TWI469417B - 具過充電安全電路的二次電池 - Google Patents

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Description

具過充電安全電路的二次電池
本發明係與對呈串聯的二次電池進行充電的過充電電路有關，特別是指一種具過充電安全電路的二次電池。
一般在進行二個額定電量差異較大(超過10%)的二次電池進行串聯充電時，因為較低電量的二次電池會先到達滿電狀態，且低電量二次電池的電壓會持續上升，進而造成二次電池無法恢復的損壞甚至起火爆炸，因此，目前的作法會在各該二次電池上並聯配置一過充電安全電路，來達到對呈串聯的二次電池進行充電保護的目的。
參閱第1圖所示，顯示美國公開第2008/0258683 A1(Rechargeable battery assembly and power system using same)的其中一圖式，其中各該二次電池11以正極端子111及負極端子112依序電性連接，以形成一串聯電性連接的電池組，並於每一個二次電池11並聯一過充電電路12，當任一個二次電池11兩端的電壓大於或等於預先設定的電壓值時，該過充電電路12則會自動進行放電動作，藉以達到對呈串聯的二次電池11進行充電保護的目的；然而，其於實際使用情形仍具有下述缺陷：當呈串聯的二次電池11在進行充電作業時，每一過充電電 路12中的電壓偵測元件(圖上未示)皆持續在進行電壓偵測作業，因此，該過充電電路12中的電壓偵測元件容易損壞，而降低了對二次電池11的充電保護。
另外，每一該過充電電路12在進行製作時或多或少都會有不良品的產生，特別是該過充電電路12中的電壓偵測元件，一旦該過充電電路12中的電壓偵測元件因不良品而使其偵測或作動不正常或失效時，與其並聯的二次電池11即失去了充電保護的作用，同樣降低對二次電池11的充電保護。
是以，如何發出一種具過充電安全電路的二次電池，其可解決上述的問題，即為本案發明的動機。
本發明之目的在於提供一種具過充電安全電路的二次電池，其主要包含二與每一個二次電池呈並聯的電壓偵測元件，並藉由一元件偵測單元來偵測第一電壓偵測元件作動正常與否，當元件偵測單元偵測該第一電壓偵測元件作動不正常時，該元件偵測單元則驅動第二電壓偵測元件作動，以便持續對該二次電池進行電壓值的偵測判斷，使得該二次電池獲得較佳的充電保護效果。
緣是，為了達成前述目的，依據本發明所提供之一種具過充電安全電路的二次電池，包含：二次電池，具有一正極端子、一負極端子、及一該正極端子與負極端子之間的端電壓值(VB)；一第一電壓偵測元件，具有一電性連接該正極端子的第一偵測端部、及一電性連接該負極端子的第二偵測端部、及一第一訊號輸出端 部，當該第一電壓偵測元件偵測到該端電壓值(VB)大於一卸載電壓(VD)時，該第一訊號輸出端部發出一作動訊號，當該第一電壓偵測元件偵測到該端電壓值(VB)小於等於一充電電壓(VC)時，該第一訊號輸出端部發出一截止作動訊號，其中該卸載電壓(VD)大於該充電電壓(VC)；一半導體開關，具有一第一開關端部、一與該負極端子電性連接的第二開關端部、及一與該第一訊號輸出端部電性連接並接收該作動訊號及截止作動訊號的控制端部，透過該控制端部控制該第一開關端部與第二開關端部在一導通狀態或一截止狀態之間作動，當該半導體開關為常態或該控制端部接收該截止作動訊號時，該第一開關端部與該第二開關端部為截止狀態，當該控制端部接收該作動訊號時，該第一開關端部與該第二開關端部為導通狀態；一平衡電阻，具有一與該正極端子電性連接的第一電阻端部、及一與該第一開關端部電性連接的第二電阻端部；其特徵在於：一第二電壓偵測元件，具有一電性連接該正極端子的第三偵測端部、及一電性連接該負極端子的第四偵測端部、及一電性連接該控制端部的第二訊號輸出端部，當該第二電壓偵測元件偵測到該端電壓值(VB)大於該卸載電壓(VD)時，該第二訊號輸出端部發出一作動訊號，當該第二電壓偵測元件偵測到該端電壓值(VB)小於等於該充電電壓(VC)時，該第二訊號輸出端部發出一截止作動訊號；一元件偵測單元，電性連接在該正極端子及第三偵測端部之間，或電性連接在該負極端子及第四偵測端部之間， 並用以偵測該第一電壓偵測元件的作動狀態，當該元件偵測單元偵測到該第一電壓偵測元件停止作動時，該元件偵測單元呈導通狀態，以啟動該第二電壓偵測元件作動，當該元件偵測單元偵測到該第一電壓偵測元件持續作動時，該元件偵測單元呈不導通狀態，以關閉該第二電壓偵測元件作動。
較佳地，該二次電池係由複數個電池芯相並聯所構成。
較佳地，該元件偵測單元具有一電性連接該正極端子的第一端部、及一電性連接該第三偵測端部的第二端部。
較佳地，該元件偵測單元具有一電性連接該負極端子的第一端部、及一電性連接該第四偵測端部的第二端部。
關本發明為達成上述目的，所採用之技術、手段及其他之功效，茲舉三較佳可行實施例並配合圖式詳細說明如後。
《習知》
11‧‧‧二次電池
111‧‧‧正極端子
112‧‧‧負極端子
12‧‧‧過充電電路
《本發明》
20‧‧‧二次電池
201‧‧‧電池芯
21‧‧‧正極端子
22‧‧‧負極端子
30‧‧‧第一電壓偵測元件
31‧‧‧第一偵測端部
32‧‧‧第二偵測端部
33‧‧‧第一訊號輸出端部
40‧‧‧半導體開關
41‧‧‧第一開關端部
42‧‧‧第二開關端部
43‧‧‧控制端部
50‧‧‧平衡電阻
51‧‧‧第一電阻端部
52‧‧‧第二電阻端部
60‧‧‧第二電壓偵測元件
61‧‧‧第三偵測端部
62‧‧‧第四偵測端部
63‧‧‧第二訊號輸出端部
70‧‧‧元件偵測單元
71‧‧‧第一端部
72‧‧‧第二端部
80‧‧‧CC-CV充電器
20A‧‧‧第一個二次電池
201A‧‧‧第一電池芯
20B‧‧‧第二個二次電池
201B‧‧‧第二電池芯
50A‧‧‧平衡電阻
30A‧‧‧第一電壓偵測元件
60A‧‧‧第二電壓偵測元件
70A‧‧‧元件偵測單元
71A‧‧‧第一端部
72A‧‧‧第二端部
20B‧‧‧第二個二次電池
30B‧‧‧第一電壓偵測元件
60B‧‧‧第二電壓偵測元件
70B‧‧‧元件偵測單元
71B‧‧‧第一端部
72B‧‧‧第二端部
第1圖係美國公開第2008/0258683 A1的其中一圖式截圖。
第2圖係本發明第一實施例的示意圖，顯示二次電池裝設有過充電安全電路的狀態。
第3圖係本發明第一實施例的示意圖，顯示進行二個二次電池串聯，並分別裝設有過充電安全電路的狀態。
第4圖係本發明第二實施例的示意圖，顯示元件偵測單元電性連接在負極端子及第四偵測端部之間的狀態。
第5圖係本發明第二實施例的示意圖，顯示進行二個二次電池串 聯，並分別將元件偵測單元電性連接在負極端子及第四偵測端部之間的狀態。
第6圖係本發明第三實施例的示意圖，顯示二次電池由複數個電池芯相並聯所構成的狀態。
第7圖係本發明第三實施例的示意圖，顯示進行二個二次電池串聯，並分別由複數個電池芯相並聯所構成的狀態。
參閱第2圖所示，本發明第一實施例所提供的一種具過充電安全電路的二次電池，其主要係在二次電池20之間裝設有一第一電壓偵測元件30、一半導體開關40、一平衡電阻50、一第二電壓偵測元件60、及一元件偵測單元70，其中：該二次電池20係可反覆進行充、放電的電池，例如鋰電池，該二次電池20具有一正極端子21、一負極端子22、及一該正極端子21與負極端子22之間的端電壓值(VB)。
該第一電壓偵測元件30，具有一電性連接該正極端子21的第一偵測端部31、及一電性連接該負極端子22的第二偵測端部32、及一第一訊號輸出端部33，當該第一電壓偵測元件30偵測到該端電壓值(VB)大於一卸載電壓(VD)時，該第一訊號輸出端部33發出一作動訊號，當該第一電壓偵測元件30偵測到該端電壓值(VB)小於等於一充電電壓(VC)時，該第一訊號輸出端部33發出一截止作動訊號，其中該卸載電壓(VD)大於該充電電壓(VC)。
該半導體開關40，係以金屬氧化物電晶體(MOSFET) 為例，並具有一第一開關端部41、一與該負極端子22電性連接的第二開關端部42、及一與該第一訊號輸出端部33電性連接並接收該作動訊號及截止作動訊號的控制端部43，透過該控制端部43控制該第一開關端部41與第二開關端部42在一導通狀態或一截止狀態之間作動，當該半導體開關40為常態或該控制端部43接收該截止作動訊號時，該第一開關端部41與該第二開關端部42為截止狀態，當該控制端部43接收該作動訊號時，該第一開關端部41與該第二開關端部42為導通狀態。
該平衡電阻50，具有一與該正極端子21電性連接的第一電阻端部51、及一與該第一開關端部41電性連接的第二電阻端部52。
由於在該二次電池20之間裝設有一第一電壓偵測元件30、一半導體開關40、及一平衡電阻50係屬習知技藝，且其作動方式皆與習知相同，亦非本創作重點，因此對於該等構件之詳細結構與作動方式不再詳述。
該第二電壓偵測元件60，具有一電性連接該正極端子21的第三偵測端部61、及一電性連接該負極端子22的第四偵測端部62、及一電性連接該控制端部43的第二訊號輸出端部63，當該第二電壓偵測元件60偵測到該端電壓值(VB)大於該卸載電壓(VD)時，該第二訊號輸出端部63發出一作動訊號，當該第二電壓偵測元件60偵測到該端電壓值(VB)小於等於該充電電壓(VC)時，該第二訊號輸出端部63發出一截止作動訊號。
該元件偵測單元70，電性連接在該正極端子21及第三偵測端部61之間，並用以偵測該第一電壓偵測元件30的作動狀態，該元件偵測單元70具有一電性連接該正極端子21的第一端部71、及一電性連接該第三偵測端部61的第二端部72，當該元件偵測單元70偵測到該第一電壓偵測元件30停止作動時，該元件偵測單70元呈導通狀態，以啟動該第二電壓偵測元件60作動，當該元件偵測單元70偵測到該第一電壓偵測元件30持續作動時，該元件偵測單元70呈不導通狀態，以關閉該第二電壓偵測元件60作動。
以上所述為本發明實施例主要構件及其組態說明。至於本發明實施例的使用方式及功效，請參閱第3圖所示，係將本發明二個不同電量的一第一個二次電池20A及一第二個二次電池20B進行串聯後，以一CC-CV充電器80進行充電運作說明。其中，該第一個二次電池20A的電量係較該第二個二次電池20B電量小50%，例如：第一個二次電池20A的電量為50Ah而第二個二次電池20B的電量為100Ah。
據此，本發明在充電過程中，若較低電量的該第一個二次電池20A內部所殘餘的電量百分比(SOC)先達到100%時，則得以透過其自身所裝設的平衡電阻50A消耗超出的電量，藉以避免該第一個二次電池20A電壓持續上升而損壞，藉此，達到對呈串聯的二次電池進行充電保護的目的。
需特別注意的是，本發明特別在第一個二次電池20A上 呈並聯的設有第一電壓偵測元件30A及第二電壓偵測元件60A，並藉由一元件偵測單元70A來偵測第一電壓偵測元件30A作動正常與否，當該元件偵測單元70A偵測該第一電壓偵測元件30A作動不正常時，該元件偵測單元70A則驅動第二電壓偵測元件60A作動，以便持續對該第一個二次電池20A進行電壓值的偵測判斷，而得以避免該第一個二次電池20A電壓持續上升而損壞，藉以達到該第一個二次電池20A獲得較佳的充電保護效果的目的，以避免該第一電壓偵測元件30A因持續進行電壓偵測作業、或因不良品而使其偵測或作動不正常或失效時，即無法對該第一個二次電池20A進行充電保護，進而降低了對該第一個二次電池20A的充電保護。
同樣的，本發明在該第二個二次電池20B上呈並聯的設有第一電壓偵測元件30B及第二電壓偵測元件60B，並藉由一元件偵測單元70B來偵測第一電壓偵測元件30B作動正常與否，當該元件偵測單元70B偵測該第一電壓偵測元件30B作動不正常時，該元件偵測單元70B則驅動第二電壓偵測元件60B作動，以便持續對該第二個二次電池20B進行電壓值的偵測判斷，而得以避免該第二個二次電池20B電壓持續上升而損壞，藉以達到該第二個二次電池20B獲得較佳的充電保護效果的目的。
參閱第4圖所示，本發明第二實施例所提供的一種具過充電安全電路的二次電池，其同樣係在二次電池20之間裝設有一第一電壓偵測元件30、一半導體開關40、一平衡電阻50、一第二電壓偵測元件60、及一元件偵測單元70，由於其組態及功效同於第一實施例，故不 再贅述，至於第二實施例不同之處在於：該元件偵測單元70電性連接在該二次電池20的負極端子22及該第二電壓偵測元件60的第四偵測端部62之間，並具有一電性連接該負極端子22的第一端部71、及一電性連接該第四偵測端部62的第二端部72，藉以達成另一實施狀態。
同樣的，參閱第5圖所示，當本發明將二個不同電量的一第一個二次電池20A及一第二個二次電池20B進行串聯後，其所使用的該元件偵測單元70A同樣電性連接在該第一個二次電池20A的負極端子22A及該第二電壓偵測元件60A的第四偵測端部62A之間，而具有一電性連接該負極端子22A的第一端部71A、及一電性連接該第四偵測端部62A的第二端部72A，以及另一該元件偵測單元70B同樣電性連接在另一該第二個二次電池20B的負極端子22B及另一該第二電壓偵測元件60B的第四偵測端部62B之間，而具有一電性連接該負極端子22B的第一端部71B、及一電性連接該第四偵測端部62B的第二端部72B，藉以達成另一實施狀態。
參閱第6圖所示，本發明第三實施例所提供的一種具過充電安全電路的二次電池，其同樣係在二次電池20之間裝設有一第一電壓偵測元件30、一半導體開關40、一平衡電阻50、一第二電壓偵測元件60、及一元件偵測單元70，由於其組態及功效同於第一實施例，故不再贅述，至於第三實施例不同之處在於：該二次電池20係由複數個電池芯201相並聯所構成；同 樣的參閱第7圖所示，在第3圖的實施狀態中，該第一個二次電池20A可由複數個第一電池芯201A相並聯所構成，該第二個二次電池20B可由複數個第二電池芯201B相並聯所構成，藉以達成另一可實施狀態。
綜上所述，此三實施例及圖示僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明實施之範圍，即大凡依本新型申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應屬本新型專利涵蓋之範圍內。
20‧‧‧二次電池
21‧‧‧正極端子
22‧‧‧負極端子
30‧‧‧第一電壓偵測元件
31‧‧‧第一偵測端部
32‧‧‧第二偵測端部
33‧‧‧第一訊號輸出端部
40‧‧‧半導體開關
41‧‧‧第一開關端部
42‧‧‧第二開關端部
43‧‧‧控制端部
50‧‧‧平衡電阻
51‧‧‧第一電阻端部
52‧‧‧第二電阻端部
60‧‧‧第二電壓偵測元件
61‧‧‧第三偵測端部
62‧‧‧第四偵測端部
63‧‧‧第二訊號輸出端部
70‧‧‧元件偵測單元
71‧‧‧第一端部
72‧‧‧第二端部

Claims (4)

  1. 一種具過充電安全電路的二次電池，包含：二次電池，具有一正極端子、一負極端子、及一該正極端子與負極端子之間的端電壓值(VB)；一第一電壓偵測元件，具有一電性連接該正極端子的第一偵測端部、及一電性連接該負極端子的第二偵測端部、及一第一訊號輸出端部，當該第一電壓偵測元件偵測到該端電壓值(VB)大於一卸載電壓(VD)時，該第一訊號輸出端部發出一作動訊號，當該第一電壓偵測元件偵測到該端電壓值(VB)小於等於一充電電壓(VC)時，該第一訊號輸出端部發出一截止作動訊號，其中該卸載電壓(VD)大於該充電電壓(VC)；一半導體開關，具有一第一開關端部、一與該負極端子電性連接的第二開關端部、及一與該第一訊號輸出端部電性連接並接收該作動訊號及截止作動訊號的控制端部，透過該控制端部控制該第一開關端部與第二開關端部在一導通狀態或一截止狀態之間作動，當該半導體開關為常態或該控制端部接收該截止作動訊號時，該第一開關端部與該第二開關端部為截止狀態，當該控制端部接收該作動訊號時，該第一開關端部與該第二開關端部為導通狀態；一平衡電阻，具有一與該正極端子電性連接的第一電阻端部、及一與該第一開關端部電性連接的第二電阻端部；其特徵在於：一第二電壓偵測元件，具有一電性連接該正極端子的第三偵測端部、及一電性連接該負極端子的第四偵測端部、及一電 性連接該控制端部的第二訊號輸出端部，當該第二電壓偵測元件偵測到該端電壓值(VB)大於該卸載電壓(VD)時，該第二訊號輸出端部發出一作動訊號，當該第二電壓偵測元件偵測到該端電壓值(VB)小於等於該充電電壓(VC)時，該第二訊號輸出端部發出一截止作動訊號；一元件偵測單元，電性連接在該正極端子及第三偵測端部之間，或電性連接在該負極端子及第四偵測端部之間，並用以偵測該第一電壓偵測元件的作動狀態，當該元件偵測單元偵測到該第一電壓偵測元件停止作動時，該元件偵測單元呈導通狀態，以啟動該第二電壓偵測元件作動，當該元件偵測單元偵測到該第一電壓偵測元件持續作動時，該元件偵測單元呈不導通狀態，以關閉該第二電壓偵測元件作動。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具過充電安全電路的二次電池，其中該二次電池係由複數個電池芯相並聯所構成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具過充電安全電路的二次電池，其中該元件偵測單元具有一電性連接該正極端子的第一端部、及一電性連接該第三偵測端部的第二端部。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具過充電安全電路的二次電池，其中該元件偵測單元具有一電性連接該負極端子的第一端部、及一電性連接該第四偵測端部的第二端部。
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