TW202307890A - 保護電路、電池組以及電子設備 - Google Patents

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Abstract

保護電路被設置於包括電池、第1外部端子以及第2外部端子的電池組中，電池包含二次電池的至少1單元。保護電路包括：保護元件，包括電池與第1外部端子間的熔絲元件以及加熱熔絲元件的加熱電阻；第1開關元件，一端連接電池以及第2外部端子，另一端連接加熱電阻；與第1開關元件並聯的第2開關元件以及電阻元件；以及控制部，依據單元或電池的電壓控制第1開關元件以及第2開關元件的動作。控制部將保護電路在將第1開關元件設為開啟並使加熱電阻通電的第1狀態與將第2開關元件設為開啟並經由電阻元件使加熱電阻通電的第2狀態間切換。

Description

保護電路、電池組以及電子設備
本發明係有關於具備包含加熱電阻與熔絲元件之保護元件的保護電路、電池組以及電子設備。
即使如行動電話用的二次電池般以單一單元(cell)使用的情況下，鋰離子電池等二次電池也以將保護電路(Safety Unit)組裝到外殼內的電池組型態被商品化。只藉由鋰離子電池等二次電池的單元難以實現充分的保護。鋰離子電池的特徵可以舉例如容易過度充電和過熱。 因此，在電池組中，將包含保護元件的保護電路與二次電池組合，收納於塑膠外殼等外裝容器中。充放電控制系統(電池管理系統，BMS)一邊偵測二次電池的電壓、電流、溫度等，一邊控制二次電池的充放電。
在搭載於筆記型電腦等的電池組中，包含連接鋰離子電池等之複數單元的電池組。近年來，因為對過充電、過熱以及過放電等雙重保護的必要性，通常會在鋰離子電池的電池組中搭載二次保護(second protection)。 在此二次保護的保護中，藉由被稱為自控制保護器(self-control protector)的保護元件(包含熔絲元件)不可逆的切斷充放電路徑。具體而言，藉由二次保護積體電路(IC)控制並操作與電池串聯連接的保護元件，在電池以異常狀態充放電時切斷電流。 保護元件中內藏加熱電阻，電池在例如超過基準值並被充電時，加熱電阻透過二次保護IC通電，短時間加熱熔斷低熔點金屬的熔絲元件。另外，保護元件也因電池的異常電流而動作。異常電流發生時，熔絲元件因過電流引起的焦耳熱而熔斷(參照日本特開2017-228379號公報)。 上述保護元件包含於電池組的保護電路中。保護電路包含監控電池或各單元之電壓的二次保護IC，以及場效電晶體(FET)等開關元件。透過二次保護IC控制熔絲元件的操作。 例如，在日本特開2012-231649號公報中記載的電池組之充放電控制電路中使用的保護元件中，感應電池組的過電流以及周圍溫度之上升，熔斷熔絲並切斷電子電路。另外，藉由以特定條件使加熱電阻通電，強制熔斷熔絲並切斷電子電路。 意即，此保護元件可以透過過電流熔斷熔絲元件並切斷電路。另外，此保護元件在透過保護電路偵測設備中產生的異常時，可以透過訊號電流使電阻元件發熱，藉由其熱熔斷由可熔合金構成的熔絲元件並切斷電路。
習知的保護電路在例如電壓被控制在充電電壓為8.4~19.1V之範圍的電池組中，在充電電壓超過19.1V時，二次保護IC判斷為過充電。二次保護IC經由FET使保護元件的加熱電阻通電，藉由使加熱電阻加熱熔斷熔絲元件。另外，充電電壓低於8.4V時，二次保護IC判斷為過放電，熔斷熔絲元件。 因此，在習知的保護電路中，在超出比較狹小的電壓範圍時，切斷電路並進行電池以及電子設備的保護(參照日本特開2018-060659號公報)。
[發明所欲解決的課題]
本發明的目的為提供可以在較廣電壓範圍中使用的保護電路、電池組以及電子設備中，實現對過充電、過熱以及過放電之保護的保護電路、電池組以及電子設備。
有關本發明的保護電路，被設置於電池組中，該電池組包括包含二次電池的至少1個單元的電池、第1外部端子以及第2外部端子，包括：保護元件，包括設置於前述電池與前述第1外部端子之間的熔絲元件以及用以加熱前述熔絲元件的加熱電阻；第1開關元件，一端連接前述電池以及前述第2外部端子，另一端連接前述加熱電阻；第2開關元件以及電阻元件，被設置為與前述第1開關元件並聯；以及控制部，依據前述單元或前述電池的電壓控制前述第1開關元件以及前述第2開關元件的操作。前述控制部將前述保護電路在第1狀態與第2狀態間切換，前述第1狀態將前述第1開關元件設為開啟並使前述加熱電阻通電，前述第2狀態將前述第2開關元件設為開啟並經由前述電阻元件使前述加熱電阻通電。 在上述保護電路中，前述控制部也可以在前述單元或前述電池的電壓值低於特定電壓範圍時，將前述保護電路切換到前述第1狀態，在前述單元或前述電池的電壓值超過前述特定電壓範圍時，將前述保護電路切換到前述第2狀態。
例如，將特定電壓範圍設為8.4~43.3V時，放電電壓低於8.4V時控制部將第1開關元件設為開啟，並切換到上述第1狀態，使加熱電阻加熱並熔斷熔絲元件。充電電壓超過43.3V時，控制部將第2開關元件設為開啟並切換到第2狀態，經由上述電阻元件使加熱電阻通電並使加熱電阻加熱熔斷熔絲元件。即使在例如充電電壓為43.3V之高電壓的情況下，經由上述電阻元件使加熱電阻通電，可以不損壞加熱電阻使加熱電阻加熱。因此，即使在例如8.4V到43.3V般較廣的電壓範圍中使用的電池組中，也可以實現對過充電、過熱以及過放電的保護。 在上述保護電路中，在前述發熱電阻的電阻值為R1、前述保護元件的額定電壓為V1、前述單元或前述電池的電壓為V2時，前述電阻元件的電阻值R2也可以滿足R2={R1×(V2-V1)}/V1的關係。
例如將加熱電阻的電阻值R1設為31Ω，將特定電壓範圍設為33.6~51.0V時，藉由將連接第2開關元件的電阻元件的電阻值R2設為10Ω，控制部在電池之電壓低於33.6V時使用第1開關元件，在電池之電壓超過51.0V時使用用第2開關元件，讓加熱電阻可以加熱。
關於本發明的開關元件，由場效電晶體(FET)、金氧半場效電晶體(MOSFET)等開關電晶體或包含該開關元件的保護電路模組構成。 在上述保護電路中，上述電池也可以包含複數上述單元，上述控制部依據任意1個以上的上述單元之電壓控制上述第1開關元件以及上述第2開關元件的操作。 包含上述保護電路的電池組，更包括包含二次電池的至少1個單元的電池、第1外部端子，以及第2外部端子。 包含上述電池組的電子設備更包括充放電裝置，使前述電池組充放電；以及設備本體，可拆裝地安裝前述電池組。
藉由上述保護電路，在單元或電池的電壓值低於特定電壓範圍時，經由第1開關元件使加熱電阻通電，可以使加熱電阻加熱並熔斷保護元件的熔絲元件。另外，單元或電池的電壓值超過特定電壓範圍時，經由第2開關元件以及電阻元件使加熱電阻通電，可以使加熱電阻加熱並熔斷保護元件的熔絲元件。藉由將第2開關元件以及電阻元件配置為與第1開關元件並聯，在電池的電壓較高的情況和較低的情況下，皆可以對加熱電阻施加適當的電壓。因此，可以不超過保護元件中包含的加熱電阻的耐壓，以更高的電壓值使用。因此，可以在更廣的電壓範圍使用保護電路。 [發明的效果]
可以提供在較廣的電壓範圍中使用的電池組中，能實現對過充電、過熱以及過放電之保護的保護電路、電池組以及電子設備。 本發明的上述以及其他目的、特徵、層面以及優點，將從以下結合所附圖式理解的本發明的詳細描述中變得顯而易見。
[較佳的實施例]
以下說明關於本實施型態的保護電路、電池組以及電子設備。 關於本實施型態的保護電路，被設置於電池組中，該電池組包括包含二次電池的至少1個單元的電池(組裝電池)、第1外部端子以及第2外部端子，包括：保護元件，包括設置於上述電池與上述第1外部端子之間的熔絲元件以及用以加熱上述熔絲元件的加熱電阻；第1開關元件，一端連接上述電池以及上述第2外部端子，另一端連接上述加熱電阻；第2開關元件以及電阻元件，被設置為與上述第1開關元件並聯；以及控制部，依據上述單元或上述電池的電壓控制上述第1開關元件以及上述第2開關元件的操作；其中，上述控制部，將上述保護電路在第1狀態與第2狀態間切換，上述第1狀態將上述第1開關元件設為開啟並使上述加熱電阻通電，上述第2狀態將上述第2開關元件設為開啟並經由上述電阻元件使上述加熱電阻通電。 在上述保護電路中，上述控制部在上述單元或上述電池的電壓值低於特定電壓範圍時，將上述保護電路切換到第1狀態，在上述單元或上述電池的電壓值超過上述特定電壓範圍時，將上述保護電路切換到第2狀態。
控制部依據單元或電池的電壓輸出控制訊號。第1開關元件與控制部連接，第2開關元件與控制部連接。藉由依據電池的電壓從控制部輸出的控制訊號，切換第1開關元件以及第2開關元件的開啟狀態與關閉狀態。 例如，將特定電壓範圍設為8.4~43.3V時，電池的放電電壓低於8.4V時，控制部，將第1開關元件設為開啟並切換到上述第1狀態，使加熱電阻加熱並熔斷熔絲元件。充電電壓超過43.3V時，控制部將第2開關元件設為開啟並切換到第2狀態，經由上述電阻元件使加熱電阻通電並使加熱電阻加熱熔斷熔絲元件。 即使在例如充電電壓為43.3V之高電壓的情況下，經由上述電阻元件使加熱電阻通電，可以不損壞加熱電阻使加熱電阻加熱。因此，即使在例如8.4V到43.3V般較廣的電壓範圍中使用的電池組中，也可以實現對過充電、過熱以及過放電的保護。
在上述的例子中，作為特定電壓範圍的8.4~43.3V被分為第1電壓範圍8.4~19.1V與第2電壓範圍19.2V~43.3V。電池的放電電壓為第1電壓範圍的8.4V至19.1V時，控制部控制電池之電壓維持在第1電壓範圍。電池的放電電壓低於8.4V時(低於第1電壓範圍時)，構成控制部的第二保護積體電路(IC)將第1開關元件設為開啟狀態，使加熱電阻通電並使加熱電阻加熱熔斷熔絲元件(使保護元件動作)。對電池的充電電壓超過19.1V（超過第1電壓範圍）時，控制部控制電池之電壓維持在第2電壓範圍的19.2V至3.3V。電池之電壓超過43.3V(超過第2電壓範圍)時，構成控制部的第二保護積體電路(IC)將第2開關元件設為開啟狀態，經由電阻元件使加熱電阻通電並使加熱電阻加熱熔斷熔絲元件(使保護元件動作)。在電壓較高的情況下，也藉由透過電阻元件通電可以不損壞加熱電阻地加熱。 如此，藉由設置第1開關元件和第1開關元件並聯的第2開關元件以及電阻元件，可以構成可對應組合第1電壓範圍與第2電壓範圍的較廣電壓範圍的保護電路。 在上述保護電路中，上述加熱電阻的電阻值為R1、上述保護元件的額定電壓為V1、上述單元或上述電池的電壓為V2時，上述電阻元件的電阻值R2滿足R2={R1×(V2-V1)}/V1的關係。
例如，加熱電阻的電阻值R1為31Ω，特定電壓範圍為33.6~51.0V時，藉由將連接第2開關元件的電阻元件之電阻值R2設為10Ω，控制部(第二保護IC)在電池之電壓低於33.6V時，使用第1開關元件，在電池之電壓超過51.0V時，使用第2開關元件，可以使加熱電阻加熱。 上述特定電壓範圍33.6~51.0V被分為第1電壓範圍33.6~46.9V與第2電壓範圍47.0V~51.0V。控制部在電池之電壓低於第1電壓範圍33.6~46.9V時，使用第1開關元件使加熱電阻元件通電。電池之電壓超過第2電壓範圍47.0~51.0V時，使用第2開關元件經由電阻元件使加熱電阻通電，可以使加熱電阻加熱。藉由選擇電阻元件的電阻值R2以滿足上述關係，在組合第1電壓範圍與第2電壓範圍的較廣電壓範圍中使用的電池中，可以不損壞加熱電阻實現保護。
根據上述保護電路，在單元或電池之電壓低於特定電壓範圍時，經由第1開關元件使加熱電阻通電，可以使加熱電阻加熱並熔斷保護元件的熔絲元件。另外，單元或電池之電壓超過特定電壓範圍時，經由第2開關元件以及電阻元件使加熱電阻通電，可以使加熱電阻加熱並熔斷保護元件的熔絲元件。藉由配置與第1開關元件並聯的第2開關元件以及電阻元件，在電池之電壓較高的情況和較低的情況中，皆可以對加熱電阻施加適當的電壓。因此，不超過保護元件中包含的加熱電阻的耐壓，能以更高的電壓使用。另外，在低電壓中也可以有效地操作加熱電阻。因此，可以在更廣的電壓範圍中使用保護電路。
根據本實施型態的保護電路，在較廣的電壓範圍使用的電池組中，可以實現對過充電、過熱以及過放電的保護。 在過充電以及過放電任一者的狀態中，已知單元的電極間短路產生過大電流，會導致單元的溫度上升。根據本實施型態的保護電路，在過充電以及過放電任一者中，藉由操作保護元件，可以實現保護。
關於本實施型態的開關元件，由場效電晶體(FET)、金氧半場效電晶體(MOSFET)等開關電晶體或包含該開關元件的保護電路模組構成。
本實施型態的保護電路可以搭載於電池組並保護充放電裝置。
本實施型態的保護電路適用於電池組。包含上述保護電路的電池組更包括：包含二次電池的至少1個單元的電池、第1外部端子，以及第2外部端子。
本實施型態的電池組，在可攜式設備等無線電子設備中使用。電子設備更包括充放電裝置，使上述電池組充放電；以及設備本體，可拆裝地安裝上述電池組。 在上述保護電路中，上述電池包含複數上述單元，上述控制部也可以依據任意1個以上的上述單元之電壓控制上述第1開關元件與上述第2開關元件的動作。
複數二次電池的單元串聯連接。控制部依據單元或電池(組裝電池)的電壓輸出控制訊號。將電池的任意1個以上之單元的第1電壓範圍設為VR1時，電壓低於VR1時，經由第1開關元件使加熱電阻通電，熔斷保護元件的熔絲元件。將第2電壓範圍設為VR2時，電壓超過VR2時，經由第2開關元件以及電阻元件使加熱電阻通電，熔斷保護元件的熔絲元件。
可以構成搭載連接複數二次電池之單元的電池的電池組。可以構成搭載電池組的電子設備，該電子設備搭載連接複數二次電池之單元的電池的電池組。 [實施例]
實施例1的保護電路10如第1圖所示，為從過充電、過熱以及過放電中保護鋰離子電池等二次電池的電池組的保護電路。保護電路10包括保護元件18、第1開關元件19、第2開關元件200、控制部15以及電阻元件201。 在實施例1中，1個以上的二次電池的單元11串聯連接構成電池12。電池12撘載於電池組中。電池組包括第1外部端子13與第2外部端子14。 控制部15的第1端子15a連接電池12的第1電極12a與保護元件18。控制部15的第2端子15b連接電池12的第2電極12b與第2外部端子14。藉由控制部15的第1端子15a以及第2端子15b分別連接電池12的第1電極12a以及第2電極12b，控制部15監控電池12的電壓。控制部15的第3端子15c連接第1開關元件19。控制部15的第4端子15d連接第2開關元件200。控制部15依據電池12的電壓，選擇性地輸出控制訊號到第1開關元件19以及第2開關元件200。 電池12的第1電極12a與第1外部端子13之間串聯連接保護元件18的熔絲元件16。保護元件18包括熔絲元件16和加熱熔絲元件16的加熱電阻17。加熱電阻17可以設置於與基板相同的側面和熔絲元件16重疊，也可以設置於基板的對面透過基板傳導熱到熔絲元件16。 第1開關元件19的一端連接電池12的第2電極12b以及第2外部端子14。第1開關元件19的另一端連接保護元件18的加熱電阻17。另外，第1開關元件19連接控制部15。控制部15藉由輸出的控制訊號切換第1開關元件19的一端與另一端之間的導通狀態(開啟狀態)和非導通狀態(關閉狀態) 。 第2開關元件200以及電阻元件201被設置為與第1開關元件19並聯。第2開關元件200連接控制部15。控制部15藉由輸出的控制訊號切換第2開關元件200的一端與另一端之間的導通狀態(開啟狀態)和非導通狀態(關閉狀態) 。 第2開關元件200與電阻元件201串聯連接。與第1開關元件19一同並聯設置的第2開關元件200以及電阻元件201連接加熱電阻17。加熱電阻17也與熔絲元件16的中間點電性耦接。 藉由控制部15，切換第1開關元件19與第2開關元件200，控制保護元件18的動作。例如，電池12的放電電壓低於8.4V時，控制部15(第二保護IC)使第1開關元件19為開啟狀態(第1狀態)，使加熱電阻17通電並使加熱電阻17加熱，使保護元件動作(熔斷保護元件18的熔絲元件16)。充電電壓超過43.3V時，控制部15(二次保護IC)使第2開關元件200為開啟狀態(第2狀態)，可以透過電阻元件201使加熱電阻17通電，使加熱電阻17加熱並使保護元件動作。
實施例2的保護電路20如第2圖所示，為從過充電、過熱以及過放電中保護鋰離子電池等二次電池的電池組的保護電路。保護電路20包括保護元件28、第1開關元件29、第2開關元件300、控制部25以及電阻元件301。 在實施例2中，1個以上的二次電池的單元21串聯連接構成電池22。電池22撘載於電池組中。電池組包括第1外部端子23與第2外部端子24。 控制部25的第1端子25a連接電池22的第1電極22a與保護元件28。控制部25的第2端子25b連接電池22的第2電極22b與第2外部端子24。控制部25的複數第5端子25e連接單元21之間的電極21a。藉由控制部25的第1端子25a、第2端子25b以及第5端子25e分別連接電池22的第1電極22a、第2電極22b以及單元21之間的電極21a，控制部25監控電池22的電壓以及各單元21的電壓。 控制部25的第3端子25c連接第1開關元件29。控制部25的第4端子25d連接第2開關元件300。控制部25依據電池22或單元21的電壓，選擇性地輸出控制訊號到第1開關元件29以及第2開關元件300。 電池22的第1電極22a與第1外部端子23之間連接保護元件28的熔絲元件26。保護元件28包括熔絲元件26和加熱熔絲元件26的加熱電阻27。 第1開關元件29的一端連接電池22的第2電極22b以及第2外部端子24。第1開關元件29的另一端連接保護元件28的加熱電阻27。第1開關元件29連接控制部25。控制部25藉由輸出的控制訊號切換第1開關元件29的一端與另一端之間的導通狀態(開啟狀態)和非導通狀態(關閉狀態) 。 第2開關元件300以及電阻元件301被設置為與第1開關元件29並聯。第2開關元件300連接控制部25。控制部25藉由輸出的控制訊號切換第2開關元件300的一端與另一端之間的導通狀態(開啟狀態)和非導通狀態(關閉狀態) 。 第2開關元件300與電阻元件301串聯連接。與第1開關元件29一同並聯設置的第2開關元件300以及電阻元件301連接加熱電阻27。加熱電阻27也與熔絲元件26的中間點電性耦接。 藉由控制部25，切換第1開關元件29與第2開關元件300，控制保護元件28的動作。例如，電池22或單元21的放電電壓低於8.4V時，控制部25(第二保護IC)使第1開關元件29為開啟狀態，使加熱電阻27通電並使加熱電阻27加熱，使保護元件動作(熔斷保護元件28的熔絲元件26)。充電電壓超過43.3V時，控制部25(二次保護IC)使第2開關元件300為開啟狀態，可以透過電阻元件301使加熱電阻27通電，使加熱電阻27加熱並使保護元件動作。
實施例3的電池組為使用實施例1之保護電路10的電池組。意即為包含鋰離子電池等二次電池之單元的電池組，包括保護電路10。
實施例4的電池組為使用實施例2之保護電路20的電池組。意即為包含鋰離子電池等二次電池之單元的電池組，包括保護電路20。
實施例5的電子設備為使用實施例3之電池組或實施例4之電池組的電子設備。意即為利用包含鋰離子電池等二次電池之單元的電池組的電子設備。電池組可拆裝地連接電子設備。電子設備包括設備本體，該設備本體充電電池組或從電池組接收電源供給並被驅動。電子設備包含與電池組連接的充放電裝置。 [產業上的可利用性]
關於本發明的保護電路、電池組以及電子設備，可以利用於使用包含加熱電組與熔絲元件的保護元件的電器或電子設備。特別是可以利用於包含二次電池的電池組等的保護裝置。 雖然針對本發明的實施例進行說明，應理解本揭露之實施例僅為例示而非用以限制本發明。本發明的範圍由申請專利範圍所示，並包含與申請專利範圍均等之意義以及範圍內的所有變更。
10:保護電路 11:單元 12:電池 12a:第1電極 12b:第2電極 13:第1外部端子 14:第2外部端子 15:控制部 15a:第1端子 15b:第2端子 15c:第3端子 15d:第4端子 16:熔絲元件 17:加熱電阻 18:保護元件 19:第1開關元件 20:保護電路 200:第2開關元件 201:電阻元件 21:單元 21a:電極 22:電池 22a:第1電極 22b:第2電極 23:第1外部端子 24:第2外部端子 25:控制部 25a:第1端子 25b:第2端子 25c:第3端子 25d:第4端子 25e:第5端子 26:熔絲元件 28:保護元件 29:第1開關元件 300:第2開關元件 301:電阻元件
第1圖為顯示關於本發明之實施型態的保護電路的圖。 第2圖為顯示關於本發明之實施型態的保護電路的圖。
10:保護電路
11:單元
12:電池
12a:第1電極
12b:第2電極
13:第1外部端子
14:第2外部端子
15:控制部
15a:第1端子
15b:第2端子
15c:第3端子
15d:第4端子
16:熔絲元件
17:加熱電阻
18:保護元件
19:第1開關元件
200:第2開關元件
201:電阻元件

Claims (6)

  1. 一種保護電路，被設置於電池組中，該電池組包括包含二次電池的至少1個單元的電池、第1外部端子以及第2外部端子，包括： 保護元件，包括設置於前述電池與前述第1外部端子之間的熔絲元件以及用以加熱前述熔絲元件的加熱電阻； 第1開關元件，一端連接前述電池以及前述第2外部端子，另一端連接前述加熱電阻； 第2開關元件以及電阻元件，被設置為與前述第1開關元件並聯；以及 控制部，依據前述單元或前述電池的電壓控制前述第1開關元件以及前述第2開關元件的操作；其中， 前述控制部，將前述保護電路在第1狀態與第2狀態間切換，前述第1狀態將前述第1開關元件設為開啟並使前述加熱電阻通電，前述第2狀態將前述第2開關元件設為開啟並經由前述電阻元件使前述加熱電阻通電。
  2. 如請求項1之保護電路，其中前述控制部在前述單元或前述電池的電壓值低於特定電壓範圍時，將前述保護電路切換到第1狀態，在前述單元或前述電池的電壓值超過前述特定電壓範圍時，將前述保護電路切換到第2狀態。
  3. 如請求項1或2之保護電路，在前述發熱電阻的電阻值為R1、前述保護元件的額定電壓為V1、前述單元或前述電池的電壓為V2時，前述電阻元件的電阻值R2滿足R2={R1×(V2-V1)}/V1的關係。
  4. 如請求項1或2之保護電路，其中前述電池包括複數前述單元，前述控制部依據任意1個以上的前述單元之電壓控制前述第1開關元件以及前述第2開關元件的操作。
  5. 一種電池組，包括請求項1至請求項4中任一項之保護電路，更包括： 包含二次電池的至少1個單元的電池、第1外部端子，以及第2外部端子。
  6. 一種電子設備，包括請求項5之電池組，更包括： 充放電裝置，使前述電池組充放電；以及 設備本體，可拆裝地安裝前述電池組。
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