TWI362129B - Battery protection circuit and protection method thereof - Google Patents

Description

1362129 CI0095TW 28l95twf.doc/n 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 ，發明是有關於一種電池保護電路及其保護方法，且特別 是有關於一種在高溫環境下延緩電池膨脹的電池保護方 法。 【先前技術】 者具有輕巧、可隨身攜帶式電子商品科技的進步， 產品的各項高性能元件大多也以「輕、薄、短、小」的理 想化目標邁進。因此重量輕、體積小、帶電量高的電池也 就顯得特別的重要。此外，電池除了體積小與儲電量高的 製造研發之外，影響電池使用壽命與使用者安全的電池保 護電路也是相當的重要。一般對於電池保護的電路，大致 都是對使用尹的電池’其充電與放電狀態的檢測與保護， 例如過充監測、過放監測、超量電流(Excess current)與短 路電流(Short)的保護電路。 過充檢測保護電路主要是由於電池在使用過程中，可 月匕會由於使用者的錯誤使用而造成過度充電 (Overcharge)，產生電池溫度上升，並且由於電解液的分解 而產生瓦斯，使其内部壓力上升，以及電池内部化學液的 釋出而造成有起火及破裂的危險，因此要藉由保護電路來 偵測電池的充電是否過量，以防止電池的特性劣化、起火 及破裂，進而確保使用者的安全性。過放檢測保護電路則 是檢測電池在放電時是否有異常的狀況，以確保電池的使 用哥命。超量電流與短路電流保護電路，用以提供該電池 1362129 CI0095TW 28195twf.doc/n 組在工作電流發生異常之情況下，則將會切斷電池與負載 之連接，待異常狀況解除後再回到正常工作，達到保護之 功能》 雖然這些電池保護電路對於操作巾的電池有監測與 保護的功能，但是卻無法保護非使用中的電池。例如，當 手機或是相機放置於高溫度的車内時，其内部的電池雖然 沒有在使用狀態，但是由於環境高溫度的影響，電池會有 異常或是膨脹(swelling)的現象。因此導致非使用狀態下的 電池’其電池使用壽命的降低與造成制者的危險。 【發明内容】 有鑑於此’本發明提供一種電池保護電路可以減緩電 池處於高溫環境中，所發生異常的膨脹與不可回復性的化 學變異’以提高電池的使用壽命。 為達成上述及其他目的，本發明提出一種電池保護電 ，，適用於充電電池，而充電電池具有正電壓接腳、負電 壓接腳以及溫度感應接腳。其中該溫度感應接腳所輸出的 阻抗值隨充電電池的溫度而變。該電池保護電路包括溫度 與電壓偵測單元以及放電單元。溫度與電壓偵測單元耦接 於充電電池的正電壓接腳與溫度感應接腳，並根據溫度感 應接腳所輪出的阻抗值判斷充電電池的溫度。放電單元則 搞接於正電壓接腳以及溫度與電壓偵測單元。 其中，當充電電池的溫度大於一預設溫度時，放電單 凡對充電電池進行放電。而若是正電壓接腳所輸出的電壓 值小於一第一預設值時，則放電單元停止對充電電池進行 1362129 CI0095TW 28195twf.doc/n 放電。 在本發明-實施例令，上述溫度與電壓 偏壓單元與電壓谓測單元。偏壓單元輕接於充 = 壓轉換出的一穩壓接腳與溫度感應接腳之間，时一 據充電電池之溫度感應接腳所輸出的阻抗值輪出 堡。而電磨偵測單元則補於偏壓單元内之 根據第一電壓與分壓接腳所輸出的ΐ:值ΐ 輸出放電L號至放電早兀。其中，當該第一電 =值時，該放電單元根據放電訊號來對該充電電2 第二發ΓΓί施例中，上述偏壓單元包括第一電阻與 μ接腳，而第二電二接：接壓:m ==電;第-電阻與該第二電阻之間的二:：: 在本發明一實施例巾 、雙極性電晶體單元包括電壓感 電壓感測器的-輪“小於該第二預設值時， 接於電壓感測器的輸出與^ =性電晶體輕 信號。第-電阻耦接科c，其用以產生放電 腳之間。-第二電阻二:=體曰的基極與正嶋 transistor，簡稱 的隹又性電晶體（blP〇lar junction 在本^月間。 上述又極性電晶體為NPN電晶 (S ) 7 1362129 CI0095TW 28195twf.doc/n 104耦接於正電壓接腳v+及溫度與感測單元102。充電電 池130之溫度感應接_NTC所輸出的阻抗值會隨著充電電 池130的溫度而改變。所以溫度與電壓偵測單元1〇2則根 • 據溫度感應接腳NTC所輪出的阻抗值，來判斷充電電池的 度。而放電單元104則根據溫度與電壓偵測單元1〇2的 溫度偵測結果與充電電池的電壓對充電電池130進行放 電。 由於在高溫的環境下，一般電壓（約3 7volt)的充電電 拳池130相較於飽電壓（約42v〇lt)的充電電池13〇，一般電 壓的充電電池130其膨脹速度與程度較為緩慢。因此，根 #上述充電電池130的電池特性，在高溫下，若能對飽電 壓的充電電池進行放電’财助於降低電池骑脹速度與 避免電池損傷。 所以’當溫度與電壓债測單元1〇2藉由溫度感應接腳 NTC所輸出的電阻值而偵測到充電電池13〇的溫度大於一 預》又值枯’放電單元1〇4會對充電電池進行放電，使 • ^電池130經放電後而成為非飽和電壓的狀態，以減缓 尚溫造成充電電池130的膨脹、破裂與起火等不可回復性 的損害。 雖然放電可以減緩充電電池1SG _彡驗應，但是放 電過度也會導致充電電池130永久失效與減短使用壽命。 因此為y避免過度放電，當正電壓接腳V+所輸出的電麼 值小於第-預設值時，也就是充電電池的電量小於一預設 值時，放電單元1〇4會停止對充電電池u〇進行放電。 CI0095TW 28195twf.doc/n •·”τ' σ上述，放電單元1〇4會根據溫度與電壓偵測單元 1〇2所價測到的溫度決定對充電電池13〇 &行放電與否， ，根才，充電電池13G的電量(正電壓接腳v+的電壓值)決定 ^否^•止進仃放電。藉此，避聽電壓的充電電池⑽在 而溫下因膨裝損傷，或者㈣度放電而造成壽命減損 永久失效的問題產生。 、 上述放電單元104用來決定是否放電的溫度預設值盘 停止放電的電壓預設值(例如3,7伏特），可依照電路設計者 考篁充電電池13G的錢環境與特性來設定，而所謂的高 溫環境可例如停放在__的室外下的賴車内，其内 部溫度為大於攝氏6G度’甚至簡氏刚度都有可能。 接下來，更進-步的說明圖！中各電路方塊的詳細電 路與其作動方式，請參照圖2，w 2為根據本發明一實施 例之電池賴電路之電路方塊圖。電池舰電路剛主要 包括溫度與電壓偵測單元102及放電單元1〇4。其中，溫 度與電壓偵測單元1G2尚包括電壓偵測單元现與偏壓單 元240。電壓偵測單元22〇耦接偏壓單元24〇與正電壓接 腳V+，而偏麗單元鳩聰接正電壓v+轉換出的一穩 壓接腳與溫度感應接腳NTC之間。 偏壓單元240是由穩壓元件24卜精度調節電阻R2、 R3串聯組成’藉由分壓的原理，節點F的電壓會依據溫度 感應接腳NTC喃^的阻抗值而變。由於本實施例中以負 溫度係數的熱敏電阻為例來進行說明，因此充電電池13〇 中的熱敏電阻(ThermiSt〇r)R7會隨溫度升高而降低阻抗。因 1362129 CI0095TW 28195twf.doc/n 匕節點F的電壓會隨溫度升高而降低，隨溫度降低而升 高。 溫度與電壓偵測單元1〇2中的電壓偵測單元22〇包括 電壓感測器22卜雙極性電晶體222與精度調節電阻則、 開關控制電阻R4。在本實施例中，雙極性電晶體222為一 NPN的雙極性電晶體，其集極耗接於放電單元刚，射極 耦接於電壓感測器221的輸出，基極耦接於精度調節電阻 R1。電壓感測斋221耦接於偏壓單元24〇的節點F與雙極 性電晶體222的射極之間。精度調節電阻R1耦接於充電 電池130的正電壓接腳v+與雙極性電晶體222的基極之 間。開關控制電阻R4耦接於雙極性電晶體222的集極與 正電壓接腳V+之間。 電壓感測器221會根據節點F的電壓來調整電壓偵測 反應輸出Vout的電位，當節點ρ的電壓小於預設值時(表 不充電電池的溫度大於預設溫度），電壓感測器221的電壓 偵測反應輸出V〇Ut為邏輯低電位。由於精度調節電阻R1 耦接於雙;性電晶體222的基極與正電壓接腳v+之間， 開關控制電阻R4耦接於雙極性電晶艟222的集極與正電 壓接腳V+之間，而雙極性電晶體222的射極耦接於電壓 感測器221的電壓偵測反應輸出v〇ut。因此，當電壓感測 器221的電壓偵測反應輸出Vout所產生的輸出電壓為邏輯 低電位時，正電壓接腳V+與電壓偵測反應輸出Vout之間 的電位差會使雙極性電晶體222導通，進而在雙極性電晶 體222的集極端產生較低的電位（因為電流流經開關控制 1362129 CI0095TW 28195twf.doc/n 電阻R4所造成的壓差）。 溫度與電壓偵測單元102所輸出的放電信號FS即由 雙極性電晶體222的集極電壓所形成。當放電信號fs因 雙極性電晶體222導通而降為低電位時(表示充電電池的 溫度大於預設溫度）’放電單元104中的開關25〇(本實施例 中以PMOS電晶體取代)會隨之導通，充電電池bo即透 過放電電阻R5、R6進行放電。 在本實施例中’放電單元中的開關250為PM〇s電晶 體’放電電阻R5與R6並聯輕接於pm〇s電晶體250的没 極與接地端GND之間。放電電阻R5與R6主要是提供充 電電池130的放電路徑與功率消耗’其並聯的數量並不受 限。在考量尺寸、價格與散熱性，本實施例以兩個1/2W 電阻為例來實現放電早元的電路。而在溫度與電壓偵測單 元102中之電壓感測器221可例如為中科冠電子公司的電 壓感測器，其型號為R3112Q151A-TR-F。 此外，由於充電電池有一定的戴止電壓(cut〇ffv〇ltage) 的限制，且過度的放電會造成其使用壽命之減損，甚至永 久失效。因此，本實施例會設計灰電戴止電壓，當充電電 池(正電壓接腳V+)的電壓低於一預設值時，溫度與電壓偵 測單元102會使放電單元104停止對充電電池進行放電。 本實施例會依照雙極性電晶體222的内阻與導通所需的偏 壓來設計精度調節電阻R1的電阻值(例如91K)。當正電壓 接腳V+的電壓過低時，使放電信號FS會轉為高電位以關 閉開關250，使放電單元104停止對充電電池13〇進行放

13 1362129 CI0095TW 28195twf.doc/n 電。 在放電過程中，充電電池n〇的電壓準位會有向下遞 減之趨勢，本實施例即藉此來控制雙極性電晶冑222的導 通狀態，搭_度調節電阻R1的電陳來設定使雙極性 • €晶體222戴止的電壓位準。#充電電池13㈣電壓準位 低於預设值(例如3.7V)，雙極性電晶體222便會截止，使 放電信號FS轉為高電位(趨近於正電壓接腳v+的電位）。 馨 此時，一開關250會隨之關閉並停止對充電電池進行放電。 练合上述，在本實施例中，當充電電池130的溫度大 於預設溫度時，溫度與電壓偵測單元1〇2所輸出的放電信 唬FS會轉為低電位（因雙極性電晶體222導通），此時，放 電單元104對充電電池13〇進行放電。在放電過程中，當 充電電池130的電壓低於一預設值時，放電信號FS會轉 為高電位（因雙極性電晶體222截止），此時，放電單元1〇4 停止對充電電池130進行放電。 此外，值得注意的是，充電電池13()的熱敏電阻R7 • 耦接於溫度感應接腳NTC ’且其可以是負溫度係數 (Negative Temperature Coefficient，NTC)或是正溫度係數 (Positive Temperature Coefficient，PTC)的熱敏電阻’在本實施 例以負溫度係數的熱敏電阻為例子。上述溫度與電壓偵測 單元102及放電單元1〇4之電路僅為本發明之一實施例， 本發明並不以上述圖2之電路為限，本技術領域具有通常 知識者在經由本發明之揭露後，應可輕易推知上述電路之 其餘貫施方式’在此不加累述。 1362129 CI0095TW 28195twf.doc/n 第二f施例 綜合上述’本發明可以歸納出一種電池保護方法。圖 3為根據本發明一實施例之電池保護方法流程圖。請參照 圖3，首先如步驟S301所述’溫度與電壓偵測單元根據充 電電池的溫度感測接聊輸出的阻抗值，來偵測充電電池的 溫度。接著如步驟S302所述’判斷充電電池的溫度是否 大於一預設溫度’若是溫度未大於預設溫度(也就是步驟 302所標示的”否”），則重複步驟S301，繼續偵測充電電 池的溫度。 另一方面，若是執行步驟302時，充電電池的溫度大 於預設溫度時’（也就是步驟302所標示的，，是，，），則如步 驟303所示’放電單元則對充電電池進行放電。接下來如 步驟304所述，判斷充電電池(正電壓接腳輸出）的電壓值 是否小於一預設值或充電電池的溫度小於預設溫度，此步 驟是為了避免過度放電導致充電電池的損壞。因此，當i 電壓接腳所輸出的電壓值尚未小於預設值時(也就是^驟 304所標示的”否”），則重複步驟S3〇3，繼續對充電電池 進行放電。若是正電壓接腳所輸出的電壓值小於預設值時 或充電電池的㈤度小於預設溫度時(也就是步驟304所標 示的”是”），則放電單元停止對充電電池放電，然後重^ 電池保護方法步驟S301〜S305，持續檢測且保護充電電池。 本技術領域具有通常知識者經由上述第一實施例之揭 露，應可推知本實施例之其餘細節，在此不加累述。 第三實施例 表1為25 C與85 C下的電池厚度量測圖。請參照表 1362129 CI0095TW 28195twf.doc/n ’表1將電池的狀態分成三個項次，分別為未應用本發明 電路且環境溫度為室溫下(25。〇的電池厚度、未應用本發 明電路且電池置放於環境溫度為咖下人小時的電池厚 度與應財發明電路且電池狀於環境溫度為娜下八 小時的電池厚度。 簞池 未應用本發明電路j 憊池的厚度 —- 未應用本發明電路於8Γ(；下之電池的厚度(8知 應用本S明電K於85ΐ下之®池的厚度(8hr) 3地二 充電刖厚度(3.8V) 4.67mm 4.63mm 充電鄉度(4.2V) 4.7mm 4.67mm ' 充電前厚度(3.8V) 4.94mm 4.77mm1 充電後厚度((4,2V) 5.23mm 5.16mm 充電前厚度(3.8V) 4.88mm 4.75mm 充電触度((4,2V> 4.97mm Lj池二 4.68mm 4.75mm 4.89mm 5.22mm 4.77mm 4.86mm 表1 並且在二個不同狀態下’分別量測電池在充電前(3.8V) 與充電後(4.2V)的厚度。由表i中三個電池在不同狀態下 的實際量測可以發現，在溫度由室溫(25〇c)上升至高溫 85 C時，有應用本發明電路之電池相較於未應用本發明電 路之電池，應用本發明電路之電池的厚度膨脹量的確比較 小。特別的是，在充電後狀態下的電池，其電池隨溫度升 高而增加的厚度膨脹量，相較於未應用本發明電路的電 池，有應用本發明電路的電池其厚度膨脹量明顯的減少許 多。接下來便以膨脹率數值來清楚的呈現本發明電路對於 電池之厚度膨脹量的減緩程度。 表2為根據表1電池厚度所計算出的膨脹率數值表。 請參照表2，表2所呈現的是將電池膨脹率分為電池在充 電前與充電後的兩個狀態下，來計算溫度從25。(：上升至 85°C的膨脹率。另外，表2中更分成電池在應用本發明電 16 丄丄 CI0095TW 28195twf.doc/n 電池厚度的膨脹率，以及膨脹率降低值(應 脹率的差值）°藉由膨脹率降低值可以清 疋、 發明電路所達成膨脹程度減緩與下降的功效。 電池 充電前C 丨.8V)於25 C到yc電娜度的膨膜率 霉池一 電池二 電池三 未應用本發明電路 178% ' 3.02% 4.49% 獅本發明酿 4.49% 159% 1.92¾ _率降低値 im 0.43% 2.57% 朱應用本發明電路 11.28% 10.49% 一 9.89% 應用本發明電路 5.74% 3.85% 2.31% 膨脹率降低値 554% 6.64% 7.58% 表2

、首先’我們先觀察電池充電前的膨脹率降低值，由電 池了、電池二與電池三的驗率降低值可以發現，不論電 池是再充訪歧充電後·態，㈣本剌魏都使電 池的膨脹率下降，這是由於電池的環境溫度大於預設溫 度，所以會啟動本發明的電池保護電路，對電池放電，並 且由於其充電前的電壓值(3·8ν)未小於預設電壓 ，所以電

池保護電路仍然會對充電前電池進行放電，因此根據膨脹 率的降低可清楚的了解本發明電路的功效。接著，我們再 觀察充電後電池的膨脹率降低值，相較於充電前電池的膨 脹率降低值’充電後電池的膨脹率降低值較大，這是因為 充電後且未應用本發明電路的電池，其受高溫影響所造成 的膨脹問題相當嚴重，使得充電後電池在應用本發明電路 後，可以大量的降低其膨脹問題。 圖4為根據本發明一實施例之充電前電池的膨脹率長 條圖’圖5為根據本發明一實施例之充電後電池的膨脹率 長條圖。圖4與圖5為利用表2的膨脹率來繪示的長條圖。 17 1362129 CI0095TW 28195twf.doc/n 睛參照圖4’以電池-為例，充電前的電池一在未使用本 電路的狀況下，膨脹率為5.78%，而使用本發 膨脹率為“9,所以充電前的電池一在應用本：電路 後，膨脹降低值為1.29%。請參照圖5，充電後(4 2V)的電 ，一在未應用本發明電路前，其受到高溫85。〇的影響，使 得膨脹率高至II.28% ’而在應用本發明電路後膨脹率便 下降至5.74%，所以其膨脹率降低值為5 54%。請合併參 照圖4與圖5，由電池―、二、三的膨脹率可以發現，本 發明之電池保濩電路對高溫下的電池膨脹率有明顯的減缓 功效，並且特別對充電後的電池更可以降低與減緩其膨脹 的問題。 综合上述，本發明所提供的電池保護電路及其方法可 以根據電池的溫度來對電池放電，使電池在非使用狀態下 也可以避免影服與異常的損壞狀況，進而提升電池的使用 壽命及提升使用者使用電池的安全性。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不 脫離本發明之精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾， 因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者 為準。 【圖式簡單說明】 圖1為根據本發明一實施例之電池保護電路的功能方 塊圖。 圖2為根據本發明一實施例之電池保護電路的電路方 塊圖。 is 1362129 CI0095TW 28195twf.doc/n 圖3為根據本發明一實施例之電池保護方法流程圖。 圖4為根據本發明一實施例之充電前電池的膨脹率長 條圖。 ' 圖5為根據本發明一實施例之充電後電池的膨脹率長 . 條圖 【主要元件符號說明】 100 :電池保護電路 102 :溫度與電壓偵測單元 • 104 :放電單元 130 :充電電池 220:電壓偵測單元 221:電壓感測器 222 :雙極性電晶體 240 :偏壓單元 241 :穩壓元件 250 :開關 • V+、V-、NTC :接腳

Rl、R2、R3 :精度調節電阻 R4 :開關控制電阻 R5、R6 :放電電阻 R7 :熱敏電阻 FS :放電信號 F :節點

Vout :電壓偵測反應輸出 S301〜S305 :步驟 19 c S )

Claims (1)

1362129 CI0095TW 28195twf.doc/n 1·. 一種電池保護電路，適用於一充電電池，該充電電 池具有一正電壓接腳、一負電壓接腳以及一溫度感應接 腳，其中該溫度感應接腳所輸出的一阻抗值隨該充電電池 的溫度而變，該電池保護電路包括： ' 一溫度與電壓偵測單元，耦接於該正電壓接腳與該溫 度感應接腳，並根據該溫度感應接腳所輪出的該阻抗值 斷該充電電池的溫度；以及

一放電單元，耦接於該正電壓接腳與該溫度與電壓 測單元； 、 其中，§忒充電電池的溫度大於一預設溫度時，該放 電單元對該織電池進行放電，當該正電壓接腳所輸出的 電壓值小於-第-預設值時，該放電單元停止對該充電電 池進行放電。 2·如申請專利範圍第丨項所述之電池保護電路，盆中 該溫度與電壓偵測單元包括： 〃

申請專利範圍

-偏壓單元，爐於紅接腳與該溫度感應接腳 之間，根據該溫度感應接腳所輸出的該阻抗值輸出一第一 電壓；以及 -電壓偵測單元，驗於該偏壓單元與該正電壓接 腳’根據該第-電壓與該正電壓接腳所輸出的電壓值，輸 出一放電信號至該放電單元； 其中，當該第-電壓小於一第二預設值時，該放電單 元根據該放電信號對該充電電池進行放電。 20 1362129 CI0095TW 28195twf.doc/n 3.如申請專利範㈣2項所述之電 該偏壓單元包括： 叉电塔具中 -穩壓it件’該穩誠件的—輪接於該正電 腳， 腳；電阻，該第—電阻的—端_於該穩壓元件接 應接:::電阻’接於該第-電阻的另-端與該溫度感 出該第—電阻與該第二電阻之間的—共用節點輸 4·如申請翻範圍第2項所述 該電麗偵醇元包括： 伟錢路’其中 -電壓Μϋ ’魄㈣偏壓單元 第二預設值時’該電壓感~丄：: 電單體’耦接於該電壓感測器的輸出盘該放 早之間’用以產生該放電信號；以及 電壓接以Γ於該雙極性電晶體的-基極與該正 一弟二電阻’耦接於該雙極性電晶 電壓接腳之間。 /又祕冤曰曰體的-集極與該正 上5, *申請專利範圍第4項所述之電池 ，，極性電日日日體為ΝΡΝ電晶體，域雙紐日的ς中 _接於該放電單元，用以產生該放電信號=== 21