TWI680621B - 電池保護電路及包含其之電池組 - Google Patents

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李雨鎭
Woojin Lee
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Abstract

一種電池保護電路包括：充電控制開關，串聯連接至位於電池模組與多個組端子之間的大電流路徑，所述電池模組配置有多個串聯連接的電池單元；電池控制器，基於電池單元的電池單元電壓而控制充電控制開關；以及多個第一保護電路，連接至位於大電流路徑上的相應的電池單元，並基於電池單元中的對應電池單元的電池單元電壓而攔截或容許電流流動至所述對應電池單元，其中第一保護電路分別包括：至少一個開關，串聯連接於各個相鄰的電池單元之間或者電池單元中的一者與組端子中的第一組端子之間；以及電池單元控制器，根據對應電池單元的電池單元電壓來控制所述至少一個開關。亦提供一種電池組。

Description

電池保護電路及包含其之電池組
本發明是有關於一種電池保護電路及一種包含所述電池保護電路的電池組。
本申請案主張於2017年8月14日在韓國智慧財產局中提出申請的韓國專利申請案第10-2017-0103136號及於2017年11月23日在韓國智慧財產局中提出申請的韓國專利申請案第10-2017-0157636號的優先權及權益，所述韓國專利申請案的全部內容併入本案供參考。
二次電池單元(secondary cell，又稱蓄電池)代表交替重覆地進行充電及放電的電池單元。二次電池單元可將化學能變為電能並可接著放電，且當在二次電池單元放電後利用電能對其充電時，二次電池單元可重新以化學能量形式儲存所述電能。
二次電池單元應用於各種可攜式電子裝置。舉例而言，藉由彼此串聯耦合的多個二次電池單元(在下文中稱作電池單元)與充放電電路(charging and discharging circuit)的組合而配置成的多串行結構式電池組(multi-serial structured battery pack)被安 裝至膝上型電腦。
熱熔斷器(thermal cut-off，TCO)可安裝至藉由將正方形電池單元或聚合物電池單元串聯連接而配置成的多串行結構式電池組。熱熔斷器代表根據溫度來攔截(intercept)電流並確保電池單元安全而免於例如過充電(overcharging)或短路(short-circuit)等危險的元件。
熱熔斷器能夠根據溫度來進行操作，因而其必須緊緊地貼附至電池單元以使溫度可自電池單元輕易地傳輸。由於此種特性，可使用例如膠帶或鎳板(Ni plate)等附加輔助材料或者可能需要例如焊接(welding)、貼附電池單元(attaching a cell)或封膠帶(taping)等附加製程來將熱熔斷器安裝於電池組上。此外，當熱熔斷器以錯誤的方式安裝於電池組上且溫度未自電池單元充分傳輸時，由熱熔斷器進行的保護操作無法恰當地起到作用。
此背景技術部分中所揭露的以上資訊僅用於增強對本發明的背景技術的理解且因此其可含有不形成在提出本申請案的國家中早已為此項技術中具有通常知識者所習知的先前技術的資訊。
本發明致力於提供一種用於支援對多串行結構式電池組中的每一電池單元的保護操作的電池保護電路及一種包含所述電池保護電路的電池組。
本發明的示例性實施例提供一種電池保護電路，所述電 池保護電路包括：充電控制開關，串聯連接至位於電池模組與多個組端子之間的大電流路徑，所述電池模組配置有多個串聯連接的電池單元；電池控制器，基於所述電池單元的電池單元電壓而控制所述充電控制開關；以及多個第一保護電路，連接至位於所述大電流路徑上的相應的所述電池單元，並基於所述電池單元中的對應電池單元的電池單元電壓而攔截流動至所述對應電池單元的電流或容許所述電流流動至所述對應電池單元，其中所述第一保護電路可分別包括：至少一個開關，串聯連接於各個相鄰的所述電池單元之間或者所述電池單元中的一者與所述組端子中的第一組端子之間；以及電池單元控制器，根據所述對應電池單元的所述電池單元電壓來控制所述至少一個開關。
根據示例性實施例，所述電池保護電路可更包括：熔絲元件，串聯連接至所述大電流路徑；以及第二保護電路，基於所述電池單元的所述電池單元電壓而控制所述熔絲元件。
根據示例性實施例，所述熔絲元件可包括：控制端子；至少一個加熱電阻器，連接至所述控制端子且根據施加至所述控制端子的電壓來產生熱量；以及熔絲，串聯連接至所述大電流路徑且因所述加熱電阻器產生熱量而斷路。
根據示例性實施例，所述第一保護電路與所述第二保護電路可被獨立地驅動。
根據示例性實施例，所述至少一個開關可為場效電晶體。
根據示例性實施例，所述至少一個開關可包括第一N通道場效電晶體，所述第一N通道場效電晶體包括汲極端子、連接至所述對應電池單元的第一電極的源極端子及用於自所述電池單元控制器接收控制訊號的閘極端子，且所述第一N通道場效電晶體控制在第一方向上流動至所述對應電池單元的電流。
根據示例性實施例，所述至少一個開關可更包括第二N通道場效電晶體，所述第二N通道場效電晶體包括連接至所述第一N通道場效電晶體的所述汲極端子的汲極端子、連接至與所述對應電池單元相鄰的電池單元或所述第一組端子的源極端子；以及用於自所述電池單元控制器接收控制訊號的閘極端子，且所述第二N通道場效電晶體控制在第二方向上流動至所述對應電池單元的電流。
根據示例性實施例，所述第一保護電路可分別更包括：第一電阻器，連接至所述對應電池單元的第二電極，並將所述對應電池單元的所述第二電極處的電壓傳輸至所述電池單元控制器；電容器，連接於所述第一電阻器與所述對應電池單元的所述第一電極之間；以及第二電阻器，連接至所述第二N通道場效電晶體的所述源極端子，且能夠與所述第一電阻器一起作為電流限制電阻器進行操作。
根據示例性實施例，所述對應電池單元的所述第一電極可為所述對應電池單元的負電極。
根據示例性實施例，慮及所述電池單元的過電壓或低電 壓，所述電池控制器在所述電池單元控制器開始進行保護操作之前開始進行保護操作。
本發明的另一實施例提供一種電池組，所述電池組包括：電池模組，包括多個串聯連接的電池單元；多個組端子；充電控制開關，串聯連接至位於所述電池模組與所述組端子之間的大電流路徑；電池控制器，基於所述電池單元的電池單元電壓而控制所述充電控制開關；以及多個第一保護電路，連接至位於所述大電流路徑上的所述電池單元，並基於所述電池單元中的對應電池單元的電池單元電壓而攔截流動至所述對應電池單元的電流或容許所述電流流動至所述對應電池單元，其中所述第一保護電路可分別包括：至少一個開關，串聯連接於彼此相鄰的所述電池單元之間或者所述電池單元中的一者與所述組端子中的第一組端子之間；以及電池單元控制器，根據所述對應電池單元的所述電池單元電壓來控制所述至少一個開關。
根據示例性實施例，所述電池組可更包括：熔絲元件，串聯連接至所述大電流路徑；以及第二保護電路，基於所述電池單元的所述電池單元電壓而控制所述熔絲元件。
根據示例性實施例，所述電池組的所述至少一個開關可包括：第一N通道場效電晶體，包括汲極端子、連接至所述對應電池單元的第一電極的源極端子及用於自所述電池單元控制器接收控制訊號的閘極端子，其中所述第一N通道場效電晶體控制在第一方向上流動至所述對應電池單元的電流；以及第二N通道場 效電晶體，包括連接至所述第一N通道場效電晶體的所述汲極端子的汲極端子、連接至與所述對應電池單元相鄰的電池單元或所述第一組端子的源極端子及用於自所述電池單元控制器接收控制訊號的閘極端子，其中所述第二N通道場效電晶體控制在第二方向上流動至所述對應電池單元的電流。
根據示例性實施例，所述電池組的所述第一保護電路可更包括：第一電阻器，連接至所述對應電池單元的第二電極，並將所述對應電池單元的所述第二電極處的電壓傳輸至所述電池單元控制器；電容器，連接於所述第一電阻器與所述對應電池單元的所述第一電極之間；以及第二電阻器，連接至所述第二N通道場效電晶體的所述源極端子，且與所述第一電阻器一起作為電流限制電阻器進行操作。
根據示例性實施例，慮及所述電池單元的過電壓或低電壓，所述電池控制器可在所述電池單元控制器執行保護操作之前執行保護操作。
根據示例性實施例的所述電池保護電路可確保相應電池單元安全而免於例如過充電或短路等危險。
此外，根據示例性實施例的所述電池保護電路相較於安裝熱熔斷器的情形而言提供簡單的安裝製程且不需要附加輔助材料，藉此降低電池組的成本。
10‧‧‧電池模組
30‧‧‧介面
40‧‧‧電池保護電路
100‧‧‧電池組
110‧‧‧電池控制器
120‧‧‧保護電路
131、132‧‧‧電池單元保護電路
200‧‧‧保護積體電路(IC)
210‧‧‧電池單元控制器
300‧‧‧印刷電路板(PCB)
C-FET‧‧‧場效電晶體(FET)/充電控制FET
C-SW‧‧‧充電控制開關
C21‧‧‧電容器
Cell1、Cell2‧‧‧電池單元
D‧‧‧汲極端子
D-FET‧‧‧場效電晶體(FET)/放電控制FET
D-SW‧‧‧放電控制開關
D11、D12‧‧‧二極體
F‧‧‧熔絲元件
F1‧‧‧熔絲/第一熔絲
F2‧‧‧熔絲/第二熔絲
FET21‧‧‧開關元件/場效電晶體(FET)/第一FET
FET22‧‧‧開關元件/場效電晶體(FET)/第二FET
G‧‧‧閘極端子
NT1、NT2、NT3、NT4‧‧‧導電耳片
P+‧‧‧組端子/正組端子
P-‧‧‧組端子/負電極組端子/負組端子
R21‧‧‧電阻器/第一電阻器
R22‧‧‧電阻器/第二電阻器
RF1、RF2‧‧‧加熱電阻器
S‧‧‧源極端子
S1、S2、V-、VDD‧‧‧端子
SR‧‧‧分路電阻器
T1、T2‧‧‧通訊端子
TS‧‧‧溫度感測器
圖1示出根據示例性實施例的電池組。
圖2示出圖1中所示電池組的詳細電池單元保護電路。
圖3示出安裝有根據示例性實施例的電池單元保護電路的印刷電路板的實例。
下文中將參照其中示出有本發明的示例性實施例的附圖來更全面地闡述本發明。如熟習此項技術者應認識到，在不背離本發明的精神或範圍的條件下，可以各種不同方式對所闡述實施例加以修改。
圖式及說明應被視為例示性的而非約束性的，且在說明書通篇中相同的參考編號表示相同的元件。因此，在前面的圖式中所使用的構成元件的參考編號可用於下一圖式。
為更佳地理解及易於說明，圖式中所示每一配置的大小及厚度被任意地示出，且本發明並非僅限於此。在圖式中，為清晰起見，誇大了層、膜、面板、區等的厚度及面積。
電性連接兩個構成元件包括直接連接兩個構成元件以及在所述兩個構成元件之間具有另一構成元件的情況下連接所述兩個構成元件。所述另一構成元件可包括開關、電阻器及電容器。當闡述示例性實施例時，在未提供表達「直接連接(direct connection)」的情況下，表達「連接(connection)」意味著電性連接。
現將參照附圖闡述根據示例性實施例的電池保護電路 及包含所述電池保護電路的電池組。
圖1示出根據示例性實施例的電池組且圖2示出圖1中所示電池組的詳細電池單元保護電路。圖3示出安裝有根據示例性實施例的電池單元保護電路的印刷電路板的實例。
參照圖1及圖2，電池組100可包括電池模組10、介面30及電池保護電路40。並非總是需要圖1及圖2中所示構成元件，因而根據示例性實施例的電池組可被實作成包括更多數量的構成元件或更少數量的構成元件。
電池模組10可包括多個彼此串聯連接的電池單元(Cell1及Cell2)。圖1及圖2例示電池模組10包括兩個電池單元，此是為易於說明且本發明並非僅限於此。根據另一示例性實施例，電池模組可包括彼此串聯連接的至少三個電池單元。
介面30可包括用於與外部裝置執行介面操作的多個端子。介面30可包括用於向外部負載供應電能或自外部充電裝置接收電能的組端子(P+及P-)以及用於與外部裝置進行通訊的通訊端子T1及T2。
電池保護電路40可包括充電控制開關(C-SW)、放電控制開關(D-SW)、熔絲元件(F)、溫度感測器(TS)、分路電阻器(SR)、電池控制器110、保護電路120以及電池單元保護電路131及132。
充電控制開關(C-SW)串聯耦合至電池模組10的充電路徑，且充電控制開關(C-SW)可攔截或供應電池模組10的充 電電流。充電路徑代表位於藉由電池組100的組端子(P+、P-)而連接的充電裝置(未示出)與電池模組10之間的電流流動路徑，且所述充電路徑將由所述充電裝置供應的充電電流傳輸至電池模組10。
放電控制開關(D-SW)串聯耦合至電池模組10的放電路徑，且放電控制開關(D-SW)可攔截或供應電池模組10的放電電流。放電路徑代表位於藉由電池組100的組端子(P+、P-)而連接的負載(未示出)與電池模組10之間的電流流動路徑，且所述放電路徑將由電池模組10供應的放電電流傳輸至所述負載。
相較於電池組100中的其他電流流動路徑而言，流經所述充電路徑及所述放電路徑的電流相對大。在本說明書中將放電路徑及充電路徑稱作大電流路徑。
充電控制開關(C-SW)及放電控制開關(D-SW)可分別包括場效電晶體(FET)(C-FET及D-FET)以及二極體D11及D12。
相應場效電晶體(C-FET及D-FET)串聯耦合至大電流路徑，且所述相應場效電晶體(C-FET及D-FET)可根據自電池控制器110施加至控制端子的控制訊號來攔截經由大電流路徑供應的電流(放電電流或充電電流)或容許經由大電流路徑供應電流(放電電流或充電電流)。
充電控制場效電晶體(C-FET)可攔截由外部充電裝置經由大電流路徑供應至電池模組的充電電流或容許由外部充電裝 置經由大電流路徑供應至電池模組的充電電流流動。當充電控制場效電晶體(C-FET)被接通時，充電控制場效電晶體(C-FET)的第一端子及第二端子可進行引導以容許充電電流自充電裝置經由大電流路徑流動至電池模組10。相反，當充電控制場效電晶體(C-FET)被關斷時，在位於充電裝置與電池模組10之間的大電流路徑上流動的充電電流可被攔截。
放電控制場效電晶體(D-FET)可攔截自電池模組10經由大電流路徑供應至外部負載的放電電流或容許自電池模組10經由大電流路徑供應至外部負載的放電電流流動。當放電控制場效電晶體(D-FET)被接通時，放電控制FET(D-FET)的第一端子及第二端子可進行引導以使得放電電流可自電池模組10經由大電流路徑流動至負載。相反，當放電控制場效電晶體(D-FET)被關斷時，流過位於電池模組10與負載之間的大電流路徑的放電電流可被攔截。
參照圖2舉例而言，場效電晶體(D-FET及C-FET)配置有N通道場效電晶體。在此種情形中，場效電晶體(C-FET及D-FET)中的每一者的第一端子、第二端子及控制端子變為源極端子(S)、汲極端子(D)及閘極端子(G)。此外，充電控制場效電晶體(C-FET)的汲極端子連接至放電控制場效電晶體(D-FET)的汲極端子，且充電控制場效電晶體(C-FET)的源極端子及放電控制場效電晶體(D-FET)的源極端子連接至電池模組10及組端子(P+)。
圖1及圖2例示充電控制開關(C-SW)及放電控制開關(D-SW)連接於電池模組10的正電極與電池組100的正組端子(P+)之間，且本發明並非僅限於此。根據另一示例性實施例，充電控制開關(C-SW)或放電控制開關(D-SW)可連接於電池模組10的負電極與電池組100的負電極組端子(P-)之間。
二極體D11及D12是場效電晶體(C-FET及D-FET)的寄生二極體，且二極體D11及D12被配置成使得電流可在與其中對應場效電晶體控制所述電流的方向相反的方向上流動。舉例而言，二極體D11使得電流能夠流經放電路徑，且二極體D12使得電流能夠流經充電路徑。
熔絲元件(F)串聯連接至大電流路徑，且熔絲元件(F)可攔截電池模組10的大電流路徑。
參照圖2舉例而言，熔絲元件(F)是自我控制保護(self control protection，SCP)元件，且熔絲元件(F)可包括串聯連接至電池模組10的大電流路徑的一對熔絲F1與F2以及並聯連接至熔絲F1及F2的加熱電阻器RF1及RF2。
用於配置熔絲元件(F)的一對熔絲F1與F2串聯耦合於電池模組10的正電極與正組端子(P+)之間。加熱電阻器RF1及RF2並聯連接於在第一熔絲F1和第二熔絲F2之間設置的節點與熔絲元件(F)的控制端子之間。加熱電阻器RF1及RF2根據施加至熔絲元件(F)的控制端子的電壓來產生熱量，且熔絲F1及F2可藉由加熱電阻器RF1及RF2的加熱而熔化且可攔截電池模組 10的大電流路徑。
溫度感測器(TS)檢測電池模組10周圍的溫度並將所述溫度傳輸至電池控制器110。
分路電阻器(SR)代表電流感測電阻器，且分路電阻器(SR)可串聯連接至大電流路徑且可用於量測流經大電流路徑的電流(充電電流或放電電流)。
參照圖1及圖2舉例而言，分路電阻器(SR)可連接於電池模組10的負電極與負組端子(P-)之間。此處，本發明並非僅限於此，且根據另一示例性實施例，分路電阻器(SR)可連接至位於電池模組10的正電極與正組端子(P+)之間的大電流路徑。
電池控制器110可控制電池保護電路40的總體操作。
電池控制器110可包括藉由電壓量測端子而連接至用於配置電池模組10的電池單元(Cell1及Cell2)的電壓檢測電路(未示出)。電壓檢測電路可檢測用於配置電池模組10的相應電池單元(Cell1及Cell2)的電池單元電壓以及電池模組10的相應端部處的電壓。
電池控制器110可包括藉由電流量測端子而電性連接至分路電阻器(SR)的相應端部的電流檢測電路(未示出)。電流檢測電路可量測流動至分路電阻器(SR)的電流。分路電阻器(SR)設置於位於電池模組10與組端子中的一者(P-)之間的大電流路徑上，因而電流檢測電路可藉由量測流動至分路電阻器(SR)的電流來量測流經大電流路徑的電流(充電電流或放電電流)。
電池控制器110可藉由溫度感測器(TS)來檢測電池模組10周圍的溫度。
電池控制器110可基於電池單元(Cell1及Cell2)的電池單元電壓、電池模組10的模組電壓、流動至大電流路徑的電流的大小及電池模組10周圍的溫度而獲得用於配置電池模組10的相應電池單元(Cell1及Cell2)的充電狀態(states of charge，SOC)或電池模組10的充電狀態。此外，電池控制器110可基於電池模組10或電池模組10的相應電池單元(Cell1及Cell2)的充電狀態(SOC)而藉由將控制訊號輸出至充電控制開關(C-SW)或放電控制開關(D-SW)來控制充電控制開關(C-SW)或放電控制開關(D-SW)的接通/關斷。
電池控制器110可控制充電控制開關(C-SW)、放電控制開關(D-SW)或熔絲元件(F)以執行用於保護電池模組10免受過電壓、過電流或短路影響的保護操作。
舉例而言，電池控制器110將藉由電壓檢測電路而檢測出的電池單元電壓與第一參考電壓進行比較以確定由過充電所造成的過電壓且將所述電池單元電壓與第二參考電壓進行比較以確定由過放電所造成的低電壓。當根據比較結果而確定本發明的電池模組10處於過電壓狀態時，電池控制器110可將充電控制開關(C-SW)關斷或者將充電控制開關(C-SW)及放電控制開關(D-SW)關斷。此外，當確定電池模組10處於過電壓狀態時，電池控制器110可控制熔絲元件(F)來攔截大電流路徑。當根據 比較結果確定電池模組10處於低電壓狀態時，電池控制器110可將放電控制開關(D-SW)關斷或者將充電控制開關(C-SW)及放電控制開關(D-SW)關斷。
另外，舉例而言，電池控制器110基於流動至大電流路徑的電流而檢測電池模組10的過電流(過充電電流或過放電電流)狀態，且當電池模組10處於過電流狀態時，電池控制器110可將充電控制開關(C-SW)關斷或者電池控制器110可將充電控制開關(C-SW)及放電控制開關(D-SW)關斷。當確定電池模組10處於過電流狀態時，電池控制器110亦可藉由控制熔絲元件(F)來攔截大電流路徑。
另外，舉例而言，電池控制器110可基於流動至大電流路徑的電流或者電池模組10周圍的溫度而檢測電池組100中的短路缺陷，且當檢測出缺陷時，電池控制器110可控制熔絲元件(F)以攔截大電流路徑。
電池控制器110可控制用於基於相應電池單元(Cell1及Cell2)的電池單元電壓而對電池模組10執行電池單元平衡(cell balancing)的電池單元平衡電路(未示出)的操作。
電池控制器110可藉由電池組100的通訊端子T1及T2連接至外部裝置以與所述外部裝置通訊。
電池控制器110的相應功能可藉由利用至少一個中央處理單元(central processing unit，CPU)、晶片集(chipset)、微控制器單元(microcontroller unit，MCU)或微處理器而達成的處理 器來執行。
保護電路120包括與用於配置電池模組10的相應電池單元(Cell1及Cell2)連接的電壓檢測電路(未示出)，且保護電路120可藉由電壓檢測電路來檢測電池單元(Cell1及Cell2)的電池單元電壓。
保護電路120基於相應電池單元(Cell1及Cell2)的電池單元電壓而檢測相應電池單元(Cell1及Cell2)的過電壓狀態，且當特定電池單元進入過電壓狀態時，保護電路120可控制熔絲元件(F)來攔截大電流路徑。
電池單元保護電路131及132可基於相應電池單元(Cell1及Cell2)的電池單元電壓而檢測相應電池單元(Cell1及Cell2)的過電壓、短路及過電流(過充電電流或過放電電流)狀態，且電池單元保護電路131及132可基於檢測結果而執行保護操作。亦即，相應電池單元保護電路131及132可當對應電池單元處於過電壓、過電流或短路狀態時藉由將位於電池單元(Cell1及Cell2)之間使電流流過的大電流路徑打開來攔截電池單元(Cell1及Cell2)之間的所述電流。
相應電池單元保護電路131及132可串聯耦合於各個電池單元之間或者位於大電流路徑上的電池單元與組端子之間。參照圖2舉例而言，相應電池單元保護電路131及132串聯耦合於電池單元(Cell1)與電池單元(Cell2)之間以及電池單元(Cell2)與組端子(P-)之間。
圖2例示相應電池單元保護電路131及132連接至對應電池單元的負電極，本發明並非僅限於此，且電池單元保護電路可連接至對應電池單元的正電極。在此種情形中，電池單元保護電路131可連接於對應電池單元(Cell1)的正電極與正組端子(P+)之間，且電池單元保護電路132可連接於對應電池單元(Cell2)的正電極與相鄰電池單元(Cell1)的負電極之間。當相應電池單元保護電路131及132連接至對應電池單元的正電極時，電池保護電路40可更包括電壓放大電路以控制電池單元保護電路131及132中的開關元件(FET21及FET22)。
相應電池單元保護電路131及132可包括具有共用汲極結構的多個場效電晶體(FET21及FET22)、電池單元控制器210、多個電阻器R21及R22以及電容器C21。
相應場效電晶體(FET21及FET22)串聯耦合至位於大電流路徑上的對應電池單元，且所述相應場效電晶體(FET21及FET22)可容許流動至大電流路徑的電流(充電電流或放電電流)流動或攔截流動至大電流路徑的電流(充電電流或放電電流)。
第一場效電晶體(FET21)代表對應電池單元的放電控制開關，且第一場效電晶體(FET21)可攔截經由大電流路徑供應至外部負載的放電電流或容許經由大電流路徑供應至外部負載的放電電流流動。當第一場效電晶體(FET21)被接通時，第一場效電晶體(FET21)的第一端子及第二端子可進行引導以使放電電流可經由大電流路徑流動至負載。當第一場效電晶體(FET21)被關 斷時，在大電流路徑上流動的放電電流可被攔截。
第二場效電晶體(FET22)可使用對應電池單元的充電控制開關來攔截由外部充電裝置經由大電流路徑供應的充電電流或容許由外部充電裝置經由大電流路徑供應的充電電流流動。當第二場效電晶體(FET22)被接通時，第二場效電晶體(FET22)的第一端子及第二端子進行引導以使由充電裝置供應的充電電流可流經大電流路徑。當第二場效電晶體(FET22)被關斷時，在大電流路徑上流動的充電電流可被攔截。
參照圖2舉例而言，相應場效電晶體(FET21及FET22)配置有N通道場效電晶體。在此種情形中，場效電晶體(FET21及FET22)中的每一者的第一端子、第二端子及控制端子變為源極端子(S)、汲極端子(D)及閘極端子(G)。此外，第一場效電晶體及第二場效電晶體(FET21及FET22)的汲極端子彼此連接，且第一場效電晶體及第二場效電晶體(FET21及FET22)的源極端子分別連接至對應電池單元的負電極及相鄰電池單元的正電極(或負電極組端子(P-))。
電池單元控制器210連接至對應電池單元的相應端部以檢測所述對應電池單元的電池單元電壓。此外，電池單元控制器210基於對應電池單元的電池單元電壓而檢測所述對應電池單元的過電壓、短路及過電流(過充電電流或過放電電流)狀態，並基於所述檢測而控制第一場效電晶體及第二場效電晶體(FET21及FET22)的接通/關斷。
舉例而言，電池單元控制器210可當對應電池單元處的電壓等於或大於預定過電壓時將作為充電控制場效電晶體的第二場效電晶體(FET22)關斷以攔截充電電流。在此種情形中，可當對應電池單元處的電壓變得小於過電壓時將第二場效電晶體(FET22)接通以容許所述對應電池單元的充電電流流動。此處，用於確定對應電池單元的過電壓狀態的電池單元控制器210的參考電壓(過電壓)可被設定成大於用於確定多個電池單元的過電壓的電池控制器110的第一參考電壓。電池控制器110可接著在電池單元控制器210可針對過電壓執行保護操作之前針對過電壓執行保護操作。
此外，電池單元控制器210可當對應電池單元的電壓等於或小於預定低電壓時將作為放電控制FET的第一場效電晶體(FET21)關斷以攔截放電電流。在此種情形中，可當對應電池單元的電壓變得大於低電壓時將第一場效電晶體(FET21)接通以容許對應電池單元的放電電流流動。此處，用於確定對應電池單元的低電壓狀態的電池單元控制器210的參考電壓(低電壓)可被設定成小於用於確定多個電池單元的低電壓的電池控制器110的第二參考電壓。電池控制器110可接著在電池單元控制器210可針對低電壓可執行保護操作之前針對低電壓執行保護操作。
第一場效電晶體及第二場效電晶體(FET21及FET22)以及電池單元控制器210可被達成為單一保護積體電路(integrated circuit，IC)200。為易於說明，將配置有第一場效電 晶體及第二場效電晶體(FET21及FET22)以及電池單元控制器210的IC稱作保護IC。
保護IC 200可包括連接至對應電池單元的正電極的VDD端子、用於感測對應電池單元的充電狀態及放電狀態的V-端子、用於連接對應電池單元的負電極與第一場效電晶體(FET21)的源極端子的S1端子及用於連接相鄰電池單元的正電極與第二場效電晶體(FET22)的源極端子的S2端子。
第一電阻器R21包括連接至對應電池單元的正電極的第一端子及連接至對應保護IC 200的VDD端子的第二端子，且第一電阻器R21可經由VDD端子將對應電池單元的正電極處的電壓傳輸至保護IC 200中的電池單元控制器210。
電容器C21連接於保護IC 200的VDD端子(或第一電阻器R21的第二端子)與保護IC 200的S1端子之間，且電容器C21可與第一電阻器R21一起使輸入至保護IC 200的電壓(對應電池單元的相應端部處的電壓)穩定。
第二電阻器R22連接於保護IC 200的S2端子(第二場效電晶體(FET22)的源極端子)與保護IC 200的V-端子之間，且當超過保護IC 200的絕對最大額定(absolute maximum rate)的高電壓充電裝置被反接時，第二電阻器R22可與第一電阻器R21一起充當電流限制電阻器。
電池單元保護電路131及132可如圖3中所示安裝於上面設置有電池保護電路40的印刷電路板(printed circuit board， PCB)300上。
圖3示出上面設置有電池保護電路40的PCB 300的實例，其例示其中省略電池保護電路40的一些構成元件(例如，保護電路120)的狀態。參照圖3，PCB 300包括多個導電耳片(conductive tab)(NT1至NT4)，且相應導電耳片(NT1至NT4)被組合至對應電池單元的正電極或負電極。此外，PCB 300上安裝有包括保護IC 200、第一電阻器R21及第二電阻器R22以及電容器C21的電池單元保護電路131及132。
如所述，不同於熱熔斷器，電池單元保護電路131及132可安裝於印刷電路板300上，且電池單元保護電路131及132無需設置成接觸相應電池單元。因此，電池組100的組裝複雜度及成本可相較於使用熱熔斷器來對每一電池單元執行保護操作的傳統電池組而言降低。
另外，相較於使用熱熔斷器的傳統電池組，由周圍溫度造成的影響可減小，藉此提高電池單元保護操作的精度。
電池控制器110、保護電路120以及保護IC 200的電池單元控制器210可支援其保護功能。亦即，電池控制器110、保護電路120以及保護IC 200的電池單元控制器210中的一者出現故障而無法執行電池保護功能，則電池控制器110、保護電路120以及保護IC 200的電池單元控制器210中的其餘幾者執行電池保護功能以確保電池組100的安全。出於此目的，電池控制器110、保護電路120以及保護IC 200的電池單元控制器210被獨立地驅動。
本發明的附圖及示例性實施例僅為本發明的實例，且用於闡述本發明而非限制如由以下申請專利範圍所界定的本發明的範圍。因此，此項技術中具有通常知識者應理解，可達成各種潤飾及等效實施例。因此，本發明的技術範圍可由以下申請專利範圍的技術理念來界定。

Claims (15)

  1. 一種電池保護電路，包括：充電控制開關，串聯連接至位於電池模組與多個組端子之間的大電流路徑，所述電池模組配置有多個串聯連接的電池單元；電池控制器，基於所述電池單元的電池單元電壓而控制所述充電控制開關；以及多個第一保護電路，連接至位於所述大電流路徑上的相應的所述電池單元，並基於所述電池單元中的對應電池單元的電池單元電壓而攔截流動至所述對應電池單元的電流或容許所述電流流動至所述對應電池單元，其中所述多個第一保護電路分別包括：至少一個開關，串聯連接於各個相鄰的所述電池單元之間或者所述電池單元中的一者與所述組端子中的第一組端子之間，以及電池單元控制器，根據所述對應電池單元的所述電池單元電壓來控制所述至少一個開關。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電池保護電路，更包括：熔絲元件，串聯連接至所述大電流路徑；以及第二保護電路，基於所述電池單元的所述電池單元電壓而控制所述熔絲元件。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述的電池保護電路，其中所述熔絲元件包括：控制端子；至少一個加熱電阻器，連接至所述控制端子且根據施加至所述控制端子的電壓來產生熱量；以及熔絲，串聯連接至所述大電流路徑且因所述加熱電阻器產生熱量而斷路。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的電池保護電路，其中所述第一保護電路與所述第二保護電路被獨立地驅動。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電池保護電路，其中所述至少一個開關是場效電晶體。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的電池保護電路，其中所述至少一個開關包括第一N通道場效電晶體，所述第一N通道場效電晶體包括汲極端子、連接至所述對應電池單元的第一電極的源極端子及用於自所述電池單元控制器接收控制訊號的閘極端子，且其中所述第一N通道場效電晶體控制在第一方向上流動至所述對應電池單元的電流。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電池保護電路，其中所述至少一個開關更包括第二N通道場效電晶體，所述第二N通道場效電晶體包括連接至所述第一N通道場效電晶體的所述汲極端子的汲極端子、連接至與所述對應電池單元相鄰的電池單元或所述第一組端子的源極端子；以及用於自所述電池單元控制器接收控制訊號的閘極端子，且其中所述第二N通道場效電晶體控制在第二方向上流動至所述對應電池單元的電流。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的電池保護電路，其中所述第一保護電路分別更包括：第一電阻器，連接至所述對應電池單元的第二電極，並將所述對應電池單元的所述第二電極處的電壓傳輸至所述電池單元控制器；電容器，連接於所述第一電阻器與所述對應電池單元的所述第一電極之間；以及第二電阻器，連接至所述第二N通道場效電晶體的所述源極端子，且能夠與所述第一電阻器一起作為電流限制電阻器進行操作。
  9. 如申請專利範圍第6項所述的電池保護電路，其中所述對應電池單元的所述第一電極是所述對應電池單元的負電極。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的電池保護電路，其中慮及所述電池單元的過電壓或低電壓，所述電池控制器在所述電池單元控制器開始進行保護操作之前開始進行保護操作。
  11. 一種電池組，包括：電池模組，包括多個串聯連接的電池單元；多個組端子；充電控制開關，串聯連接至位於所述電池模組與所述組端子之間的大電流路徑；電池控制器，基於所述電池單元的電池單元電壓而控制所述充電控制開關；以及多個第一保護電路，連接至位於所述大電流路徑上的所述電池單元，並基於所述電池單元中的對應電池單元的電池單元電壓而攔截流動至所述對應電池單元的電流或容許所述電流流動至所述對應電池單元，其中所述第一保護電路分別包括：至少一個開關，串聯連接於彼此相鄰的所述電池單元之間或者所述電池單元中的一者與所述組端子中的第一組端子之間，以及電池單元控制器，根據所述對應電池單元的所述電池單元電壓來控制所述至少一個開關。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的電池組，更包括：熔絲元件，串聯連接至所述大電流路徑；以及第二保護電路，基於所述電池單元的所述電池單元電壓而控制所述熔絲元件。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的電池組，其中所述至少一個開關包括：第一N通道場效電晶體，包括汲極端子、連接至所述對應電池單元的第一電極的源極端子及用於自所述電池單元控制器接收控制訊號的閘極端子，其中所述第一N通道場效電晶體控制在第一方向上流動至所述對應電池單元的電流；以及第二N通道場效電晶體，包括連接至所述第一N通道場效電晶體的所述汲極端子的汲極端子、連接至與所述對應電池單元相鄰的電池單元或所述第一組端子的源極端子及用於自所述電池單元控制器接收控制訊號的閘極端子，其中所述第二N通道場效電晶體控制在第二方向上流動至所述對應電池單元的電流。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的電池組，其中所述第一保護電路分別更包括：第一電阻器，連接至所述對應電池單元的第二電極，並將所述對應電池單元的所述第二電極處的電壓傳輸至所述電池單元控制器；電容器，連接於所述第一電阻器與所述對應電池單元的所述第一電極之間；以及第二電阻器，連接至所述第二N通道場效電晶體的所述源極端子，且與所述第一電阻器一起作為電流限制電阻器進行操作。
  15. 如申請專利範圍第11項所述的電池組，其中慮及所述電池單元的過電壓或低電壓，所述電池控制器在所述電池單元控制器執行保護操作之前執行保護操作。
TW107127878A 2017-08-14 2018-08-09 電池保護電路及包含其之電池組 TWI680621B (zh)

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