TW201640768A - 用於二次電池過放電後的強制充電保護電路 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種用於二次電池過放電後的強制充電保護電路，該電路包含一電路導通開關、一釋放單元、一觸發單元及一比較單元。本發明在二次電池過放電的情況下，提供一個臨時的電連接，保持二次電池與充電器的迴路不斷路；並在二次電池回復工作狀態時，取消該臨時電連接，讓二次電池維持正常運作。這樣可使二次電池在面臨過放電狀態時，不必由工作處卸下維修也能解決問題，減少維修的成本。

Description

用於二次電池過放電後的強制充電保護電路

本發明關於一種強制充電保護電路，特別是一種用於二次電池過放電後的強制充電保護電路。

二次電池，也就是所謂的充電電池，廣泛地應用於許多產品中，諸如筆記型電腦、平板電腦、行動電話，甚至是大型電動車與機器人。雖然二次電池多由可充電電池芯串或並聯而組成，然而，依照電源供應對象的不同，有著不同的輸出電流與電量的規格。

由於每個電池芯在組成二次電池的當下，具有不同的特性，導致二次電池在使用時，無論充電或放電，都會存在電池芯間不平衡的問題。不正常的運作會導致二次電池溫度升高，減少電池的使用壽命甚至造成爆炸。其中，造成二次電池的使用壽命減少的原因，主要是遭受過充電或過放電的操作。是故，一般二次電池中都會裝設電池管理晶片，用來解決以上的問題。

請見第1圖，該圖繪示一種習知二次電池1的架構，其中包含了一個電池管理晶片2。二次電池1電力主要的儲存及供應來源是以串聯相接的數個電池芯3。電池管理晶片2連接到電池芯3群組中，可以有效探知各個電池芯3的狀態，藉以動態平衡該些電池芯3。此外，電池管理晶片2和充電控制開關4及放電控制開關5組成一個充放電保護電路。其中充電控制開關4及放電控制開關5各是由一個場效電晶體與一個寄生二極體所組成。該保護電路進一步和一個終端單元6連接。終端單元6具有一個正極端6a、一個負極端6b及一個資訊傳輸端6c。終端單元6可以是一個插座的形式，端看連接的對象，決定是要進行充電或放電。電池管理晶片2可以經過資訊傳輸端6c，將電池芯3的狀態傳送到二次電池1外部的管控系統中；或是經由資訊傳輸端6c，接收來自管控系統的指示，管理電池芯3。

當終端單元6連接的對象是充電器時，電流經由正極端6a流向電池芯3，依序經過該放電控制開關5與充電控制開關4後，最後通過負極端6b，流回充電器。此時充電控制開關4與放電控制開關5維持開啟的狀態，電池管理晶片2藉由電阻7知道電流的方向，進而知道目前是充電狀態。而當終端單元6連接的對象是一個負載時，電流由電池芯3，經由正極端6a流向負載；負載端亦有電流經負極端6b、充電控制開關4與放電控制開關5，流回至電池芯3，完成迴路。此時充電控制開 關4與放電控制開關5亦為開啟狀態。電池管理晶片2也是靠電阻7的電流方向，知道目前是放電狀態。

當二次電池1在充電時，如果遇到了過充電的情況(也就是二次電池1的電壓在充電中超過了率定最高電壓值)時，電池管理晶片2會關掉充電控制開關4，保護二次電池1不再因繼續充電而受傷害；相似地，當二次電池1在放電時，如果遇到了過放電的情況(也就是二次電池1的電壓在放電中低於最低容許電壓值)時，電池管理晶片2會關掉放電控制開關5，保護二次電池1不再因繼續放電而無法恢復可充電性。當進行過充電保護時，由於二次電池1的電壓會隨著時間下降，當低於率定最高電壓值後，電池管理晶片2可再度開啟充電控制開關4，二次電池1恢復正常作業。然而，當進行過放電保護時，由於二次電池1的電壓不可能回復到正常運作電壓，除非在電池外強制進行回復動作，二次電池1無法恢復正常作業。

對消費者而言，如果使用二次電池發生過放電保護而無法回復正常運作時，他們一定認為是二次電池損毀，要求廠商退貨；即便是廠商願意拿可用的二次電池來替換，這一來一回的運送成本，也造成了廠商的損失。因此，如何在二次電池發生過放電保護後，有效重啟二次電池正常運作，相關的電路設計亟待研發。

本段文字提取和編譯本發明的某些特點。其它特點將被揭露於後續段落中。其目的在涵蓋附加的申請專利範圍之精神和範圍中，各式的修改和類似的排列。

為了解決上述的問題，發明提供一種用於二次電池過放電後的強制充電保護電路。該電路包含：一電路導通開關，與一二次電池中串聯的一充電控制開關及一放電控制開關二端並聯相接，開啟以電導通該兩端；一釋放單元，用以在接收一釋放電壓後導通接地；一觸發單元，連接到該電路導通開關與釋放單元，用以在接收到一觸發訊號後，電導通電路導通開關與釋放單元間的連接；及一比較單元，電連接到該二次電池，比較該二次電池正極與負極的電壓差與一最低容許電壓值；當該電壓差大於最低容許電壓值時，提供一正常電壓給該釋放單元；當該電壓差小於最低容許電壓值時，提供釋放電壓給該釋放單元。當該釋放單元導通接地且該觸發單元導通電路導通開關與釋放單元間的電連接時，該電路導通開關開啟。

依照本案構想，該觸發單元進一步連接到一觸發開關，該觸發開關開啟時，該觸發訊號發出給該觸發單元。

依照本案構想，該觸發單元為一矽控整流器。

依照本案構想，該矽控整流器的一閘極與該觸發開關連接，當該觸發開關開啟時，該閘極接收一高電位電壓。

依照本案構想，該強制充電保護電路進一步包含一電源，與該電路導通開關連接，用以提供該電路導通開關運作所需之電力。

依照本案構想，該比較單元為一比較器。

依照本案構想，該比較器的一輸入端連接到該二次電池的電路信號源。

依照本案構想，該電路信號源為該二次電池的電池管理晶片的放電控制開關引腳或工作電壓引腳(VDD)。

依照本案構想，該釋放單元包含一場效電晶體與一寄生二極體。

依照本案構想，該電路導通開關為一光耦合繼電器。

本發明在二次電池過放電的情況下，提供一個臨時的電連接，保持二次電池與充電器的迴路不斷路；並在二次電池回復工作狀態時，取消該臨時電連接，讓二次電池維持正常運作。這樣可使二次電池在面臨過放電狀態時，不必由工作處卸下維修也能解決問題，減少維修的成本。

1‧‧‧二次電池

2‧‧‧電池管理晶片

3‧‧‧電池芯

4‧‧‧充電控制開關

5‧‧‧放電控制開關

6‧‧‧終端單元

6a‧‧‧正極端

6b‧‧‧負極端

6c‧‧‧資訊傳輸端

7‧‧‧電阻

100‧‧‧二次電池

100a‧‧‧節點

100b‧‧‧節點

100c‧‧‧節點

100d‧‧‧節點

110‧‧‧電池芯

120‧‧‧電池管理晶片

121‧‧‧工作電壓引腳

122‧‧‧接地端引腳

123‧‧‧充電控制開關引腳

124‧‧‧放電控制開關引腳

125‧‧‧電池訊號引腳

127‧‧‧電阻

130‧‧‧充電控制開關

140‧‧‧放電控制開關

150‧‧‧終端單元

150a‧‧‧正極端

150b‧‧‧負極端

150c‧‧‧訊號端

200‧‧‧強制充電保護電路

210‧‧‧電路導通開關

220‧‧‧釋放單元

230‧‧‧觸發單元

240‧‧‧比較單元

250‧‧‧觸發開關

260‧‧‧電源

261‧‧‧電源電路

第1圖繪示一種習知的二次電池架構。

第2圖為依照本發明一種強制充電保護電路與其連接的二次電池。

第3圖為該強制充電保護電路的架構。

第4圖說明該強制充電保護電路中的觸發單元與釋放單元。

第5圖說明該強制充電保護電路中的比較單元。

第6圖為該強制充電保護電路部分元件的時序表。

本發明將藉由參照下列的實施方式而更具體地描述。

請參閱第2圖至第6圖，本發明的實施例藉由該些圖式而說明。在第2圖中繪示了依照本發明的一種強制充電保護電路200。該強制充電保護電路200與一個二次電池100連接。在對強制充電保護電路200進行解說前，先針對強制充電保護電路200可應用的二次電池100進行說明。

市售的二次電池因其組成要素與應用對象的不同，可分成非常多的種類。本發明應用的二次電池，無論其儲存電力的電池芯的材料與規格(最好是鎳鎘電池(Ni-Cd)、鎳氫電池(Ni-MH)、鋰離子電池(Li-ion)或鋰高分子電池(Li-polymer))，一定要有對該二次電池進行管理的電池管理晶片。此外，該電池管理晶片要能對二次電池進行過充電或過放電保護，也就是在二次電池遭遇過充電與過放電的狀況，電池管理晶片能停止二次電池的運作。因此，在第2圖的描述 中，二次電池100的結構主要包含了數個彼此以串聯及/或並聯連接的電池芯110、一個符合上述要求的電池管理晶片120、一充電控制開關130、一放電控制開關140及一終端單元150。

當二次電池100在運作時，充電控制開關130與放電控制開關140都是開著的狀態，以便電流通過。當終端單元150連接的對象是充電電源(未繪示)時，電流由一正極端150a，依序流經電池芯110群、放電控制開關140與充電控制開關130，最後由一負極端150b流回充電電源，此時每一電池芯110進行充電；當終端單元150連接的對象是負載(未繪示)時，電流由負極端150b，依序流經充電控制開關130、放電控制開關140與電池芯110群，最後由正極端150a流回負載，此時每一電池芯110進行放電。電池管理晶片120可藉流經電阻127的電流方向，判斷此時二次電池100是進行放電還是充電。

電池管理晶片120具有數個引腳。工作電壓引腳(VDD)121接到充放電迴路上的一個節點100a，由於節點100a靠近電池芯110群的正極端，可獲得電池芯110群端的高電位能。相對地，接地端引腳(VSS)122接到充放電迴路上的另一個節點100b，因為節點100b靠近電池芯110群的負極端，可獲得電池芯110群端的低電位能。高電位能與低電位能間的差值約略就是二次電池100當下的工作電壓。充電控制開關引腳123及放電控制開關引腳124分別用來開啟或關閉充電控制開關130與放電控制開關140。二次電池100正常運作時，充電 控制開關引腳123與放電控制開關引腳124都是開啟的。電池訊號引腳125用來將電池的狀態傳輸給與終端單元150的訊號端150c連接的設備(未繪示)中，或接受來自該設備的指示，進行二次電池100的運作。

強制充電保護電路200在二次電池100正常運作時，僅與該二次電池100相連而無作用；僅當二次電池200遇到過放電狀況後，強制充電保護電路200才發揮作用。強制充電保護電路200由一電路導通開關210、一釋放單元220、一觸發單元230、一比較單元240、一觸發開關250與一電源260所組成。電路導通開關210與二次電池100中串聯的充電控制開關130及放電控制開關140的二端並聯相接，即電連接至第2圖中的節點100c與100d。當電路導通開關210當開啟時，節點100c與100d(二端)間即產生電導通。電路導通開關210可以是一般常用的電子型開關，最好是使用光耦合繼電器。電源260與電路導通開關210連接，用以提供電路導通開關210運作所需之電力。電源260與電路導通開關210之間有一個電源電路261來完成電力與電路導通開關210之銜接。最好，電源電路261具有防止電池電力逆流的設計，以保護電源260。

釋放單元220用來在接收一釋放電壓後導通接地，而當接收的是一正常電壓時，釋放單元220阻斷接地。實際上，正常電壓可以是異於釋放電壓誤差範圍內的任何電壓值，釋放單元220是一個電子開關。如第4圖所示，釋放單元220是一 個由場效電晶體與寄生二極體組成的開關，其閘極與比較單元240電連接，釋放單元220的開啟與關閉是由比較單元240所控制。觸發單元230連接到電路導通開關210與釋放單元220，用以在接收到一觸發訊號後，電導通電路導通開關210與釋放單元220間的連接。在本實施例中，觸發單元230是一個矽控整流器。為了控制方便起見，觸發單元230進一步連接到一觸發開關250，該觸發開關250在二次電池100正常運作時是關閉的。當觸發開關250開啟時，前述的觸發訊號便發出給觸發單元230。這觸發開關250可以是一般的按鍵式開關，由人為手動控制；觸發開關250也可以是一個電子式開關，藉由設定某一特定事件而開啟，比如二次電池100因為過放電而停止工作30分鐘。矽控整流器的閘極與觸發開關250連接，當觸發開關250開啟時，該閘極接收一高電位電壓，也就是觸發訊號。當釋放單元220導通接地，且觸發單元230導通電路導通開關210與釋放單元220間的電連接時，電路導通開關210就開啟。

比較單元240電連接到該二次電池100，可比較二次電池100正極與負極的電壓差，也就是二次電池100的工作電壓，與一最低容許電壓值的大小。當該電壓差大於最低容許電壓值時，提供正常電壓給該釋放單元220；當該電壓差小於最低容許電壓值時，提供釋放電壓給該釋放單元220。實作上，比較單元240可以是一個比較器，請見第5圖。比較器除接到工作電壓(請注意，二次電池100的工作電壓與強制充電保護 電路200的工作電壓不見得相同)與接地外，尚有二個輸入端與一個輸出端。最低容許電壓值是用來評估二次電池100過放電的標準，若是二次電池100正負極的電壓差低於該最低容許電壓值時，二次電池100可以認定是處於過放電狀態。最低容許電壓作為一個參考電壓，由一輸入端(-)輸入，而比較器的另一輸入端(+)連接到二次電池100的電路信號源中，取得二次電池100當下的工作電壓，或是正極與負極的電壓差。電路信號源為二次電池100的電池管理晶片120的放電控制開關引腳124，也可以工作電壓引腳121替代之，端看電池管理晶片120設計上哪一個引腳可以在二次電池100停止運作下，能夠提供前述的工作電壓或電壓差。在本實施例中要注意的是，因為輸入端的選擇，正常電壓的電位高於釋放電壓的電位；若參考電壓與工作電壓的輸入端交換，正常電壓的電位就會低於釋放電壓的電位。

請參閱第6圖，強制充電保護電路200的操作說明如下。在第6圖中，二次電池100的工作電壓狀態H(High)與L(Low)分別表示二次電池100處在正常工作或過放電的情況下，比較單元240的輸出電壓H與L分別表示比較單元240輸出的正常電壓與釋放電壓，電源260的電壓H與L分別表示電源260供應電力及停止供應電力狀態。

當強制充電保護電路200與二次電池100在正常工作狀態下連接時，比較單元240的輸出電壓為正常電壓，釋放單 元220關閉，觸發開關250關閉，電路導通開關210關閉。要注意的是，電源260在強制充電保護電路200與二次電池100連接狀態下都是呈供應電力狀態，這樣強制充電保護電路200才能有效運作。

當時間來到t1時，二次電池100處在過放電的情況下，放電控制開關140關閉，二次電池100放電時的迴路於放電控制開關140處成開路。由強制充電保護電路200連接的線路(節點100c到節點100d間)，形成了旁路連接。此時，電路信號源所提供的電壓差值，比最低容許電壓值來得低，比較單元240輸出電壓改為低電位，即提供該釋放電壓給釋放單元220，釋放單元220導通接地。然而，因為觸發開關250關閉，觸發單元230未收到觸發訊號，電路導通開關210與釋放單元220間未連接，電路導通開關210呈關閉狀態。當時間來到t2時，觸發開關250開啟，電路導通開關210與釋放單元220間成電連通狀態。此時，電路導通開關210開啟，節點100c到節點100d間短路，充電器便可由終端單元150，對進行充電二次電池100強制充電。

而當二次電池100正負極的電壓差在充電經過一段時間後上升了，該旁路連接就應取消，將二次電池100的作業交還給電池管理晶片120處理。於t3時，電路信號源所提供的電壓差值，比最低容許電壓值來得高，比較單元240回復提供正常電壓給釋放單元220，釋放單元220不導通接地。其結果 是電路導通開關210關閉，節點100c到節點100d間無法靠旁路連接維持電連接。如果二次電池100持續為充電器充電，電池管理晶片120便會因為二次電池100已在正常工作電壓，打開放電控制開關140，讓二次電池100正負極間的電壓差繼續上升。觸發開關250不急於t3關閉，可以等到晚一點(t4)再關閉。因為釋放單元220不導通接地，t3到t4間觸發開關250的開關狀態不影響電路導通開關210維持關閉的狀態。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

200‧‧‧強制充電保護電路

210‧‧‧電路導通開關

220‧‧‧釋放單元

230‧‧‧觸發單元

240‧‧‧比較單元

250‧‧‧觸發開關

260‧‧‧電源

261‧‧‧電源電路

Claims (10)

1. 一種用於二次電池過放電後的強制充電保護電路，包含：一電路導通開關，與一二次電池中串聯的一充電控制開關及一放電控制開關二端並聯相接，開啟以電導通該兩端；一釋放單元，用以在接收一釋放電壓後導通接地；一觸發單元，連接到該電路導通開關與釋放單元，用以在接收到一觸發訊號後，電導通電路導通開關與釋放單元間的連接；及一比較單元，電連接到該二次電池，比較該二次電池正極與負極的電壓差與一最低容許電壓值；當該電壓差大於最低容許電壓值時，提供一正常電壓給該釋放單元；當該電壓差小於最低容許電壓值時，提供釋放電壓給該釋放單元；其中當該釋放單元導通接地且該觸發單元導通電路導通開關與釋放單元間的電連接時，該電路導通開關開啟。
2. 如申請專利範圍第1項所述之強制充電保護電路，其中該觸發單元進一步連接到一觸發開關，該觸發開關開啟時，該觸發訊號發出給該觸發單元。
3. 如申請專利範圍第2項所述之強制充電保護電路，其中該觸發單元為一矽控整流器。
4. 如申請專利範圍第3項所述之強制充電保護電路，其中該 矽控整流器的一閘極與該觸發開關連接，當該觸發開關開啟時，該閘極接收一高電位電壓。
5. 如申請專利範圍第1項所述之強制充電保護電路，進一步包含一電源，與該電路導通開關連接，用以提供該電路導通開關運作所需之電力。
6. 如申請專利範圍第1項所述之強制充電保護電路，其中該比較單元為一比較器。
7. 如申請專利範圍第6項所述之強制充電保護電路，其中該比較器的一輸入端連接到該二次電池的電路信號源。
8. 如申請專利範圍第7項所述之強制充電保護電路，其中該電路信號源為該二次電池的電池管理晶片的放電控制開關引腳或工作電壓引腳(VDD)。
9. 如申請專利範圍第1項所述之強制充電保護電路，其中該釋放單元包含一場效電晶體與一寄生二極體。
10. 如申請專利範圍第1項所述之強制充電保護電路，其中該電路導通開關為一光耦合繼電器。