專(zhuān)利名稱(chēng)：二次電池的保護(hù)電路及保護(hù)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及保護(hù)鋰離子二次電池等的二次電池不至過(guò)充電的電池保護(hù)電路及保護(hù)元件。
背景技術(shù)：
對(duì)二次電池超過(guò)適當(dāng)條件的過(guò)充電，隨著電解液的分解會(huì)引起氣體的產(chǎn)生及發(fā)熱，招致電池性能的劣化及破損等。尤其是，如果鋰系二次電池充電時(shí)電壓超過(guò)一定范圍，則電池劣化及損傷的程度相當(dāng)大，故為了保護(hù)二次電池不至被錯(cuò)誤使用，設(shè)有電池保護(hù)裝置。
所述電池保護(hù)裝置的構(gòu)成形態(tài)有作為PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)及電流斷路閥裝備在二次電池自身上的，以及形成有根據(jù)異常狀態(tài)切斷二次電池的充放電電路的電池保護(hù)電路的電路基板等。所述PTC串聯(lián)連接在二次電池的充放電電路上，因過(guò)大電流而自身發(fā)熱，溫度上升使電阻值急劇增大，從而阻止過(guò)大電流，在較大型的二次電池中，配置在電池封口部?jī)?nèi)。此外，所述電流斷路閥裝備在二次電池的封口部，因二次電池內(nèi)產(chǎn)生的氣體導(dǎo)致內(nèi)壓上升而變形，當(dāng)受到超過(guò)允許值的內(nèi)壓時(shí)破裂而放出氣體，并由于破裂而切斷充放電電路的通電電流。該P(yáng)TC及電流斷路閥在較大型的圓筒形鋰離子二次電池中，作為二次電池自身具有的機(jī)構(gòu)是眾所周知的。
此外，所述電池保護(hù)電路已知的有日本專(zhuān)利第2872365號(hào)公報(bào)等所公開(kāi)的裝置，構(gòu)成如

圖12所示。由控制手段33測(cè)出二次電池30的電壓，當(dāng)測(cè)出電壓超過(guò)可充電電壓時(shí)，將串聯(lián)連接在充放電電路上的MOSFET31控制成切斷狀態(tài)，切斷充放電電路來(lái)阻止充電電流。此外，當(dāng)測(cè)出電壓在可放電電壓以下時(shí)，將串聯(lián)連接在充放電電路上的MOSFET32控制成切斷狀態(tài)，切斷充放電電路以阻止放電電流。利用該控制，可以保護(hù)二次電池30不至因過(guò)充電及過(guò)量放電而破損及劣化。
但是，當(dāng)電池保護(hù)電路未正常工作時(shí)，尤其是，當(dāng)防止過(guò)充電的控制未正常起作用時(shí)，二次電池30由于過(guò)充電狀態(tài)的進(jìn)行使電解液分解，有可能因溫度上升及產(chǎn)生氣體而導(dǎo)致破裂。因此，提出了這樣一種電池保護(hù)電路，其構(gòu)成如圖13所示，設(shè)有進(jìn)行控制防止過(guò)充電、過(guò)放電及過(guò)電流的控制手段34，以及當(dāng)該控制手段34動(dòng)作發(fā)生異常時(shí)，使過(guò)充電狀態(tài)狀態(tài)停止的過(guò)充電控制手段36。
在該構(gòu)成中，利用控制手段34進(jìn)行防止過(guò)充電、過(guò)放電及過(guò)電流的控制，當(dāng)該控制手段34的過(guò)充電防止的控制功能發(fā)生故障及誤動(dòng)作等的動(dòng)作異常時(shí)，因?yàn)槔眠^(guò)充電控制手段36能測(cè)出與過(guò)充電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的的電壓，所以，過(guò)充電控制手段36能將MOSFET35控制在導(dǎo)通狀態(tài)。由于該MOSFET35的導(dǎo)通，電阻器18發(fā)熱，使熱耦合后的溫度保險(xiǎn)絲19熔斷，切斷二次電池30的充放電電路。
利用上述構(gòu)成，能避免二次電池在最?lèi)毫訝顟B(tài)下持續(xù)進(jìn)行過(guò)充電，由于設(shè)有雙重阻止過(guò)充電的構(gòu)成，能防止因過(guò)充電狀態(tài)持續(xù)而產(chǎn)生氣體，故也可以不再使用如上所述機(jī)械式切斷通電電路的電流斷路閥。
但是，上述構(gòu)成的雙重過(guò)充電防止電路雖然對(duì)防止因過(guò)充電狀態(tài)的持續(xù)引起的電池破壞是有效的，但當(dāng)?shù)?控制手段有問(wèn)題時(shí)工作的第2控制手段是使非復(fù)原的切斷手段工作的，所以，不能檢驗(yàn)其動(dòng)作，并未能通過(guò)檢查各部分動(dòng)作狀態(tài)來(lái)確?？煽康膭?dòng)作以獲得可靠性。過(guò)充電保護(hù)電路的可靠動(dòng)作對(duì)鋰離子二次電池等能量密度高的二次電池是不可缺少的，各個(gè)二次電池或電池組件必須有檢查保護(hù)電路動(dòng)作以確?？煽啃缘倪^(guò)充電保護(hù)電路。
此外，溫度保險(xiǎn)絲及加熱手段等是不可能組裝入集成電路的部件，必須有它們的設(shè)置空間，而這又妨礙了使用小型二次電池來(lái)構(gòu)成小型緊湊的電池組件，或妨礙了構(gòu)成使保護(hù)電路與二次電池成為一體的帶保護(hù)電路的二次電池。
此外，為了使便攜式電器小型化，二次電池的小型化成為重要課題，并且進(jìn)一步要求即使實(shí)現(xiàn)小型化也要提高單位容積的能量密度。為了實(shí)現(xiàn)該要求，用電氣結(jié)構(gòu)代替機(jī)械性切斷通電電路的電流斷路閥是有效的方法，使傳統(tǒng)技術(shù)所示的電氣性通電電路切斷的構(gòu)成進(jìn)一步小型化，有效保護(hù)二次電池避免過(guò)充電狀態(tài)持續(xù)的保護(hù)電路及該保護(hù)電路使用的保護(hù)元件有待開(kāi)發(fā)。
本發(fā)明的目的在于，使能進(jìn)行可靠的二次電池保護(hù)動(dòng)作的保護(hù)電路的構(gòu)成小型緊湊，并提供適合該保護(hù)電路的保護(hù)元件。
發(fā)明的公開(kāi)為了達(dá)到上述目的，本申請(qǐng)第1發(fā)明的電池保護(hù)電路，其特征在于，具有這樣的主保護(hù)電路和副保護(hù)電路，即，所述主保護(hù)電路檢測(cè)二次電池的正負(fù)兩極間的電壓，當(dāng)檢測(cè)電壓在第1充電禁止電壓以下時(shí)，將串聯(lián)連接在二次電池的充放電電路上的第1開(kāi)關(guān)手段控制成導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)電壓為所述第1充電禁止電壓以上時(shí)，將所述第1開(kāi)關(guān)手段的充電方向控制成切斷狀態(tài)，并將切斷狀態(tài)保持到變?yōu)榈?充電解除電壓以下；所述副保護(hù)電路檢測(cè)二次電池的正負(fù)兩極間的電壓，當(dāng)檢測(cè)電壓在超過(guò)所述第1充電禁止電壓的第2充電禁止電壓以下時(shí)，將串聯(lián)連接在二次電池的充放電電路上的第2開(kāi)關(guān)手段控制成導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)電壓為所述第2充電禁止電壓以上時(shí)，將所述第2開(kāi)關(guān)手段的充電方向控制成切斷狀態(tài)。
根據(jù)上述構(gòu)成，當(dāng)主保護(hù)電路發(fā)生故障、誤動(dòng)作等異常情況、不能進(jìn)行阻止過(guò)充電的動(dòng)作時(shí)，副保護(hù)電路測(cè)出過(guò)充電并切斷二次電池的充放電電路。利用該構(gòu)成構(gòu)成雙重過(guò)充電保護(hù)電路，能可靠阻止二次電池的過(guò)充電，防止會(huì)引起二次電池破壞的過(guò)充電的進(jìn)行。該雙重的過(guò)充電保護(hù)的構(gòu)成能對(duì)每一過(guò)充電保護(hù)電路檢查其動(dòng)作，可以進(jìn)行高可靠性的電池保護(hù)。此外，因?yàn)殡p重過(guò)充電保護(hù)電路能可靠防止過(guò)充電，所以，不會(huì)發(fā)生隨過(guò)充電產(chǎn)生的氣體，可以不再使用排放因產(chǎn)生氣體引起的電池內(nèi)異常內(nèi)壓用的氣體排出閥等機(jī)構(gòu)，容易構(gòu)成不需要設(shè)置氣體排出閥等空間的小型二次電池。此外，因?yàn)橐部梢宰龀衫冒雽?dǎo)體元件的電路，所以可以將保護(hù)電路做成集成電路，可以使電池組件小型化及將保護(hù)電路收容在二次電池內(nèi)。
在上述構(gòu)成中，副保護(hù)電路可以做成通過(guò)檢測(cè)第2充電禁止電壓，將第2開(kāi)關(guān)手段的的充電方向控制成切斷狀態(tài)，并將切斷狀態(tài)保持到測(cè)出第2充電解除電壓為止的構(gòu)成。即，通過(guò)將第2充電解除電壓設(shè)定在第1充電禁止電壓以下，通過(guò)副保護(hù)電路使第2開(kāi)關(guān)手段呈切斷狀態(tài)，能使充電呈不可進(jìn)行狀態(tài)。此外，當(dāng)因第2開(kāi)關(guān)手段的切斷動(dòng)作使充電電路跳開(kāi)時(shí)，使電池電壓下降，因此能防止從切斷狀態(tài)恢復(fù)到導(dǎo)通狀態(tài)而過(guò)充電保持的狀態(tài)被開(kāi)放。
此外，副保護(hù)電路可以做成在通過(guò)第2充電禁止電壓的檢測(cè)將第2開(kāi)關(guān)手段的充電方向控制成切斷狀態(tài)之后，固定切斷狀態(tài)的構(gòu)成，利用這樣的構(gòu)成，固定利用過(guò)充電檢測(cè)的第2開(kāi)關(guān)手段的切斷狀態(tài)，就能保護(hù)二次電池，使其避免因主保護(hù)電路的故障導(dǎo)致的電池保護(hù)功能的喪失而損壞。
此外，第1及第2各開(kāi)關(guān)手段分別是其內(nèi)部有寄生二極管的功率MOSFET，所述寄生二極管的順?lè)较蜻B接為二次電池的放電方向，利用這樣的構(gòu)成，通過(guò)過(guò)充電狀態(tài)的檢測(cè)，即使第1及第2開(kāi)關(guān)手段呈切斷狀態(tài)，通過(guò)寄生二極管也可以放電，即使在過(guò)充電的阻止功能起作用的狀態(tài)下，也可以使用二次電池。
此外，為了達(dá)到上述目的，本申請(qǐng)第2發(fā)明涉及的電池保護(hù)電路具有這樣的主保護(hù)電路和副保護(hù)電路，即，所述主保護(hù)電路檢測(cè)二次電池的正負(fù)兩極間的電壓及放電電流，當(dāng)檢測(cè)電壓在第1充電禁止電壓以下且第1放電禁止電壓以上時(shí)，將串聯(lián)連接在二次電池的充放電電路上的第1開(kāi)關(guān)手段控制成導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)電流在規(guī)定值以上時(shí)，將所述第1開(kāi)關(guān)元件控制成切斷狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)電壓變?yōu)榈?充電禁止電壓以上時(shí)，將所述第1開(kāi)關(guān)元件控制成充電方向切斷/放電方向?qū)ǖ臓顟B(tài)，當(dāng)檢測(cè)電壓變?yōu)榉烹娊闺妷阂韵聲r(shí)，將所述第1開(kāi)關(guān)元件控制成放電方向切斷/充電方向?qū)ǖ臓顟B(tài)；所述副保護(hù)電路檢測(cè)二次電池的正負(fù)兩極間的電壓，當(dāng)檢測(cè)電壓在第2充電禁止電壓以下時(shí)，將串聯(lián)連接在二次電池的充放電電路上的第2開(kāi)關(guān)手段控制成導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)電壓為所述第2充電禁止電壓以上時(shí)，將所述第2開(kāi)關(guān)手段的充電方向控制成切斷狀態(tài)，并將切斷狀態(tài)保持到測(cè)出第2充電解除電壓為止。
根據(jù)上述構(gòu)成，主控制電路檢測(cè)二次電池的電壓及放電電流，正常時(shí)將開(kāi)關(guān)元件控制成導(dǎo)通狀態(tài)，將二次電池控制成可使用狀態(tài)，根據(jù)異常狀態(tài)，相應(yīng)地將第1開(kāi)關(guān)手段控制成切斷狀態(tài)或僅可充電、僅可放電的狀態(tài)。當(dāng)該主保護(hù)電路發(fā)生故障、誤動(dòng)作等異常情況、不能進(jìn)行阻止過(guò)充電的動(dòng)作時(shí)，副保護(hù)電路檢測(cè)過(guò)充電并切斷二次電池的充放電電路，從而構(gòu)成了雙重的過(guò)充電保護(hù)電路，能可靠阻止二次電池的過(guò)充電，防止會(huì)引起二次電池破壞的過(guò)充電的進(jìn)行。該雙重的過(guò)充電保護(hù)的構(gòu)成能逐個(gè)檢查其動(dòng)作，可進(jìn)行可靠性高的電池保護(hù)。此外，因?yàn)殡p重的過(guò)充電保護(hù)電路能可靠防止過(guò)充電，所以，不會(huì)產(chǎn)生隨著過(guò)充電產(chǎn)生的氣體，也可以不再使用排放因產(chǎn)生氣體引起的電池內(nèi)的異常內(nèi)壓用的氣體排出閥等的機(jī)構(gòu)，不需要設(shè)置氣體排出閥等空間，可以容易地構(gòu)成小型的二次電池。此外，因?yàn)榭梢杂冒雽?dǎo)體元件構(gòu)成電路，故可以將保護(hù)電路做成集成電路，可以實(shí)現(xiàn)電池組件的小型化及將保護(hù)電路收容在二次電池內(nèi)。
在上述構(gòu)成中，第1開(kāi)關(guān)元件是其內(nèi)部無(wú)寄生二極管的FET，利用其觸發(fā)電壓而呈各狀態(tài)，利用一個(gè)FET能控制過(guò)充電、過(guò)放電及過(guò)大電流的阻止動(dòng)作，能使電池保護(hù)電路小型化。
此外，為了達(dá)到上述目的，本申請(qǐng)第3發(fā)明涉及的電池保護(hù)電路的特征在于，具有這樣的主保護(hù)電路和副保護(hù)電路，所述主保護(hù)電路設(shè)有使加熱手段與串聯(lián)連接在二次電池的充放電電路上的PTC熱耦合、控制對(duì)該加熱手段的通電的第1開(kāi)關(guān)手段，檢測(cè)二次電池正負(fù)兩極間的電壓，當(dāng)檢測(cè)電壓在第1規(guī)定電壓以下時(shí)將所述第1開(kāi)關(guān)手段控制成切斷狀態(tài)，而當(dāng)檢測(cè)電壓在所述第1規(guī)定電壓以上時(shí)，將所述第1開(kāi)關(guān)手段控制成導(dǎo)通狀態(tài)從而對(duì)所述加熱手段通電，并保持該導(dǎo)通狀態(tài)直到測(cè)出第1解除電壓為止；所述副保護(hù)電路檢測(cè)二次電池正負(fù)兩極間的電壓，當(dāng)檢測(cè)電壓為超過(guò)所述第1規(guī)定電壓的第2規(guī)定電壓以下時(shí)，將串聯(lián)連接在二次電池的充放電電路上的第2開(kāi)關(guān)手段控制成導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)電壓在所述第2規(guī)定電壓以上時(shí)，將所述第2開(kāi)關(guān)手段的充電方向控制成切斷狀態(tài)，并保持切斷狀態(tài)直到測(cè)出第2解除電壓為止。
根據(jù)上述構(gòu)成，主保護(hù)電路在根據(jù)二次電池的電壓測(cè)出過(guò)充電狀態(tài)時(shí)，將第1開(kāi)關(guān)手段控制成導(dǎo)通狀態(tài)而對(duì)加熱手段通電，利用加熱手段加熱串聯(lián)連接在二次電池的充放電電路上的PTC。PTC元件因溫度上升而使電阻值急劇增大，限制對(duì)二次電池的充電電流，保護(hù)二次電池避免過(guò)充電狀態(tài)。當(dāng)該主保護(hù)電路因故障、誤動(dòng)作等異常而不能進(jìn)行過(guò)充電的阻止動(dòng)作時(shí)，副保護(hù)電路檢測(cè)過(guò)充電來(lái)切斷二次電池的充放電電路，構(gòu)成雙重的過(guò)充電保護(hù)電路，能可靠阻止二次電池的過(guò)充電，防止會(huì)引起二次電池破壞的過(guò)充電的進(jìn)行。該雙重的過(guò)充電保護(hù)的構(gòu)成，能逐個(gè)檢查其動(dòng)作，能進(jìn)行可靠性高的電池保護(hù)。此外，因?yàn)殡p重的過(guò)充電保護(hù)電路能可靠防止過(guò)充電，所以，不會(huì)產(chǎn)生因過(guò)充電產(chǎn)生的氣體，也就可以不再使用排放因產(chǎn)生氣體引起的電池內(nèi)異常內(nèi)壓用的氣體排出閥等機(jī)構(gòu)，不需要設(shè)置排出閥等的空間，容易構(gòu)成小型的二次電池。此外，因?yàn)榭梢杂冒雽?dǎo)體元件構(gòu)成電路，故可以將保護(hù)電路做成集成電路，可以實(shí)現(xiàn)電池組件的小型化及將保護(hù)電路收容的二次電池內(nèi)。
在上述構(gòu)成中，加熱手段可以由與PTC熱耦合的第2PTC構(gòu)成。PTC可以做成平板狀，將兩個(gè)PTC面對(duì)面接合，可以獲得良好的熱耦合狀態(tài)，利用對(duì)第2PTC通電引起的溫度上升來(lái)加熱PTC、使其電阻值增大而限制充電電流這樣的結(jié)構(gòu)可以做得小型緊湊。
為了達(dá)到上述目的，本申請(qǐng)第4發(fā)明涉及的電池保護(hù)電路的特征在于具有檢測(cè)二次電池正負(fù)極間電壓、當(dāng)測(cè)出超過(guò)規(guī)定值的電壓時(shí)輸出控制信號(hào)的電壓檢測(cè)手段；與串聯(lián)連接在所述二次電池上的PTC熱耦合、因通電而溫度上升的加熱手段；根據(jù)來(lái)自所述電壓檢測(cè)手段的控制信號(hào)對(duì)所述加熱手段通電的開(kāi)關(guān)手段，當(dāng)電壓檢測(cè)手段測(cè)出超過(guò)規(guī)定值的電壓例如過(guò)充電狀態(tài)持續(xù)時(shí)的電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)手段根據(jù)輸出的控制信號(hào)動(dòng)作，向加熱手段通電，加熱手段加熱熱耦合的PTC。PTC對(duì)溫度顯示正特性的電阻值變化，尤其是具有在規(guī)定的臨界溫度以上時(shí)呈電阻值劇增的跳開(kāi)狀態(tài)的特征，在平時(shí)是微小的電阻值，因二次電池的輸入輸出電流引起的電壓下降很小，對(duì)輸入輸出電路無(wú)妨礙，但當(dāng)流過(guò)過(guò)大電流時(shí)，因自身發(fā)熱使電阻值激增而阻止過(guò)大電流。該P(yáng)TC在被加熱手段加熱時(shí)，也會(huì)因溫度上升而電阻值激增，限制二次電池的輸入輸出電路。因此，當(dāng)所述電壓檢測(cè)手段測(cè)出表示過(guò)充電狀態(tài)持續(xù)等異常狀態(tài)的電壓時(shí)，利用PTC的跳開(kāi)來(lái)限制二次電池的輸入輸出電流，所以，能防止因過(guò)充電狀態(tài)的持續(xù)而引起二次電池的破壞。
在上述構(gòu)成中，加熱手段可以作為與所述PTC熱耦合的第2PTC來(lái)構(gòu)成，如果向第2PTC通電使溫度上升，就能加熱熱耦合的PTC，使PTC呈跳開(kāi)狀態(tài)。
此外，本申請(qǐng)第5發(fā)明涉及的電池保護(hù)電路的特征在于具有檢測(cè)二次電池正負(fù)極間電壓、當(dāng)測(cè)出超過(guò)規(guī)定值的電壓時(shí)輸出控制信號(hào)的電壓檢測(cè)手段；與串聯(lián)連接在所述二次電池上的溫度保險(xiǎn)絲熱耦合的加熱用PTC；以及，根據(jù)來(lái)自所述電壓檢測(cè)手段的控制信號(hào)對(duì)所述加熱用PTC通電的開(kāi)關(guān)手段，當(dāng)電壓檢測(cè)手段測(cè)出超過(guò)規(guī)定值的電壓例如過(guò)充電狀態(tài)持續(xù)時(shí)的電壓時(shí)，根據(jù)輸出的控制信號(hào)，開(kāi)關(guān)手段動(dòng)作，對(duì)加熱用PTC通電，加熱用PTC因通電電流而溫度上升，將熱耦合的溫度保險(xiǎn)絲熔斷。因此，當(dāng)所述電壓檢測(cè)手段測(cè)出表示過(guò)充電狀態(tài)持續(xù)等異常狀態(tài)的電壓時(shí)，二次電池的輸入輸出電路被切斷，所以，能防止二次電池因過(guò)充電狀態(tài)持續(xù)而損壞。
在上述第4及第5的發(fā)明中，由電壓檢測(cè)手段測(cè)出的超過(guò)規(guī)定值的電壓設(shè)定為比測(cè)出過(guò)充電狀態(tài)的電壓要高的電壓，這樣，就能雙重保護(hù)避免二次電池因過(guò)充電引起損傷。即，在檢測(cè)過(guò)充電或過(guò)放電等狀態(tài)來(lái)切斷二次電池的輸入輸出電路的控制電路另外構(gòu)成時(shí)，過(guò)充電狀態(tài)的初始值會(huì)被所述控制電路測(cè)出而阻止過(guò)充電，但當(dāng)該控制電路發(fā)生異常時(shí)，二次電池由于過(guò)充電的持續(xù)而會(huì)發(fā)生破裂等的損傷。做成電壓檢測(cè)手段測(cè)出比所述初始值高的電壓時(shí)輸出控制信號(hào)的構(gòu)成，這樣，測(cè)出因過(guò)充電持續(xù)而上升的電壓、就進(jìn)行阻止過(guò)充電狀態(tài)的動(dòng)作，即使控制電路產(chǎn)生異常時(shí)也能保護(hù)二次電池。
此外，本申請(qǐng)第6發(fā)明涉及的保護(hù)元件特征在于，將做成平板狀的多個(gè)PTC元件層疊形成熱耦合狀態(tài)，如果將一個(gè)PTC元件與二次電池串聯(lián)連接，將另一PTC元件連接在控制其通電的通電控制電路上，則當(dāng)對(duì)與二次電池串聯(lián)連接側(cè)的PTC元件熱耦合的另一PTC元件通電時(shí)，由于通電引起的加熱，與二次電池串聯(lián)連接的PTC元件溫度上升而呈電阻值激增的跳開(kāi)狀態(tài)時(shí)，就能限制二次電池的輸入輸出電流。通電控制電路因測(cè)出過(guò)充電等二次電池的異常狀態(tài)而向加熱一側(cè)PTC元件通電，以這樣的構(gòu)成，將多個(gè)PTC元件熱耦合的保護(hù)元件就能作為二次電池的保護(hù)元件有效發(fā)揮作用。
在上述構(gòu)成中，各PTC元件的形狀尺寸及電氣特性可以任意選擇并加以組合，可以根據(jù)保護(hù)電路的電路構(gòu)成構(gòu)成適當(dāng)?shù)慕M合。
此外，將形成為平板狀的兩片PTC元件在其平板面間夾入電極材而接合，并在各PTC元件的外側(cè)面上也分別接合電極材來(lái)構(gòu)成保護(hù)元件，就能在節(jié)省空間的情況下構(gòu)成熱耦合的兩片PTC元件。
此外，任意的電極材用銅鎳合金或銅鎳合金與鎳的復(fù)合材料形成，這樣，因?yàn)楹附有约叭劢有粤己们覍?dǎo)電性及熱傳導(dǎo)性也出色，在所需部位采用該材料，就能提高作業(yè)性、電氣及機(jī)械性能。
此外，從各電極材延伸形成引腳部，就能使電路連接容易。
此外，從各電極材引出的引腳部的延伸方向形成為相反的兩個(gè)方向，就能形成各自不同的方向，能根據(jù)電路構(gòu)成的狀態(tài)任意選擇。
此外，各電極材形成為比接合的PTC元件外形尺寸要小，就能很好進(jìn)行使電極材與PTC元件之間接合的焊接。
此外，本申請(qǐng)第7發(fā)明涉及的二次電池保護(hù)元件的特征在于，溫度保險(xiǎn)絲與PTC元件形成為熱耦合狀態(tài)，所以，如果將溫度保險(xiǎn)絲與二次電池串聯(lián)連接，將PTC元件與控制其通電的通電控制電路連接，則當(dāng)對(duì)PTC元件通電時(shí)，通電導(dǎo)致的加熱使溫度保險(xiǎn)絲熔斷，就能切斷二次電池的輸入輸出電流。通電控制電路因測(cè)出過(guò)充電等二次電池的異常狀態(tài)而對(duì)PTC元件通電，以這樣的構(gòu)成，就能作為二次電池的保護(hù)元件有效起作用。
此外，用隔熱材料覆蓋熱耦合的多個(gè)PTC，以這樣的構(gòu)成，能抑制散熱，有效發(fā)生熱耦合。
附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明圖1所示為本發(fā)明第1實(shí)施形態(tài)的電池保護(hù)電路的構(gòu)成方框圖。
圖2所示為過(guò)充電狀態(tài)持續(xù)時(shí)電池電壓和電池溫度變化的曲線圖。
圖3所示為裝在MOSFET內(nèi)的寄生二極管的FET電路圖。
圖4所示為本發(fā)明第2實(shí)施形態(tài)的電池保護(hù)電路的構(gòu)成方框圖。
圖5所示為本發(fā)明第3實(shí)施形態(tài)的電池保護(hù)電路的構(gòu)成方框圖。
圖6所示為本發(fā)明第4實(shí)施形態(tài)的保護(hù)電路的構(gòu)成方框圖。
圖7所示為保護(hù)元件的構(gòu)成分解立體圖。
圖8A為保護(hù)元件的側(cè)視圖，圖8B為保護(hù)元件的電氣記號(hào)圖。
圖9所示為保護(hù)元件的另一形態(tài)的立體圖。
圖10所示為本發(fā)明第5實(shí)施形態(tài)的保護(hù)電路的構(gòu)成方框圖。
圖11A為該實(shí)施形態(tài)的保護(hù)元件的側(cè)視圖，圖11B為該實(shí)施形態(tài)的保護(hù)元件的俯視圖。
圖12所示為現(xiàn)有技術(shù)的電池保護(hù)電路的構(gòu)成方框圖。
圖13所示為現(xiàn)有技術(shù)的電池保護(hù)電路的構(gòu)成方框圖。
實(shí)施發(fā)明的最佳形態(tài)以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)進(jìn)行說(shuō)明，以供理解本發(fā)明。又，以下所示實(shí)施形態(tài)為本發(fā)明具體化之一例，并不是限定本發(fā)明的技術(shù)范圍的。
圖1所示為本發(fā)明第1實(shí)施形態(tài)的電池保護(hù)電路的構(gòu)成圖，具有保護(hù)作為鋰離子二次電池構(gòu)成的二次電池3避免其受到過(guò)充電、過(guò)放電及過(guò)大電流的主保護(hù)電路A，以及與所述主保護(hù)電路A一起雙重保護(hù)二次電池3避免過(guò)充電的副保護(hù)電路B。
在圖1中，二次電池3的負(fù)極側(cè)與負(fù)輸入輸出端子5之間，串聯(lián)連接有構(gòu)成主保護(hù)電路A的第1FET(第1開(kāi)關(guān)手段)11和第2FET12及構(gòu)成副保護(hù)電路B的第3FET(第2開(kāi)關(guān)手段)13。第1-第3FET11-13分別用功率MOSFET構(gòu)成，第1和第2FET11、12由主控制手段1分別控制成導(dǎo)通/切斷的二種狀態(tài)，第3FET13由副控制手段2控制成導(dǎo)通/切斷的二種狀態(tài)。在二次電池3正常充放電條件下，它們均被控制成導(dǎo)通狀態(tài)，將二次電池3的負(fù)極與負(fù)輸入輸出端子5之間連接成導(dǎo)通狀態(tài)，成為在正輸入輸出端子4與負(fù)輸入輸出端子5之間連接二次電池3的狀態(tài)。
上述主控制手段1檢測(cè)二次電池3的正負(fù)兩極間的電壓，當(dāng)其達(dá)到判定為預(yù)先設(shè)定的過(guò)充電狀態(tài)的第1充電禁止電壓(例如4.30V)以上時(shí)，將第1FET11控制成切斷狀態(tài)而切斷充電電流，保護(hù)二次電池3避免過(guò)充電。二次電池3有可能因過(guò)充電而分解電解液，并因隨之產(chǎn)生的氣體而引起電池破壞，但利用該過(guò)充電防止的功能，能防止二次電池3損壞。利用主控制手段1的第1FET11的切斷狀態(tài)一直保持到測(cè)出比第1充電禁止電壓低的第1充電解除電壓為止。
此外，主控制手段1檢測(cè)二次電池3的正負(fù)兩極間的電壓，當(dāng)其達(dá)到判定為預(yù)先設(shè)定的過(guò)放電狀態(tài)的放電禁止電壓(例如2.60V)以下時(shí)，將第2FET12控制成切斷狀態(tài)而切斷放電電流，保護(hù)二次電池3避免過(guò)放電。二次電池3由于過(guò)放電會(huì)導(dǎo)致電池性能的劣化，但利用該過(guò)放電防止的功能，能防止二次電池3的劣化。利用主控制手段1的第2FET12的切斷狀態(tài)一直保持到測(cè)出比放電禁止電壓高的放電解除電壓為止。
還有，主控制手段1檢測(cè)第2FET12的兩端電壓，當(dāng)其為與預(yù)先設(shè)定的過(guò)大放電電流對(duì)應(yīng)的電壓以上時(shí)，將第1和第2FET11、12控制成切斷狀態(tài)而切斷放電電流，保護(hù)二次電池3避免因過(guò)大放電電流而損壞。當(dāng)正輸入輸出端子4與負(fù)輸入輸出端子5之間或與它們連接的設(shè)備側(cè)發(fā)生短路時(shí)，二次電池3會(huì)暴露于過(guò)大放電電流，但此時(shí)即使第2FET12的內(nèi)部電阻很微小(20-50mΩ)，也由于過(guò)大的放電電流，其兩端電壓上升，所以能將其測(cè)出而切斷過(guò)大電流。
如上所述，因?yàn)榈?主保護(hù)電路A具有阻止過(guò)充電、過(guò)放電及過(guò)大電流的功能，所以，將其與二次電池3一起構(gòu)成電池組件的形態(tài)，就能保護(hù)二次電池3，避免因設(shè)備故障或錯(cuò)誤使用導(dǎo)致?lián)p傷。但在主保護(hù)電路A動(dòng)作發(fā)生異常時(shí)，二次電池3會(huì)受到顯著的損傷。該動(dòng)作異常在主保護(hù)電路A發(fā)生故障時(shí)，在二次電池3過(guò)充電進(jìn)行的同時(shí)，因電解液分解產(chǎn)生的氣體引起電池內(nèi)壓異常上升，并隨著溫度上升會(huì)陷入發(fā)生破裂的事態(tài)。為了防備這樣的電池內(nèi)壓異常上升而裝備上述的電流斷路閥，當(dāng)二次電池3是小型化、薄型化的二次電池時(shí)，就很難將電流斷路閥裝在電池內(nèi)，就不能期望其可靠動(dòng)作。如果能可靠阻止過(guò)充電，也就可以不再使用所述電流斷路閥，就可以保護(hù)小型化、薄型化的二次電池3。
上述副保護(hù)電路B是為了雙重保護(hù)二次電池避免過(guò)充電而設(shè)置的，當(dāng)利用主保護(hù)電路A的過(guò)充電阻止功能未能正常發(fā)揮時(shí)，利用該副保護(hù)電路B就可以阻止過(guò)充電。副保護(hù)電路B通過(guò)副控制手段2檢測(cè)二次電池3的電壓，當(dāng)測(cè)出比主控制手段1為了防止過(guò)充電而檢測(cè)的充電禁止電壓高的第2充電禁止電壓(例如4.45V)以上的電壓時(shí)，將第3FET13控制成切斷狀態(tài)，切斷充電電流，并將切斷狀態(tài)保持到測(cè)出第2充電解除電壓為止。
圖2示出了對(duì)過(guò)充電狀態(tài)持續(xù)時(shí)二次電池3的電壓變化和溫度變化進(jìn)行測(cè)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，示出了當(dāng)利用主保護(hù)電路A的過(guò)充電阻止動(dòng)作未能正常進(jìn)行時(shí)，隨著過(guò)充電狀態(tài)的進(jìn)行，電池電壓漸漸上升，電池溫度迎來(lái)了急劇上升的情況。因?yàn)殡姵販囟乳_(kāi)始急劇上升時(shí)的電池電壓超過(guò)4.5V，所以，在副保護(hù)電路B的副控制手段2中，如上所述將第2充電禁止電壓設(shè)定在4.45V，則當(dāng)測(cè)出該第2充電禁止電壓時(shí)，就可以利用副控制手段2將第3FET13控制成切斷狀態(tài)，在電池溫度開(kāi)始急劇上升之前充電電流就被切斷，可以防止因過(guò)充電狀態(tài)持續(xù)引起的電池?fù)p壞。
以上說(shuō)明過(guò)的第1實(shí)施形態(tài)涉及的電池保護(hù)電路所使用的第1-第3各ET11、12、13如圖3所示，分別在漏極-源極間有寄生二極管D，并連接成這樣的狀態(tài)即使在為了防止過(guò)充電而將第1FET11或第3FET13控制成切斷狀態(tài)時(shí)，第1及第3FET11、13的寄生二極管D的順?lè)较驗(yàn)榉烹婋娏鞣较?，因此可以從二次電?進(jìn)行放電。此外，還連接成在為了防止過(guò)放電而將第2FET12控制成切斷狀態(tài)時(shí)，第2FET12的寄生二極管D的順?lè)较驗(yàn)槌潆婋娏鞣较颍虼丝梢詫?duì)二次電池3進(jìn)行充電。
接著說(shuō)明本發(fā)明第2實(shí)施形態(tài)。圖4示出第2實(shí)施形態(tài)的電池保護(hù)電路的構(gòu)成，該電池保護(hù)電路具有主保護(hù)電路C和副保護(hù)電路B。副保護(hù)電路B與第1實(shí)施形態(tài)所示的構(gòu)成相同。
在圖4中，主保護(hù)電路C將主控制手段6和第1FET14做成集成電路片，第1FET14根據(jù)由主控制手段6施加的激發(fā)電壓，變成①導(dǎo)通狀態(tài)，②切斷狀態(tài)，③充電方向?qū)?放電方向切斷，④充電方向切斷/放電方向?qū)ㄟ@樣4種狀態(tài)。該由主控制手段6和第1FET14構(gòu)成的主保護(hù)電路C作為Unitrode公司制造的集成電路片在市場(chǎng)已有銷(xiāo)售，作為美國(guó)專(zhuān)利第5,581,170號(hào)已公開(kāi)。
上述第1FET14不是如第1實(shí)施形態(tài)中的第1和第2FET11、12那樣是有寄生二極管D的，作為-個(gè)開(kāi)關(guān)元件，根據(jù)其激發(fā)電壓的變化，如上所述變化成4種狀態(tài)。
4種狀態(tài)之中，導(dǎo)通狀態(tài)是二次電池3在正常使用狀態(tài)下的情況，是第2主控制手段6測(cè)出的二次電池3的電壓處于正常充放電條件下的狀態(tài)。此外，切斷狀態(tài)是當(dāng)從串聯(lián)連接在二次電池3的充放電電路上的第1FET14的兩端電壓檢測(cè)到允許值以上的過(guò)大放電電流時(shí)，切斷充放電電路，保護(hù)二次電池3避免過(guò)大電流的狀態(tài)。此外，充電方向?qū)?放電方向切斷是當(dāng)由主控制手段6測(cè)出與二次電池3的過(guò)放電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電壓時(shí)，使放電方向?yàn)榍袛酄顟B(tài)以停止放電，并一直保持到測(cè)出放電解除電壓為止，同時(shí)使充電方向?yàn)閷?dǎo)通狀態(tài)，從而可以進(jìn)行充電。此外，充電方向切斷/放電方向?qū)ㄊ钱?dāng)主控制手段6測(cè)出與二次電池3的過(guò)充電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電壓時(shí)，使充電方向?yàn)榍袛酄顟B(tài)以停止充電并一直保持至測(cè)出充電解除電壓為止，并使放電方向?yàn)閷?dǎo)通狀態(tài)，從而可以進(jìn)行放電。
利用主保護(hù)電路C的構(gòu)成，可以保護(hù)二次電池3避免受到過(guò)充電、過(guò)放電及過(guò)大電流。但是，該主保護(hù)電路C也如在第1實(shí)施形態(tài)已敘述過(guò)的那樣，當(dāng)發(fā)生誤動(dòng)作或故障等的動(dòng)作異常時(shí)，二次電池3會(huì)受到顯著損傷。尤其是當(dāng)過(guò)充電的防止功能停止時(shí)，二次電池3在過(guò)充電進(jìn)行的同時(shí)，因電解液分解產(chǎn)生的氣體導(dǎo)致電池內(nèi)壓異常上升，隨著溫度上升最終陷入破裂的境地。因此，如圖4所示，與主保護(hù)電路C并列設(shè)置副保護(hù)電路B，就能雙重保護(hù)二次電池3避免最容易陷入嚴(yán)重破損狀態(tài)的過(guò)充電，電池保護(hù)電路能可靠保護(hù)二次電池3。即，副保護(hù)電路B利用副控制手段2測(cè)出二次電池3的電壓，當(dāng)由主保護(hù)電路C進(jìn)行的過(guò)充電阻止動(dòng)作未能正常進(jìn)行時(shí)，就會(huì)測(cè)出比主控制手段6為了防止過(guò)充電而檢測(cè)的充電禁止電壓高的第2充電禁止電壓(例如4.45V)以上的電壓，所以，此時(shí)將FET13控制成切斷狀態(tài)，切斷充電電流并保持切斷狀態(tài)直至測(cè)出第2充電解除電壓為止。由于該副保護(hù)電路B的工作，在因過(guò)充電的進(jìn)行導(dǎo)致電池溫度開(kāi)始急劇上升之前，充電電流就被切斷，能防止因過(guò)充電狀態(tài)的持續(xù)導(dǎo)致電池破壞。
以下說(shuō)明本發(fā)明的第3實(shí)施形態(tài)。圖5示出第3實(shí)施形態(tài)涉及的電池保護(hù)電路，該電池保護(hù)電路具有主保護(hù)電路E和副保護(hù)電路B，副保護(hù)電路B與第1及第2實(shí)施形態(tài)所示的是相同的。
在圖5中，二次電池3的正極側(cè)通過(guò)構(gòu)成主保護(hù)電路E的第1PTC21與正輸入輸出端子4連接，第2PTC(加熱手段)22與第1PTC21成熱耦合狀態(tài)而構(gòu)成保護(hù)元件10。眾所周知，PTC屬于當(dāng)因流過(guò)電流而自身發(fā)熱或被加熱而溫度上升到規(guī)定溫度以上時(shí)、其電阻值急劇增大的正特性熱敏電阻，在規(guī)定溫度以下的平時(shí)電阻值微小，故通電引起的電壓下降極小，不會(huì)妨礙充放電電路。
所述保護(hù)元件10通過(guò)將形成為板狀的第1PTC21與第2PTC22夾著電極板面接合，形成第2PTC22的溫度易于傳遞給第1PTC21的熱耦合狀態(tài)。關(guān)于該保護(hù)元件10的結(jié)構(gòu)將在后面的第4實(shí)施形態(tài)作詳細(xì)敘述。又，第2PTC22也可以做成電阻器或加熱器等因流過(guò)電流而溫度迅速上升的加熱手段。
此外，二次電池3的負(fù)極側(cè)通過(guò)構(gòu)成副保護(hù)電路B的第3FET13與負(fù)輸入輸出端子5連接，在二次電池3處于正常充放電條件下的狀態(tài)時(shí)，第3FET13由副控制手段2控制成導(dǎo)通狀態(tài)，呈二次電池3的負(fù)極側(cè)與負(fù)輸入輸出端子5連接的狀態(tài)。
主保護(hù)電路E通過(guò)主控制手段7測(cè)出二次電池3的正負(fù)兩極間電壓，當(dāng)其在預(yù)先設(shè)定的判定為過(guò)充電狀態(tài)的第1充電禁止電壓(例如4.30V)以下時(shí)，將第1FET15控制成切斷狀態(tài)。當(dāng)測(cè)出因過(guò)充電而超過(guò)所述第1充電禁止電壓的電壓時(shí)，主控制手段7將第1FET15控制成導(dǎo)通狀態(tài)，并一直控制至測(cè)出比第1充電禁止電壓低的第1充電解除電壓為止。由于第1FET15導(dǎo)通，形成第2PTC22的通電電路，由于其發(fā)熱，熱耦合的第1PTC21被加熱。由于該加熱，第1PTC21變成電阻值急增的跳開(kāi)狀態(tài)，由于其增大的電阻值，限制了流過(guò)二次電池3的充放電電路的電流，阻止二次電池3的過(guò)充電狀態(tài)。
但是，該主保護(hù)電路E也如在第1及第2實(shí)施形態(tài)中已敘述過(guò)的那樣，當(dāng)發(fā)生誤動(dòng)作及故障等的動(dòng)作異常時(shí)，二次電池3會(huì)受到顯著損傷。尤其是當(dāng)過(guò)充電的防止功能停止時(shí)，與二次電池3過(guò)充電進(jìn)行的同時(shí)，因電解液分解產(chǎn)生的氣體導(dǎo)致電池內(nèi)壓異常上升，隨著溫度上升最終會(huì)陷入破裂的境地。因此如圖5所示，與上述構(gòu)成的主保護(hù)電路E并列設(shè)置副保護(hù)電路B，就能雙重保護(hù)二次電池3使其避免最容易陷入嚴(yán)重破損狀態(tài)的過(guò)充電，電池保護(hù)電路就能可靠完成二次電池3的保護(hù)。即，副保護(hù)電路B通過(guò)副控制手段2檢測(cè)二次電池3的電壓，當(dāng)利用主保護(hù)電路E的過(guò)充電阻止動(dòng)作未能正常進(jìn)行時(shí)，副控制手段2就會(huì)測(cè)出比主控制手段7為了防止過(guò)充電而檢測(cè)的充電禁止電壓高的第2充電禁止電壓(例如4.45V)以上的電壓，所以，此時(shí)將FET13控制成切斷狀態(tài)，切斷充電電流并將切斷狀態(tài)保持至測(cè)出第2充電解除電壓為止。由于該副保護(hù)電路B的工作，在因過(guò)充電的進(jìn)行使電池溫度開(kāi)始急劇上升之前，充電電流就被切斷，能防止因過(guò)充電狀態(tài)的持續(xù)導(dǎo)致的電池破損。
以下參照?qǐng)D6說(shuō)明本發(fā)明第4實(shí)施形態(tài)。第4實(shí)施形態(tài)的電池保護(hù)電路具有主保護(hù)電路A和副保護(hù)電路F而構(gòu)成，主保護(hù)電路A與第1實(shí)施形態(tài)所示的是相同的。
在圖6中，二次電池3的正極側(cè)通過(guò)構(gòu)成保護(hù)元件10的第1PTC21與正輸入輸出端子4連接，負(fù)極側(cè)通過(guò)第1FET11和第2FET12與負(fù)輸入輸出端子5連接。此外，為了能從設(shè)備側(cè)尤其是從充電器檢測(cè)該二次電池3和保護(hù)電路的溫度，在溫度檢測(cè)端子47上連接有熱敏電阻43。這樣分別串聯(lián)配置在二次電池3的正極側(cè)及負(fù)極側(cè)的所述第1PTC21、第1FET11和第2FET12是為了根據(jù)二次電池3的各種異常狀態(tài)來(lái)限制或切斷通電電流而設(shè)置的，以下對(duì)異常時(shí)通電電路的切斷動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。
上述第1PTC21在二次電池3的溫度為規(guī)定溫度以下的平常時(shí)候，電阻值微小，通電引起的電壓下降極小，對(duì)充放電電路不會(huì)造成妨礙，但當(dāng)溫度上升到規(guī)定溫度以上時(shí)，因電阻值劇增而限制通電電路的電流。該電阻值的劇增稱(chēng)為跳開(kāi)，電阻值可以增大至平常時(shí)的10的3次方至4次方。該跳開(kāi)狀態(tài)也可以因流過(guò)第1PTC21的電流使PTC21自身發(fā)熱而引起，所以，當(dāng)因短路等而流過(guò)過(guò)大電流時(shí)，自身發(fā)熱使電阻值劇增，就限制二次電池3的輸入輸出電流，因此能防止因短路等而損傷二次電池3。
此外，第1和第2FET11、12作為開(kāi)關(guān)元件工作，由主控制手段1控制成導(dǎo)通/切斷的兩種狀態(tài)。它們?cè)诙坞姵?正常進(jìn)行充放電的條件下，均被控制成導(dǎo)通狀態(tài)，將二次電池3的負(fù)極與負(fù)輸入輸出端子5之間連接成導(dǎo)通狀態(tài)。
所述主控制手段1檢測(cè)二次電池3的正負(fù)兩極間的電壓，當(dāng)該電壓達(dá)到預(yù)先設(shè)置的被判定為過(guò)充電狀態(tài)的第1充電禁止電壓(例如4.30V)以上時(shí)，將第1FET11控制成切斷狀態(tài)而切斷充電電流，保護(hù)二次電池3避免過(guò)充電。利用該防止過(guò)充電的功能，能防止二次電池3受到損傷。利用主控制手段1的第1FET11的切斷狀態(tài)保持至測(cè)出比第1充電禁止電壓低的第1充電解除電壓時(shí)為止。
此外，主控制手段1檢測(cè)二次電池3正負(fù)兩極間的電壓，當(dāng)該電壓變?yōu)轭A(yù)先設(shè)定的被判定為過(guò)放電狀態(tài)的放電禁止電壓(例如2.60V)以下時(shí)，將第2FET12控制成切斷狀態(tài)來(lái)切斷放電電流，保護(hù)二次電池3避免過(guò)放電。利用該防止過(guò)放電的功能，能防止二次電池3劣化。利用主控制手段1的第2FET12的切斷狀態(tài)保持到測(cè)出比放電禁止電壓高的放電解除電壓為止。
還有，主控制手段1檢測(cè)第2FET12兩端的電壓，當(dāng)該電壓達(dá)到預(yù)先設(shè)定的與過(guò)大放電電流對(duì)應(yīng)的電壓以上時(shí)，將第1和第2FET11、12控制成切斷狀態(tài)來(lái)切斷放電電流，保護(hù)二次電池3避免因過(guò)大放電電流而損傷。當(dāng)正輸入輸出端子4與負(fù)輸入輸出端子5之間或與它們連接的電器側(cè)發(fā)生短路時(shí)，二次電池3會(huì)暴露于放電電流，但此時(shí)即使第2FET12的內(nèi)部電阻微小(20-50mΩ)，也由于過(guò)大的放電電流，其兩端電壓上升，所以能將其測(cè)出而切斷過(guò)大電流。
當(dāng)利用該主保護(hù)電路A的對(duì)通電電路的切斷動(dòng)作不能正常發(fā)揮作用、過(guò)充電狀態(tài)持續(xù)下去時(shí)，二次電池3因電解液的分解使內(nèi)壓上升，有可能導(dǎo)致二次電池3破裂。為了防止發(fā)生這樣的不測(cè)事態(tài)，設(shè)置了副保護(hù)電路F。
副保護(hù)電路F通過(guò)副控制手段40檢測(cè)二次電池3的電壓，當(dāng)其達(dá)到設(shè)定電壓以上時(shí)，將第3FET41控制成導(dǎo)通狀態(tài)。由于第3FET41導(dǎo)通，與所述第1PTC21熱耦合并形成為保護(hù)元件10的形態(tài)的第2PTC22及放電電阻24就通電。由于該通電，第2PTC22的溫度上升并加熱熱耦合的第1PTC21，由此發(fā)生“跳開(kāi)”，由于其電阻值劇增，限制了對(duì)二次電池3的充電電流。
通過(guò)所述副控制手段40使第3FET41作導(dǎo)通動(dòng)作的設(shè)定電壓設(shè)定為比主控制手段1檢測(cè)過(guò)充電的充電停止電壓大的檢測(cè)電壓值。例如，在充電器側(cè)設(shè)定的充電結(jié)束電壓為4.20V時(shí)，通過(guò)主控制手段1的充電停止電壓設(shè)定為4.30V，利用副控制手段40的過(guò)充電持續(xù)狀態(tài)的檢測(cè)設(shè)定電壓設(shè)定為4.45V。如圖2所示，隨著過(guò)充電狀態(tài)的進(jìn)行，電池電壓也漸漸上升，以致電池溫度急劇上升，但當(dāng)電池溫度開(kāi)始急劇上升時(shí)的電池電壓超過(guò)了4.5V，所以，通過(guò)將副控制手段40的檢測(cè)設(shè)定電壓如上所述預(yù)先設(shè)定為4.45V，就能在電池溫度開(kāi)始急劇上升之前使第1PTC21跳開(kāi)，從而限制充電電流，因此能防止因過(guò)充電狀態(tài)持續(xù)導(dǎo)致的電池破壞。
此外，副控制手段40將測(cè)出過(guò)充電持續(xù)后的狀態(tài)維持到測(cè)出比過(guò)充電持續(xù)狀態(tài)的檢測(cè)設(shè)定電壓還低的規(guī)定電壓以下的電壓為止，保持第3FET41的導(dǎo)通狀態(tài)。因此，副控制手段40測(cè)出過(guò)充電持續(xù)的狀態(tài)被保持，能防止因主保護(hù)電路A或充電器動(dòng)作異常引起二次電池3損傷。
因?yàn)樯鲜鰳?gòu)成中的第2PTC22對(duì)第1PTC21的加熱是間接性加熱，所以，通過(guò)熱耦合的熱傳導(dǎo)要可靠是不可缺少的，在本實(shí)施形態(tài)中，將第1PTC21與第2PTC22做成成為一體性結(jié)構(gòu)的保護(hù)元件10。關(guān)于該保護(hù)元件10的詳細(xì)構(gòu)成以下進(jìn)行說(shuō)明。
圖7是將保護(hù)元件10分解示出的圖，在第1PTC元件21a與第2PTC元件22a之間配置有中間電極材45，在第1PTC元件21a的外側(cè)面配置有下電極材46，在第2PTC元件22a的外側(cè)面配置有上電極材44。它們?nèi)鐖D8A所示，相互疊合接合成層疊的一體結(jié)構(gòu)。與第1、第2PTC元件21a、22a接合的各電極材44、45、46的外形形狀形成為比與其分別面對(duì)面的各PTC元件21a、22a小一圈，與在其周?chē)纬傻母鱌TC元件21a、22a的露出面用焊錫等接合手段相互接合。此外，在各電極材44、45、46上分別延伸形成有配線連接用的引腳44a、45a及46a。各引腳44a、45a、46a預(yù)先加工成位于同一平面，從而便于安裝到構(gòu)成保護(hù)電路的電路基板上。這樣形成的保護(hù)元件10如果用電氣符號(hào)表示則如圖8B所示，第1PTC21與第2PTC22一體化成熱耦合狀態(tài)。
構(gòu)成該保護(hù)元件10的第1PTC21如圖6所示，與二次電池3串聯(lián)連接，當(dāng)由短路等流過(guò)過(guò)大電流時(shí)，因過(guò)大電流而自身發(fā)熱，當(dāng)其溫度變?yōu)樘_(kāi)溫度時(shí)電阻值急劇增大，所以二次電池3的輸入輸出電流受到限制，阻止了過(guò)大電流。此外如上所述，當(dāng)副控制手段40測(cè)出表示過(guò)充電狀態(tài)持續(xù)的電壓時(shí)，副控制手段40使第3FET41作導(dǎo)通動(dòng)作，對(duì)第2PTC22通電。由于該通電，第2PTC22溫度上升而對(duì)第1PTC21進(jìn)行加熱。一旦由于該加熱使第1PTC21變?yōu)樘_(kāi)狀態(tài)，就與上述過(guò)大電流的阻止動(dòng)作一樣，限制二次電池3的充電電流。
保護(hù)元件10的引腳的形成也可以如圖9所示，使引腳44b、45b、46b從各電極材44、45、46的分別不同的三個(gè)方向延伸而構(gòu)成。通過(guò)各電極材44、45、46的材質(zhì)使用銅鎳合金，可以做成焊接等的接合性及熱耦合所需的熱傳導(dǎo)性出色的電極材。該銅鎳合金的使用也可以不是應(yīng)用于所有的電極材44、45、46，而是有選擇地僅應(yīng)用于熱耦合用的成為熱傳導(dǎo)體的中間電極材45。此外使用銅鎳合金與鎳的復(fù)合材料來(lái)代替銅鎳合金，也能獲得同樣的功能。
此外，第1PTC21及第2PTC22其各自的形狀尺寸及電氣特征可以選擇組合。第1PTC21選擇其形狀尺寸及電氣特性時(shí)要滿(mǎn)足這樣的條件在平時(shí)電阻值盡可能要低以抑制二次電池3的輸入輸出電流引起的電壓下降，而流過(guò)所設(shè)定的過(guò)大電流值以上的過(guò)大電流時(shí)要變成溫度迅速上升電阻值急劇增大的跳開(kāi)狀態(tài)。另一方面，第2PTC22選擇其形狀尺寸及電氣特性時(shí)要滿(mǎn)足這樣的條件提高平時(shí)的電阻值以增大通電時(shí)的發(fā)熱量，其發(fā)熱量要能夠以其溫度使第1PTC21變成跳開(kāi)狀態(tài)。
以上說(shuō)明過(guò)的保護(hù)元件10是將兩種PTC元件組合而構(gòu)成的，但也可以將第1PTC21夾在兩片第2PTC22之間，來(lái)促進(jìn)利用熱耦合進(jìn)行的加熱。此外，加熱第1PTC21的也可以不是PTC元件，而是使用因通電而溫度上升的電阻體等。
接著對(duì)本發(fā)明第5實(shí)施形態(tài)的電池保護(hù)電路進(jìn)行說(shuō)明。又，本構(gòu)成如圖10所示，是使用將加熱用PTC49與溫度保險(xiǎn)絲48組合成的保護(hù)元件50而構(gòu)成的，其它的構(gòu)成與第4實(shí)施形態(tài)的構(gòu)成一樣，相同的要素標(biāo)上相同的符號(hào)并省略其說(shuō)明。
在圖10中，當(dāng)副控制手段40測(cè)出過(guò)充電持續(xù)狀態(tài)的檢測(cè)設(shè)定電壓時(shí)，使第3FET41導(dǎo)通，則因電流流過(guò)加熱用PTC49使溫度上升，并加熱溫度保險(xiǎn)絲48。當(dāng)因該加熱用PTC49的加熱而溫度保險(xiǎn)絲48熔斷時(shí)，對(duì)二次電池3的充電電流被切斷，可防止因過(guò)充電的持續(xù)而損壞二次電池3。
上述保護(hù)元件50的構(gòu)成如圖11A、圖11B所示，將溫度保險(xiǎn)絲48與加熱用PTC49重疊成熱耦合狀態(tài)。該保護(hù)元件50如圖所示，在溫度保險(xiǎn)絲48上安裝有引腳48a、48a，在加熱用PTC49上安裝有引腳49a、49a，可以安裝在電路基板上構(gòu)成保護(hù)電路。
在作為現(xiàn)有技術(shù)的雙重保護(hù)避免過(guò)充電的構(gòu)成中，因?yàn)槭菍⒎菑?fù)原的切斷手段作為副保護(hù)電路來(lái)構(gòu)成，所以，不能檢查其動(dòng)作是否正常，可靠性低，而以上說(shuō)明的各實(shí)施形態(tài)中的電池保護(hù)電路可以改進(jìn)上述缺點(diǎn)。即，施加第2充電禁止電壓以下的電壓，第3FET13就成導(dǎo)通狀態(tài)，施加第2充電禁止電壓以上的電壓，第3FET13就呈切斷狀態(tài)，副保護(hù)電路B對(duì)此可以進(jìn)行檢查，能構(gòu)成可靠性高的電池保護(hù)電路。
此外，在各實(shí)施形態(tài)中的電池保護(hù)電路能將主要部分構(gòu)成為集成電路，使用的電子元件數(shù)少，所以能構(gòu)成小型化、薄型化的二次電池3，并能構(gòu)成小型緊湊的電池組件。還有，還可以將保護(hù)電路收容在二次電池3內(nèi)而構(gòu)成內(nèi)裝有保護(hù)電路的二次電池3。此外，由于具備雙重的過(guò)充電阻止功能，故抑制了因過(guò)充電引起的氣體發(fā)生，所以，釋放內(nèi)壓用的電流斷路閥也可以不再使用，即使在小型化、薄型化、難以獲得機(jī)械結(jié)構(gòu)的電流斷路閥設(shè)置空間的情況下，也能防止因過(guò)充電引起電池破損。
以上說(shuō)明過(guò)的保護(hù)元件10、50通過(guò)用隔熱材料包覆來(lái)抑制向外部的散熱，利用PTC22、49進(jìn)行的加熱能更有效進(jìn)行。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性如以上說(shuō)明的那樣，若根據(jù)本發(fā)明，設(shè)置雙重的阻止過(guò)充電的功能，防止過(guò)充電引起電池破壞的構(gòu)成不是用機(jī)械性電流斷路裝置，而是能利用電氣進(jìn)行，所以，也能方便地應(yīng)用于缺少空間來(lái)配置機(jī)械性切斷電流結(jié)構(gòu)的小型二次電池。
此外，因?yàn)榕c主保護(hù)電路并列設(shè)置的副保護(hù)電路是不使用溫度保險(xiǎn)絲等非復(fù)原的電路斷路手段的可復(fù)原型構(gòu)成，所以，當(dāng)過(guò)充電狀態(tài)解除時(shí)就能恢復(fù)成正常時(shí)的狀態(tài)，并且能進(jìn)行對(duì)非復(fù)原型來(lái)說(shuō)是不可能的副保護(hù)電路動(dòng)作的檢查，能對(duì)電池保護(hù)電路各動(dòng)作逐個(gè)進(jìn)行檢查后上市，所以，對(duì)于構(gòu)成小型且可靠性高的電池保護(hù)電路是有用的。
權(quán)利要求
1．一種電池保護(hù)電路，其特征在于，具有這樣的主保護(hù)電路(A)和副保護(hù)電路(B)，即，所述主保護(hù)電路(A)檢測(cè)二次電池(3)的正負(fù)兩極間的電壓，當(dāng)檢測(cè)電壓在第1充電禁止電壓以下時(shí)，將串聯(lián)連接在二次電池(3)的充放電電路上的第1開(kāi)關(guān)手段(11)控制成導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)電壓為所述充電禁止電壓以上時(shí)，將所述第1開(kāi)關(guān)手段(11)的充電方向控制成切斷狀態(tài)，并將切斷狀態(tài)保持到檢測(cè)電壓變成低于充電禁止電壓的第1充電解除電壓以下；所述副保護(hù)電路(B)檢測(cè)二次電池(3)的正負(fù)兩極間的電壓，當(dāng)檢測(cè)電壓在超過(guò)所述第1充電禁止電壓的第2充電禁止電壓以下時(shí)，將串聯(lián)連接在二次電池的充放電電路上的第2開(kāi)關(guān)手段(13)控制成導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)電壓變?yōu)樗龅?充電禁止電壓以上時(shí)，將所述第2開(kāi)關(guān)手段(13)的充電方向控制成切斷狀態(tài)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池保護(hù)電路，其特征在于，所述副保護(hù)電路(B)由于測(cè)出第2充電禁止電壓而將第2開(kāi)關(guān)手段(13)的充電方向控制成切斷狀態(tài)，并將切斷狀態(tài)保持到測(cè)出第2充電解除電壓為止。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池保護(hù)電路，其特征在于，所述副保護(hù)電路(B)在通過(guò)第2充電禁止電壓的檢測(cè)將第2開(kāi)關(guān)手段(13)的充電方向控制在切斷狀態(tài)之后，將切斷狀態(tài)固定。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池保護(hù)電路，其特征在于，第1開(kāi)關(guān)手段(11)及第2開(kāi)關(guān)手段(13)是其內(nèi)部有寄生二極管(D)的功率MOSFET，并連接成所述寄生二極管(D)的順?lè)较驗(yàn)槎坞姵?3)的放電方向。
5．一種電池保護(hù)電路，其特征在于，具有這樣的主保護(hù)電路(C)和副保護(hù)電路(B)，所述主保護(hù)電路(C)檢測(cè)二次電池(3)的正負(fù)兩極間的電壓及放電電流，當(dāng)檢測(cè)電壓在第1充電禁止電壓以下且在第1放電禁止電壓以上時(shí)，將串聯(lián)連接在二次電池(3)的充放電電路上的第1開(kāi)關(guān)手段(14)控制成導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)電流在規(guī)定值以上時(shí)，將所述第1開(kāi)關(guān)元件(14)控制成切斷狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)電壓變?yōu)榈?充電禁止電壓以上時(shí)，將所述第1開(kāi)關(guān)手段(14)控制成充電方向切斷/放電方向?qū)ǖ臓顟B(tài)，并將該狀態(tài)保持到測(cè)出低于第1充電禁止電壓的第1充電解除電壓為止，當(dāng)檢測(cè)電壓變?yōu)榉烹娊闺妷阂韵聲r(shí)，將所述第1開(kāi)關(guān)元件(14)控制成放電方向切斷/充電方向?qū)ǖ臓顟B(tài)；并將該狀態(tài)保持到測(cè)出超過(guò)第1放電禁止電壓的第1放電解除電壓為止；所述副保護(hù)電路(B)檢測(cè)二次電池(3)的正負(fù)兩極間的電壓，當(dāng)檢測(cè)電壓在超過(guò)所述第1充電禁止電壓的第2充電禁止電壓以下時(shí)，將串聯(lián)連接在二次電池(3)的充放電電路上的第2開(kāi)關(guān)手段(13)控制成導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)電壓變?yōu)樗龅?充電禁止電壓以上時(shí)，將所述第2開(kāi)關(guān)手段(13)的充電方向控制成切斷狀態(tài)，并將切斷狀態(tài)保持到測(cè)出第2充電解除電壓為止。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的電池保護(hù)電路，其特征在于，所述第1開(kāi)關(guān)手段(14)是其內(nèi)部無(wú)寄生二極管的FET，利用其觸發(fā)電壓而呈各種狀態(tài)。
7．一種電池保護(hù)電路，其特征在于，具有這樣的主保護(hù)電路(E)和副保護(hù)電路(B)，所述主保護(hù)電路(E)設(shè)有使加熱手段(22)與串聯(lián)連接在二次電池(3)的充放電電路上的PTC(21)熱耦合、控制對(duì)該加熱手段(22)的通電的第1開(kāi)關(guān)手段(15)，并檢測(cè)二次電池(3)正負(fù)兩極間的電壓，當(dāng)檢測(cè)電壓在第1充電禁止電壓以下時(shí)將所述第1開(kāi)關(guān)手段(15)控制成切斷狀態(tài)，而當(dāng)檢測(cè)電壓在所述第1充電禁止電壓以上時(shí)，將所述第1開(kāi)關(guān)手段(15)控制成導(dǎo)通狀態(tài)對(duì)所述加熱手段(22)通電，并保持該導(dǎo)通狀態(tài)直到測(cè)出第1充電解除電壓為止；所述副保護(hù)電路(B)檢測(cè)二次電池(3)正負(fù)兩極間的電壓，當(dāng)檢測(cè)電壓為超過(guò)所述第1充電禁止電壓的第2充電禁止電壓以下時(shí)，將串聯(lián)連接在二次電池(3)的充放電電路上的第2開(kāi)關(guān)手段(13)控制成導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)電壓在所述第2充電禁止電壓以上時(shí)，將所述第2開(kāi)關(guān)手段(13)的充電方向控制成切斷狀態(tài)，并保持切斷狀態(tài)直到測(cè)出第2充電解除電壓為止。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的電池保護(hù)電路，其特征在于，所述加熱手段是與PTC(21)熱耦合的第2PTC(22)。
9．一種電池保護(hù)電路，其特征在于，具有檢測(cè)二次電池(3)正負(fù)極間電壓、當(dāng)測(cè)出超過(guò)規(guī)定值的電壓時(shí)輸出控制信號(hào)的電壓檢測(cè)手段(40)；與串聯(lián)連接在所述二次電池(3)上的PTC(21)熱耦合、因通電使溫度上升的加熱手段(22)；根據(jù)來(lái)自所述電壓檢測(cè)手段(40)的控制信號(hào)對(duì)所述加熱手段(22)通電的開(kāi)關(guān)手段(41)。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的電池保護(hù)電路，其特征在于，由所述電壓檢測(cè)手段測(cè)出的超過(guò)規(guī)定值的電壓設(shè)定為比測(cè)出過(guò)充電狀態(tài)的電壓要高的電壓。
11．根據(jù)權(quán)利要求9所述的電池保護(hù)電路，其特征在于，所述加熱手段是與與PTC(21)熱耦合的第2PTC(22)。
12．一種電池保護(hù)電路，其特征在于，具有檢測(cè)二次電池(3)正負(fù)極間電壓、當(dāng)測(cè)出超過(guò)規(guī)定值的電壓時(shí)輸出控制信號(hào)的電壓檢測(cè)手段(40)，與串聯(lián)連接在所述二次電池(3)上的溫度保險(xiǎn)絲(48)熱耦合的加熱用PTC(49)，以及，根據(jù)來(lái)自所述電壓檢測(cè)手段(40)的控制信號(hào)對(duì)所述加熱用PTC(49)通電的開(kāi)關(guān)手段(41)。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的電壓檢測(cè)手段，其特征在于，由所述電壓檢測(cè)手段測(cè)出的超過(guò)規(guī)定值的電壓設(shè)定為比測(cè)出過(guò)充電狀態(tài)的電壓要高的電壓。
14．一種保護(hù)元件，其特征在于，其是將做成平板狀的多個(gè)PTC元件(21a、22a)層疊形成熱耦合狀態(tài)而構(gòu)成的。
15．根據(jù)權(quán)利要求14所述的保護(hù)元件，其特征在于，所述PTC元件(21a、22a)是任意選擇其形狀、尺寸及電氣特性后加以組合而成的。
16．根據(jù)權(quán)利要求14所述的保護(hù)元件，其特征在于，所述PTC元件是將形成為平板狀的兩片PTC元件(21a、22a)在其平板面間夾入電極材(45)而接合，并在各PTC元件(21a、22a)的外側(cè)面上也分別接合電極材(44、46)而構(gòu)成的。
17．根據(jù)權(quán)利要求15所述的保護(hù)元件，其特征在于，所述電極材(44、45、46)是由銅鎳合金或銅鎳合金與鎳的復(fù)合材料形成的。
18．根據(jù)權(quán)利要求15所述的保護(hù)元件，其特征在于，從所述各電極材(44、45、46)延伸形成有引腳部(44a、45a、46a)。
19．根據(jù)權(quán)利要求17所述的保護(hù)元件，其特征在于，從所述各電極材(44、45、46)引出的引腳部的延伸方向形成為相反的兩個(gè)方向。
20．根據(jù)權(quán)利要求17所述的保護(hù)元件，其特征在于，從所述各電極材(44、45、46)引出的引腳部(44b、45b、46b)的延伸方向形成為分別不同的方向。
21．根據(jù)權(quán)利要求15所述的保護(hù)元件，其特征在于，所述各電極材(44、45、46)形成為比接合的PTC元件(21a、22a)的外形尺寸要小。
22．一種二次電池的保護(hù)元件，其特征在于，溫度保險(xiǎn)絲(48)與PTC元件(49)形成為熱耦合狀態(tài)。
23．根據(jù)權(quán)利要求14或22所述的保護(hù)元件，其特征在于，所述熱耦合部分用隔熱材料覆蓋。
全文摘要
提供防止因過(guò)充電狀態(tài)持續(xù)引起電池破壞的二次電池的保護(hù)電路和應(yīng)用于該電路的保護(hù)元件。利用主保護(hù)電路(A)和副保護(hù)電路(B)雙重保護(hù)二次電池(3),使其避免過(guò)充電,所述主保護(hù)電路(A)具有檢測(cè)二次電池(3)的過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)大放電電流,將第1FET(11)或第2FET(12)控制成切斷狀態(tài)的主控制手段(1),所述副保護(hù)電路(B)具有當(dāng)利用主控制手段(1)的過(guò)充電阻止功能未能正常發(fā)揮時(shí),將第3FET(13)控制成切斷狀態(tài)的副控制手段(2)。
文檔編號(hào)H01M6/50GK1304559SQ00800878
公開(kāi)日2001年7月18日 申請(qǐng)日期2000年5月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月17日
發(fā)明者祝園芳宣 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社