TWI804432B - 應用在電池模組上的保護電路 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種應用在一電池模組上的保護電路，其包括一自我控制保護器、一開關元件及一電壓箝制迴路；自我控制保護器包括一保險絲單元及一加熱器；當開關元件接收一控制訊號時，開關元件將被導通；當開關元件導通時，電壓箝制迴路提供一箝位電壓，透過箝位電壓將一通過自我控制保護器的一工作電流箝制在一可熔斷保險絲單元的電流範圍內；如此，自我控制保護器的保險絲單元將透過工作電流加熱加熱器而被熔斷。

Description

應用在電池模組上的保護電路
本發明有關於一種應用在電池模組上的保護電路，尤指一種在電池模組的電壓處在高電壓狀態或低電壓狀態時都可將一自我控制保護器的保險絲熔斷的保護電路。
現今電池管理系統中，在充電路徑上，除透過MOSFET開關元件進行過充電保護外，也會利用一具有保險絲的自我控制保護器(Self-Control Protector，SCP)來進行過充電的保護。
再者，以往自我控制保護器只設計應用在過充電(或稱為過電壓)的保護上，且自我控制保護器的保險絲之熔斷係配合於一過充電保護IC的作動。由於自我控制保護器通常只使用在過充電的保護上，自我控制保護器的保險絲可被熔斷的動作電壓範圍通常落在電池模組低容量時的電壓之外。因此，若電池模組的電壓處於低電壓狀態且採用自我控制保護器作為其他異常(如過放電)的保護時，將會因為自我控制保護器的加熱器(heater)承載的功率不足，例如：電池模組的電壓過低，流過加熱器的阻抗上的電流將會變小，功率(P=I2R)變小，造成加熱器承載的功率不足而讓發熱量不夠，以致於保險絲的熔斷時間過長或存在有無法熔斷的問題。
有鑑於此，本發明提出一種創新的電池模組的保護電路，當電池模組的電壓處在低電壓狀態時，若電池模組發生異常(如過溫度、過充電或過放電)，保護電路仍可將自我控制保護器的保險絲順利熔斷，以便保護電池模組，將會是本發明的目的。
本發明之一目的，在於提供一種應用在一電池模組上的保護電路，其保護電路包括一自我控制保護器、一開關元件及一電壓箝制迴路。自我控制保護器包括一保險絲單元及一加熱器。當電池模組運作一異常狀態時，例如過充電、過放電或過溫，開關元件將會接收一控制訊號而被導通。當開關元件導通時，電壓箝制迴路提供一箝位電壓，透過箝位電壓將一通過自我控制保護器的加熱器上的工作電流箝制在一可熔斷保險絲單元的電流範圍內或將一跨壓在自我控制保護器的加熱器上的工作電壓箝制在一可熔斷保險絲單元的電壓範圍內。如此，不論電池模組的一總電壓處在一高電壓狀態或一低電壓狀態，電壓箝制迴路都可以將自我控制保護器之加熱器上的工作電流或工作電壓箝制在可熔斷保險絲單元的電流範圍或電壓範圍之內，以便電池模組處在過充電、過放電或過溫的異常狀態時，保險絲單元都能夠順利地在一限定時間內被熔斷。
為達到上述的目的，本發明提供一種應用在一電池模組上的保護電路，電池模組包括複數個串接一起的電池芯，保護電路包括：一自我控制保護器，包括一保險絲單元及一加熱器，保險絲單元連接電池模組的一電源正端，加熱器的一端連接保險絲單元；一開關元件，當開關元件接收一控制訊號時，開關元件將被導通；及一電壓箝制迴路，連接電池模組、自我控制保護器及開 關元件；其中，當開關元件導通時，電壓箝制迴路形成有一箝位電壓，箝位電壓將一通過自我控制保護器的工作電流箝制在一熔斷保險絲單元的電流範圍內，則自我控制保護器的保險絲單元透過工作電流加熱加熱器而被熔斷。
本發明一實施例中，電壓箝制迴路包括：一第一分壓元件，其一端連接電池模組的電源正端，而另一端連接至一第一節點；一第二分壓元件，其一端連接至第一節點，而另一端透過開關元件連接電池模組的一電源負極；一電壓箝制元件，並聯第一分壓元件；及一功率電晶體，包括一第一端、一第二端及一控制端，功率電晶體的第一端連接電池模組的電源負極，功率電晶體的第二端連接加熱器的另一端，而功率電晶體的控制端連接第一節點；其中，當開關元件導通時，電壓箝制迴路在電池模組的電源正極與功率電晶體的控制端間形成箝位電壓。
本發明一實施例中，自我控制保護器規範有一熔斷保險絲單元的動作電壓範圍，電壓箝制迴路在加熱器上形成有一工作電壓，工作電壓為箝位電壓與功率電晶體的一導通電壓間的一電壓差，工作電壓被電壓箝制元件箝制在熔斷保險絲單元的動作電壓範圍內。
本發明一實施例中，電壓箝制迴路包括第一分壓元件及第二分壓元件分別為一電阻器，第一分壓元件的阻值大於第二分壓元件的阻值。
本發明一實施例中，電壓箝制元件為一稽納二極體，而功率電晶體為一P通道的金氧半場效電晶體或一P通道的接面場效電晶體。
本發明一實施例中，功率電晶體的第一端透過一功率電阻器連接電池模組的電源負極。
本發明一實施例中，電池模組的電池芯串數為M串，自我控制保護器為一適用於N串電池芯串數規格的自我控制保護器，N<M。
本發明一實施例中，開關元件連接一過充電保護晶片，當過充電保護晶片偵測出電池模組處在一過充電狀態時，過充電保護晶片輸出控制訊號至開關元件。
本發明一實施例中，更包括一微處理器及一運作參數採樣晶片，微處理器連接開關元件及運作參數採樣晶片，微處理器透過運作參數採樣晶片以對於電池模組或一充放電路徑採樣至少一運作參數，且透過分析運作參數以判斷出電池模組是否運作在一異常狀態，並在電池模組運作在異常狀態時發出控制訊號至開關元件。
本發明一實施例中，運作參數採樣晶片為一採樣電流參數、電壓參數或溫度參數的晶片。
100:電池模組
11:電池芯
13:電源輸入輸出埠
200:保護電路
201:保護電路
21:自我控制保護器
211:保險絲單元
2111:第一保險絲
2112:第二保險絲
213:加熱器
23:開關元件
25:電壓箝制迴路
251:第一分壓元件
2511:第一節點
252:第二分壓元件
253:電壓箝制元件
254:功率電晶體
255:功率電阻器
27:過充電保護晶片
270:控制訊號
28:微處理器
280:控制訊號
29:運作參數採樣晶片
圖1為本發明保護電路一實施例的電路方塊圖。
圖2為本發明保護電路又一實施例的電路方塊圖。
請參閱圖1，為本發明保護電路一實施例的電路方塊圖。如圖1所示，本發明保護電路200應用在電池模組100上，用以保護電池模組100運作時的安全性。電池模組100包括複數個串接一起的電池芯11，其總電壓為VBAT。在本發明一實施例中，電池芯11的串接數量為M串。
保護電路200包括一自我控制保護器21、一開關元件23及一電壓箝制迴路25。自我控制保護器21包括一保險絲單元211及一加熱器213。保險絲單元211包括一第一保險絲2111及一第二保險絲2112。第一保險絲2111的一端連接至電池模組100的一電源正端，第二保險絲2112的一端與第一保險絲2111的另一端連接而另一端則連接至電池模組100的一電源輸入輸出埠13。加熱器213的一端連接至第一保險絲2111與第二保險絲2112間的一連接點。
開關元件23亦可為一電晶體開關，其設置在電壓箝制迴路25與電池模組100的一電源負端間。當開關元件23接收一控制訊號270時，將被控制訊號270控制導通。
電壓箝制迴路25連接電池模組100、自我控制保護器21及開關元件23。當開關元件23導通時，電壓箝制迴路25提供有一箝位電壓VC。在開關元件23導通時，自我控制保護器21將會通過一工作電流IH，電壓箝制迴路25所提供的箝位電壓VC會將工作電流I1箝制在一可熔斷保險絲單元211的電流範圍內。
進一步，電壓箝制迴路25包括一第一分壓元件251、一第二分壓元件252、一電壓箝制元件253及一功率電晶體254。第一分壓元件251的一端連接電池模組100的電源正端，而另一端連接至一第一節點2511。第二分壓元件252的一端連接至第一節點2511，而另一端透過開關元件23連接電池模組100的電源負極。電壓箝制元件253亦可為一稽納二極體，其並聯於第一分壓元件251。功率電晶體254包括一第一端、一第二端及一控制端，其第一端連接電池模組100的電源負極，第二端連接加熱器213的另一端，而控制端連接第一節點2511。在本發明中，功率電晶體254為一P通道的金氧半場效電晶體(P-MOSFET)或一P通 道的接面場效電晶體(JFET)。功率電晶體254的第一端為一汲極端，第二端為源極端，而控制端為閘極端。
第一分壓元件251及第二分壓元件252分別為一電阻器。第一分壓元件251的阻值將大於第二分壓元件252的阻值。當開關元件23導通時，電池模組100的總電壓VBAT將在第一分壓元件251與第二分壓元件252上分別分壓有一第一電壓V1及一第二電壓V2，其中V1>V2。
透過電壓箝制元件253的定電壓特性，施加在自我控制保護器21及功率電晶體254上的第一電壓V1將被箝制成一固定的箝位電壓VC，且箝位電壓VC將形成在電池模組100的電源正極與功率電晶體254的控制端間。再者，自我控制保護器21規範有一可熔斷保險絲單元211的動作電壓範圍。電壓箝制迴路25在加熱器213上形成有一工作電壓VH。工作電壓VH為箝位電壓VC與功率電晶體254的一導通電壓(VSG)間的一電壓差。該工作電壓VH將會被電壓箝制元件253箝制在可熔斷保險絲單元211的動作電壓範圍內。則，當開關元件23導通時，工作電壓VH將跨壓在加熱器213上，以在加熱器213的阻抗上通過一可熔斷保險絲單元211的工作電流IH。
則，利用電壓箝制迴路25的電壓箝制功能，將跨壓在自我控制保護器21的加熱器213上的工作電壓VH箝制在可熔斷保險絲單元211的動作電壓範圍之內，以使加熱器213能夠流過可熔斷保險絲單元211的工作電流IH而順利地加熱到足夠的溫度而在一限定時間內將保險絲單元211熔斷。
本發明一實施例中，功率電晶體254亦可選用一大功率的電晶體。電池模組100的總電壓VBAT與自我控制保護器21之間的電壓差(VBAT-VH)將跨 壓在功率電晶體254上，電壓差(VBAT-VH)所產生的能量將由功率電晶體254所承受。
或者，本發明又一實施例中，功率電晶體254的第一端透過一功率電阻器255連接電池模組100的電源負極。電池模組100的總電壓VBAT與自我控制保護器21之間的電壓差(VBAT-VH)將跨壓在功率電晶體254與功率電阻器255上。如此作法，功率電阻器255可以分攤電池模組100的總電壓VBAT與自我控制保護器21之間的電壓差(VBAT-VH)的部分能量，以避免功率電晶體254獨自承受電池模組100的總電壓VBAT與自我控制保護器21之間的電壓差(VBAT-VH)的所有能量而造成被燒毀的風險。
接續，市售各式型號的自我控制保護器(SCP)21分別被設計有不同的規格。例如：A型號的自我控制保護器被設計適用在6~9串數的電池芯上且動作電壓範圍為20.2~46.3V；B型號的自我控制保護器被設計適用在10~14串數的電池芯上且動作電壓範圍為28.0~62.0V；或者，C型號的自我控制保護器被設計適用在15~17串數的電池芯上且動作電壓範圍為39.6~72.0V。於是，選用一高電池芯串數規格的自我控制保護器21，其保險絲單元211的可動作電壓範圍就會相對地比較高；相對的，選用一低電池芯串數規格的自我控制保護器21，其保險絲單元211的可動作電壓範圍就會相對地比較低。
在本發明中，保護電路200將會選用一個電池芯串數規格低於實際電池芯11串數的自我控制保護器21來對於電池模組100進行保護。例如：電池模組100的電池芯11串數亦可為M串，而保護電路200選用一N串電池芯串數規格的自我控制保護器21，其中N<M。則，低電池芯串數規格的自我控制保護器21 將被應用在較高電池芯11串數的電池模組100上，以使不同較高串數的電池芯11的電池模組100都能夠使用同一低電池芯串數規格的自我控制保護器21來進行保護。例如10串或10串以上電池芯11的電池模組100皆可以使用6~9串的電池芯串數規格的自我控制保護器21來進行保護。
承上所述，不論電池模組100的總電壓VBAT處在高電壓狀態或低電壓狀態，保護電路200的電壓箝制迴路25都可以將自我控制保護器21之加熱器213上的工作電壓VH箝制在可熔斷保險絲單元211的動作電壓範圍之內，以便電池模組100處在過充電、過放電或過溫時，保險絲單元211都能夠順利地在一限定時間內被熔斷。再者，電池模組100的總電壓VBAT與自我控制保護器21之間的電壓差(VBAT-VH)係透過功率電晶體254及/或功率電阻器255來承受，如此，將可避免影響到自我控制保護器21的保險絲單元211的熔斷動作。
進一步地，保護電路200更包括一連接開關元件23的過充電保護晶片27。過充電保護晶片27連接電池模組100，用以偵測電池模組100是否處在一過充電(或稱為過電壓)狀態。當過充電保護晶片27偵測出電池模組100處在過充電狀態時，過充電保護晶片27將發出一控制訊號270至開關元件23，以控制開關元件23進行導通。開關元件23導通後，電壓箝制迴路25將會提供箝位電壓VC，透過箝位電壓VC將自我控制保護器21的工作電流IH或工作電壓VH箝制在可熔斷保險絲單元211的電流範圍內或電壓範圍內，而使得自我控制保護器21的保險絲單元211能夠順利地被熔斷，避免電池模組100繼續透過電源輸入輸出埠13充放電。
請參閱本發明保護電路又一實施例的電路方塊圖。如圖2所示，本實施例保護電路201進一步包括有一微處理器28及一運作參數採樣晶片29。開關元件23連接微處理器28，而微處理器28透過一連接線路(例如RS232規格、UART規格或I2C規格的連接線路)連接運作參數採樣晶片29。運作參數採樣晶片29為一類比前端(Analog Front End，AFE)晶片，其連接電池模組100或一充放電路徑，用以採樣電池模組100或充放電路徑上的電流參數、電壓參數或溫度參數。
微處理器28透過運作參數採樣晶片29對於電池模組100或充放電路徑採樣至少一運作參數，例如採樣充放電路徑上的電流、採樣電池模組100的電壓或採樣電池模組100的溫度，且透過分析運作參數以判斷出電池模組100是否運作在異常，例如：電池模組100是否過充電、過放電或過溫，並在電池模組運作在異常時發出一控制訊號280至開關元件23，以控制開關元件23進行導通。開關元件23導通後，電壓箝制迴路25將會提供箝位電壓VC，以透過箝位電壓VC將自我控制保護器21的工作電流IH或工作電壓VH箝制在可熔斷保險絲單元211的電流範圍內或電壓範圍內，而使得自我控制保護器21的保險絲單元211能夠順利地被熔斷，避免電池模組100繼續透過電源輸入輸出埠13充放電。
以上所述者，僅為本發明之一實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明的申請專利範圍內。
100:電池模組
11:電池芯
13:電源輸入輸出埠
200:保護電路
21:自我控制保護器
211:保險絲單元
2111:第一保險絲
2112:第二保險絲
213:加熱器
23:開關元件
25:電壓箝制迴路
251:第一分壓元件
2511:第一節點
252:第二分壓元件
253:電壓箝制元件
254:功率電晶體
255:功率電阻器
27:過充電保護晶片
270:控制訊號

Claims (9)

  1. 一種應用在一電池模組上的保護電路，該電池模組包括複數個串接一起的電池芯，該保護電路包括：一自我控制保護器，包括一保險絲單元及一加熱器，該保險絲單元連接該電池模組的一電源正端，該加熱器的一端連接該保險絲單元；一開關元件，當該開關元件接收一控制訊號時，該開關元件將被導通；及一電壓箝制迴路，連接該電池模組、該自我控制保護器及該開關元件；其中，當該開關元件導通時，該電壓箝制迴路形成有一箝位電壓，該箝位電壓將一通過該自我控制保護器的工作電流箝制在一熔斷該保險絲單元的電流範圍內，則該自我控制保護器的該保險絲單元透過該工作電流加熱該加熱器而被熔斷；其中該電壓箝制迴路包括：一第一分壓元件，其一端連接該電池模組的該電源正端，而另一端連接至一第一節點；一第二分壓元件，其一端連接至該第一節點，而另一端透過該開關元件連接該電池模組的一電源負極；一電壓箝制元件，並聯該第一分壓元件；及一功率電晶體，包括一第一端、一第二端及一控制端，該功率電晶體的該第一端連接該電池模組的該電源負極，該功率電晶體的該第二端連接該加熱器的另一端，而該功率電晶體的該控制端連接該第一節點； 其中，當該開關元件導通時，該電壓箝制迴路在該電池模組的該電源正極與該功率電晶體的該控制端間形成該箝位電壓。
  2. 如請求項1所述的保護電路，其中該自我控制保護器規範有一熔斷該保險絲單元的動作電壓範圍，該電壓箝制迴路在該加熱器上形成有一工作電壓，該工作電壓為該箝位電壓與該功率電晶體的一導通電壓間的一電壓差，該工作電壓被該電壓箝制元件箝制在該熔斷該保險絲單元的動作電壓範圍內。
  3. 如請求項1所述的保護電路，其中該電壓箝制迴路包括該第一分壓元件及該第二分壓元件分別為一電阻器，該第一分壓元件的阻值大於該第二分壓元件的阻值。
  4. 如請求項1所述的保護電路，其中該電壓箝制元件為一稽納二極體，而該功率電晶體為一P通道的金氧半場效電晶體或一P通道的接面場效電晶體。
  5. 如請求項1所述的保護電路，其中該功率電晶體的該第一端透過一功率電阻器連接該電池模組的該電源負極。
  6. 如請求項1所述的保護電路，其中該電池模組的該電池芯串數為M串，該自我控制保護器為一適用於N串電池芯串數規格的自我控制保護器，N<M。
  7. 如請求項1所述的保護電路，其中該開關元件連接一過充電保護晶片，當該過充電保護晶片偵測出該電池模組處在一過充電狀態時，該過充電保護晶片輸出該控制訊號至該開關元件。
  8. 如請求項1所述的保護電路，更包括一微處理器及一運作參數採樣晶片，該微處理器連接該開關元件及該運作參數採樣晶片，該微處理器透過 該運作參數採樣晶片以對於該電池模組或一充放電路徑採樣至少一運作參數，且透過分析該運作參數以判斷出該電池模組是否運作在一異常狀態，並在該電池模組運作在該異常狀態時發出該控制訊號至該開關元件。
  9. 如請求項8所述的保護電路，其中該運作參數採樣晶片為一採樣電流參數、電壓參數或溫度參數的晶片。
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CN102273044A (zh) * 2009-07-31 2011-12-07 松下电器产业株式会社 保护电路、电池组件以及充电系统

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