护电路U1～U3的熔丝熔断在不同侧的一种情况，保护电路U3的熔丝断在左侧，保护电路U2和U1的熔丝断在右侧，此时因为整流元件D3为顺向导通，回路电流I20会流经整流元件D3而不流经与其并联的加热器。电流I20流入保护电路U2后，因无法流经整流元件D2，会流经与整流元件D2并联的加热器，之后再流到蓄电装置11的负电压侧端子。类似地，因为电流I20只流经保护电路U2的加热器，加热器两端的跨电压不变，仍足以发热熔断保护电路U2中左侧尚未熔断的熔丝。保护电路U1和保护电路U2并联，同样也会进一步发热熔断保护电路U1中左侧尚未熔断的熔丝，而达到同一侧熔丝全部熔断的效果。
本发明二次电池的上述实施例以3个并联保护电路为例进行说明，然可视实际需求选择其他数量的多个保护元件进行并联，并搭配整流元件的适当配置，达到保护电路中同一侧的熔丝全部熔断的效果，防止异常状况时电流持续流通。
本发明的技术内容及技术特点已公开如上，然而本领域具有通常知识的技术人士仍可能基于本发明的启示及公开而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所公开者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为以下的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种二次电池，通过第一输出端子和第二输出端子以连接至一外部电路，包括：
蓄电装置；
多个保护电路，各保护电路包括两个熔丝、加热器及整流元件，该加热器用于加热熔断该熔丝，该两个熔丝串联，该加热器和该整流元件的一端连接于该两个熔丝之间的连接点，该加热器和该整流元件并联，各保护电路中两个熔丝的串联电路彼此并联；以及
开关元件，连接该加热器和该整流元件的另一端；
其中各保护电路的两个熔丝中的一个熔丝连接该第一输出端子，该开关元件连接该第二输出端子；
其中该整流元件为二极管或MOS开关；
其中当该整流元件为二极管时，该二极管的阳极连接该开关元件，该二极管的阴极连接该保护电路的两个熔丝之间的连接点，此时该两个熔丝的串联电路连接于该蓄电装置的正电压侧；或，该二极管的阴极连接该开关元件，该二极管的阳极连接该保护电路的两个熔丝之间的连接点，此时该两个熔丝的串联电路连接于该蓄电装置的负电压侧。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其中当该整流元件为二极管时，各保护电路中的二极管顺向导通时，电流不流经与其并联的加热器。
3.根据权利要求1所述的二次电池，其另包括一控制电路以控制该开关元件，当该控制电路检测到异常时，发出信号使得该开关元件导通。
4.根据权利要求1所述的二次电池，其中若各保护电路的熔丝不熔断在同一侧，连接该第一输出端子的熔丝已熔断而连接该蓄电装置的熔丝未熔断的保护电路中，电流通过其加热器，从而加热熔断连接该蓄电装置的熔丝。
5.一种二次电池的保护元件，包括：
多个并联的保护元件，各个保护元件包括：
两个熔丝，该两个熔丝连接至一连接点，从而串联形成串联电路，该串联电路的两端分别连接第一外接电极和第二外接电极；一加热器，用于加热熔断该熔丝，该加热器的一端连接于该连接点，一端连接第三外接电极；以及一整流元件，与该加热器并联；
其中该整流元件为二极管或MOS开关；
其中当该整流元件为二极管时，该二极管的阳极连接该第三外接电极，该二极管的阴极连接该连接点；或，该二极管的阴极连接该第三外接电极，该二极管的阳极连接该连接点。
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