TWI427885B - 電池包及其保護電路與方法 - Google Patents

Description

電池包及其保護電路與方法

本發明係有關一種電池包，特別是關於一種電池包的保護電路及方法。

電池包係一組任何數量的電池串聯、並聯或串並聯混合的封裝，用以提供想要的電壓、容量或電力密度。如圖1所示，單節(single cell)電池包10包括單個電池(cell)12連接在電極14及16之間。為了提供保護，增加複晶矽熔絲18與電池12串聯。當電池12發生異常操作時，例如過電流或過熱(over temperatue)，將產生大量的熱熔化複晶矽熔絲18，因而避免電池包10損毀。然而，複晶矽熔絲18熔化的時間大約需要幾百毫秒，因此這種保護方式的反應速度很慢，而且在複晶矽熔絲18熔化後，必須更換新的複晶矽熔絲才能使電池包10再次工作。此外，複晶矽熔絲18熔化的時間很難控制，因此無法精確的設定過電流或過熱跳脫點(trip point)。

如果一個電池包含有多個電池，則該電池包為多節(multi-cell)電池包。例如在圖2中，多節電池包20包括電池(cell)12、22、24串聯在電極14及16之間。同樣地，為了提供保護，複晶矽熔絲18與電池12、22、24串聯。這種保護方式除了具有上述的缺點以外，由於複晶矽熔絲18、電池12、22、24全部串聯在一起，因此只要其中任何一個電池發生異常狀態，例如電池22，則複晶矽熔絲18將會熔化而切斷電流路徑，造成電池包20無法工作。

在上述的保護方式中，複晶矽熔絲的使用及其配置造成使用者的不便，因此需要尋求新的解決方案。

本發明的目的之一，在於提出一種電池包的保護電路及方法。

本發明的目的之一，在於提出一種具有智慧型保護的電池包。

根據本發明，一種電池包的保護電路包括保護開關與一或多個電池串聯在二電極之間，偵測電路用以偵測電池狀態，以及控制電路根據該偵測電路的輸出信號控制該保護開關。在該一或多個電池發生異常操作時，該控制電路切斷該保護開關，以排除異常狀態的電池；當異常狀況消失後，該控制電路導通該保護開關，以回復該已被排除的電池到正常狀態。較佳者，更包括旁通開關受該控制電路切換，俾在異常狀況時導通，以旁通異常狀態的電池。

根據本發明，一種電池包的保護方法包括偵測一或多個電池是否發生異常操作，若有，則使用第一控制信號切斷與異常狀態電池串聯的保護開關，以排除該異常狀態的電池，當異常狀況消失後，導通該保護開關，以回復該已被排除的電池到正常狀態。較佳者，更包括在異常狀況時使用第二控制信號導通旁通開關，以旁通該異常狀態的電池。

參照圖3及圖4，根據本發明的多節電池包26包含保護電路28提供對抗異常操作的智慧型保護。在保護電路28中，保護開關SW1與電池12、22、24串聯在電極14及16之間，偵測電路30連接電池串12、22、24的兩端，由其提供電力，並偵測其是否發生異常操作，例如過電流或過熱等，控制電路32亦連接電池串12、22、24的兩端，由其提供電力，並根據偵測電路30的輸出信號PS1決定控制信號CS1控制保護開關SW1。保護開關SW1係電子開關，例如功率MOSFET。電池包26在正常狀態下，如圖3所示，保護開關SW1是導通的，一旦發生異常操作，控制電路32將切斷保護開關SW1，如圖4所示，因而排除電池串12、22、24，當異常狀況消失後，控制電路32導通保護開關SW1，因此電池包26又能再次工作。包含過電流保護(OCP)及過熱保護(OTP)在內的各種保護措施的偵測是習知技術，因應信號產生控制信號切換開關也是習知技術，因此不再對偵測電路30及控制電路32的詳細電路多做說明。

雖然上述實施例係以多節電池包解說，但此技術領域之人士從其中可瞭解，在單節電池包的應用中也是一樣的，只是電池串12、22、24改為單個電池。

由於保護電路28是利用電子開關SW1提供保護，因此可以精確的設定過電流、過熱或其他保護措施的跳脫點，而且在發生異常操作時，電子開關SW1能立即被切斷，這只需要幾微秒的時間，此外，當異常狀況消失後，電池包26便能自動回復正常狀態再次工作，這些都讓電池包26的使用較方便。

在不同的實施例中，針對多節電池包中不同的電池提供獨立的保護。例如圖5所示，在多節電池包34中，電池12、22、24串聯在電極14及16之間，保護電路包括三組子電路36、38、40分別保護電池12、22、24。在子電路36中，保護開關SW1、偵測電路42、控制電路44的操作和圖3中的相對應元件是相同的，增加的旁通開關SW2與保護開關SW1及電池12並聯，其受控制電路44提供的控制信號CS2控制，在電池12為正常狀態時是切斷的，當電池12發生異常操作時導通，因而旁通電池12。子電路38和40與子電路36具有相同的組成，其操作也是一樣的。子電路36、38、40所需的電源由其各自保護的電池12、22、24供應。開關SW1-SW6全部都是電子開關。如圖5所示，當電池包34在正常狀態下，保護開關SW1、SW3、SW5皆導通，旁通開關SW2、SW4、SW6皆切斷，電流從電極16經保護開關SW5、電池24、保護開關SW3、電池22、保護開關SW1、電池12流到電極14。當任何一個電池發生異常操作，例如電池22，如圖6所示，保護開關SW3切斷而旁通開關SW4導通，因此旁通電池22，電流改流經旁通開關SW4，因而維持電流路徑在電極14及16之間，電池包34仍可繼續工作。當偵測電路42偵測到電池22的異常狀態消失，控制電路44切斷旁通開關SW4及導通保護開關SW3，因此電池22恢復工作。

雖然在圖5的實施例中，保護電路的每一個子電路保護一個電池，但此技術領域之人士從其中可瞭解，在不同的實施例中，一個子電路可以保護多個電池，就像圖3的實施例那樣。此外，此技術領域之人士從圖5的實施例可瞭解，圖3的實施例也可以增加旁通開關，在電池包26發生異常操作時導通以旁通電池串12、22、24。

圖5的實施例稍作修改如圖7所示，在多節電池包46中，保護電路48所需的電源由電極14及16供應，偵測電路50偵測電池12、22、24是否發生異常操作，控制電路52根據偵測電路50的輸出信號PS[1:3]控制開關SW1-SW6。如果使用多工器的話，偵測電路50的尺寸可以縮減很多。

圖8係另一個實施例，在多節電池包54中，電池12及22並聯在電極14及16之間，保護電路48包括保護開關SW1及SW3分別與電池12及22串聯，偵測電路50及控制電路52由電極14及16供電。偵測電路50偵測電池12及22是否發生異常操作，控制電路52根據偵測電路50的輸出信號PS1及PS2控制保護開關SW1及SW3，例如在電池22發生異常操作時，切斷保護開關SW3以排除電池22，一旦異常狀況消失，導通保護開關SW3讓電池22恢復工作。

10．．．電池包

12．．．電池

14．．．電極

16．．．電極

18．．．複晶矽熔絲

20．．．電池包

22．．．電池

24．．．電池

26．．．電池包

28．．．保護電路

30．．．偵測電路

32．．．控制電路

34．．．電池包

36．．．保護電路的子電路

38．．．保護電路的子電路

40．．．保護電路的子電路

42．．．偵測電路

44．．．控制電路

46．．．電池包

48．．．保護電路

50．．．偵測電路

52．．．控制電路

54．．．電池包

圖1係習知的單節電池包；

圖2係習知的多節電池包；

圖3係根據本發明的第一實施例在正常狀態下的電路；

圖4係圖3的實施例在異常狀態下的電路；

圖5係根據本發明的第二實施例在正常狀態下的電路；

圖6係圖5的實施例在異常狀態下的電路；

圖7係根據本發明的第三實施例；以及

圖8係根據本發明的第四實施例。

12．．．電池

14．．．電極

16．．．電極

22．．．電池

24．．．電池

46．．．電池包

48．．．保護電路

50．．．偵測電路

52．．．控制電路

Claims (10)

1. 一種電池包，包括：二電極；電池；保護開關，與該電池串聯在該二電極之間；偵測電路連接該電池，偵測其是否發生異常操作；控制電路連接該偵測電路，根據該偵測電路的輸出信號控制該保護開關；以及旁通開關與該電池及保護開關並聯，受該控制電路控制；其中，該控制電路在該電池發生異常操作時切斷該保護開關，並導通該旁通開關以旁通該電池。
2. 一種電池包的保護電路，該電池包具有二電極及電池，該保護電路包括：保護開關，與該電池串聯在該二電極之間；偵測電路連接該電池，偵測其是否發生異常操作；控制電路連接該偵測電路，根據該偵測電路的輸出信號控制該保護開關；以及旁通開關與該電池及保護開關並聯，受該控制電路控制；其中，該控制電路在該電池發生異常操作時切斷該保護開關，並導通該旁通開關以旁通該電池。
3. 一種電池包的保護方法，該電池包具有二電極及電池，該保護方法包括下列步驟：(A)配置保護開關與該電池串聯在該二電極之間；(B)配置旁通開關與該電池及保護開關並聯； (C)偵測該電池是否發生異常操作；(D)在該電池發生異常操作時，切斷該保護開關，並導通該旁通開關以旁通該電池；以及(E)在異常狀況消失後，導通該保護開關及切斷該旁通開關。
4. 一種電池包，包括：二電極；多個電池，串聯在該二電極之間；以及保護電路連接該多個電池，該保護電路含有多個子電路，每一個子電路用以獨立保護一個電池，其中每一個子電路包含：保護開關，與所保護的電池串聯；旁通開關與所保護的電池及該保護開關並聯；偵測電路連接所保護的電池，偵測其是否發生異常操作；以及控制電路連接該偵測電路，根據該偵測電路的輸出信號控制該保護開關及旁通開關；其中，該控制電路在所保護的電池發生異常操作時切斷該保護開關，並且導通該旁通開關，以旁通所保護的電池。
5. 一種電池包，包括：二電極；第一及第二電池串聯在該二電極之間；第一保護開關，與該第一電池串聯且直接連接該第一電 池；第二保護開關，與該第二電池串聯且直接連接該第二電池；第一旁通開關，與該第一電池及第一保護開關並聯；第二旁通開關，與該第二電池及第二保護開關並聯；偵測電路連接該第一及第二電池，偵測該第一及第二電池是否發生異常操作；以及控制電路連接該偵測電路，根據該偵測電路的輸出信號控制該第一及第二保護開關及第一及第二旁通開關；其中，該控制電路在該第一電池發生異常操作時切斷該第一保護開關，並且導通該第一旁通開關，以旁通該第一電池，以及在該第二電池發生異常操作時切斷該第二保護開關，並且導通該第二旁通開關，以旁通該第二電池。
6. 一種電池包的保護電路，該電池包具有二電極及二電池串聯在該二電極之間，該保護電路包括：第一保護開關，與該二電池中的第一電池串聯且直接連接該第一電池；第二保護開關，與該二電池中的第二電池串聯且直接連接該第二電池；第一旁通開關，與該第一電池及第一保護開關並聯；第二旁通開關，與該第二電池及第二保護開關並聯；偵測電路連接該二電池，偵測該二電池是否發生異常操作；以及 控制電路連接該偵測電路，根據該偵測電路的輸出信號控制該第一及第二保護開關及第一及第二旁通開關；其中，該控制電路在該第一電池發生異常操作時切斷該第一保護開關，並且導通該第一旁通開關，以旁通該第一電池，以及在該第二電池發生異常操作時切斷該第二保護開關，並且導通該第二旁通開關，以旁通該第二電池。
7. 一種電池包的保護方法，該電池包具有二電極及二電池串聯在該二電極之間，該保護方法包括：(A)配置第一保護開關與該二電池中的第一電池串聯，其中該第一保護開關直接連接該第一電池；(B)配置第二保護開關與該二電池中的第二電池串聯，其中該第二保護開關直接連接該第二電池；(C)配置第一旁通開關與該第一電池及第一保護開關並聯；(D)配置第二旁通開關與該第二電池及第二保護開關並聯；(E)偵測該二電池是否發生異常操作；(F)在該第一電池發生異常操作時，切斷該第一保護開關並導通該第一旁通開關，以及在該第二電池發生異常操作時，切斷該第二保護開關並導通該第二旁通開關；以及(G)在該第一電池的異常狀況消失後，導通該第一保護開關並切斷該第一旁通開關，以及在該第二電池的異常 狀況消失後，導通該第二保護開關並切斷該第二旁通開關。
8. 一種電池包，包括：二電極；第一及第二電池並聯在該二電極之間；第一保護開關，與該第一電池串聯；第二保護開關，與該第二電池串聯；偵測電路連接該第一及第二電池，偵測該第一及第二電池是否發生異常操作；以及控制電路連接該偵測電路，根據該偵測電路的輸出信號控制該第一及第二保護開關；其中，該控制電路在該第一電池發生異常操作時切斷該第一保護開關，在該第二電池發生異常操作時切斷該第二保護開關。
9. 一種電池包的保護電路，該電池包具有二電極及二電池並聯在該二電極之間，該保護電路包括：第一保護開關，與該二電池中的第一電池串聯；第二保護開關，與該二電池中的第二電池串聯；偵測電路連接該二電池，偵測該二電池是否發生異常操作；以及控制電路連接該偵測電路，根據該偵測電路的輸出信號控制該第一及第二保護開關；其中，該控制電路在該第一電池發生異常操作時切斷該第一保護開關，以及在該第二電池發生異常操作時切斷 該第二保護開關。
10. 一種電池包的保護方法，該電池包具有二電極及二電池並聯在該二電極之間，該保護方法包括：(A)配置第一保護開關與該二電池中的第一電池串聯；(B)配置第二保護開關與該二電池中的第二電池串聯；(C)偵測該二電池是否發生異常操作；(D)在該第一電池發生異常操作時，切斷該第一保護開關，以及在該第二電池發生異常操作時，切斷該第二保護開關；以及(E)在該第一電池的異常狀況消失後，導通該第一保護開關，以及在該第二電池的異常狀況消失後，導通該第二保護開關。