CN101183794B

CN101183794B - 电池组

Info

Publication number: CN101183794B
Application number: CN2007101868083A
Authority: CN
Inventors: 佐佐木太一
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Murata Northeast China; Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2027-11-14
Also published as: CN101183794A; TW200843280A; TWI350630B; US7830121B2; US20080111520A1; JP2008125268A; JP4183004B2

Abstract

电池组具有：二次电池；测量单元，测量二次电池的端子电压和电流；保护单元，当由测量单元测量的端子电压等于或高于过充电检测电压时，防止二次电池过充电；和控制单元，接收由测量单元测量的端子电压和电流，该控制单元具有第一模式和第二模式，其中第二模式中的消耗电流小于第一模式中的消耗电流。将在从完全充电电压到小于过充电检测电压的范围中的电压定义为电压阈值。当满足转换要求的状态持续预定时间段时，控制单元将第一模式改变到第二模式。

Description

电池组

技术领域

本发明涉及包括如锂离子二次电池(secondary battery)的电池组。

背景技术

目前，在许多使用电池操作的电子装置中，采用了可充电的二次电池，并且重复地充放电。在这些装置中所使用的电池组中，由于重复充放电，所以二次电池劣化，并且甚至在完全充电的状态下不能达到新电池的放电性能、或服务性能。

图1示出了循环测试的结果，其中重复这样的充电和放电操作，锂离子二次电池在4.1V或4.2V充电，并且允许其维持在该高电压状态一段预定时间段，然后放电，直到电池电压变为3.0V为止。从图1中可以看到，在允许维持在4.1V的锂离子二次电池中，即使在第300次循环之后也没有发现放电性能的显著下降，然而，在允许维持在4.2V的锂离子二次电池中，放电性能在第200次循环之后开始降低，并且放电性能在第250次循环之后迅速降低。这样，在使用特别是锂离子二次电池作为二次电池的电池组中，存在一些情况，其中当允许二次电池维持在使得电池电压保持高的状态中一段长时间时，电池可能快速劣化。

通常通过使用恒流充电和恒压充电相结合的方法来进行锂离子二次电池的充电。采用该方法以避免在充电期间，处于完全充电状态的锂离子二次电池继续增大电池电压，结果电池处于过充电状态并遭受温度上升或点燃。如下执行恒流和恒压充电。以处于预定电压(如Vb＝4.1V)或更低的范围内的电池电压，以预定电流(如Ib＝500mA)进行恒流充电。以大于4.1V的电池电压，电源单元是恒压控制操作，使得逐渐减小充电电流Ib。然后，电池电压Vb增大到充电电源单元的预定输出值(如Vo＝4.2V)，如此完成充电。

描述了用于检测二次电池充电状态的方法。作为用于检测充电状态的方法，电流检测系统的方法和ΔV检测系统的方法是公知的。电流检测系统的方法是这样的一种方法：在充电的结尾，在恒压控制期间利用充电电流Ib的减小，通过电阻将充电电流Ib转换到电压Ex，并且比较电压Ex与检测电压Ei以检测充电状态。当电压Ex等于检测电压Ei时，判定电池处于完全充电状态。电阻具有由于充电电流Ib所引起的损失，因此该方法对于具有相对小的充电电流Ib的装置是有效的。ΔV检测系统的方法是这样的一种方法：测量充电电源单元的输出电压Vo和二次电池的电池电压Vb，并且当其之间的差值ΔV变为预定电压(几mV)时，判定电池处于完全充电状态。ΔV检测系统的方法通过测量电压检测充电状态，因此对于具有大充电电流Ib的装置是有效的。

当通过以上检测方法检测出完全充电状态时，停止充电。在本说明书中，术语“完全充电电压”表示一个电压，在该电压处通过合适的充电器充电的电池组处于如上所述的完全充电状态，并且应该停止电池的充电。

电池组通常具有包括充电/放电控制场效应晶体管(FET)，以及用于监控二次电池并控制充电/放电控制FET的集成电路(IC)的保护电路。保护电路具有过充电保护功能。

现在描述保护电路的过充电保护功能。如上所述，通过以恒流和恒压以及等于或低于电池的额定电压(如4.2V)的充电控制电压对锂离子二次电池充电来保证锂离子二次电池的安全性。然而，当使用充电器故障或不合适的充电器时，存在电池过充电的危险。当过充电电池并且检测到电池电压等于或高于过充电检测电压(如4.325V)时，保护电路关闭充电控制开关元件，例如，场效应晶体管(FET)，以切断充电电流。这是过充电保护功能。过充电保护电压是保护电路切断充电电流处的电压。

日本专利申请公开(KOKAI)No.2003-125540(专利文档1)描述了电池组，其中保护功能控制装置监控二次电池的端子电压，并且当检测到过充电时，显示警报以流动自消耗电流，由此尽可能快地降低二次电池的电压至安全电压范围。

发明内容

在电池组中，将过充电检测电压设置为每个二次电池(在下文中，表示为“单胞(single cell)”)高于二次电池的完全充电电压大约0.1V，因此，即使当二次电池的电压超过完全充电电压时，保护电路也不运行，除非电压变为等于或高于过充电检测电压的值，在该过充电检测电压处保护电路用作过充电保护电路。因此，直到电压变为等于或高于完全充电电压且等于或低于过充电检测电压的值为止，可以充电二次电池，此外，当允许二次电池维持在这样的高电压状态中时，参照图1，如上所述，出现二次电池劣化的问题。

因此，本发明提供了电池组，防止允许其维持在高电压状态，由此可以抑制二次电池的劣化。

根据本发明的一个实施例，提供了电池组，包括：二次电池；测量单元；保护单元和控制单元。测量单元测量二次电池的端子电压和电流。当由测量单元测量的端子电压等于或高于过充电检测电压时，保护单元防止二次电池过充电。控制单元接收由测量单元测量的端子电压和电流，并具有第一操作模式和第二操作模式，其中与第一操作模式的消耗电流相比，第二操作模式中的消耗电流小。在电池组中，将在从二次电池的完全充电电压到小于过充电检测电压的范围中的电压定义为电压阈值。当满足转换要求的状态持续一段预定时间段时，保护单元从第一操作模式改变到第二操作模式，以及转换要求是由测量单元测量的电流小于电流阈值且所测量的端子电压等于或小于电压阈值。

在下面详细的实施例的描述中，参照附图，在以下详细地阐明本发明的这些和其他特征和方面。

附图说明

图1是用于解释本发明要解决的问题的图；

图2是根据本发明的一个实施例的电池组的框图；

图3是示出本发明的一个实施例中状态的转换的图；

图4是示出本发明的一个实施例中操作次序的流程图。

具体实施方式

在下文中，参照附图，将描述本发明的一个实施例。图2是示出可以应用本发明的、电池组的构造的一个示例的框图。电池组主要由二次电池7、微型计算机10、测量电路11、保护电路12、开关电路4、时钟端子3a和数据端子3b组成。当充电该电池组时，将电池组放入电子装置机身、AC适配器等中，并且+端子1和-端子2分别与充电器的+端子1和-端子2连接以进行充电。当使用电子装置时，以与充电中相同的方式，+端子1和-端子2分别与电子装置的+端子1和-端子2连接以进行放电。

二次电池7包括串联的四个锂离子电池单胞(single cell)。当使用每个单胞具有4.2V的完全充电电压的锂离子电池时，本实施例中的电池组具有16.8V的完全充电电压。

例如，测量电路11由集成电路(IC)组成，并测量二次电池7的每个单元电池的端子电压，并将测量供应给微型计算机10和保护电路12。使用电流检测电阻9，测量电流的幅度和方向，并将测量结果供应给微型计算机10和保护电路12。

以预定频率自动进行电压和电流的测量。例如，在以下提到的正常模式中，每1秒进行1次测量，而在睡眠模式中，每10秒进行1次测量。测量电路11也可以作为用于稳定二次电池7的电压的调节器来运行以产生电源电压。

温度检测器8由例如，热敏电阻器构成，并监控二次电池7的温度。将电池温度的测量结果供应给保护电路12，并且当二次电池7的温度变高时，电路控制电池，以便停止充电/放电操作。

将作为第一FET 5和第二FET 6运行的串联的P沟道型场效应晶体管(在下文中，简单表示为“FET”)作为开关电路4在将+端子1连接到二次电池7的正电极的正端插入到电源线。第一FET 5和第二FET 6在相应的漏极和源极之间分别具有第一寄生二极管5a和第二寄生二极管6a。寄生二极管5a具有与充电电流从+端子1流向二次电池7的方向相反、且与放电电流方向相同的方向的极性，而寄生二极管6a具有与充电电流方向相同、且与放电电流方向相反的方向的极性。

FET 5是充电控制开关元件，而FET 6是放电控制开关元件。将充电控制信号从保护电路12供应给FET 5的栅极，而将放电控制信号从保护电路12供应给FET 6的栅极。每一个FET 5和FET 6都是P沟道型，因此通过栅极电压低于电源电压预定值或更多而导通。

将由测量电路检测的电压和电流的测量结果和由温度检测器8检测的测量结果供应给保护电路12，并且根据测量结果控制FET 5和FET 6导通或截止，由此控制二次电池7的充电或放电。保护电路12具有保护功能以保护二次电池7不会过充电、过放电或过流。

首先描述保护电路12的过充电保护操作。当保护电路12检测到二次电池7的任意一个单胞的端子电压增加到过充电检测电压或更高时，将用于截止FET 5的充电控制信号供应给FET 5的栅极，以切断充电电流。另一方面，FET 6仍然导通。因此，放电电流可以流经FET 6和寄生二极管6a。该保护操作可以避免过充电状态。将过充电检测电压设置为每个单胞大于完全充电电压约0.1V，例如，设置其以便过充电保护功能在每个单胞4.290V的端子电压工作。

当连接负载且二次电池7处于过放电状态时，电池可能会毁掉。保护电路12检测到电池电压降低到过放电检测电压或更低，并且通过放电控制信号截止FET 6，切断放电电流。另一方面，FET 5仍然导通，并且因此可以流动充电电流。设置过放电检测电压以便过放电保护操作可以在例如每个单胞2.4V的端子电压工作。

当二次电池7的+端子和-端子之间发生短路时，可能流动大电流以导致意外的温度上升。当确定值或更大的放电电流流动时，保护电路12截止放电控制FET 6以切断放电电流。

尽管在图中没有示出，但是FET 5在正端与电源线连接，而FET 6可以在负端与电源线连接。在FET 6中，源极与二次电池7的负电极连接，而漏极与电源单元的-端子2连接。寄生二极管6a具有与放电电流方向相反的方向的极性。在这种情况中，使用N沟道型FET作为FET 6，其通过栅极电压比电源电压高预定值或更多而导通。进一步可选择地，FET 5和FET 6都可以在负端插入电源线。

当将电池组放入外部电子装置(如可携式摄像机)中时，用于通信的时钟端子3a和数据端子3b从外部电子装置中的微型计算机接收命令，或向该装置传送关于二次电池7的电池容量的信息。已经接收到信息的电子装置在诸如液晶显示器之类的显示部分上显示充电容量或充电速度。

微型计算机10参照存储于电子可擦除和可编程只读存储器(EEPROM)13(其是非易失性存储器)中的用于计算剩余容量的表，使用从测量电路11供给的电压来计算二次电池7的剩余容量。剩余电池容量可以使用诸如通过测量电路11输入的电流和通过与微型计算机10连接的温度检测器14检测的二次电池7的温度之类的因子另外计算。所计算的剩余电池容量的数据存储于微型计算机中诸如随机存取存储器(RAM)之类的存储器(未示出)中，并响应于来自电子装置的信号将其从存储器中读出，并通过时钟端子3a和数据端子3b发送至电子装置。微型计算机10具有时钟振荡器15。时钟振荡器具有石英振荡器16，并产生时钟作为整个微型计算机10的操作的定时标准。

微型计算机10具有两种模式的操作状态，即正常模式和睡眠模式，并且操作状态根据以下提到的转换要求而改变。当微型计算机10处于正常模式中时，时钟振荡器15运行，而当微型计算机10处于睡眠模式中时，时钟振荡器15停止。因此，与睡眠模式中的消耗电流相比，在正常模式中的消耗电流增大。例如，在正常模式中的平均消耗电流是1.5mA，然而睡眠模式中的平均消耗电流是0.55mA。这两种模式不仅可以通过运行/停止时钟振荡器15来实现，也可以通过开启/关闭整个微型计算机或部分电路的电源来实现。

参照图3，下面描述微型计算机10的正常模式和睡眠模式以及为此的转换要求。在正常模式中，如以上所提到的，时钟振荡器15在运行。此外，二次电池7的剩余容量从由测量电路测量的电压中计算，以存储在存储器中。正常模式中以预定频率进行电压和电流的测量以及剩余电池容量的计算，例如，每1秒1次。此外，微型计算机10通过端子3a和3b与电子装置中的微型计算机通信，并且例如，响应于来自电子装置的命令，向电子装置发送剩余电池容量的信息。

在睡眠模式中，如以上所提到的，停止时钟振荡器15，使得微型计算机10的一些功能处于停止状态。以预定频率例如，每10秒1次，将睡眠模式改变为正常模式，并且由测量电路11检测电流和电压，以便计算二次电池7的剩余容量。当所检测到的电流小于电流阈值(如200mA)，即电源无负载时，将模式再次改变到睡眠模式。具体地，以预定频率间歇地将睡眠模式改变到正常模式，并且重复在正常模式和睡眠模式之间的转换。当所检测到的电流等于或高于电流阈值时，满足以下提到的转换要求S2，并且因此将睡眠模式改变到正常模式。

当满足转换要求S1时，微型计算机10从正常模式改变到睡眠模式。转换要求S1是满足以下所示的所有要求(A)、(B)和(C)的状态持续一段预定时间，如10秒。将正常模式改变到睡眠模式，由此抑制消耗电流。

(A)所测量的充电/放电电流小于电流阈值(如±200mA)(无负载)；

(B)二次电池7的电压等于或小于电压阈值(如每个单胞4.2V的端子电压，电池组的16.8V的输出电压)；和

(C)没有通过端子3a和3b接收命令。需要要求(A)和(C)以防止当不进行剩余电池容量的计算时电池无用地消耗，需要要求(B)以防止允许电池位于高电压状态。

将在从二次电池7每个单胞端子电压的完全充电电压到小于过充电检测电压的范围中的电压定义为电压阈值。当二次电池7的电压等于或高于电压阈值时，在正常模式中操作微型计算机10，其中与睡眠模式中的消耗电流相比，正常模式中的消耗电流大，使其可以降低电压。当电压等于或高于过充电电压(如每个单胞4.29V的端子电压)，保护电路12的过充电保护功能变为有效，以禁止充电。

当满足转换要求S2的任意一个时，微型计算机10从睡眠模式改变到正常模式。转换要求S2是：

(a)检测到充电/放电电流等于或高于电流阈值(±200mA)，或

(b)通过端子3a和3b接收命令。

通过根据以上所提到的转换要求S1和S2切换正常模式和睡眠模式，可以达到下面的效果。当允许电池组维持在高电压状态时，二次电池7显著劣化。然而，在本发明的实施例中，将在从二次电池7的完全充电电压到小于过充电检测电压的范围中的电压定义为电压阈值，并且当所测量的二次电池的电压超过电压阈值时，微型计算机10在正常模式中操作，其中消耗电流大，以便电池组的电压可以快速地降低，甚至无负载。因此，防止电池组长时间处于高电压状态，使其可以抑制电池7的劣化。在以上所提到的实施例中，电压阈值等于完全充电电压，但是电压阈值可以是任意电压，只要其落在从完全充电电压到小于过充电检测电压的范围内即可。

在睡眠模式中，功耗小于正常模式中的功耗，使其可以抑制二次电池7的损耗量。

参照图4的流程图，以下将描述在以上提到的本发明的实施例中的操作顺序。

在步骤S10，首先初始化微型计算机10和测量电路11。然后，在步骤S11，测量电路11检测电池组的电流和电压。

将在步骤S11所检测的电流和电压发送至微型计算机10，并且在步骤S12，使用检测结果，参照存储于EEPROM 13中的用于计算剩余电池容量的表来计算剩余电池容量。在步骤S13，在微型计算机的存储器中存储所计算的剩余电池容量的数据，并且，例如，响应于来自电子装置的命令，将数据发送至电子装置。

接着，在步骤S14，正常模式中的微型计算机10判断是否满足以上所提到的转换要求S1。当满足要求S1时，在步骤S15，微型计算机10改变至睡眠模式。当不满足转换要求S1时，微型计算机10仍然处于正常模式中，并且处理回到步骤S11，其中再次进行电流和电压的检测。在睡眠模式中，时钟振荡器15停止运行，并且停止微型计算机10的部分功能，以便减小消耗电流，与正常模式中的消耗电流相比。

接着，在步骤S16，微型计算机判断在微型计算机10将其模式改变至睡眠模式之后是否已经经过了10秒。当微型计算机确定还没有经过10秒的时间段时，微型计算机仍然处于睡眠模式。当微型计算机确定已经经过了10秒的时间段时，微型计算机10从睡眠模式改变到正常模式，并且处理回到步骤S11，其中再次进行电流和电压的检测。

在睡眠模式中，将模式改变到正常模式，并且每隔10秒执行电流和电压的检测。当所检测的电流小于电流阈值时，将模式再次改变到睡眠模式。当所检测的电流等于或高于电流阈值时，判断满足转换要求S2，以便将模式改变到正常模式。当在睡眠模式中接收到来自外部电子装置的命令时(未示出)，满足转换要求S2，因此微型计算机10将其模式改变到正常模式。

根据本发明的实施例，可以将二次电池的端子电压控制为电压阈值或更小，其落在从完全充电电压到小于过充电检测电压的范围中。因此，即使当电池组处于电压高于电压阈值的状态中时，也可以将电压自动地降低到电压阈值或更小，以防止电池组保持在高电压状态中，由此可以防止电池组的快速劣化。

在上文中，详细地描述了本发明的一个实施例，但是本发明并不受限于以上所提到的实施例，并且基于本发明的技术构思可以改变或修改本发明。例如，电压值和其他在以上实施例中提到的仅仅是示例，如果需要的话可以使用不同于它们的值。

除了锂离子电池之外，本发明可以应用于诸如Ni-Cd(镍-镉)电池和Ni-MH(镍-氢)电池之类的各种电池。

构成电池组的微型计算机可以作为保护电路运行。

以上所提到的二次电池的端子电压可以通过电路结构而非微型计算机控制。注意，当使用微型计算机时，可以通过在正常模式中操作微型计算机来降低电压，这在不需要特别的放电电路中是有益的。

本领域技术人员应该理解，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变更，只要它们在所附权利要求或其等价物的范围内。

Claims

1.一种电池组，包括：

二次电池；

测量电路，用于测量该二次电池的端子电压和电流；

保护电路，用于当由该测量电路测量的该端子电压等于或高于过充电检测电压时，防止该二次电池过充电；和

控制单元，对其输入由该测量电路测量的该端子电压和电流，该控制单元具有第一操作模式和第二操作模式，其中与该第一操作模式的消耗电流相比，第二操作模式中的消耗电流小，其中：

将在从二次电池的完全充电电压到小于过充电检测电压的范围中的电压定义为电压阈值，

当满足转换要求的状态持续一段预定时间段时，控制单元从该第一操作模式改变到该第二操作模式，以及

该转换要求是由该测量电路测量的该电流小于电流阈值且所测量的该端子电压等于或小于该电压阈值，其中：

将该第二操作模式间歇地改变到该第一操作模式，以便该测量电路测量该电流，以及

当满足所测量的电流等于或高于电流阈值的转换要求时，将该第二操作模式改变到该第一操作模式。

2.根据权利要求1所述的电池组，其中在该第一操作模式中，该控制单元计算该二次电池的剩余容量。

3.根据权利要求1所述的电池组，其中：

该控制单元是微型计算机，以及

通过停止该微型计算机中时钟振荡器的运行来实现该第二操作模式。

4.根据权利要求1所述的电池组，其中：

该控制单元是微型计算机，

该微型计算机能够与外部装置通信，以及

用于将该第一操作模式改变到该第二操作模式的该转换要求包括该微型计算机没有从该外部装置接收命令的要求。

5.根据权利要求1所述的电池组，其中：

该控制单元是微型计算机，

该微型计算机能够与外部装置通信，以及

当该微型计算机从该外部装置接收命令时，将该第二操作模式改变到该第一操作模式。

6.根据权利要求1所述的电池组，进一步包括开关单元，其位于连接+端子和所述二次电池的正电极的在正端上的电源线中，其中：

该开关单元包括串联的第一场效应晶体管和第二场效应晶体管，

该第一场效应晶体管和该第二场效应晶体管在各自的漏极和源极之间分别具有第一寄生二极管和第二寄生二极管，

该第一寄生二极管具有与从该+端子向该电池流动的充电电流的方向相反、与放电电流方向相同的方向的极性，以及

该第二寄生二极管具有与该充电电流的方向相同、与该放电电流的方向相反的方向的极性。

7.根据权利要求6所述的电池组，其中：

该第一场效应晶体管是充电控制开关元件，

该第二场效应晶体管是放电控制开关元件，

从该保护电路将充电控制信号供应给该第一场效应晶体管的栅极；以及

从该保护电路将放电控制信号供应给该第二场效应晶体管的栅极。

8.根据权利要求6所述的电池组，其中：

该第一场效应晶体管和该第二场效应晶体管的每一个均为P沟道型，并且通过比源极电压低预定值或更多的栅极电压来导通。

9.根据权利要求6、7或8所述的电池组，其中：

将由该测量电路测量的该端子电压和电流的测量结果和由温度检测器检测的测量结果供应给该保护电路，以及

该第一场效应晶体管和该第二场效应晶体管根据该测量结果受到控制而导通/截止，以控制该二次电池的充电或放电。

10.根据权利要求1所述的电池组，其中：

该保护电路具有保护功能，以保护该二次电池不会过充电、过放电或过流。