电池保护电路的制作方法

1.本公开内容涉及诸如锂电池的电池的领域，并且具体地涉及用于保护包括多个锂一次电池单元的电池的保护电路。


背景技术：

2.锂电池的使用由于优异的能量密度而增加。二次电池单元(即，可再充电的)锂电池在多种不同类型的电子装置例如智能电话、计算机甚至车辆中常见。
3.例如，当应防止用户处理电池时，一次电池单元锂电池越来越多地用于某些应用中，例如用于某些电子锁中。
4.然而，锂电池是敏感装置。如果锂电池的电池单元电压由于故障而低于临界电压，则电池单元可能会损坏并膨胀甚至爆炸，这可能会对设备、财产和人员造成损害。
5.当锂电池单元在特定时间段内未使用时，在电池单元的外表面上形成化学层。当在不活动时段之后再次供应电力时，该层导致电池单元的初始增加的内部电阻。在使用几秒之后，电流使该层消失，之后内部电阻下降至正常水平。当电池向负载供应电力时，增加的内部电阻导致电池的电压下降。这种电压下降是安全的，并且不应导致电池的任何断开。


技术实现要素：

6.一个目的是提供使锂电池单元保持安全但同时在不活动时段之后不会错误地断开锂电池单元的保护电路。
7.根据第一方面，提供了一种用于保护包括多个锂一次电池单元的电池的保护电路。保护电路包括：开关，其被配置成控制电池何时向负载供应电力；以及控制电路，其被配置成：在第一时间点处检测电池的至少一部分两端的电压何时下降至低于阈值电压；以及当电池的至少一部分两端的电压在从第一时间点开始的预配置的持续时间期间保持低于阈值电压时，断开开关，其中，开关的断开是不可逆的。
8.控制器可以被配置成：一旦从第一时间点开始经过了预配置的持续时间并且当电池的多个锂一次电池单元中的任何一个两端的电压低于阈值电压时，断开开关。
9.保护电路可以被连接成使得当多个锂一次电池单元串联连接时，控制电路可以分别检测多个锂一次电池单元中的每一个两端的电压。
10.预配置的持续时间可以在1秒与20秒之间。
11.保护电路还可以包括短路保护装置，该短路保护装置被配置成在发生短路时将电池与负载断开。
12.保护电路还可以包括加速度计，在这种情况下，控制电路被配置成当加速度计指示加速度大小大于阈值时断开开关。
13.根据第二方面，提供了一种电池装置，包括根据第一方面的保护电路和由该保护电路保护的多个锂一次电池单元。
14.锂一次电池单元可以串联连接。
15.根据第三方面，提供了一种用于保护包括多个锂一次电池单元的电池的方法，该方法包括以下步骤：在第一时间点处检测电池的至少一部分两端的电压何时下降至低于阈值电压；以及在从第一时间点开始的预配置的持续时间内避免断开开关；以及一旦从第一时间点开始经过了预配置的持续时间并且当电池的至少一部分两端的电压在从第一时间点开始的预配置的持续时间期间保持低于阈值电压时，断开开关，其中，开关的断开是不可逆的。
16.通常，除非本文另有明确定义，否则权利要求中使用的所有术语经根据其在技术领域中的普通含义来解释。除非另有明确说明，否则所有对“一个/一个/该元件、装置、部件、手段、步骤等”的引用应被公开解释为指代元件、装置、部件、手段、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文中公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序来执行。
附图说明
17.现在参照附图通过示例的方式描述各方面和实施方式，在附图中：
18.图1是示出本发明的一个实施方式的示意图；
19.图2是示出由图1的保护电路使用的时间与电压之间的关系的示意图；
20.图3是示出用于保护电池的方法的实施方式的流程图；以及
21.图4是图1的保护电路的控制电路4的一个实施方式的示意图。
具体实施方式
22.现在将在下文中参照附图更全面地描述本公开内容的各方面，在附图中示出了本发明的某些实施方式。然而，这些方面可以以许多不同的形式来实施并且不应被解释为限制性的；相反，这些实施方式通过示例的方式被提供，使得本公开内容将是透彻且完整的，并且以便将本发明的所有方面的范围充分传达给本领域技术人员。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。
23.根据本文中提出的实施方式，提供了用于保护包括多个锂一次电池单元的电池的保护电路。保护电路被配置成仅当电池的至少一部分上的电压在预配置的持续时间内低于阈值电压时才断开电池。在预配置的持续时间之后，如果电池的任何锂一次电池单元两端的电压低于阈值电压，则断开电池。以这种方式，保护电路是活动的，并且在预配置的持续时间之后监测电池单元电压，以便在由电压下降指示故障时准备断开。同时，保护电路不在预配置的持续时间期间执行电池的任何过早和不正确的断开，由此完全安全和正常的初始电压下降(由于在不活动时段之后增加的内部电阻导致的)不会导致保护电路过早断开电池。
24.图1是示出本发明的一个实施方式的示意图。电池5包括多个锂一次电池单元6a、6b。因此电池5是不可再充电的。锂一次电池单元6a、6b中的每一个可以是任何合适的类型，例如基于锂离子的技术或lisocl2、limno2、lifes2。虽然电池5在此示出为具有两个一次锂电池单元6a、6b，但是电池5可以包含任何合适数目的串联以实现期望电压以及并联以实现期望充电容量的一次锂电池单元。
25.电池5用于向负载7供应电力。负载7可以是可以由电池5供电的任何合适的电负载。
26.设置保护电路1以在检测到故障时通过将电池与负载断开来减少或消除电池5的负面影响。保护电路1包括开关2和控制电路4。开关2可由控制电路4控制，以断开从电池5到负载7的电力供应，从而控制电池5何时向负载7供应电力。开关2串联设置在电池5与负载7之间。
27.可以使用任何合适的技术来实现开关2，包括晶体管、机械开关等，只要其可由控制电路4控制以根据命令不可逆地断开(即，设置为阻断状态)即可。
28.当向负载供应电力时，如果锂一次电池单元的电压低于临界电压，则电池单元可能会损坏并膨胀甚至爆炸，这可能会对设备、财产和人员造成损害。这由保护电路1来防止，如下面参照图2更详细描述的。
29.保护电路1被连接成使得其分别检测锂一次电池单元6a、6b中的每一个的电压，即保护电路监测各个一次锂电池单元上的电压。以这种方式，更可靠地检测和解决锂一次电池单元6a、6b中的单个电池单元的故障。
30.电池5和连接至电池5并因此保护电池5的保护电路1统称为电池装置8。保护电路1可以焊接至电池5。在这种情况下，以使电池装置8成为一个整体部件的方式设置保护电路。
31.可选地，保护电路1还包括连接至控制电路的加速度计3。在这种情况下，控制电路4被配置成当加速度计3指示加速度大小大于阈值时断开开关2。此外，这种断开可以是不可逆的。以这种方式，如果电池装置8例如在运输期间掉落，则当电池装置8撞击地板时，这导致正加速度或负加速度(取决于加速度感测的方向)。然后，加速度的大小(即，当从负加速度中去除负号时)将很大，并且阈值可以被配置成使得这被检测到，从而导致控制装置4断开开关2。可选地，加速度计是三维加速度计，并且通过组合三个维度上的加速度的矢量来计算加速度的大小。因此，大小是所组合的矢量的长度。这防止由于掉落而引起的对电池装置8的任何损坏传播，或者导致二次损坏，如果电池装置8被连接以向负载7供电，则可能发生二次损坏。当由于加速而导致的断开也是不可逆的时，这防止用户重新连接潜在故障的电池。
32.保护电路1可以使用分立部件和/或一个或更多个集成电路例如基于专用集成电路(asic)来实现，或者使用处理器例如微控制器单元(mcu)、数字信号处理器(dsp)或其他合适的处理器等来实现。保护电路由锂一次电池单元供电。
33.可选地，保护电路1包括短路保护装置23，短路保护装置23被配置成在发生短路时将电池5与负载7断开。短路保护装置23可以是保险丝的形式。短路保护装置23可以设置在保护电路1中使电池5和负载7可以彼此断开的任何地方。短路保护装置23在断开之后可以是不可逆的，或者可以是可复位的。
34.图2是示出由图1的保护电路使用的时间与电压之间的关系的示意图。横轴表示时间，并且纵轴表示电压。
35.曲线表示随时间的推移单个锂一次电池单元(例如，图1的锂一次电池单元6a、6b中的任何一个)两端的电压12。
36.在初始时间点t0处，锂一次电池单元在不活动时段之后开始向负载供应电力。在第一时间点t1处，电压从标称电压16下降至低于阈值电压15，以达到第一电平14并且在那里保持一段时间。该第一电平14低于锂一次电池单元的标称电平16。标称电平16是当供应电力且锂一次电池单元处于正常操作状态时锂一次电池单元达到的电压。电压的较低第一
电平14的原因最初是当锂一次电池单元不使用时，在锂一次电池单元的外表面上形成化学层。当由锂一次电池单元在不活动时段之后再次供应电力时，该层导致锂一次电池单元的初始增加的内部电阻。当存在时，这种增加的内部电阻防止锂一次电池单元的电压达到其标称电平16。在使用几秒之后，通过该层的电流使该层至少部分地消失，之后内部电阻下降至正常水平，并且锂一次电池单元的电压12在时间t2处再次上升至高于阈值电压15，以达到其标称电平16。从时间t1到t2的时间段小于预配置的持续时间11。
37.在该示例中的时间t3处，发生不太可能但可能发生的电池单元故障事件并且电压12下降。当电压12下降至低于阈值电压15，并且这种情况维持的时间长于预配置的持续时间时，这种情况在此发生在时间t4处，保护电路作出反应并且断开其开关，将电池与负载断开以防止锂一次电池单元的膨胀和/或爆炸。出于安全原因，开关的断开被配置成不可逆的。如果电压恢复至正常电平，这将防止开关再次闭合，从而导致进一步损坏。
38.开关的断开不能以任何方式反转，无论是手动的还是电子的。由于受保护的电池是一次电池单元电池，因此通过更换电池装置(包括保护电路和受保护的电池)来解决这种情况，该过程对于一次电池单元电池是常见的，因为这些类型的电池无论如何最终会耗尽能量，此时它们需要被更换。因此，积极地确保了受保护的电池的安全性。这可以与开关的断开可复位的情况相比较，在这种情况下，故障电池可能被再次激活，这可能导致设备损坏甚至人身伤害。
39.因此，仅当电压12下降至低于阈值电压5的时间长于预配置的持续时间11时，开关2才断开。这允许保护电路仍然对低电压情况(例如，在时间段t3至t4时)作出反应，而不会在内部电阻最初临时增加时(例如，在时间段t1至t2时)错误地触发开关断开。
40.由于保护电路对电压下降作出反应以检测故障，因此当化学层导致锂一次电池单元的内部电压增加时，在预配置的时段11期间没有初始不活动时段的保护电路通常会对低电压作出反应。这将导致电池在开始向负载供应电力时已经变为不活动。
41.在本文中呈现的实施方式中，预配置的持续时间11被设置为使得其覆盖临时增加的内部电阻的所有正常持续时间。另一方面，由于在早期阶段有错过真正故障的风险，因此预配置的持续时间11不应过长。在一个实施方式中，预配置的持续时间11被设置在1秒与20秒之间。
42.图3是示出用于保护包括多个锂一次电池单元的电池的方法的实施方式的流程图。该方法在保护电路中执行。
43.在检测低电压步骤40中，保护电路在第一时间点处检测电池的至少一部分上的电压何时下降至低于阈值电压。例如，该步骤可以检测电池的锂一次电池单元上的电压何时下降至低于阈值电压。这可以包括检测电压的负侧，即电压从高于阈值电压的电压下降至低于阈值电压的电压。
44.在有条件的长时间的低电压步骤42中，保护电路确定在从第一时间点开始的至少预配置的持续时间期间电池的至少一部分(例如，锂一次电池单元之一)两端的电压何时低于阈值电压。如果是这种情况，则该方法进行至断开开关步骤44。否则，重复该步骤。
45.在断开开关步骤44中，保护电路断开开关。当开关断开时，整个电池即电池的所有电池单元与负载断开。
46.图4是图1的保护电路的控制电路4的一个实施方式的示意图。实际的实现方式可
能与图4不同；这些图的目的仅是说明性示例。
47.第一电压v1和第二电压v2被输入至控制电路4。第一电压v1是第一锂一次电池单元6a两端的电压，而第二电压v2是第二锂一次电池单元6b两端的电压。
48.第一电压v
l
被提供至第一电压检测器20a，而第二电压v2被提供至第二电压检测器20b。第一电压检测器20a和第二电压检测器20b中的每一个使得它们在输入电压小于阈值电压时输出有效信号。有效信号可以是低有效或高有效。无效信号与有效信号相反，即高无效表示低有效，或低无效表示高有效。
49.电压检测器的输出在或门21中组合，使得如果输入中的至少一个是有效的，则或门21的输出是有效的。
50.或门21的输出作为输入提供至定时电路22。定时电路22在其输出信号上提供输入信号，但是仅在从第一时间点t1开始的预配置的持续时间11之后。因此，在从第一时间点t1开始的预配置的持续时间11之后，对定时电路22的有效输入导致有效输出，并且对定时电路22的无效输入导致无效输出。在从第一时间点t1开始的预配置的持续时间11到期之前，定时电路22的输出总是无效的，而不管其输入是什么。
51.定时电路s0的输出控制开关2的状态，使得有效输出s0使开关断开，并且无效输出s0使开关闭合(即，设置为导通状态)，或者不改变其状态。因此，在该示例中，来自任何部件的有效输出是有助于断开开关的输出，而来自任何部件的无效输出是不会有助于断开开关或使开关闭合的输出。根据开关的输入要求，有效输出可以是高输出或低输出。如以上所提及的，在一个实施方式中，一旦开关已经断开，它就被锁定在该状态，即开关的断开是不可逆的。
52.现在在此以下是用罗马数字列举的实施方式的列表。
53.i.一种用于保护包括多个锂一次电池单元的电池的保护电路，所述保护电路包括：开关，所述开关被配置成控制所述电池何时向负载供应电力；以及控制电路，所述控制电路被配置成：在第一时间点处检测所述电池的至少一部分两端的电压何时下降至低于阈值电压；以及当所述电池的至少一部分两端的电压在从所述第一时间点开始的预配置的持续时间期间保持低于所述阈值电压时，断开所述开关。
54.ii.根据实施方式i所述的保护电路，其中，所述控制器被配置成：一旦从所述第一时间点开始经过了所述预配置的持续时间并且当所述电池的多个锂一次电池单元中的任何一个两端的电压低于阈值电压时，断开所述开关。
55.iii.根据实施方式ii所述的保护电路，其中，保护电路被连接成使得当所述多个锂一次电池单元串联连接时，所述控制电路能够分别检测所述多个锂一次电池单元中的每一个两端的电压。
56.iv.根据前述实施方式中任一项所述的保护电路，其中，所述预配置的持续时间在1秒与20秒之间。
57.v.根据前述实施方式中任一项所述的保护电路，还包括短路保护装置，所述短路保护装置被配置成在发生短路时将所述电池与所述负载断开。
58.vi.一种电池装置，包括根据前述实施方式中任一项所述的保护电路和由所述保护电路保护的多个锂一次电池单元。
59.vii.根据实施方式vi所述的电池装置，其中，所述锂一次电池单元串联连接。
60.viii.一种用于保护包括多个锂一次电池单元的电池的方法，所述方法包括以下步骤：在第一时间点处检测所述电池的至少一部分两端的电压何时下降至低于阈值电压；以及当所述电池的至少一部分两端的电压在从所述第一时间点开始的预配置的持续时间期间保持低于所述阈值电压时，断开所述开关。
61.以上主要参照几个实施方式描述了本公开内容的各方面。然而，如本领域技术人员容易理解的，在如由所附专利权利要求限定的本发明的范围内，除了以上公开的实施方式之外的其他实施方式同样是可能的。因此，虽然在本文中已经公开了各个方面和实施方式，但是其他方面和实施方式对于本领域技术人员而言将是明显的。本文中公开的各个方面和实施方式是出于说明的目的而不旨在限制，其中真实范围和精神由所附权利要求指示。