CN101022180B - 电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明以提供一种可以具有电池余量的检测功能，且小型化的电池组为目的。本发明的电池组具有：电池(101)；检测电池的充放电电流，并输出与充放电电流相应的模拟信号的电流检测部件(133)；对模拟信号进行脉冲密度调制并输出脉冲密度调制信号的调制部件(122)；存储了将脉冲密度调制信号变换成脉冲码调制数据的变换程序(147)、和对脉冲码调制数据进行累计而算出电池余量的余量计算程序(148)的存储器(124)；以及从调制部件(122)被供给脉冲密度调制信号，并基于存储器(124)中所存储的变换程序将脉冲密度调制信号变换成作为数字信号的脉冲码调制数据，基于存储器(124)中所存储的余量计算程序对脉冲码调制数据进行累计而算出电池余量的CPU(123)。

Description

电池组
技术领域
本发明涉及电池组，特别是涉及对电池余量进行测定的电池组。
背景技术
近年来，锂离子电池被搭载于数码相机等便携式设备中。一般认为锂离子电池根据其电池电压来检测电池余量较难。为此，通过对电池的充放电电流进行累计，来测定电池余量的方法就得以采用(参照专利文献1)。
这时，由于即便锂离子电池从便携式设备拆下时也要耗费电流，所以对电池的充放电电流进行累计来测定电池余量的电池余量检测电路就需要与锂离子电池及调节器/保护电路等一起收容在壳体中，作为电池组来提供。
电池余量检测电路采用将电流值等模拟信号变换成多位的数字值、即PCM(脉冲码调制)数据，并对此PCM数据进行累计的构成。因此，就必须将检测出的电池的充放电电流变换成PCM数据的模拟-数字变换器。(参照专利文献2、3)。
【专利文献1】特开2001-174534号公报
【专利文献2】特开2001-102925号公报
【专利文献3】特开2003-204267号公报
伴随便携式设备的小型化就要求电池组小型化。然而，由于模拟-数字变换器其电路规模大，所以就有将电池余量检测电路搭载于小型电池组上较为困难之类的问题。
发明内容
本发明就是鉴于上述问题点而完成的，其目的为提供一种可以具备电池余量的检测功能，且小型化的电池组。
根据本发明一实施方式的电池组，具有：
电池(101)；
检测上述电池(101)的充放电电流，并输出与上述充放电电流相应的模拟信号的电流检测部件(133)；
对上述模拟信号进行脉冲密度调制并输出脉冲密度调制信号的调制部件(122)；
存储了将上述脉冲密度调制信号变换成脉冲码调制数据的变换程序(147)、和对上述脉冲码调制数据进行累计而算出电池余量的余量计算程序(148)的存储器(124)；以及
从上述调制部件(122)被供给上述脉冲密度调制信号，并基于上述存储器(124)中所存储的上述变换程序(147)将上述脉冲密度调制信号变换成作为数字信号的脉冲码调制数据，基于上述存储器(124)中所存储的余量计算程序(148)对上述脉冲码调制数据进行累计而算出电池余量的CPU(123)，由此就可以具备电池余量的检测功能，且小型化。
在上述电池组中，能够采用以下构成：
上述CPU(123)间歇地启动上述变换程序，从上述调制部件取入上述脉冲密度调制信号并变换成上述脉冲码调制数据。
在上述电池组中，能够采用以下构成：
具有检测上述电池的电压的电压检测部件(131)；
检测温度的温度检测部件(132)；和
选择由上述电流检测部件(133)、上述电压检测部件(131)、上述温度检测部件(132)中的任意一个输出的模拟信号并提供给上述调制部件(122)的选择部件(134)，
上述余量计算程序(148)在对上述充放电电流的脉冲码调制数据进行累计时，利用上述电压的脉冲码调制数据和上述温度的脉冲码调制数据来进行电池余量的校正。
在上述电池组中，能够采用以下构成：
上述调制部件(122)是σ·δ调制器。
在上述电池组中，能够采用以下构成：
上述电流检测部件(133)、上述调制部件(122)、上述存储器(124)和上述CPU(123)被搭载于同一半导体集成电路装置(111)中。
此外，上述括弧内的参照标记是为了使理解容易而附加的，只不过是一个例子，并不是限定于图示的方式。
根据本发明，就可以具备电池余量的检测功能，且小型化。
附图说明
图1是本发明的电池组的一实施方式的斜视图。
图2是本发明的电池组的一实施方式的分解斜视图。
图3是电路基板的斜视图。
图4是燃料表IC的块构成图。
图5是σ·δ调制器的块构成图。
图6是存储器的数据构成图。
图7是CPU的处理流程图。
图8是硬件构成的间除滤波器的一实施方式的块构成图。
图9是数字滤波处理的详细流程图。
图10是本发明的一实施方式的动作说明图。
图11是本发明的电池组的其他实施方式的框图。
图12是使用了图11的电池组的便携式电子设备的一实施方式的框图。
具体实施方式
图1表示本发明的电池组的一实施方式的斜视图，图2表示本发明的电池组的一实施方式的分解斜视图。
在图1、图2中，本实施方式的电池组100采用将电池101及电路基板102收纳在壳体103中的构成。电池101是锂离子电池，通过连接端子104与电路基板102连接起来。
图3表示电路基板102的斜视图。同一图中，电路基板102采用将燃料表IC(fuel gauge IC)111、调节器/保护电路112、晶体管113、电流检测用电阻Rs搭载在两层或者多层的印制电路布线板114上的构成。
燃料表IC111通过对电池101的充放电电流进行累计来检测电池101的余量。用燃料表IC111检测出的余量被输出到外部。
调节器/保护电路112通过对电池101的电压、以及流入端子T-的电流进行检测来检测电池101的过充电、过放电、过电流、短路等，并通过控制晶体管113，将端子T-从负荷切断，由此来保护电池101及端子T+和端子T-上所连接的负荷，同时使从电池101获得的电源稳定并提供给作为电池余量检测电路的燃料表IC111。
图4表示燃料表IC111的块构成图。
燃料表IC111例如是1芯片的半导体集成电路，采用包括检测部121、σ·δ调制器122、CPU123、存储器124、通信电路126的构成，是通过对电池101的充放电电流进行累计来计算电池101的余量的电路。此外，电池101例如由锂离子电池所构成。
构成燃料表IC111的检测部121采用包括电压检测部131、温度检测部132、电流检测部133、多路转接器(multiplexer)134的构成。
电压检测部131被连接到电池101的两端，检测电池101的电压。用电压检测部131检测出的检测信号被供给到多路转接器134。温度检测部132检测周围温度，生成并输出与周围温度相应的检测信号。温度检测部132的检测信号被供给到多路转接器134。
电流检测部133例如由差动放大器所构成，被连接到在电池101与端子T-之间所连接的电流检测电阻Rs的两端，检测依照电流检测电阻Rs上流经的电流而在电流检测电阻Rs上发生的电压，并输出与电池101的充放电电流相应的检测信号。
此外，这时，检测信号例如在电池101上没有流过充放电电流时成为基准电压V0，在流过充电电流时成为超过基准电压V0的值，在流过放电电流时成为不足基准电压V0的值而被输出。电流检测部133的检测信号被提供给多路转接器134。
多路转接器134基于来自CPU123的控制信号来选择电压检测部131的检测信号、温度检测部132的检测信号、电流检测部133的检测信号中的某一个，并提供给σ·δ调制器122。
σ·δ调制器122对来自多路转接器134的模拟信号进行PDM(脉冲密度调制)、也就是1位数字调制并提供给CPU123。
CPU123执行存储器124中所存储的数字滤波处理程序并将PDM信号变换成多位的数字值、也就是PCM(脉冲码调制)数据。进而，执行余量计算程序处理以计算出电池101的余量。此外，在本说明书中所说的CPU中包含微处理器等处理器。通信电路116将CPU123计算出的电池余量对外部电路进行发送。
<σ·δ调制器的构成>
图5表示σ·δ调制器122的块构成图。同一图中，σ·δ调制器122由减法器141、积分器142、比较器143、迟延电路144、1位D/A变换器145所构成。
减法器141从在输入端子Tin自多路转接器134供给的模拟信号中减去1位D/A变换器145的输出而得到差分。减法器141输出的差分信号被供给到积分器142。
积分器142对自减法器141供给的差分信号进行积分。积分器142输出的积分信号被供给到比较器143。
比较器143对自积分器142供给的积分信号和在内部所设定的基准电压V0进行比较，例如，如果积分信号比基准电压大就输出成为高电平的信号，如果被积分的模拟信号比基准电压小，就输出成为低电平的信号。
比较器143的输出信号从输出端子Tout被输出，同时被供给到迟延电路144。迟延电路144使比较器143的输出信号延迟1采样期间并输出。
用迟延电路144经过迟延后的信号被供给到1位D/A变换器145。1位D/A变换器145对来自迟延电路144的信号进行1位D/A变换并提供给减法器141。
从σ·δ调制器122的输出端子Tout输出对来自多路转接器134的模拟信号进行了PDM(脉冲密度调制)、也就是1位数字调制的信号。
从该σ·δ调制器122的输出端子Tout输出的PDM信号被供给到CPU123。CPU123基于存储器124中所存储的程序来执行处理。
<存储器的数据构成>
存储器124由2K字节左右的比较小的存储容量的ROM和RAM等存储介质所构成，在ROM中存储着用CPU123执行的程序。在存储器124内的ROM中，如图6的数据构成图所示，存储着数字滤波处理程序147及余量计算程序148。RAM被用于CPU123进行执行时的作业区域等。
数字滤波处理程序147例如是对来自σ·δ调制器122的PDM信号进行数字滤波处理，进行将σ·δ调制器122输出的PDM信号变换成多位的数字值、也就是PCM数据的处理的程序，例如是执行间除滤波处理的程序。
间除滤波处理由CIC(Cascaded Integrated Combinatorial)滤波处理和FIR(Finite Impulse Response)滤波处理所构成。此外，也可以取代FIR滤波处理而使用IIR(Infinite Impulse Response)滤波处理。
余量计算程序148通过对用数字滤波处理程序147所变换后的PCM数据进行累计，来进行计算电池101的余量的处理，并将计算出的余量存储在存储器124中。
<CPU的处理>
其次，就CPU123中的处理进行说明。图7表示CPU123的处理的流程图。CPU123为了降低电力消耗而借助于内置的中断计时器间歇地执行处理。
若在步骤S1-1中有计时器中断，CPU123就在步骤S1-2中从σ·δ调制器122取入PDM信号。此外，CPU123例如按相当于PDM信号的8位串的规定期间(例如，1msec左右)发生计时器中断。
接着，CPU123对在步骤S1-2中从σ·δ调制器122取入的PDM信号执行与数字滤波处理程序147相应的处理。由此，从σ·δ调制器122取入的PDM信号被变换成多位的数字值、也就是PCM数据。
此外，这时，CPU123控制多路转接器134，将基于来自电压检测部131、温度检测部132、电流检测部133的模拟检测信号的PDM信号顺次取入，并通过数字滤波处理程序147顺次变换成PCM数据，存储在存储器124中。
接着，CPU123在步骤S1-4中执行余量计算程序148，并基于已变换成PCM数据的电压值、温度、电流值而算出电池101的余量。例如，通过对电流值进行累计，而算出电池余量。此时，根据电压值及温度来进行电池余量的校正。
<间除滤波处理>
就间除滤波处理进行说明。图8表示硬件构成的间除滤波器的一实施方式的块构成图。间除滤波器由CIC滤波器部151和FIR滤波器部152所构成。
CIC滤波器部151由被级联的3级积分电路153、154、155、间除电路156、被级联的3级微分电路157、158、159所构成。
积分电路153～155分别由对输入数据和延迟元件162的输出数据进行加法运算的加法器161；将加法器161的输出数据延迟1采样期间后提供给加法器161的延迟元件162所构成。微分电路157～159分别由将输入数据延迟1采样期间的延迟元件163；从输入数据中减去延迟元件163的输出数据的减法器164；将减法器164的输出数据用N进行除法运算的除法器165所构成。
间除电路(decimation circuit)156通过将积分电路155的输出数据在N采样期间取出1次来进行数据的间隔剔除，并将所取出的PCM数据提供给微分电路157。
被供给到端子175的PDM信号用积分电路153～155进行积分而成为PCM数据后，用间除电路156进行N∶1的间除，进而用微分电路157～159进行微分而作为PCM数据被输出。
FIR滤波器部152由被级联的i级延迟元件1711～171i；在i级延迟元件171各自输出的PCM数据上分别乘以系数A1～Ai的乘法1721～172i；对乘法器1721～172i各自的输出进行加法运算的加法器173；间除电路174所构成。
积分电路155输出的PCM数据用延迟元件1711～171i顺次迟延，并用乘法器1721～172i分别乘以系数A1～Ai后，用加法器173取得总和。加法器173输出的PCM数据通过用间除电路174在M采样期间取出1次来进行数据的间隔剔除(M∶1的间除)，经过数字滤波处理并从端子176被输出。
CPU123执行的数字滤波处理程序147是通过软件实现了与图8所示的硬件构成的间除滤波器同样的处理。
图9表示步骤S1-2中CPU123执行的数字滤波处理的详细流程图。同一图中，CPU123在步骤S2-1中例如将8位串的PDM信号从存储器124读出并进行与积分电路153～155等同的积分处理。接着，在步骤S2-2中进行N∶1的间除处理，在步骤S2-3中进行与微分电路157～159等同的微分处理，并将所得到的PCM数据写入存储器124中。
进而，CPU123在步骤S2-4中从存储器124将i个PCM数据及预先写入存储器124中的i个系数A1～Ai顺次读出，进行与乘法器1721～172i等同的乘法处理。接着，在步骤S2-5中进行与加法器173等同的加算处理，进而在步骤S2-6中进行M∶1的间除处理，并将所得到的PCM数据写入存储器124中。
图10表示本发明的一实施方式的动作说明图。同一图中，时刻t11、t12、t13表示计时器中断的定时。若在时刻t11、t12、t13有计时器中断，则CPU123在步骤S1-2中从σ·δ调制器122取入PDM信号，在步骤S1-3中通过执行与数字滤波处理程序147相应的处理，将电压检测部131、温度检测部132、电流检测部133所取得的模拟信号变换成PCM数据。
CPU123基于在步骤S1-3取得的PCM数据来计算电池101的余量。计算出的电池余量被存储在存储器124中。存储器124中所存储的电池余量根据来自外部电路的请求被调用，并经由通信电路126被发送给外部电路。
根据本实施方式，由于用σ·δ调制器122将模拟信号作为PDM信号，并通过用CPU123对此PDM信号进行数字滤波处理而变换成PCM数据，所以就能够将构成复杂的AD变换器置换成简单构成的σ·δ调制器122，进而就能够用CPU123进行电池的余量计算处理。由于CPU123中的余量计算处理的负荷轻微，能够充分地执行数字滤波处理所以这是能够实现的。
此外，本实施方式，将检测部121、σ·δ调制器122、CPU123、存储器124搭载在同一半导体芯片上，但也可以将检测部121及σ·δ调制器122的模拟电路、和CPU123及存储器124的数字电路作为各自的半导体芯片。进而，在本实施方式中，将CPU123和存储器124内置于燃料表IC111内部，但也可以作为不同的半导体器件。
<电池组>
图11表示本发明的电池组的其他实施方式的框图。同一图中，燃料表IC200被半导体集成化，大致由数字部210和模拟部250构成。
在数字部210内设置有CPU211、ROM212、RAM213、EEPROM214、中断控制部215、总线控制部216、I2C部217、串行通信部218、计时器部219、电源接通复位部220。这些电路通过内部总线222相互连接起来。
CPU211执行ROM212中所存储的程序来控制燃料表IC200全体，并执行对电池的充放电电流进行累计而算出电池余量的处理等。此时RAM213被作为作业区域而使用。在EEPROM214中存储着修整(trimming)信息等。此外，CPU211相当于图4所示的CPU123，ROM212、RAM213、EEPROM214相当于存储器124。
中断控制部215从燃料表IC200的各部被供给中断请求，依照各中断请求的优先度发生中断并通知给CPU211。总线控制部216进行哪个电路部来使用内部总线的控制。
I2C部217经由端口231、232连接到通信线来进行2线式的串行通信。串行通信部218相当于图4所示的通信电路126，经由端口233连接到未图示的通信线来进行1线式的串行通信。
计时器部219对系统时钟进行计数，其计数值被CPU211参照。电源接通复位部220检测出端口235上所供给的电源Vdd上升而发生复位信号来进行燃料表IC200全体的复位。
在模拟部250内设置有振荡电路251、晶体振荡电路252、多路转接器(MPX)253、分频器254、电压传感器255、温度传感器256、电流传感器257、多路转接器258、σ·δ调制器259。
振荡电路251是持有PLL的振荡器，输出数MHz的振荡信号。晶体振荡电路252在端口271、272上外装晶体振子来进行振荡，输出数MHz的振荡信号。晶体振荡电路252的振荡频率相对于振荡电路251是高精度。
多路转接器253基于从端口273供给的选择信号来选择振荡电路251与晶体振荡电路252中的某一方输出的振荡频率信号，并作为系统时钟供给到燃料表IC200的各部，同时提供给分频器254。于是，多路转接器253在从端口273未供给选择信号的情况下选择例如振荡电路251输出的振荡频率信号。分频器254对系统时钟分频并生成各种时钟提供给燃料表IC200的各部分。
电压传感器255检测分别外装在端口274、275上的电池(锂离子电池)301、302的电压，将模拟的检测电压提供给多路转接器258。温度传感器256检测燃料表IC200的环境温度，将模拟的检测温度提供给多路转接器258。
在端口276、277上连接着电流检测用的电阻303的两端，电流传感器257根据端口276、277各自的电位差来检测流过电阻303的电流，将模拟的检测电流提供给多路转接器258。
多路转接器258顺次选择模拟的检测电压、模拟的检测温度、模拟的检测电流并提供给σ·δ调制器259。σ·δ调制器259对各检测值进行σ·δ变换，由此通过内部总线222将脉冲密度调制信号提供给CPU211，并用CPU211进行数字滤波处理来进行检测电压、检测温度、检测电流各自的数字化。另外，CPU211通过对电池的充放电电流进行累计而算出电池余量。此时检测温度被使用于温度校正。
此外，电压传感器255相当于如图4所示的电压检测部131，温度传感器256相当于温度检测部132，电流传感器257相当于电流检测部133，多路转接器258相当于多路转接器134，σ·δ调制器259相当于σ·δ调制器122，电流检测用的电阻303相当于电流检测电阻Rs。
上述的燃料表IC200与电池301、302；电流检测用的电阻303；调节器/保护电路304；电阻305及开关306一起被收纳在框体310中而构成电池组300。在电池组300的端子311上连接电池301的正电极以及调节器/保护电路304的电源输入端子，调节器/保护电路304的电源输出端子被连接燃料表IC200的电源Vdd的端口235。端子312经由电阻305被连接到调节器/保护电路304的接地端子，同时经由开关306被连接到电流检测用的电阻303与端口277的连接点。调节器/保护电路304稳定端子311、312间的电压，同时在此电压成为规定范围以外的情况下将开关306断开来进行保护。
另外，电流检测用的电阻303与端口276的连接点被连接燃料表IC200的电源Vss的端口236。在电池组300的端子313、314上连接着燃料表IC200的端口231、232。
图12表示使用了图11的电池组300的便携式电子设备的一实施方式的框图。同一图中，便携式电子设备400是例如便携式个人计算机、数字照相机、便携式电话等主体电路。便携式电子设备400具有通信装置410。
电池组300的端子311～314被分别连接到便携式电子设备400的电源Vdd、Vss的端子401、402、以及连接着时钟线L1和数据线L2的端子403、404。由此，从电池组300内的电池301、302对便携式电子设备400供给电源。
在此情况下，通常，便携式电子设备400作为控制方、燃料表IC200作为被控方来动作，根据来自便携式电子设备400的请求，燃料表IC200对便携式电子设备400的通信装置410应答所算出的电池余量。
此外，本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明要旨的范围内还可以有种种变形例。

Claims (5)

1.一种电池组，其特征在于，包括：
电池；
电流检测部件，检测上述电池的充放电电流，并输出与上述充放电电流相应的模拟信号；
调制部件，对上述模拟信号进行脉冲密度调制并输出脉冲密度调制信号；
存储器，存储了将上述脉冲密度调制信号变换成脉冲码调制数据的变换程序、和对上述脉冲码调制数据进行累计而算出电池余量的余量计算程序；以及
CPU，从上述调制部件被供给上述脉冲密度调制信号，并基于上述存储器中所存储的上述变换程序将上述脉冲密度调制信号变换成作为数字信号的脉冲码调制数据，基于上述存储器中所存储的余量计算程序对上述脉冲码调制数据进行累计而算出电池余量。
2.按照权利要求1所述的电池组，其特征在于：
上述CPU间歇地启动上述变换程序，从上述调制部件取入上述脉冲密度调制信号并变换成上述脉冲码调制数据。
3.按照权利要求1或2所述的电池组，其特征在于，还包括：
检测上述电池的电压的电压检测部件；
检测温度的温度检测部件；和
选择由上述电流检测部件、上述电压检测部件以及上述温度检测部件输出的模拟信号中的任意一个并提供给上述调制部件的选择部件，
上述余量计算程序在对上述充放电电流的脉冲码调制数据进行累计时，利用上述电压的脉冲码调制数据和上述温度的脉冲码调制数据来进行电池余量的校正。
4.按照权利要求1所述的电池组，其特征在于：
上述调制部件是σ·δ调制器。
5.按照权利要求1所述的电池组，其特征在于：
上述电流检测部件、上述调制部件、上述存储器和上述CPU被搭载于同一半导体集成电路装置中。
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