TW201640769A - 多電流迴路的多功能保護元件、保護電路、二次電池包 - Google Patents

多電流迴路的多功能保護元件、保護電路、二次電池包 Download PDF

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TW201640769A
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Pao-Hsuan Chen
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Pao-Hsuan Chen
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Abstract

本發明提出一種二次電池包，可以提供不同的額定充電電流與額定放電電流，且當外部短路或放電電流超過額定放電電流時，該二次電池包的保護電路會限制放電電流在安全的數值，不會造成外部電路的損壞，當外部短路狀態解除或放電電流小於額定放電電流時，保護電路會自動恢復額定放電電流的狀態，可以降低因不明原因的外部短路而必須送修整個二次電池包的成本。該二次電池包包括：電池元件組；充放電控制電路；以及保護電路。

Description

多電流迴路的多功能保護元件、保護電路、二次電池包
本發明是有關於一種二次電池包，特別是應用於行動電子產品中有充電電流與放電電流規格不同需求的二次電池包，本發明的二次電池包，具有過電流或過充或過電壓或過溫或短路的保護功能。
以往已有充電電流與放電電流規格不同需求的電池包，應用於攜帶式電子裝置之電池的保護線路(如專利文獻1)，該保護電路包含二個保護元件，其中一提供充電電流路徑，另一提供放電電流路徑，放電電流路徑的額定電流大於充電電流路徑的額定電流，若異常發生，二個保護元件都是以熔斷的方式，來保護電池包的安全。
專利文獻1：台灣專利申請公開編號：TW 201251263 A1
先前的電池包，可提供放電電流大於充電電流的需求之電池保護電路，且以熔斷的方式來保護電池包，以熔斷的方式來保護電池包，在過充或過電壓或過溫狀態時，可能是最佳的方式。但電池包發生放電電流異常或外部短路時，其實並不希望電池包的保護方式使以熔斷的方式來保護，因熔斷後，電池包就無法再次使用，必須送回製造商修理。電池包的製造商希望若是因使用者不小心造成外部短路，以至於放電電流大於額定電流值，保護功能只要能限制放電電流的輸出電流值，不要造成應用電路或電子裝置的損壞即可，但短路或 異常解除時，希望能恢復原來的電池包充放電的功能，而不是不能使用。
為了解決上述的問題，本發明提出的一種二次電池包，可以提供不同額定電流或動作電流的充放電電流路徑，其並不一定是放電電流大於充電電流，充電電流也可以大於放電電流的電流值，且放電電流異常時，該二次電池包的保護電路與自恢復式過電流保護元件會限制放電電流的電流值在安全的範圍內，不會損壞外接的電子裝置或電子電路，當異常電流解除時，自恢復式過電流保護元件會恢復至原始狀態，二次電池包就可繼續使用，而不必送回製造商維修，節省維修的成本。例如：現在的手機或平板電腦或其他行動電子裝置的二次電池包，需要快充的需求，也就是充電電流需要提高，使得充電的時間可以縮短，但放電時，卻不需要提升放電電流，所以額定的充電電流值會大於或高於額定放電電流值。當然，手持式的電動工具，因有馬達等相關需要瞬間的高放電電流來驅動馬達的轉動，所以需要額定的放電電流值高於額定的充電電流值，本發明之保護電路與二次電池包，可以達到此兩種不同額定充放電電流值的需求，同時提供過電流或過溫或過電壓或過充或短路保護的功能。
本發明提出一種二次電池包，包括：電池元件組，串聯有一個以上能充放電的電池元件；充放電控制電路，其依據電池元件組的電壓狀態與外接的裝置是充電裝置或電子裝置來切換充放電的電流路徑；以及保護電路，當二次電池包發生充電電流值超過額定充電電流值時或電池元件組發生過充或過電壓或過溫時，保護電路會熔斷充電電 流的路徑，另，當二次電池包發生放電電流值超過額定放電電流值時，保護電路會限制放電電流值小於額定放電電流值，直到異常狀態解除，保護電路會恢復正常的放電功能。
本發明提出一種保護電路，包括：偵測控制電路，其可偵測電池元件組內，每個電池元件或特定幾個電池元件的電壓或電池元件組內的溫度；開關電路，其依據偵測控制電路所測得的電壓或溫度狀況，若電壓或溫度正常則開關電路切換至斷路狀態，若電壓或溫度異常則開關電路切換至導通狀態；以及多電流迴路的多功能保護元件，當充電電流值超過額定充電電流值時或偵測控制電路測得電池元件組發生過充或過電壓或過溫時，該多電流迴路的多功能保護元件會熔斷充電電流的路徑，另，當放電電流值超過額定放電電流值時，該多電流迴路的多功能保護元件會限制放電電流值小於額定放電電流值，直到異常狀態解除，該多電流迴路的多功能保護元件會恢復正常的放電功能。
本發明提出一種多電流迴路的多功能保護元件，包括：多功能保護元件，其包括：過電流保護元件與熱產生組件，當充電電流值超過額定充電電流值時或熱產生組件發熱時，該多功能保護元件會熔斷充電的電流路徑；以及自恢復式過電流保護元件，當放電電流值超過額定放電電流值時，該自恢復式過電流保護元件會限制放電電流值小於額定放電電流值，直到異常狀態解除，該自恢復式過電流保護元件會恢復正常的放電功能。
在本發明之一實施例中，上述之保護電路，另包括：至少 一限流電路，該限電流電路在多電流迴路的多功能保護元件與開關電路之間彼此串聯。
在本發明之一實施例中，上述之保護電路，另包括：電感元件，該電感元件與開關電路彼此串聯。
在本發明之一實施例中，上述之保護電路，另包括：延遲電路，該延遲電路可以延遲偵測控制電路輸出給開關電路的電壓波形。
在本發明之一實施例中，上述之保護電路，另包括：至少一電阻元件，該電阻元件的一端連接多電流迴路的多功能保護元件與電池元件組彼此共接的一端，另一端連接多電流迴路的多功能保護元件與開關電路或限流電路彼此共接的一端。
在本發明之一實施例中，上述之自恢復式過電流保護元件，包括：雙金屬斷路元件、發熱電阻、可復式正溫度係數電阻、可復式熱敏電阻、可復式保險絲元件等其中之一或其部分組合。
在本發明之一實施例中，上述之至少一限流電路，包括：可熔斷導體與電阻元件，該可熔斷導體與電阻元件並聯連接。
在本發明之一實施例中，上述之延遲電路，包括：電阻元件、電感元件以及電容元件等其中部分的組合。
1‧‧‧充電裝置或電子裝置
2‧‧‧充放電控制電路
3‧‧‧多電流迴路的多功能保護元件
4‧‧‧電池元件組
4-1、4-2、4-3、4-4‧‧‧可充放電電池元件
5‧‧‧偵測控制電路
6‧‧‧開關電路
7‧‧‧熱產生組件
8、8a‧‧‧多功能保護元件
9、9a、9b‧‧‧過電流保護元件
9c‧‧‧可熔斷導體
10‧‧‧自恢復式過電流保護元件
11‧‧‧雙金屬斷路元件
12‧‧‧發熱電阻
13‧‧‧延遲電路
100、100a、100b、100c、100d‧‧‧保護電路
888‧‧‧二次電池包
F1‧‧‧限流電路
Ic、I2‧‧‧充電電流路徑
Id、I1‧‧‧放電電流路徑
L‧‧‧電感元件
R、R1、R2‧‧‧電阻元件
C‧‧‧電容元件
P‧‧‧正極
N‧‧‧負極
I/O1、I/O2、I/O3、I/O4、I/O5、I/O6‧‧‧端電極
圖1為本發明之一種二次電池包888的電路圖。
圖2為本發明之一種二次電池包888a的電路圖。
圖3為本發明之一種自恢復式過電流保護元件10的電路圖。
圖4為本發明之一種多功能保護元件8的電路圖。
圖5為本發明之一種多電流迴路的多功能保護元件3的電路圖。
圖6為本發明之一種多功能保護元件8a的電路圖。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵和技術內容，請參閱以下相關的實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下：圖1繪示為本發明之第一實施例之一種二次電池包888的電路圖，本實施例之二次電池包888包括：電池元件組4，串聯有一個以上能充放電的電池元件(4-1、4-2、4-3、4-4)；充放電控制電路2，其依據電池元件組4的電壓狀態與外接的裝置是充電裝置1或電子裝置1來切換充放電的電流路徑(I1、I2)；以及保護電路100，當二次電池包888發生充電電流值超過額定充電電流值時或電池元件組4發生過充或過電壓時，保護電路100會熔斷充電電流的路徑Ic，另，當二次電池包888發生放電電流值超過額定放電電流值時，保護電路100會限制放電電流值小於額定放電電流值，直到異常狀態解除，保護電路100會恢復正常的放電功能。
詳細來說，保護電路100包含偵測控制電路5、開關電路6以及多電流迴路的多功能保護元件3。偵測控制電路5，其可偵測電池元件組4內，每個電池元件(4-1、4-2、4-3、4-4)的電壓或電池元件組4內的溫度，開關電路6，其依據偵測控制電路5所測得的電壓或溫度狀況，若電壓或溫度正常則開關電路6切換至斷路(off)狀態，若電壓或溫度異 常則開關電路6切換至導通(on)狀態，多電流迴路的多功能保護元件3，當二次電池包888發生充電電流值超過額定充電電流值時或電池元件組4發生過充或過電壓時，該多電流迴路的多功能保護元件3，會熔斷充電電流的路徑Ic，另，當二次電池包888發生放電電流值超過額定放電電流值時，該多電流迴路的多功能保護元件3會限制放電電流值小於額定放電電流值，直到異常狀態解除，該多電流迴路的多功能保護元件3會恢復正常的放電功能。
圖2繪示為本發明之第二實施例之一種二次電池包888a的電路圖，本實施例之保護電路100包括：偵測控制電路5，其可偵測電池元件組4內，每個電池元件(4-1、4-2、4-3、4-4)的電壓或電池元件組4內的溫度；開關電路6，其依據偵測控制電路5所測得的電壓或溫度狀況，若電壓或溫度正常則開關電路6切換至斷路狀態，若電壓或溫度異常則開關電路6切換至導通狀態；以及多電流迴路的多功能保護元件3，該多電流迴路的多功能保護元件3，包含多功能保護元件8與自恢復式過電流保護元件10。
詳細來說，圖4為本發明之一種多功能保護元件8的電路圖。本實施例之多功能保護元件8包含過電流保護元件9與熱熱產生組件。當充放電控制電路2，依據偵測控制電路5測得電池元件組4的電壓低於最大充飽電壓時，且二次電池包888a的外接兩端正極P與負極N，外接的是充電裝置1時，充放電控制電路2會切換充電電流路徑I2導通，且輸出充電電流，經過電流保護元件9對電池元件組4充電。在充電的過程中，過電流保護元件9會保護電池元件組4，不會有超過過電流保 護元件9額定電流的充電電流對電池元件組4充電，若充電電流超過過電流保護元件9的額定電流，過電流保護元件9就會熔斷過電流保護元件9的充電電流路徑Ic，停止電池元件組4的充電。在充電的過程中，若偵測控制電路5測得電池元件組4發生過充或過電壓(電壓超過最大充飽電壓)或過溫時，偵測控制電路5會傳送一信號給開關電路6，使開關電路6導通，此時就會有一電流流經熱產生組件7，使熱產生組件發熱並熔斷過電流保護元件9的充電電流路徑Ic，停止電池元件組4的充電，本實施例之多功能保護元件8的另一優勢是，雖然多功能保護元件8停止充電電流對電池元件組4充電，但電池元件組4仍處於過充或過電壓(電壓超過最大充飽電壓)或過溫狀態，此時電池元件組4可經由熱產生組件7與開關電路6導通狀態，來放電或消耗電池元件組4的電流，使電池元件組4可以解除過充或過電壓(電壓超過最大充飽電壓)或過溫狀態，達到過充或過電壓或過溫保護的功能。
詳細來說，圖3為本發明之一種自恢復式過電流保護元件10的電路圖。本實施例之自恢復式過電流保護元件10，包括：雙金屬斷路元件11與發熱電阻12，該雙金屬斷路元件11與發熱電阻12並聯連接。當充放電控制電路2，依據偵測控制電路5測得電池元件組4的電壓高於最低停止放電電壓時，且二次電池包888a的外接兩端正極P與負極N，外接的是電子裝置1時，充放電控制電路2會切換放電電流路徑I1導通，由電池元件組4經雙金屬斷路元件11放電電流路徑Id，輸入放電電流，對電子裝置1放電。在放電的過程中，雙金屬斷路元件11會保護電池元件組4與電子裝置1，不會有超過雙金屬斷路元件11額定電流的放 電電流對電子裝置1放電。若放電電流超過雙金屬斷路元件11的額定電流或二次電池包888a的外接兩端正極P與負極N短路或電子裝置1短路，超過雙金屬斷路元件11額定電流的電流就會使雙金屬斷路元件11斷路(off)，放電電流改通過與雙金屬斷路元件11並聯的的發熱電阻12，該發熱電阻12的電阻值遠大於電子裝置1的負載電阻值，所以通過發熱電阻12的電流等於電池元件組4的電壓除以發熱電阻12的電阻值，適當的設計發熱電阻12的電阻值，可以將二次電池包888a的放電電流，降到安全的範圍值，同時讓發熱電阻12持續發熱，使雙金屬斷路元件11保持在斷路狀態，確保外部電子裝置1或短路的元件不會因過大的放電電流，造成損壞，甚至因高溫引起火災或二次電池包888a的爆炸危險，直到外部的電子裝置1或短路路徑斷開後，因放電電流無法通過發熱電阻12，使發熱電阻12停止發熱，該雙金屬斷路元件11便自動恢復導通狀態(on)，可以恢復自恢復式過電流保護元件10的正常功能，直到下次再有異常的放電電流時，才會再啟動保護功能。另外需說明的是，本實施例之多功能保護元件8，也可以用圖6所繪示的多功能保護元件8a來取代，該多功能保護元件8a以二個過電流保護元件9a、9b，來取代多功能保護元件8中的過電流保護元件9，該多功能保護元件8a與多功能保護元件8的效果是相同的。另，多電流迴路的多功能保護元件3可以是一個元件如圖5所繪示的電路圖，也可拆開成二個元件，一個是多功能保護元件8，如圖4所繪示的電路圖，另一個是自恢復式過電流保護元件10，如圖3所繪示的電路圖。
圖2繪示為本發明之第三實施例之一種二次電池包888a的 電路圖，本實施例之保護電路100a與第二實施例之保護電路100相似，惟兩者主要的差異在：本實施例之保護電路100a另包括限流電路F1，該限流電路F1包含至少一可熔斷導體9c與至少一電阻元件R2，該少一可熔斷導體9c與至少一電阻元件R2並聯連接。詳細來說，第二實施例之保護電路100中的多功能保護元件8，當電池元件組4發生過充或過電壓時，開關電路6會導通，因此電池元件組4的電壓或外接充電裝置1的電壓跨接於熱產生組件7與開關電路6之間，因熱產生組件7的電阻值遠大於開關電路6導通後的電阻值，所以電池元件組4的電壓或外接充電裝置1的電壓等於直接跨接於熱產生組件6上，若電池元件組4的電壓或外接充電裝置1的電壓過高或過大，會造成通過熱產生組件7的電流過大，而燒毀熱產生組件7，而無法有足夠的時間來熔斷過電流保護元件9的充電電流路徑Ic，就無法完成電池元件組4過充或過電壓保護的功能。為解決此種可能性，本實施例的限流電路中的至少一可熔斷導體9c，可以選擇其額定電流低於熱產生組件7會燒毀的電流，如此當通過熱產生組件7的電流，超過該至少一可熔斷導體9c的額定電流時，該少一可熔斷導體9c就會熔斷，電流改流經與該少一可熔斷導體9c並聯的至少一電阻元件R2，該至少一電阻元件R2的電阻值選擇適當的電阻值，就可讓通過熱產生組件7的電流維持在原來的電流值範圍，讓熱產生組件7正常的發熱且熔斷充電電流路徑Ic，完成過充或過電壓保護的功能。另外需說明的是，本實施例之限流電路F1，也可包括多組的可熔斷導體與電阻元件，每組的可熔斷導體與電阻元件並聯連接，然後多組彼此串聯連接，如此選擇不同額定電流的可熔導體，配合選擇不同電阻元件的電阻值，如此可以更多段電 壓或更細膩的防止熱產生組件7損壞的可能。
圖2繪示為本發明之第四實施例之一種二次電池包888a的電路圖，本實施例之保護電路100b與第二實施例之保護電路100相似，惟兩者主要的差異在：本實施例之保護電路100b另包括電感元件L。詳細來說，該電感元件L的一端連接開關電路6，另一端連接電池元件組4的一端b，如第三實施例中的說明，熱產生組件7可能會因瞬間的大電流而燒毀，所以除了加入限流電路外，本實施例之保護電路100b加入電感元件，當開關電路6由斷路(off)轉換至導通(on)的瞬間，會有一瞬間的電流會流經電感元件L，電桿元件L的特性無法讓瞬間的電流流經電感元件L，會延遲此瞬間增加的電流，此延遲的時間會依據串聯的電阻值與電桿值的關係式，適當的調整此延遲時間，可以確保熱產生組件7有足夠的時間熔斷過電流保護元件9的充電電流路徑Ic，達到過充或過電壓或過溫的保護功能，其他部分的說明與第二實施例之保護電路100中的說明相似，請自行參閱，在此不再贅述。
圖2繪示為本發明之第五實施例之一種二次電池包888a的電路圖，本實施例之保護電路100c與第二實施例之保護電路100相似，惟兩者主要的差異在：本實施例之保護電路100c另包括電阻元件R與電容元件C。詳細來說，該電阻元件R的一端連接開關電路6，另一端連接偵測控制電路5的一端，該電容元件C的一端連接電阻元件R與開關電路6的共接點，另一端連接電池元件組4的一端b，如第三實施例中的說明，熱產生組件7可能會因瞬間的大電流而損壞，所以除了加入限流電路外，本實施例之保護電路100c加入電阻元件與電容元件，形成一RC電 路，當偵測控制電路5測得電池元件組4發生過充或過電壓或過溫時，會傳送一電壓信號給開關電路6，此電壓信號在本實施例會經過RC電路的延遲，使開關電路6的動作時間也會受到延遲，此延遲的時間會依據電阻元件R的電阻值與電容元件C的電容值的關係式，適當的調整此延遲時間，可以確保熱產生組件7有足夠的時間熔斷過電流保護元件9的充電電流路徑Ic，達到過充或過電壓或過溫的保護功能，其他部分的說明與第二實施例之保護電路100中的說明相似，請自行參閱，在此不再贅述。
圖2繪示為本發明之第六實施例之一種二次電池包888a的電路圖，本實施例之保護電路100d與第二實施例之保護電路100、第三實施例之保護電路100a、第四實施例之保護電路100b、第五實施例之保護電路100c相似，惟本實施例之保護電路100d另包括一電阻元件R1。詳細來說，第四實施例之保護電路100b、第五實施例之保護電路100c中增加了電桿元件L或電阻元件R與電容元件C，其目的是確保熱產生組件7有足夠的時間來熔斷過電流保護元件9的充電電流路徑Ic，第三實施例之保護電路100a中增加了限流電路F1，其目的是確保熱產生組件7不會被異常電流所損壞。本實施例之電阻元件R1的一端連接熱產生組件7與電池元件組4的共接點，另一端連接熱產生組件7的另一端，其目的是為了當熱產生組件7有足夠的時間來熔斷過電流保護元件9的充電電流路徑Ic之後，最後若熱產生組件7仍損壞，為了解除電池元件組4仍處於過充或過電壓或過溫狀態，此電阻元件R1提供一放電路徑，讓電池元件組4的電流可以經由電阻元件R1、限流電路F1、開關電路6、電感元件L來 放電或消耗能量，使電池元件組4可以解除過充或過電壓或過溫狀態，確保二次電池包888a的安全。
雖然本發明已以實施例揭露如上，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，故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，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其運用本發明說明書及圖式內容所為之類似變化，均包含於本發明之專利範圍內。
1‧‧‧充電裝置或電子裝置
2‧‧‧充放電控制電路
3‧‧‧多電流迴路的多功能保護元件
4‧‧‧電池元件組
5‧‧‧偵測控制電路
6‧‧‧開關電路
8‧‧‧多功能保護元件
10‧‧‧自恢復式過電流保護元件
100‧‧‧保護電路
888‧‧‧二次電池包
F1‧‧‧限流電路
Ic‧‧‧充電電流路徑
Id‧‧‧放電電流路徑
L‧‧‧電感元件
R‧‧‧電阻元件
P‧‧‧正極
N‧‧‧負極

Claims (10)

  1. 一種二次電池包，包括：電池元件組，串聯有一個以上能充放電的電池元件；充放電控制電路，其依據電池元件組的電壓狀態與外接的裝置是充電裝置或電子裝置來切換充放電的電流路徑；以及保護電路，當二次電池包發生充電電流值超過額定充電電流值時或電池元件組發生過充或過電壓或過溫時，保護電路會熔斷充電電流的路徑，另，當二次電池包發生放電電流值超過額定放電電流值時，保護電路會限制放電電流值小於額定放電電流值，直到異常狀態解除，保護電路會恢復正常的放電功能。
  2. 一種保護電路，包括：偵測控制電路，其可偵測電池元件組內，每個電池元件的電壓或電池元件組內的溫度；開關電路，其依據偵測控制電路所測得的電壓或溫度狀況，若電壓或溫度正常則開關電路切換至斷路狀態，若電壓或溫度異常則開關電路切換至導通狀態；以及多電流迴路的多功能保護元件，當充電電流值超過額定充電電流值時或偵測控制電路測得電池元件組發生過充或過電壓或過溫時，該多電流迴路的多功能保護元件會熔斷充電電流的路徑，另，當放電電流值超過額定放電電流值時，該多電流迴路的多功能保護元件會限制放電電流值小於額定放電電流值，直到異常狀態解除，該多電流迴路的多功能保護元件會恢復正常的放電功能。
  3. 一種多電流迴路的多功能保護元件，包括：多功能保護元件，其包括：過電流保護元件與熱產生組件，當充電電流值超過額定充電電流值時或熱產生組件發熱時，該多功能保護元件會熔斷充電的電流路徑；以及自恢復式過電流保護元件，當放電電流值超過額定放電電流 值時，該自恢復式過電流保護元件會限制放電電流值小於額定放電電流值，直到異常狀態解除，該自恢復式過電流保護元件會恢復正常的放電功能。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之保護電路，另包括：至少一限流電路，該限電流電路在多電流迴路的多功能保護元件與開關電路之間彼此串聯。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之保護電路，另包括：電感元件，該電感元件與開關電路彼此串聯。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之保護電路，另包括：延遲電路，該延遲電路可以延遲偵測控制電路輸出給開關電路的電壓波形。
  7. 如申請專利範圍第2項或第4項或第5項或第6項所述之保護電路，另包括：至少一電阻元件，該電阻元件的一端連接多電流迴路的多功能保護元件與電池元件組彼此共接的一端，另一端連接多電流迴路的多功能保護元件與開關電路或限流電路彼此共接的一端。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之自恢復式過電流保護元件，包括：雙金屬斷路元件、發熱電阻、可復式正溫度係數電阻、可復式熱敏電阻、可復式保險絲元件等其中之一或其部分組合。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之限流電路，包括：可熔斷導體與電阻元件，該可熔斷導體與電阻元件並聯連接。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之延遲電路，包括：電阻元件、電感元件以及電容元件等其中部分的組合。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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