CN100401564C - 具有智能管理内核的电池 - Google Patents

Abstract

本发明为具有智能管理内核的电池，涉及利用智能手段提高电性能的领域，现有电池产品放电电压随时间的增长而降低，影响了电池的有效容量和使用效果，同时对于防污染而回收的多种不同电池不易识别分类处理。为了解决这些问题，采用了在电池内部安装具有自动调整放电曲线和身份识别软件的智能管理控制板，智能管理控制板通过滤波器的电感线圈与电池正极连接，在控制板的另一面通过一金属导体与电池芯体连接，本发明具有有效放电电压恒定，有效容量大，识别能力强，结构简单，使用方便的特点。

Description

具有智能管理内核的电池

技术领域

本发明涉及利用智能手段提高电性能的电池领域，特别是智能系统装于电池内部的电池。

技术背景

随着便携式电子产品的不断增加，对电池的需求量也不断增加，市场上出现了具有不同特性不同用途的多种电池。如普通锌锰类电池放电电压波动大，容量小，因含有汞、镉等成分会对环境造成污染，但具有价格低的优点；镍镉电池属于能充电的二次电池，能大电流放电，价格较低，但也存在放电电压低，容量低，会污染环境，易损坏等问题；镍氢电池也属于二次电池，容量较大，不污染环境，但也存在放电电压低，自放电大，价格较高的问题；锂离子电池放电电压高，容量大，自放电小，可制成质量较小的电池，对环境无污染，但对充放电电压要求高，不能应用于普通电器，价格也很高。大部分-次电池都存在有效容量低的问题，绝大多数便携式用电器对电池单体电压的要求在1.2-1.8V之间，在1.5V时达到最佳工作状态，电压过高会造成用电器永久性的损坏，电压过低，会明显降低用电器的性能。目前市场上还没有任何一种电池能够从放电开始到放电终止都保持放电电压是1.5V，普通电池的电压都是从1.6V左右开始放电，随着放电时间的增加而降低，最终因为放电电压太低而被认为放电结束，但此时电池内部仍有部分电量未放出，造成电源浪费。目前，虽有些创造发明提出了改进的方案，但大多是在电池外部增加了一些元器件，使得结构复杂，使用不方便，仅限于固定设备的内部使用。另外还存在着一个废电池污染环境的问题，虽然广大公众对回收废电池的倡议反响强烈，但执行起来仍很困难，如何从经济上刺激公众的积极性？如何将回收来的不同类电池进行身份识别以便处理？如何将它们修复、充电或拆解重制，达到再利用的目的，并再进入市场销售？只有解决了这些问题才能妥善处理废电池对环境的污染。所以要制造出具有环境友好性的电池，必须解决以上两个问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单，使用方便，具有自动调节放电曲线，提高有效容量和具有身份信息，能被识别的智能管理内核电池。

本发明的目的是由具有智能管理内核电池的技术方案实现的。具有智能管理内核的电池，有电池芯体，在电池芯体外包有作为电池负极的金属壳体，在电池的一端装有作为电池正极的电池盖，在靠近正极和负极处，有绝缘环将其隔离，在电池壳体内装有自动调整放电曲线和身份识别软件的智能管理控制板，在正极内装有滤波器的电感线圈，智能管理控制板一端通过滤波器的电感线圈与电池正极连接，另一端通过一金属导体与电池芯体连接。

在智能控制板上具有微处理器，还有受微处理器控制的输出驱动模块，输出驱动模块与电池芯体单向连接，输出驱动模块还经滤波器、输出模块单向连接，输出模块与通讯接口双向连接，微处理器还与具有调整放电曲线和身份识别软件的程序存储器单向连接，微处理器还分别与通讯接口和非易失性数据存储器双向连接。

控制板采用多层板制作，所有元器件都采用微型贴片封装。

在智能管理控制电路中包含有微处理器、通讯接口、A/D转换、驱动器、滤波器、程序存储器和非易失性数据存储器。微处理器通过脉宽调制的方式控制输出驱动，输出驱动输出的调制电压经滤波器滤波后输出平稳的直流电压。输出的直流电压又经通讯接口向微处理器输入反馈电压，反馈电压经内部A/D转换后与预设的电压进行比较，当反馈电压大于预设电压时，微处理器减小输出脉冲的占空比；当反馈电压小于预设电压时，微处理器增大输出脉冲的占空比。由此来使输出电压保持稳定，提高电池的有效容量，使电池得到充分的利用。为了使上述电池具有再利用的条件，必须将上述电池与其它回收来的不同类电池进行分离，采用了专用检测设备对上述控制电路进行程序识别，如果具有与检测设备发生通讯的功能的，通过预定的通讯协议和身份识别程序，检测设备就能确认其为本发明具有智能管理内核的电池，如不具备与检测设备发生通讯功能的，则该电池为其它类电池，将其排除。

身份识别时的通讯协议：本发明电池的通讯属于半双工方式，采用单总线协议。总线协议保证了数据的可靠传输，任一时刻单总线上只有一个控制信号或数据。特殊的通讯协议保证了本发明电池通讯的高度保密性。本发明电池的通讯只能从接收开始，被允许发送数据时，才能进入发送状态。数据的传输可分为以下三个操作过程：初始化、传送控制命令和数据交换，控制命令由特定的代码组成。

本发明具有下列特点：

一、有效容量大

在能够让用电器正常工作的电压区间内所放出的电量称为有效容量。绝大多数用电器的正常工作电压区间在1.2-1.8V范围内，在1.5V时达到最佳工作状态，电压过高会造成用电器永久性的损坏，电压过低虽不会损坏用电器，但会明显降低用电器的性能。目前市场上还没有任何一种电池能够从放电开始到放电终止都保持放电电压是1.5V，电池电压从开始放电的1.6V左右，随着放电时间的增加而降低，最终因为电池电压太低而被认为放电结束，但此时电池内部仍有部分电量未放出，造成能源浪费。本发明电池能够以稳定的1.5V的放电电压放电，直至放完电池98％的电量为止，不存在电能浪费；本发明电池如采用体积比能量和质量比能量都很大的聚合锂离子电池芯体，有效容量能达到1600mA/h，因此，本发明电池具有有效容量大的特点。

二、放电曲线为平曲线，放电电压恒定为1.5V

由于本发明电池拥有内置的自动电压调节功能，可通过调节脉冲的占空比来改变输出压，因此，在正常工作区间内可以获得平直的放电曲线，并保证放电电压为1.5V。

三、放电电压具有可调节性

本发明电池内置完善的自动化控制系统，在硬件确定后，可通过软件来调节放电电压和放电曲线，因此，可以根据不同的使用要求和使用环境来自定义放电电压，满足各种放电电压需求。

四、具有极强的防伪功能

本发明电池通过内置的特殊通讯协议和双向程序加密的方法来确保电池的安全性，这种防伪方式完全不同于一般电池采用的外部防伪方式，使伪造几乎不可能，因此，具有极强的防伪特性。

五、结构简单，使用方便

本发明电池用高性能的微处理器为核心，建立了一个集输出控制、特性调节、短路保护、加密防伪、使用资料采集、资料储存于一体的电池控制系统，安装于电池内部，结构紧凑，并能够与外部的电池网络进行准确的对接。

六、本发明电池具有特定的通讯功能，便于识别分类，为后续的回收和无污染处理提供了有利条件。

附图说明

图1  为本发明具有智能管理内核的电池的结构示意图

图2  为电路原理方框图

图3  为总电路图

图4  为通讯接口部分的电路图

图5  单总线时序信号波形图

图6  为A/D转换器部分的电路图

图7  为谐振滤波器部分的电路图

图8  为输出驱动器IRF7301内部结构图

图9  为微处理器P89LPC901管角配置图

图10  为微处理器P89LPC901内部结构图

图11  为电池放电状态控制流程图

图12  为电池检测程序流程图

图13  为电池保护状态程序流程图

图14  为电池通讯状态程序流程图

图15  为装有本发明技术的聚合锂离子电池与未装本发明技术的聚合锂离子电池的放电曲线比较图

具体实施方式

本发明电池硬件结构

本发明以聚合锂离子电池为例对发明内容做进一步阐明。图1显示了本发明的机械结构，中间为电池芯体3，在芯体外面包有作为负极的外壳2，在芯体的上面装有智能管理控制板1，在控制板上面装有作为正极的电池盖4，在外壳2和电池盖4之间被绝缘环6隔离，在电池盖内装有滤波器电感线圈5，控制板通过电感线圈抽头7与电池盖连接，控制板通过导电金属片8与电池芯体连接。

图2和图3显示了电路由微处理器、通讯接口、A/D转换、输出驱动器和滤波器组成及其连接方式。

微处理器采用P89LPC901，驱动器采用IRF7301芯片。通讯接口由发送接口和接收接口组成，图4显示了接收接口由稳压二极管、下拉电阻和微处理器中的施密特触发器构成。在非通讯状态下电池正极电位(A点)为1.5V，稳压二极管的稳压值为4.5V，此时稳压二极管截止，微处理器P1.5输入接口电位(B点)被下拉电阻下拉为0V；在通讯状态下，A点接收峰值为5V的通讯脉冲。当A点出现5V电压时，稳压二极管被击穿，B点出现高电位；A点为0V时，稳压二极管截止，B点保持低电平。B点连于微处理器的I/O口P1.5，P1.5内设施密特触发器，对B点的通讯脉冲进行整形。发送口由输出驱动器单独承担。当需要发送数据时，外部设备将总线电平拉高，微处理器通过控制输出驱动来改变总线电平，发送通讯数据。本发明的电池通讯网络属于半双工通讯方式，采用特殊的单总线协议。

单总线上所有的处理都从初始化开始。初始化时序是由一个复位脉冲(总线命令者发出)和一个应答脉冲(总线接收者发出)组成。单总线传输的数据或命令是由一系列的调制序列组成，单总线上共有三种时序信号：①初始化信号；②写0信号；③写1信号。图5给出了这三种信号的的时序示意图。控制命令由特定的代码组成，用于主动接收、主动发送、被动接收、被动发送、写操作、读操作、特定信息传送、通讯结束等状态的控制。

A/D转换器如图6所示。由U1中内置的精密模拟比较器和储能电容C1、充电电阻R2组成。此电路是应用双斜率原理来实现把采集到的模拟信号到数字信号的转换，将对电压的测量转化为对时间的测量，再通过软件和U1内部的定时器来实现对时间的精确测量。

启动A/D转换器后，U1的P3.0管角电压由低转高时，比较器负向输入端C点电压随时间的增长而增大，当C点电压达到模拟输入电压Vin时，比较器翻转，C点电压从0V到达比较器翻转点电压所需的时间和从电源电压到达翻转点电压的时间进行计数，再取两次计数的平均值作为计数结果，用于补偿由于元件特性的不同而造成的影响，提高了记数精度。

测量过程如下：

确定输入电压Vin模拟值的数字表示

使用内部参考电压校准，

1、设置U1的P0.4口暂时为逻辑“0”，使电容C1快速放电；

2、比较器的反向输入端P0.5切换到内部参考电压Vref上；

3、R2的I/O口P3.0切换到逻辑“1”，通过R2对C1充电，同时U1中的定时器1开始以16位模式计数，直到C1上的电压到达参考电压为止；

4、C1进行放电，定时器复位；

测量模拟输入电压

5、测量输入电压的流程类似于校准过程，只是将未知的模拟输入电压Ain连接到模拟比较器的输入端；

6、启动测量，U1的I/O口P3.0切换到逻辑“1”，通过R2对C1充电，当C1上的电压等于输入电压时，停止定时器；

7、利用下降沿再测一次。

计算结果定时器的值与模拟输入电压之间的关系如下

VAin＝Vc₁＝VDD*(1-e^-t/RC)(上升沿)

VAin＝VC₁＝VDD*e^-t/RC(下降沿)

取上升沿和下降沿两次的平均值为最后结果。

滤波器选用∏型滤波器，加入谐振电容进行改进，由谐振电容C3、和滤波电容C2，C4及电感L组成，用于减小输出电压的纹波，如图7所示。滤波器在工作时，它的输入频率是固定的，因此采用改进型的∏型滤波器，图7中的C3和L组成并联谐振电路，谐振于主纹波频率点。这种滤波器不但能够降低电源损耗，提高效率，而且还可以缩小滤波器的体积。

驱动器采用了IRF7301芯片。该芯片用作输出电压的控制和端口保护控制

表一IRF7301参数表

	Parameter	Min	Max	Units
					ID@TA＝25℃	VGS@4.5V	------	5.2	A
VGS		0.7	12	V
					VDS		------	20	V
RDS	VGS＝4.5V，ID＝2.6A	------	0.05	Ω
					dv/dt		------	5.0	V/nS
IDiode		------	2.5	A
					TJ，TSTG		-55	+150	℃
IDSS	VDS＝16V，VGS＝0V	------	1.0	uA
					IGS	VGS＝12V	------	100	nA

及通讯驱动。IRF7301的内部结构如图8所示。SO8的封装减小了控制板的体积，低导通内阻和低触发电压提高了转换效率。各项参数如表一所示。

微处理器采用P89LPC901，它的指令执行速度是标准80C51的6倍，能够使本发明电池的控制更具实时性，输出电压更加平稳。89LPC901使用SO8封装，有利于减小控制板的体积。P89LPC901的操作电压为2.4V-3.6V，I/O口可承受5V电压，内含1K Flash程序存储器，具有256字节可檫除扇区、16字节可檫除页规格和字节檫除，字节檫除允许程序存储器用于存储数据，128字节RAM数据存储器，Flash保密位可防止程序被读出，2个定时器/计数器，并可作为PWM输出，内置模拟比较器和参考电源，有片内上电复位功能，低电压复位(掉电检测)可在电源电压降低时产生一个中断，可通过编程Flash配置位来选择片内振荡器的频率范围，选择片内振荡器时不需要外接振荡器件，I/O口输出模式可编程为准双向口、开漏输出、推挽输出和仅为输入四种模式，各端口均配置施密特触发器，空闲和掉电两种不同的掉电节电模式，可低电平键盘中断输入唤醒，典型的掉电电流为1uA。管脚配置如图9所示。微处理器P89LPC901的内部结构如图10所示。

在电路中，各脚功能设置如下：1、正电源；2、普通I/O口；3、推挽式I/O口，用作A/D转换器；4、通讯输入；5、推挽式I/O口，用作输出PWM脉冲；6、A/D转换器输入，输出电压反馈；7、模拟比较器正向输入，参与A/D转换；8、接地。

系统时钟选择片内RC振荡器，为降低功耗，时钟频率根据输出电流的大小由软件实时调节。

1KB的Flash代码存储空间的0扇区、1扇区和2扇区完全用于存储程序代码，并加密，扇区3部分用于本发明电池资料的存储。非易失性数据存储器信息包的形式存储于03EE-03FF空间中。信息包包含有如下的内容：

流通时间        记录本发明电池最后一次从生产完毕到使用完毕所用的总时间

保护次数        本发明电池因特殊情况而自动保护的总次数

循环次数        本发明电池循环利用的次数

放电容量        本发明电池最后一次放电的容量值

首发地          本发明电池进入流通领域的城市代号

硬件类型        本发明电池所用的硬件电路的代号

软件类型        本发明电池所用的软件系统软件的代号

生产厂商代号    生产本发明电池的厂商代号

生产日期        生产本发明电池的时间

保留            附加功能保留位

校验和          为信息包提供错误校验功能

本发明电池ID号   唯一确定本发明电池身份的序列号

128字节的数据存储器空间用于存储临时性数据。各特殊功能寄存器根据电路状态的不同而设定。

本发明电池软件结构

本发明电池软件系统完成自动化管理和自动化控制的任务。软件对应本发明电池的五种状态，分别为放电状态、检测状态、处理状态、保护状态和通讯状态。软件能够自动检测本发明电池所处的状态，并能够根据需要在各种状态中自由转换。

放电状态

放电状态的主要参数有输出电流(Iout)、输出电压(Vout)、输出额定电压(Vo)、电池芯体电压(Vin)、放电容量(Cout)。在本发明电池控制电路中，输出电流由脉宽调制来控制，输出电流随脉冲宽度增加而增大，因此通过脉冲宽度值可得到输出电流值。输出端电压由A/D转换器直接测出。电池芯体电压由U1内部的掉电检测器来完成，当电池芯体电压下降到2.7V时，产生一个中断。放电容量通过输出电压和放电时间的积分来确定。为降低控制电路的整体功耗，根据输出电流的值采用几种不同的调制频率。

当本发明电池处于放电状态时，控制电路首先用较低的调制频率输出，同时检测输出电压，当输出电压不在额定电压范围之内时，调整U1定时器/计数器THO的值来改变脉冲宽度，通过U1第5脚输出，调制脉冲使输出电压保持在额定电压范围内。当本发明电池没有外接负载或负载电流小于1mA时，内部控制电路进入掉电状态。在整个放电过程中，系统定时器进行计时，测算放电容量。经过U1内部调制的脉冲由第5脚控制U2的导通和截止，U2第3脚的输出脉冲通过C3、C4、C5和L1组成的滤波器滤波后输出平稳的直流电压。软件流程如图11所示。

检测状态

当本发明电池处于检测状态时，首先检测器与本发明电池建立正常的通讯连接，当确认通讯连接正确后，双方开始以等长的数据帧进行数据包的交换，最后通过识别数据内容进行身份识别和状态检测。

进入检测状态后，检测器先向本发明电池控制系统发送一随机数AB；本发明电池控制系统正确接收AB后，将AB作为加密运算的参数进行加密运算后输出CD，把CD和另一随机数EF一起发送给检测器；检测器正确收到后，先确认CD的值是否正确，再将随机数EF作为加密运算的参数进行加密运算后输出GH，把GH发送给本发明电池控制系统，经本发明电池控制系统确认后。双方便可进行内部数据交换，若以上身份识别过程中有一处出错，识别程序将重新开始，若三次识别均失败，则确认为非本发明电池。软件流程如图12所示。处理状态

当本发明电池被装入本发明电池处理设备中时，首先本发明电池处理设备与本发明电池建立通迅连接，通讯成功后，进行内部资料分析处理，最后本发明电池将控制权交给处理设备，按照处理设备中的程序对本发明电池进行处理。保护状态

当本发明电池输出端短路、外置高电压或电池芯体电压下降到最低值时，本发明电池进入保护状态。输出发生短路时，U1第5脚输出脉冲的占空比会超过限定的最大值，系统检测到后，立刻强制U1第5脚电压为0，切断输出，外部短路解除后，自动恢复正常放电状态；当本发明电池被外置高电压时，外部高压使D1导通，U1的第4脚持续高电平，当检测到这个电平时，本发明电池控制系统立刻拉低U1的第5脚电平，切断输出，并拉高U1的第2脚电平，使输出端对地，保护本发明电池控制系统电路，外部高电压消失后，保护自动撤除；当本发明电池内部的聚合锂离子电池芯体的电压下降到2.7V时，产生内部中断，本发明电池控制系统执行终止放电程序，先拉低U1的第5脚电平，切断输出，然后保存内部时间等数据，最后进入完全掉电状态，进入此状态后，本发明电池无法自动恢复。本发明电池保护状态程序流程如图13所示。

通讯状态

当本发明电池需要与外围设备进行通讯时，本发明电池控制系统先检测初始化信号，然后根据单总线协议进行译码，最后再由控制系统对译码后的数据进行处理。本发明电池通讯状态程序流程如图14所示。

图15显示了装有本发明技术的聚合锂离子电池的放电曲线A和未装有本发明技术的聚合锂离子电池的放电曲线B的比较，曲线B初始放电电压为4.2V，终止放电电压为2.5V，在200mA恒流的条件下共放电3小时多。装有本发明技术后，放电曲线为B所示，初始放电电压和终止放电电压都能维持在1.5V，这样适应了大多数用电器的要求，并使用电器工作于最佳状态，在200mA恒流的条件下共放电7小时多，大大改善了电池的放电性能，扩大了电池的应用范围。

对于电池身份识别的检测试验表明，对200只装有本发明的电池进行检测，这些电池通过预定的通讯协议和身份识别程序，都具有与检测设备发生通讯的功能，都能准确的被识别。为了试验使用时外部出现高压对本发明电池内部系统的影响，同样在200只电池上分别在外部施加12V的高压，2秒后撤去，然后再对每只电池进行检测，并读取其内部信息，结果200只电池全部通过考验，保护次数存储区值都被加1。说明本发明电池具有较高的可靠性，能承受外部高压的冲击和静电的冲击。

另外本发明技术只要在硬件电路上稍做改动，就能改善各种类型电池的放电曲线。在软件上稍加调整，就能对特殊的高性能电池的放电环境进行严格控制，确保其安全性和使用性能。如聚合锂离子电池对使用环境要求非常高，电池端电压的控制要求非常精确，最大误差的应限制在25mV以内，高于标准值4.2V，将会缩短电池寿命，低于标准值2.5V，可能会造成电池永久性的损坏。如采用了本发明技术后，电池内部的微处理器能够对电池进行全方位的维护，电池回收后采用专用的处理设备对电池进行恢复，因此能从根本上克服这些致命的缺点。

Claims (2)

1.具有智能管理内核的电池，有电池芯体，在电池芯体外包有作为电池负极的金属壳体，在电池的一端装有作为电池正极的电池盖，在靠近正极和负极处有绝缘环将其隔离，其特征为在电池壳体内装有自动调整放电曲线和身份识别软件的智能管理控制板，在正极内装有滤波器的电感线圈，智能管理控制板的一端通过滤波器的电感线圈与电池正极连接，控制板的另一端通过一金属导体与电池芯体连接，所述智能管理控制板上具有微处理器，还有受微处理器控制的输出驱动模块，输出驱动模块与电池芯体单向连接，输出驱动模块单向连接滤波器、输出模块，输出模块与通讯接口双向连接，微处理器与具有自动调整放电曲线和身份识别软件的程序存储器单向连接，微处理器分别与通讯接口和非易失性数据存储器双向连接。

2.根据权利要求1所述的具有智能管理内核的电池，其特征为控制板采用多层板，控制板上所有元器件都采用微型贴片封装。

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