TWI621146B - Protection circuit and control method of protection circuit - Google Patents

Abstract

即使複數個電池之一部分從電流路徑上被除去之情形亦可使保護元件對應剩餘之電池之輸出適當地作動。保護電路，具備：電池模組(4)，由複數個電池(3)並聯而成；第1保護元件(5)，設在各電池(3)，構成該電池(3)之充電或放電之電流路徑之一部分；以及第2保護元件(7)，構成電池模組(4)之充電或放電之電流路徑之一部分；第2保護元件(7)具備複數個保險絲部(20),(21)，該複數個保險絲部(20),(21)具有發熱電阻體、與構成充電或放電之電流路徑之一部分且因發熱電阻體之熱或自身發熱而熔斷之可熔導體；複數個保險絲部(20),(21)可藉由各發熱電阻體將各可熔導體個別地熔斷。

Description

保護電路及保護電路之控制方法

本發明係關於一種使用在基板上設有發熱電阻體與保險絲元件之保護元件防止電池包之過電流或過電壓之保護電路及保護電路之控制方法。

近年來，使用電池與馬達之HEV(Hybrid Electric Vehicle)或EV(Electric Vehicle)急速地普及。作為HEV或EV之動力源，從能量密度與輸出特性考量逐漸使用鋰離子二次電池。在汽車用途上，必須要高電壓、大電流。因此，開發了能承受高電壓、大電流之專用單元，但從製造成本上的問題考量，大多數情形藉由將複數個電池單元串聯、並聯，使用泛用單元確保所需之電壓電流。

鋰離子二次電池雖具有優異之特性，但不可缺少充放電特性之管理，若對異常之電池單元進行一般處理，則有可能產生起火或爆炸等危險。是以，若有複數個電池單元，則單元間之電壓平衡非常重要，若包含異常之單元，將會對其他正常之單元亦造成影響，而有變得無法進行正常充放電之問題。

為了避免上述事態，多數使用鋰離子二次電池之電池系統，皆組裝有連接於充放電路徑上之保險絲元件、與管理電池整體之電源管理系統(BMS：Battery Management System)。在BMS管理各電池單元之充放電 狀態(電壓、容量等)，若偵測到異常，則使用FET開關等從外部對保險絲元件傳送訊號以遮斷電路之輸出部分，避免異常發熱導致之起火等意外。

近年來，不僅是前述習知充放電之狀態管理(SOC：State of Charge)，以電池系統之容量惡化(SOH：State of Health)、電池壽命(State of Life)之考量為依據之電池系統管理亦逐漸受到重視。

專利文獻1：日本特許第4207877號公報

然而，高速移動中之汽車等，會有急速之驅動力降低或急停而造成危險之情形，因此亦要求緊急狀態時之電池管理。例如，即使在行駛中產生電池系統之異常時，為避免危險，最好是能持續供應用以移動至修理工廠或安全場所之驅動力、或警示燈及空調用之驅動力。

然而，如圖6所示，在複數個電池堆疊51並聯之電池包50，僅在充放電路徑上設有保護元件52之情形，若在構成電池堆疊51之電池單元53之一部分產生異常而使保護元件52作動，則電池包50整體之充放電路徑被遮斷，無法繼續供應電力。

因此，如圖7所示，提案有在電池包50整體之充放電路徑上設置遮斷電路整體之電流路徑之電路保護元件54，且在一方之電池堆疊51a設置遮斷該電池堆疊51a之電流路徑之堆疊保護元件55之保護電路。據此，在一方之電池堆疊51a之電池單元53產生異常之情形，藉由使堆疊保護元件55作動，僅該電池堆疊51從電池包50之充放電路徑上被除去，雖然輸出降低，但可藉由其餘電池堆疊51b持續供應電力。

電路保護元件54係使用構成電池包50之充放電路徑之一部 分且在過電流流動時因自身發熱而熔融並遮斷電流路徑之保險絲元件。此保險絲元件具備可充分承受所有電池堆疊51a,51b之通常充放電之容量，具有相對於所有電池堆疊51a,51b之通常輸出例如1.5倍之過電流流動則熔斷之容量。

此處，在一方之電池堆疊51a之電池單元53產生異常、使堆疊保護元件55作動將該一方之電池堆疊51從電池包50之充放電路徑除去之情形，電路保護元件54之保險絲元件相對於剩餘之另一方之電池堆疊51b之輸出為過剩容量。因此，在另一方之電池堆疊51b之電池單元53產生異常、過電流在電路保護元件54之保險絲元件流動之情形，無法適當地熔斷以防止熱失控。

因此，本發明之目的在於提供一種即使複數個電池之一部分從電流路徑上被除去之情形亦可使保護元件對應剩餘之電池之輸出適當地作動之保護元件及保護元件之控制方法。

為了解決上述課題，本發明之保護電路，具備：電池模組，由複數個電池並聯而成；第1保護元件，設在各該電池，構成該電池之充電或放電之電流路徑之一部分；以及第2保護元件，構成該電池模組之充電或放電之電流路徑之一部分；該第2保護元件具備複數個保險絲部，該複數個保險絲部具有發熱電阻體、與構成充電或放電之電流路徑之一部分且因該發熱電阻體之熱或自身發熱而熔斷之可熔導體；複數個該保險絲部可藉由各該發熱電阻體將各該可熔導體個別地熔斷。

又，本發明之保護電路之控制方法，具備：電池模組，由複數個電池並聯而成；第1保護元件，設在各該電池，構成該電池之充電或 放電之電流路徑之一部分；以及第2保護元件，構成該電池模組之充電或放電之電流路徑之一部分；該第2保護元件與該電池之數對應地具備複數個保險絲部，該複數個保險絲部具有發熱電阻體、與構成充電或放電之電流路徑之一部分且因該發熱電阻體之熱或自身發熱而熔斷之可熔導體；使設在產生異常之該電池之該第1保護元件作動，將產生異常之該電池從該電流路徑遮斷；與產生異常之該電池之遮斷對應地，藉由各該發熱電阻體將各該可熔導體個別地熔斷。

根據本發明，在電池偵測到過電壓等異常之情形，使電池之堆疊保護元件作動，可將電池從電路上隔離且僅藉由剩餘之電池進行充放電。此處，本發明中，使電池之堆疊保護元件作動，且使電路保護元件作動，使一部分保險絲部熔斷。藉此，根據本發明，即使是因電池減少而最大輸出減少之情形，亦可降低構成電池模組之充放電路徑之一部分之電路保護元件之額定，可構成與電池之最大輸出對應之電路保護元件。

1‧‧‧保護電路

2‧‧‧電池單元

3‧‧‧電池堆疊

5‧‧‧堆疊保護元件

7‧‧‧電路保護元件

8‧‧‧BMS控制元件

9‧‧‧電池包

11‧‧‧絕緣基板

12‧‧‧電極

13‧‧‧可熔導體

14‧‧‧發熱電阻體

15‧‧‧絕緣構件

16‧‧‧發熱體引出電極

17‧‧‧助焊劑

18‧‧‧發熱體電極

19‧‧‧蓋構件

20‧‧‧第1保險絲部

21‧‧‧第2保險絲部

22‧‧‧絕緣基板

23‧‧‧第1絕緣構件

24‧‧‧第1發熱電阻體

25‧‧‧第1電極

27‧‧‧第1發熱體電極

28‧‧‧第1發熱體引出電極

29‧‧‧第1可熔導體

30‧‧‧第2絕緣構件

31‧‧‧第2發熱電阻體

32‧‧‧第2電極

33‧‧‧第2發熱體電極

34‧‧‧第2發熱體引出電極

35‧‧‧第2可熔導體

圖1係顯示適用本發明之保護電路之構成之圖。

圖2A係顯示堆疊保護元件之構成之剖面圖，圖2B係顯示堆疊保護元件之構成之俯視圖。

圖3係堆疊保護元件之電路圖。

圖4係電路保護元件之俯視圖。

圖5係電路保護元件之電路圖。

圖6係顯示習知電池包之電路構成之圖。

圖7係顯示另一習知電池包之電路構成之圖。

以下，參照圖式詳細說明本發明適用之保護電路及保護電路之控制方法。此外，本發明不僅限定於以下實施形態，在不脫離本發明要旨之範圍內當然可進行各種變更。又，圖式係以示意方式顯示，會有各尺寸之比率等與現實不同之情形。具體之尺寸等應參酌以下說明判斷。又，在圖式彼此間當然含有彼此之尺寸關係或比率不同之部分。

(保護電路)

如圖1所示，本發明適用之保護電路1具有複數個電池單元2串聯之複數個電池堆疊3，各電池堆疊3彼此具有並聯之電池模組4。此處，為方便說明，以二個電池堆疊3a,3b並聯之電池模組4為例進行說明，但本發明中，電池堆疊3並聯三個以上亦可。在各電池堆疊3a,3b分別組裝有堆疊保護元件5。又，保護電路1具有遮斷電路整體之電流路徑之電路保護元件7與控制電池堆疊3a,3b內之充放電且檢測各電池單元2之異常電壓、依據檢測結果驅動堆疊保護元件5及電路保護元件7之BMS控制元件8，構成組裝有此等電池堆疊3a,3b、電路保護元件7及BMS控制元件8之電池包9。

(堆疊保護元件)

堆疊保護元件5，為了將電池堆疊3a或3b之輸出安全地遮斷，由具有藉由來自BMS控制元件8之訊號將電流路徑遮斷之功能之保險絲元件構成，藉由構成電流路徑之一部分之保險絲元件熔斷，不可逆地遮斷該電池堆疊3a或3b之電流路徑。

具體而言，堆疊保護元件5，如圖2A及圖2B所示，具備絕 緣基板11、積層於絕緣基板11且被絕緣構件15覆蓋之發熱電阻體14、形成在絕緣基板11之兩端之電極12(A1),12(A2)、以與發熱電阻體14重疊之方式積層在絕緣構件15上之發熱體引出電極16、兩端分別連接於電極12(A1),12(A2)且中央部連接於發熱體引出電極16之可熔導體13。

方形之絕緣基板11由例如氧化鋁、玻璃陶瓷、多鋁紅柱石、氧化鋯等之具有絕緣性之構件形成。此外，使用用於玻璃環氧基板、酚醛基板等之印刷配線基板之材料亦可，但必須留意保險絲熔斷時之溫度。

發熱電阻體14係電阻值較高且通電則發熱之具有導電性之構件，由例如W、Mo、Ru等構成。藉由使用網版印刷技術將此等合金或組成物、化合物之粉狀體與樹脂結合劑等混合而成糊狀者在絕緣基板11上形成圖案、加以燒成等形成。

以覆蓋發熱電阻體14之方式配置絕緣構件15，以隔著此絕緣構件15與發熱電阻體14對向之方式配置發熱體引出電極16。為了將發熱電阻體14之熱高效率地傳至可熔導體，在發熱電阻體14與絕緣基板11之間積層絕緣構件15亦可。

發熱體引出電極16之一端連接於發熱體電極18(P1)。又，發熱電阻體14之另一端連接於另一發熱體電極18(P2)。

可熔導體13由因發熱電阻體14之發熱或可熔導體13之自身發熱而迅速地熔斷之低熔點金屬構成，能較佳地使用以例如Sn為主成分之無Pb焊料。又，可熔導體13為低熔點金屬與Ag、Cu或以此等為主成分之合金等之高熔點金屬之積層體亦可。

藉由將高熔點金屬與低熔點金屬加以積層，將堆疊保護元件 5回焊構裝時，回焊溫度超過低熔點金屬層之熔融溫度，即使低熔點金屬層熔融，作為可熔導體13亦不至於熔斷。上述可熔導體13藉由使用鍍敷技術將低熔點金屬成膜於高熔點金屬來形成亦可，藉由使用其他周知之積層技術、膜形成技術來形成亦可。此外，可熔導體13，在使用低熔點金屬構成外層之情形，可利用該低熔點金屬焊料連接至發熱體引出電極16及電極12(A1),12(A2)。

此外，堆疊保護元件5，為了防止外層之低熔點金屬層13b之氧化，在可熔導體13上之大致整面塗布助焊劑亦可。又，堆疊保護元件5，為了保護內部，將蓋構件載置在絕緣基板11上亦可。

上述本發明適用之堆疊保護元件5，具有圖3所示之電路構成。亦即，堆疊保護元件5係由透過發熱體引出電極16串聯之可熔導體13與藉由透過可熔導體13之連接點通電發熱將可熔導體13熔融之發熱電阻體14構成之電路構成。又，在堆疊保護元件5，可熔導體13串聯於充放電電流路徑上，發熱電阻體14與BMS控制元件7連接。堆疊保護元件5之二個電極12中之一方連接於A1，另一方連接於A2。又，發熱體引出電極16與連接於此之發熱體電極18連接於P1，另一方之發熱體電極18連接於P2。

(電路保護元件)

接著，說明將電路整體之電流路徑遮斷之電路保護元件7。電路保護元件7，為了將電池包9之輸出完全地遮斷，由具有藉由來自BMS控制元件8之訊號將電流路徑遮斷之功能之保險絲元件構成，藉由構成電流路徑之一部分之保險絲元件熔斷，不可逆地遮斷該電池包9之電流路徑。

以下，如圖1所示，雖針對用於二個電池堆疊3a,3b並聯之 電池包9之電路保護元件7進行說明，但本發明可用在連接有複數個電池堆疊之各種電池包。

具體而言，電路保護元件7，如圖4所示，對應二個電池堆疊3a,3b，具有可個別地熔斷之第1、第2保險絲部20,21。第1、第2保險絲部20,21形成在絕緣基板22上。

第1保險絲部20(未圖示)具備積層在絕緣基板22且被第1絕緣構件23覆蓋之第1發熱電阻體24、形成在絕緣基板22之兩端之第1電極25(A1),25(A2)、以與第1發熱電阻體24重疊之方式積層在第1絕緣構件23上之第1發熱體引出電極28、兩端分別連接於第1電極25(A1),25(A2)且中央部連接於第1發熱體引出電極28之第1可熔導體29。

第2保險絲部21(未圖示)具備積層在絕緣基板22且被第2絕緣構件30覆蓋之第2發熱電阻體31、形成在絕緣基板22之兩端之第2電極32(A1),32(A2)、以與第2發熱電阻體31重疊之方式積層在第2絕緣構件30上之第2發熱體引出電極34、兩端分別連接於第2電極32(A1),32(A2)且中央部連接於第2發熱體引出電極34之第2可熔導體35。

絕緣基板22、第1、第2絕緣構件23,30、第1、第2發熱電阻體24,31、第1、第2發熱體引出電極28,34、及第1、第2可熔導體29,35分別具有與上述堆疊保護元件5之絕緣基板11、絕緣構件15、發熱電阻體14、發熱體引出電極16、及可熔導體13相同之構成。

又，第1電極25(A1),25(A2)及第2電極32(A1),32(A2)亦具有與上述電極12(A1),12(A2)相同之構成。又，第1電極25(A1)及第2電極32(A1)電氣連接並連接於電池包9之電流路徑，第1電極25(A2)及第2電極 32(A2)亦電氣連接並連接於電池包9之電流路徑。

第1發熱體引出電極28之一端連接於第1發熱體電極27(P1)。又，第1發熱電阻體24之另一端連接於第1發熱體電極27(P2)。同樣地，第2發熱體引出電極34之一端連接於第2發熱體電極33(P1)。又，第2發熱電阻體31之另一端連接於第2發熱體電極33(P2)。

此外，在電路保護元件7，在第1、第2可熔導體29,35上之大致整面塗布助焊劑亦可。又，電路保護元件7，為了保護內部，將蓋構件載置在絕緣基板22上亦可。

上述本發明適用之電路保護元件7，具有圖5所示之電路構成。亦即，電路保護元件7之第1保險絲部20係由透過第1發熱體引出電極28串聯之第1可熔導體29、與藉由透過第1可熔導體29之連接點通電發熱使第1可熔導體29熔融之第1發熱電阻體24構成之電路構成。又，電路保護元件7之第2保險絲部21係由透過第2發熱體引出電極34串聯之第2可熔導體35、與藉由透過第2可熔導體35之連接點通電發熱使第2可熔導體35熔融之第2發熱電阻體31構成之電路構成。

又，在電路保護元件7，第1、第2可熔導體29,35串聯於電池包9之充放電電流路徑上，第1、第2發熱電阻體24,31與BMS控制元件7連接。第1保險絲部20之二個第1電極25中之一方連接於A1，另一方連接於A2，又，第1發熱體引出電極28與連接於此之第1發熱體電極27連接於P1，另一方之第1發熱體電極27連接於P2。同樣地，第2保險絲部21之二個第2電極32中之一方連接於A1，另一方連接於A2，又，第2發熱體引出電極34與連接於此之第2發熱體電極33連接於P1，另一方之 第2發熱體電極33連接於P2。

(BMS控制元件)

BMS控制元件8檢測各電池單元2之電壓，且依據檢測結果使堆疊保護元件5及電路保護元件7之各可熔導體13,29,35熔斷。BMS控制元件8,與堆疊保護元件5之發熱電阻體14及電路保護元件7之第1、第2發熱電阻體24,31連接，對各發熱電阻體14,24,31個別地供應電流，藉此能使其個別地發熱。藉此，BMS控制元件8能將保護元件5,7之各可熔導體13,29,35個別地熔斷。

堆疊保護元件5及電路保護元件7，即使因電池單元2之異常導致之過電流，可熔導體13,29,35亦可因自身發熱熔斷，遮斷電流路徑。此外，堆疊保護元件5及電路保護元件7，藉由BMS控制元件8偵測過電流，使發熱電阻體14,24,31發熱，使可熔導體13,29,35熔斷亦可。

如上述，堆疊保護元件5及電路保護元件7，可熔導體13,29,35因發熱電阻體14,24,31之熱或自身發熱而熔斷，因此可將電流路徑不可逆地遮斷，不會有電路之異常動作造成之影響。是以，可確實地實現作為保護元件之功能。又，堆疊保護元件5及電路保護元件7，並非所謂保險絲方式之保護元件般僅因過電流而動作，亦可因異常電壓或後述其他主要原因而作動，可對應各種事態。又，堆疊保護元件5及電路保護元件7，不需電氣開關方式之保護元件般維持電流路徑之遮斷狀態之電力，可確實地維持遮斷狀態。

(保護電路之驅動步驟)

接著，說明保護電路1之驅動步驟。保護電路1，在電池包9產生較額 定大之過電流，對堆疊保護元件5之可熔導體13或電路保護元件7之第1、第2可熔導體29,35通電後，可熔導體13,29,35因自身發熱(焦耳熱)熔斷，遮斷電池包9之充放電路徑。

又，保護電路1，藉由BMS控制元件8監測構成電池堆疊3a,3b之電池單元2之電壓，若在一部分之電池單元2產生過電壓，則為了藉由BMS控制元件8將具有該電池單元2之電池堆疊3從電流路徑遮斷，對設在該電池堆疊3之堆疊保護元件5之發熱電阻體14個別地供應電流，使其個別地發熱。藉此，BMS控制元件8可將該堆疊保護元件5之可熔導體13個別地熔斷，僅將具有產生異常之電池單元2之電池堆疊3從電路遮斷，可藉由殘留之電池堆疊3供應電力。

例如，如圖1所示，BMS控制元件8，在電池堆疊3a之電池單元2偵測到過電壓等異常之情形，藉由對電池堆疊3a之堆疊保護元件5之發熱電阻體14通電來將可熔導體13熔斷，將電池堆疊3a從電路上隔離。藉此，保護電路1可僅藉由殘留之電池堆疊3b進行充放電。

此處，保護電路1藉由BMS控制電路8使電池堆疊3a之堆疊保護元件5作動，且使電路保護元件7作動，使第1保險絲部20熔斷。藉此，保護電路1能對應電池堆疊3之減少使構成電池包9之充放電路徑之一部分之電路保護元件7之額定降低。

亦即，電路保護元件7，與電池堆疊3之數對應地具備複數個保險絲部，藉此，具有與電池堆疊3之容量對應之大容量之額定。此外，保護電路1將一部分之電池堆疊3從電池包9之充放電路徑遮斷，且使電路保護元件7之一部分之保險絲部作動，從充放電路徑遮斷。

藉此，保護電路1可對應電池堆疊3之減少使電路保護元件7之額定降低，能成為適於殘留之電池堆疊3之容量之額定。是以，保護電路1，在殘留之電池堆疊3b之電池單元2產生異常，過電流在電路保護元件7流動之情形，亦能以與電池堆疊3a之減少前相同之輸出使殘留之第2保險絲部21之第2可熔導體35適當地熔斷。亦即，保護電路1能使電路保護元件7之作動條件對應電源輸出改變，能使安全性提升。

此外，電路保護元件7之保險絲部，對一個電池堆疊3設置一個亦可，對複數個電池堆疊3設置一個，對應複數個電池堆疊3之減少將保險絲部熔斷以降低額定亦可。又，電路保護元件7之保險絲部，對一個電池堆疊3設置複數個，對應一個電池堆疊3之減少將複數個保險絲部熔斷亦可。

又，為了更安全，保護電路1，在電流路徑設置電流感測器，正確地檢測過電流，藉由BMS控制元件8使電路保護元件7作動，將電路遮斷亦可。又，第1、第2保險絲部20,21，如圖4所示，在絕緣基板22之一面上並列形成亦可，在絕緣基板22之正反面分別形成亦可。

(BMS控制元件之驅動觸發)

此外，上述中，藉由偵測在電池堆疊3內之電池單元2之異常電壓使堆疊保護元件5及電路保護元件7之保險絲部熔斷，將該電池堆疊3從電流路徑上切離且降低電路保護元件7之額定，但作為使堆疊保護元件5及電路保護元件7之保險絲部熔斷之觸發，可依據搭載電池模組4之機器側進行各種設定。

例如，將電池模組4搭載於EV或HEV之情形或搭載於電 動工具之情形，除了電池單元2之異常以外，因事故造成之衝擊或因水災、火災等造成之溫度上升等事態產生之情形，對BMS控制元件8發送指令，將各電池堆疊3之堆疊保護元件5及電路保護元件7之保險絲部熔斷，將電流路徑遮斷亦可。又，相較於其他電池單元2，產生劣化特別嚴重之電池單元2之情形，為了抑制該電池單元2之影響，將堆疊保護元件5及電路保護元件7之保險絲部熔斷，從電流路徑切離亦可。又，將電池模組4使用為家庭用電源之情形，火災、因大規模地震造成之倒塌損壞、因海嘯造成之被水淹沒等事態產生之情形，將各電池堆疊3之堆疊保護元件5及電路保護元件7之保險絲部熔斷，將電流路徑遮斷亦可。

Claims (6)

1. 一種保護電路，具備：電池模組，由複數個電池並聯而成；第1保護元件，設在各該電池，構成該電池之充電或放電之電流路徑之一部分；以及第2保護元件，構成該電池模組之充電或放電之電流路徑之一部分；該第2保護元件具備複數個保險絲部，該複數個保險絲部具有發熱電阻體、與構成充電或放電之電流路徑之一部分且因該發熱電阻體之熱或自身發熱而熔斷之可熔導體；複數個該保險絲部可藉由各該發熱電阻體將各該可熔導體個別地熔斷。
2. 如申請專利範圍第1項之保護電路，其具備使該第1保護元件及該第2保護元件作動之控制元件。
3. 如申請專利範圍第1或2項之保護電路，其中，該第1保護元件具備發熱電阻體、與構成該電池之充電或放電之電流路徑之一部分且因該發熱電阻體之熱或自身發熱而熔斷之可熔導體。
4. 如申請專利範圍第1或2項之保護電路，其組裝有偵測該電池之異常電壓之偵測元件。
5. 如申請專利範圍第1或2項之保護電路，其中，該各電池構成複數個電池單元串聯或並聯之電池堆疊。
6. 一種保護電路之控制方法，具備：電池模組，由複數個電池並聯而成； 第1保護元件，設在各該電池，構成該電池之充電或放電之電流路徑之一部分；以及第2保護元件，構成該電池模組之充電或放電之電流路徑之一部分；該第2保護元件與該電池之數對應地具備複數個保險絲部，該複數個保險絲部具有發熱電阻體、與構成充電或放電之電流路徑之一部分且因該發熱電阻體之熱或自身發熱而熔斷之可熔導體；使設在產生異常之該電池之該第1保護元件作動，將產生異常之該電池從該電流路徑遮斷；回應產生異常之該電池之遮斷，藉由各該發熱電阻體將各該可熔導體個別地熔斷。