[发明专利]用于保护可充电元件的装置及方法

说明书

本申请是分案申请，其原案申请的申请号为00807952.8，申请日为2000年3月17日，发明名称为“用于保护可充电元件的装置及方法”。

本发明所属技术领域

本发明广义地说，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。

与本发明相关的背景技术

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。

例如图1所示是一个标准的充电曲线，即，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℃至70℃，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℃，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℃，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24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24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26使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24，充电或者放电。但是，如果电池24上的电压或电流超过了相应的阈值，控制电路26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26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28和电池24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。即，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24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R100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℃的范围的结束和开始处电阻值的比率，R100值是在一个100℃的范围的结束和开始处电阻值的比率，R30值是在一个30℃的范围结束和开始处电阻值的比率。一般，本发明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。