用于保護可充電元件的裝置及方法制造方法及圖紙

用于充電器（５）和諸如可充電鋰離子電池的可充電元件（１）的保護電路，包括一個與可充電元件兩端并聯的具有閾值啟動電壓的旁路穩壓器（２），一個串聯在充電器和可充電元件之間的受溫度控制的電阻器（３），例如，一個正溫度系數器件，溫控電阻與旁路穩壓器熱學和電學地連接在一起，其中，當電流到達預先決定的一個小于會因為穩壓器的歐姆熱造成穩壓器故障的水平時，第一可變電阻器限制流經旁路穩壓器的電流。（*該技術在2020年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術廣義地說，屬于電壓過載和電流過載的保護系統，更加具體地說，是在電壓 過載和電流過載條件下保護諸如可充電電池等的可充電元件的裝置及方法。與本專利技術相關的
技術介紹
保護諸如可充電電池組等可充電元件的電路是為人們廣為熟知的，但是，這些可 充電元件，特別是可充電鋰電池，在操作電壓超過安全極限時是很危險的。例如附圖說明圖1所示是一個標準的充電曲線，S卩，普通的鋰電池組(例如用于無線電話手 機)在繼續充電至最大安全范圍以外時電池兩端電壓隨時間的變化。如圖1所標記，這一 曲線可以劃分為3大區域。第一個區域是電壓V小于4. 5伏的區域。在這個區域里，電池充電是安全的，電池 的溫度保持為低于60°C至70°C，電池內壓強低于3巴。第二個區域是電壓在4. 5伏和5. 3伏之間的區域。在這個區域中充電，電池開始 在一個危險的模式下運行，溫度超過70°C，電池內的壓強升至3巴至10巴的范圍，即使是在 這個電壓略微升高的范圍，電池也可能爆炸。第三個區域是電壓超過5. 3伏的區域。在這一階段，挽救電池為時已晚，它遭遇著 內部退化，可能爆炸或燃燒。值得注意的是，電池在“滿充電”狀態更加危險，比在放電狀態 的電池更加容易爆炸。尤其是，為了保證給鋰電池充電的充電操作是在安全操作模式下，必須要滿足下 列3個條件之一 1)溫度<60°C，2)壓強<3巴，或者3)電壓<4. 5伏。為此，可充電鋰離子電池組充電時常常使用一個“智能”電路與電池串聯，以防遇 到過大的電壓或電流。這種智能保護電路還能預防由于電池組過度放電引起的電壓不足狀 態。舉例來說，圖2顯示了一種常見的用于可充電鋰離子電池組的“智能”保護電路 21。其中，第一和第二金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)開關20、22與一個或多個 電池M串聯在一起，金屬氧化物半導體場效應晶體管開關20和22的開或關由監控電池M 之上的電壓與電流的控制電路26決定。在正常操作中，控制電路吏金屬氧化物半導體 場效應晶體管開關20和22打到“開”，允許電流以任意方向流經電池M，充電或者放電。但 是，如果電池M上的電壓或電流超過了相應的閾值，控制電路沈關閉金屬氧化物半導體場 效應晶體管20和22，因此斷開電路21。控制電路沈還監控充電源28上的電壓和電流，決 定何時才能安全打開金屬氧化物半導體場效應晶體管20和22。熟悉該領域的人員不難理解，智能保護電路21比較復雜，相對于一個常規電池組 的全部花費，它的實施費用亦過高。而且，金屬氧化物半導體場效應晶體管20、22上的串聯 電阻比較高，從而降低了充電源觀和電池M的效率。值得注意的是，電路斷開時，為了不 使電流向任一方向流動，金屬氧化物半導體場效應晶體管20、22都是需要的。S卩，體二極管23、25各自向不同方向偏置，提高了保護電路21的復雜性、價格和整體串聯電阻。同時，由 于金屬氧化物半導體場效應晶體管20、22面對突如其來的高電壓(或使用了不合適的高電 壓的充電器)會遭到損壞，電池M還需要二級保護，例如，每個電池串聯一個正溫度系數 (PTC)的可重置保險。由這些背景信息，具有正溫度系數電阻效應的器件是為人們所熟知的，可以是基 于諸如鈦酸鋇的陶瓷材料，或導電的聚合化合物。這種導電的聚合化合物含有一種聚合含 量，散布在化合物中形成一種特殊的導電填充物。低溫時，化合物的電阻較低，然而當化合 物處于高溫時，比如由大電流引起的歐姆熱，化合物的電阻升高，或者稱“轉換”，經常改變 幾個數量級。發生由低電阻轉換至高電阻的溫度稱為轉換溫度Ts。當器件冷卻回到轉換溫 度Ts以下，又會回到低電阻的狀態。因此，如果作為一種串聯的電流限流器，這種正溫度系 數器件就認為是“可重置的”，當加熱至它的轉換溫度Ts，它會“跳閘”到高電阻，因此減少 電路里的電流，并在冷卻到低于Ts時自動“重置”到低電阻，因而使電路中過載電流狀態解 除后恢復滿電流流量。在這個應用中，“PTC”這個詞用于表示一種化合物，R14值最少為2. 5，和/或RlOO 值最少為10，最好這個化合物的R30值應至少為6，這里R14值是在一個14°C的范圍的結束 和開始處電阻值的比率，RlOO值是在一個100°C的范圍的結束和開始處電阻值的比率，R30 值是在一個30°C的范圍結束和開始處電阻值的比率。一般，本專利技術的器件所使用的化合物 所顯示出的電阻升高要大大高于這些最小值。合適的導電聚合化合物公布在美國專利第4，237，441號(vanKonynenburg等)、 美國專利第4，545, 926號(Fouts等)、美國專利第4，724，417號(Au等)、美國專利第 4，774，024號(De印等)、美國專利第4，9；35，156號(van Konynenburg等)、美國專利第 5，049，850 號(Evans 等)、美國專利第 5，250，228 號(Baigrie 等)、美國專利第 5，378，407 號(Chandler等)、美國專利第5，451，919號(Chu等)、美國專利第5，582，770號(Chu等)、 美國專利第5，701，285號(Chandler等)、美國專利第5，747，147號(Wartenberg等)，以 及在共同未決的美國申請第08/798，887號(Toth等，于1997年2月10日提交)之中。這 些專利及申請所公布的內容將全部作為本申請的參考文獻。參見圖3A，短路器形式的保護電路31也是人們熟知的。尤其是，開關元件30與電 池M并聯，開關30的開與關由監控電池M之上的電壓和電流的控制電路36負責。在正 常操作中，開關30是打開的，但是，如果電池對上的電壓或電流超過了相應的閾值，控制電 路36關閉開關30，因而短路電池M的電路。圖:3B顯示了開關元件30閉合時經過開關的電流相對于電壓的曲線35。值得注意 的是，受特定的電源沖擊的特性和持續性的控制，電流會很快到達較高的水平。在這一過程 中，第一電流過載元件32可以放在開關元件30和充電元件觀之間，避免來自充電元件觀 的連續電流損壞開關元件30。類似地，第二電流過載元件34可以放在開關元件30和電池 24之間，用以保護電池M。但是電流過載元件32和34的總串聯電阻在電池路徑上是不希 望得到的。圖4A示出是另一種電壓過載保護鉗位電路41，尤其是，諸如齊納二極管的電壓鉗 位元件40用在開關元件30的位置，與電池M并聯。在電壓過載的狀態下，鉗位元件40可 限制在電池M上的電壓。圖4B示出是鉗位電路41中電流相對于電壓的曲線45。和短路器電路31相同，受 特定電壓沖擊的特性和持續性的控制，流經鉗位器40的電流會很快達到相當高的水平。同 樣，增加限流元件(圖4中未示出)可以保護鉗位器40和/或電池M免遭過大電流損害。 值得注意的是，鉗位元件40會有較高的漏電流，例如，對于齊納二極管，會造成電池M隨時 間很快放電。專利技術概述根據這里所述專利技術的一個方面，用于充電器和可充電元件的保護電路包括一個用 于與可充電元件并聯的第一極和第二極的旁路穩壓器，該旁路穩壓器具有一個閾值開啟電 壓。溫控電阻與旁路穩壓器熱學和電學地連接在一起，電阻的第一極與充電器串聯，第二極 與可充電元件串聯。在一個優選實施例中，電阻是一個本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一個用于充電器和可充電元件的保護電路，包括：一個與可充電元件兩端并聯的具有第一極和第二極的旁路穩壓器，該旁路穩壓器具有閾值開啟電壓；以及一個與旁路穩壓器熱學和電學連接的第一可變電阻，該第一可變電阻具有用于串聯連接充電器的第一極和用于串聯連接可充電元件的第二極，其中，該第一可變電阻在電壓過載或電流過載條件下，能在電流達到足以造成旁路穩壓器故障的水平以前限制流過旁路穩壓器的電流。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：布賴恩托馬斯，瓊馬克博菲斯，阿德里安科根，伯納德達勒曼，吉勒戈茲朗，欒紀源，尼爾桑頓，詹姆斯托特，
申請(專利權)人：泰科電子有限公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]