用于保护可充电元件的装置及方法制造方法及图纸

用于充电器（５）和诸如可充电锂离子电池的可充电元件（１）的保护电路，包括一个与可充电元件两端并联的具有阈值启动电压的旁路稳压器（２），一个串联在充电器和可充电元件之间的受温度控制的电阻器（３），例如，一个正温度系数器件，温控电阻与旁路稳压器热学和电学地连接在一起，其中，当电流到达预先决定的一个小于会因为稳压器的欧姆热造成稳压器故障的水平时，第一可变电阻器限制流经旁路稳压器的电流。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术广义地说，属于电压过载和电流过载的保护系统，更加具体地说，是在电压 过载和电流过载条件下保护诸如可充电电池等的可充电元件的装置及方法。与本专利技术相关的
技术介绍
保护诸如可充电电池组等可充电元件的电路是为人们广为熟知的，但是，这些可 充电元件，特别是可充电锂电池，在操作电压超过安全极限时是很危险的。例如附图说明图1所示是一个标准的充电曲线，S卩，普通的锂电池组(例如用于无线电话手 机)在继续充电至最大安全范围以外时电池两端电压随时间的变化。如图1所标记，这一 曲线可以划分为3大区域。第一个区域是电压V小于4. 5伏的区域。在这个区域里，电池充电是安全的，电池 的温度保持为低于60°C至70°C，电池内压强低于3巴。第二个区域是电压在4. 5伏和5. 3伏之间的区域。在这个区域中充电，电池开始 在一个危险的模式下运行，温度超过70°C，电池内的压强升至3巴至10巴的范围，即使是在 这个电压略微升高的范围，电池也可能爆炸。第三个区域是电压超过5. 3伏的区域。在这一阶段，挽救电池为时已晚，它遭遇着 内部退化，可能爆炸或燃烧。值得注意的是，电池在“满充电”状态更加危险，比在放电状态 的电池更加容易爆炸。尤其是，为了保证给锂电池充电的充电操作是在安全操作模式下，必须要满足下 列3个条件之一 1)温度<60°C，2)压强<3巴，或者3)电压<4. 5伏。为此，可充电锂离子电池组充电时常常使用一个“智能”电路与电池串联，以防遇 到过大的电压或电流。这种智能保护电路还能预防由于电池组过度放电引起的电压不足状 态。举例来说，图2显示了一种常见的用于可充电锂离子电池组的“智能”保护电路 21。其中，第一和第二金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关20、22与一个或多个 电池M串联在一起，金属氧化物半导体场效应晶体管开关20和22的开或关由监控电池M 之上的电压与电流的控制电路26决定。在正常操作中，控制电路吏金属氧化物半导体 场效应晶体管开关20和22打到“开”，允许电流以任意方向流经电池M，充电或者放电。但 是，如果电池M上的电压或电流超过了相应的阈值，控制电路沈关闭金属氧化物半导体场 效应晶体管20和22，因此断开电路21。控制电路沈还监控充电源28上的电压和电流，决 定何时才能安全打开金属氧化物半导体场效应晶体管20和22。熟悉该领域的人员不难理解，智能保护电路21比较复杂，相对于一个常规电池组 的全部花费，它的实施费用亦过高。而且，金属氧化物半导体场效应晶体管20、22上的串联 电阻比较高，从而降低了充电源观和电池M的效率。值得注意的是，电路断开时，为了不 使电流向任一方向流动，金属氧化物半导体场效应晶体管20、22都是需要的。S卩，体二极管23、25各自向不同方向偏置，提高了保护电路21的复杂性、价格和整体串联电阻。同时，由 于金属氧化物半导体场效应晶体管20、22面对突如其来的高电压(或使用了不合适的高电 压的充电器)会遭到损坏，电池M还需要二级保护，例如，每个电池串联一个正温度系数 (PTC)的可重置保险。由这些背景信息，具有正温度系数电阻效应的器件是为人们所熟知的，可以是基 于诸如钛酸钡的陶瓷材料，或导电的聚合化合物。这种导电的聚合化合物含有一种聚合含 量，散布在化合物中形成一种特殊的导电填充物。低温时，化合物的电阻较低，然而当化合 物处于高温时，比如由大电流引起的欧姆热，化合物的电阻升高，或者称“转换”，经常改变 几个数量级。发生由低电阻转换至高电阻的温度称为转换温度Ts。当器件冷却回到转换温 度Ts以下，又会回到低电阻的状态。因此，如果作为一种串联的电流限流器，这种正温度系 数器件就认为是“可重置的”，当加热至它的转换温度Ts，它会“跳闸”到高电阻，因此减少 电路里的电流，并在冷却到低于Ts时自动“重置”到低电阻，因而使电路中过载电流状态解 除后恢复满电流流量。在这个应用中，“PTC”这个词用于表示一种化合物，R14值最少为2. 5，和/或RlOO 值最少为10，最好这个化合物的R30值应至少为6，这里R14值是在一个14°C的范围的结束 和开始处电阻值的比率，RlOO值是在一个100°C的范围的结束和开始处电阻值的比率，R30 值是在一个30°C的范围结束和开始处电阻值的比率。一般，本专利技术的器件所使用的化合物 所显示出的电阻升高要大大高于这些最小值。合适的导电聚合化合物公布在美国专利第4，237，441号(vanKonynenburg等)、 美国专利第4，545, 926号(Fouts等)、美国专利第4，724，417号(Au等)、美国专利第 4，774，024号(De印等)、美国专利第4，9；35，156号(van Konynenburg等)、美国专利第 5，049，850 号(Evans 等)、美国专利第 5，250，228 号(Baigrie 等)、美国专利第 5，378，407 号(Chandler等)、美国专利第5，451，919号(Chu等)、美国专利第5，582，770号(Chu等)、 美国专利第5，701，285号(Chandler等)、美国专利第5，747，147号(Wartenberg等)，以 及在共同未决的美国申请第08/798，887号(Toth等，于1997年2月10日提交)之中。这 些专利及申请所公布的内容将全部作为本申请的参考文献。参见图3A，短路器形式的保护电路31也是人们熟知的。尤其是，开关元件30与电 池M并联，开关30的开与关由监控电池M之上的电压和电流的控制电路36负责。在正 常操作中，开关30是打开的，但是，如果电池对上的电压或电流超过了相应的阈值，控制电 路36关闭开关30，因而短路电池M的电路。图:3B显示了开关元件30闭合时经过开关的电流相对于电压的曲线35。值得注意 的是，受特定的电源冲击的特性和持续性的控制，电流会很快到达较高的水平。在这一过程 中，第一电流过载元件32可以放在开关元件30和充电元件观之间，避免来自充电元件观 的连续电流损坏开关元件30。类似地，第二电流过载元件34可以放在开关元件30和电池 24之间，用以保护电池M。但是电流过载元件32和34的总串联电阻在电池路径上是不希 望得到的。图4A示出是另一种电压过载保护钳位电路41，尤其是，诸如齐纳二极管的电压钳 位元件40用在开关元件30的位置，与电池M并联。在电压过载的状态下，钳位元件40可 限制在电池M上的电压。图4B示出是钳位电路41中电流相对于电压的曲线45。和短路器电路31相同，受 特定电压冲击的特性和持续性的控制，流经钳位器40的电流会很快达到相当高的水平。同 样，增加限流元件(图4中未示出)可以保护钳位器40和/或电池M免遭过大电流损害。 值得注意的是，钳位元件40会有较高的漏电流，例如，对于齐纳二极管，会造成电池M随时 间很快放电。专利技术概述根据这里所述专利技术的一个方面，用于充电器和可充电元件的保护电路包括一个用 于与可充电元件并联的第一极和第二极的旁路稳压器，该旁路稳压器具有一个阈值开启电 压。温控电阻与旁路稳压器热学和电学地连接在一起，电阻的第一极与充电器串联，第二极 与可充电元件串联。在一个优选实施例中，电阻是一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一个用于充电器和可充电元件的保护电路，包括：一个与可充电元件两端并联的具有第一极和第二极的旁路稳压器，该旁路稳压器具有阈值开启电压；以及一个与旁路稳压器热学和电学连接的第一可变电阻，该第一可变电阻具有用于串联连接充电器的第一极和用于串联连接可充电元件的第二极，其中，该第一可变电阻在电压过载或电流过载条件下，能在电流达到足以造成旁路稳压器故障的水平以前限制流过旁路稳压器的电流。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：布赖恩托马斯，琼马克博菲斯，阿德里安科根，伯纳德达勒曼，吉勒戈兹朗，栾纪源，尼尔桑顿，詹姆斯托特，
申请(专利权)人：泰科电子有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]