CN101183795B - 电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电池组。该电池组包括至少一个电池单元、开关和电池状态监测电路。该电池状态监测电路可以被配置成：当开关处于导通状态且电池组处于备用状态时，控制开关的导通电阻为第一导通电阻；当开关处于导通状态且电池组不处于备用状态时，控制导通电阻为第二导通电阻，其中第一导通电阻大于第二导通电阻。还提供根据实施例的无线电气装置和方法。

Description

电池组
(本申请是申请日为2006年3月7日、申请号为200610056837.3、发明名称为“在电池组的备用状态期间具有低功耗的电池状态监测电路”的申请的分案申请)
技术领域
本发明涉及一种用于无线电气装置的电池组，而且尤其涉及一种电池状态监测电路，以监测电池组的工作状况。
背景技术
各种无线电气装置都可以由电池组来供电。这样的无线电气装置的实例包括但不限于，膝上型计算机、蜂窝式电话、个人数字助理以及例如钻之类的电动工具。这种电池组可以包括多个电池单元和电源开关，以允许电池单元提供电流(放电操作模式)或者被充电(充电操作模式)。电池组还可以包括由电池单元供电的电池监测电路，以执行多个任务，以此维持电池单元安全的和所期望的使用。已经开发出了大量这样的电池状态监测电路，来提供不同的电源管理拓扑。
在不同时间段，电池组可以处于备用状态。在备用状态期间，电池单元既不提供电流给负载，也不连接到充电电源。在此备用状态期间，电池监测电路也可以处于低功率状态。为了检测备用状态的结束，常规监测电路利用内部元件以及与电池单元串联的检测电阻器。这些元件可以包括用于放大跨过电流检测电阻器的电压降的差动读出放大器，接收差动读出放大器的输出的电压译码器，以及一个比较器，该比较器接收电压译码器的输出并将其与一个阈值电平进行比较，以便确定备用状态的结束。
在此常规方法中，以及在许多其它相似的方法中，电池状态监测电路的相应元件(例如，读出放大器、电压译码器和比较器，以及相关的偏压和基准电路)在备用状态中消耗了过多的功率，其对电池组的性能产生了负面影响。例如，当备用状态延伸至一个长的时间周期的时候，例如几百个小时，电池状态监测电路的自身功率消耗会引起显著的电池放电。另外，在此常规方法中，电池组的放电电源开关的导通电阻保持完全导通状态，不论电池组是否处于备用状态，该导通状态都具有相同的导通电阻。
因此，需要一种在电池组的备用状态期间具有相对低功耗的电池监测电路。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种电池组。该电池组可以包括：至少一个电池单元、开关和电池状态监测电路。该电池状态监测电路可以被配置成：当开关处于导通状态且电池组处于备用状态时，控制开关的导通电阻为第一导通电阻；当开关处于导通状态且电池组不处于备用状态时，控制该导通电阻为第二导通电阻，其中第一导通电阻大于第二导通电阻。
本发明所述的电池组，所述第一导通电阻大于约1欧姆且所述第二导通电阻小于约3毫欧。
本发明所述的电池组，还将所述电池状态监测电路配置成，当经过所述开关的电流导致跨过所述开关两端的电压降大于或者等于一个阈值电平时，检测到所述备用状态的结束。
本发明所述的电池组，所述开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
本发明所述的电池组，所述电池状态监测电路包括：一触发施密特电路，其具有一耦合到所述MOSFET的漏极的输入；一触发器，其具有一耦合到所述触发施密特电路的输出的输入；第一开关，其由所述触发器的第一输出控制；第二开关，其由所述触发器的第二输出控制，当所述电池组处于所述备用状态时，所述触发器驱动所述第一开关截止并驱动所述第二开关导通，处于所述导通位置的所述第二开关启动所述电池状态监测电路，以控制所述开关的所述导通电阻为所述第一导通电阻。
本发明所述的电池组，所述触发施密特电路被配置成检测一个跨过所述开关两端的电压降，该电压降是由流过具有所述第一导通电阻的所述开关的电流引起的，所述触发器响应于所述检测结果，由所述触发施密特电路驱动所述第一开关导通，并驱动所述第二开关截止，处于所述导通位置的所述第一开关启动所述电池状态监测电路，以控制所述开关的所述导通电阻为所述第二导通电阻。
根据本发明的另一方面，提供有一种无线电气装置。该无线电气装置可以包括：负载以及向负载提供电力的电池组。该电池组可以包括至少一个电池单元、开关和电池状态监测电路。该电池状态监测电路可以被配置成：当开关处于导通状态且电池组处于备用状态时，控制开关的导通电阻为第一导通电阻；当开关处于导通状态且电池组不处于备用状态时，控制该导通电阻为第二导通电阻，其中第一导通电阻大于第二导通电阻。
本发明所述的无线电气装置，所述第一导通电阻大于约1欧姆且所述第二导通电阻小于约3毫欧。
本发明所述的无线电气装置，还将所述电池状态监测电路配置成，当经过所述开关的电流导致跨过所述开关两端的电压降大于或者等于一个阈值电平时，检测到所述备用状态的结束。
本发明所述的无线电气装置，所述开关包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
本发明所述的无线电气装置，所述电池状态监测电路包括：一触发施密特电路，其具有一耦合到所述MOSFET的漏极的输入；一触发器，其具有一耦合到所述触发施密特电路的输出的输入；第一开关，其由所述触发器的第一输出控制；第二开关，其由所述触发器的第二输出控制，当所述电池组处于所述备用状态时，所述触发器驱动所述第一开关截止并驱动所述第二开关导通，处于所述导通位置的所述第二开关启动所述电池状态监测电路，以控制所述开关的所述导通电阻为所述第一导通电阻。
本发明所述的无线电气装置，所述触发施密特电路被配置成检测一个跨过所述开关两端的电压降，该电压降是由流过具有所述第一导通电阻的所述开关的电流引起的，所述触发器响应于所述检测结果，由所述触发施密特电路驱动所述第一开关导通，并驱动所述第二开关截止，处于所述导通位置的所述第一开关启动所述电池状态监测电路，以控制所述开关的所述导通电阻为所述第二导通电阻。
根据本发明的又一方面，提供有一种方法。该方法可以包括：当电池组的开关处于导通状态且电池组处于备用状态时，驱动该开关的导通电阻为第一导通电阻；当该开关处于导通状态且电池组不处于备用状态时，驱动该开关的导通电阻为第二导通电阻，第一导通电阻大于第二导通电阻。
本发明所述的方法，所述第一导通电阻大于约1欧姆且所述第二导通电阻小于约3毫欧。
本发明所述的方法，所述开关包括一MOSFET，以及所述方法还包括通过检测由于流经所述MOSFET的电流所导致的跨过所述MOSFET的电压降，来检测所述备用状态的结束。
本发明所述的方法，所述MOSFET包括放电MOSFET，将该放电MOSFET配置成启动所述电池组以提供放电电流给负载，所述跨过所述MOSFET的所述电压降表示所述放电电流。
根据本发明的再一方面，提供有另一种电池组。该电池组可以包括至少一个电池单元、开关和电池状态监测电路。该电池状态监测电路可以被配置成监测从至少一个电池单元供给负载的电源电压，并且可以被配置成响应于对所监测的电源电压的跃迁的检测，来检测电池组的备用状态的结束，其中，所述跃迁包括所述被监测的电源电压的正电压跃迁或负电压跃迁，所述电池状态监测电路包括：第一比较器，将其配置成检测所述正电压跃迁并提供第一输出信号；第二比较器，将其配置成检测所述负电压跃迁并提供第二输出信号；以及输出判定电路，将其配置成接受所述第一输出信号和所述第二输出信号，并提供输出信号，如果所述第一输出信号表示所述正电压跃迁，或者所述第二输出信号表示所述负电压跃迁，则所述输出信号表示所述电池组的所述备用状态的所述结束。
本发明所述的电池组，所述输出判定电路包括一或门和一触发器，所述或门被配置成接收所述第一输出信号和所述第二输出信号，所述触发器被配置成如果所述第一输出信号表示所述正电压跃迁，或者所述第二输出信号表示所述负电压跃迁，则所述触发器从所述或门接收输出信号，并提供表示所述电池组的所述备用状态的所述结束的所述输出信号。
附图说明
所要求的主题的实施例的特征和优点，将会随着下列详细描述的进行以及参考附图的基础上而变得清楚，其中相同的附图标记表示相同的部分，并且在其中：
图1是具有含电池状态监测电路的电池组的无线电气装置的示图；
图2是更详细地描述的图1的电池组和电池状态监测电路的示图；
图3是根据实施例的操作流程图；以及
图4是图1的电池组和电池状态监测电路的另一实施例的示图。
具体实施方式
虽然下列详细描述参考示例性实施例来进行，但是，其许多选择、变形和变化对本领域技术人员来说是明显的。因此，意欲将所要求的主题解释得更宽。
图1示出了一种具有电池组102的无线电气装置100，该电池组102可以在电池供电模式期间向负载104提供电力。负载104可以表示装置100的整个负载，其可以耦合到电池组102的VPACK+端子118和VPACK-端子116。无线电气装置100可以包括但不限于：膝上型计算机、蜂窝式电话、个人数字助理以及例如钻、圆锯、撒砂器等电动工具。在一个实施例中，当无线电气装置是电动工具时，负载104可以是电动工具自身。除了在电池供电模式中向负载104提供电力之外，电池组102也可以由DC电源(未示出)再充电，该DC电源例如是ACDC适配器，其也可以同时向负载104提供电力。在其它例子中，电池组102可以轻易地从无线电气装置100中移除，并耦合到用于充电的外部电池充电器。
电池组102可以包括一个或多个电池单元106，与电池单元106串联的开关110，例如放电开关或者充电开关，以及根据此处的实施例的电池状态监测电路108。当在此处的任一实施例中使用时，“电路”可以单独或以任意的组合方式包括：例如，硬连线的电路、可编程电路、状态机电路、和/或存储由可编程电路执行的指令的固件。电池单元106可以是任一种化学电池，例如锂电池。开关110可以是放电开关，其闭合以提供从电池单元106到负载104的放电路径；或者是充电开关，其闭合以提供从充电电源到电池单元106的充电路径。开关110可以是晶体管，例如场效应晶体管(FET)。
通常，电池状态监测电路108可以检测每个电池单元106的电压，以及供给电池单元106和来自电池单元106的充电/放电电流。电池状态监测电路108也可以将关于上述测量结果的数据转换和发送给相关联的无线电气装置100的电源管理控制器124。电池状态监测电路108也可以接收并执行来自电源管理控制器124的指令。电池状态监测电路108也可以按电源管理控制器124的指示驱动开关110和电池组102的其它开关(未示出)。在合适的时候，当电源管理控制器124未能发出任何控制指令时，电池状态监测电路108也可以不管来自电源管理控制器124的指令，而提供默认状态给电池组102的开关。
在某些时间上，电池组102会处于“备用状态”。如在这里所使用的，“备用状态”意味着电池组既不提供放电电流给负载104，也不从充电电源接收充电电流。在这样的备用状态中，从电池单元106流出(放电)或者流入电池单元106(充电)的电流都是可以忽略的。在这样的备用状态中，电池状态监测电路108可以进入休眠模式，以保存从电池单元106流出的电力，并且不提供任何信号给电源管理控制器124。
然而，电池状态监测电路108可以被配置成检测备用状态的结束，并恢复其正常运行。备用状态的结束可以发生在放电电流流出以供给耦合到电池组102的负载104时，或者在充电电流从充电器流向电池单元106时。该以信号告知备用状态结束的电流在此可以被称为唤醒电流，以触发电池状态监测电路108的“唤醒”状态。
为了检测该唤醒电流，电池状态监测电路108可以控制开关110的导通电阻，该电阻可以当作一个可变电阻器。当在备用状态时，电池状态监测电路108可以驱动开关110的导通电阻为第一导通电阻。当开关110导通且不处于备用状态时，电池状态监测电路108可以驱动该开关的导通电阻为第二导通电阻，其中第一导通电阻大于第二导通电阻。在一个实例中，第一导通电阻可以大于约1欧姆，而第二导通电阻可以小于约3毫欧。第二导通电阻对第一导通电阻的比例可以为1∶100，或者更低。这样，当唤醒电流开始流经开关110时，开关110的增加的导通电阻可以引起一个电压降，该电压降能被电池状态监测电路108检测到。如果跨过该开关两端的电压降大于或者等于一个阈值电平，则电池状态监测电路108可以检测到备用状态的结束。接下来，电池状态监测电路108可以减小该开关的导通电阻到第二导通电阻，并且恢复其正常运行，直至下一个备用状态。
图2更详细地示出了图1的电池组102的电池状态监测电路108。电池状态监测电路108可以包括放电驱动器202、第一开关SW1、第二开关SW2、触发器(flip flop)204以及触发施密特电路(Schmitt circuit)206。图1的开关110可以是放电开关，其闭合以提供放电电流给负载104a，并且该放电开关使用晶体管来实现，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)Q1。MOSFET Q1的控制端即栅极可以从电池状态监测电路108接收控制信号，以控制其导电状态。MOSFET Q1的源极可以耦合到电池单元106，而其漏极可以耦合到电池组102的VPACK-端子116。
触发施密特电路206可以具有一个耦合到MOSFET Q1的漏极的输入，而触发器204可以具有一个耦合到触发施密特电路206的输出的输入。第一开关SW1可以由触发器204的“Q N”输出来控制，而第二开关SW2可以由触发器的“Q”输出来控制，以使第一开关SW1和第二开关SW2可以交替地导通和截止。在进入备用状态之前，可以由电源管理控制器124提供“NORMAL”或“WK_ON_I”信号给触发器204。
通常，MOSFET Q1可以当作可变电阻器，其受到电池状态监测电路108的控制。当处于备用状态时，与当MOSFETQ1以开关模式状态完全导通时的导通电阻相比，电池状态监测电路108可以以线性模式操作MOSFET Q1，并增加MOSFET Q1的导通电阻。因此，当唤醒电流(例如，在此实例中的放电电流)开始流经MOSFET Q1时，处于备用状态的MOSFET Q1的增加的导通电阻会引起一个电压降，该电压降能被电池状态监测电路108检测到。接下来，电池状态监测电路108可以通过使MOSFET Q1完全导通而在该备用状态结束时减小MOSFET Q1的导通电阻，并恢复其正常运行直至下一个备用状态。
操作中，由触发器204提供的输出信号可以分别经由其输出“ QN”和“ Q”端子，来控制第一开关SW1和第二开关SW2的状态。触发施密特电路206可以接受表示跨过MOSFET Q1的电压降的模拟信号，并可以提供输出数字信号给触发器204的输入。当电池组102处于备用状态时，来自触发器204的输出信号可以驱动第一开关SW1截止，并驱动第二开关SW2导通。因此，对MOSFET Q1的栅极可以提供“低导通”供电。由“低导通”供电提供的栅极到源极电压可以仅仅稍微高出MOSFET Q1的阈值电平(Vt)，以使一旦唤醒电流从电池单元106流出或者流入电池单元106，则MOSFET Q1运行在线性区域，并且晶体管Q1的导通电阻足够明显(例如，在一个实施例中在欧姆范围内)以提供可测量的电压降。
当唤醒电流流过时，触发施密特电路206和触发器204可以检测由于跨过MOSFET Q1的源-漏极电压降导致的备用状态结束。接下来，触发器204可以从其“QN”和“Q”输出端提供输出信号以驱动第一开关SW1导通，驱动第二开关SW2截止。当放电时，放电驱动器202则会提供电压控制信号给MOSFETQ1的栅极，以驱动MOSFET Q1完全导通。即，MOSFET Q1的有效栅极到源极的电压降(Vgs)可以显著地大于其阈值电压，即Vgs＞＞Vt。因而，当MOSFET Q1处于完全导通时，MOSFET Q1的漏极到源极的导通电阻非常小(例如，在一个实施例中在毫欧范围内)。
有利地，当电池组102处于备用状态时，电池状态监测电路108的逻辑电路204、206可以以高速执行，并且几乎没有电流损耗。高速时间可以由逻辑门延迟时间加上驱动器的上升时间来确定。由于该电路是数字的，所以其不会给数字电路增加任何额外的电流损耗。在备用状态中，使用检测电阻器的、具有读出放大器、电压晶体管和比较器以及相关的偏压和基准电路的常规电池状态监测电路的电流损耗可以是大约几毫安，而图2的实施例的电流损耗可以仅仅是大约数百微安。因此，在备用状态中的电池状态监测电路的相对功率损耗可以相较于常规电池状态监测电路有了显著地减小。
图3是根据实施例的操作300的流程图。操作302可以包括，当开关导通并且电池组处于备用状态时，驱动电池组的开关的导通电阻为第一导通电阻。操作304可以包括，当开关导通并且电池组不处于备用状态时，驱动该开关的导通电阻为第二导通电阻，第一导通电阻大于第二导通电阻。
有利地，当电池组102不处于备用状态时，根据实施例的电池状态监测电路108可以以高速执行并且几乎没有电流损耗。因此，即使备用状态延续长的时间周期，例如数百小时，也不会发生显著的电池放电。
图4示出了另一实施例，其中，电池组402的备用状态的结束可以由电池状态监测电路408检测到，该监测电路监测在电源干线上的电压变化。如果电池单元406提供放电电流给感应性负载，例如电池供电式电动工具的马达，将会在电源干线上出现电压变化，且电池状态监测电路408可以检测所监测的电源电压412的跃迁，并因而检测电池组402的备用状态的结束。相应地，电池状态监测电路408可以从休眠模式中唤醒。
电池状态监测电路408可以包括第一比较器402、第二比较器404和输出判定电路420。第一比较器402和第二比较器404可以是具有内置偏移和迟滞的低功耗比较器。第一比较器402可以被配置成检测所监测的电源电压412的正电压跃迁，而第二比较器404可以被配置成检测所监测的电源电压412的负电压跃迁。每个比较器402和404都可以将所监测的电源电压412与在端子414上提供的Vccd滤波DC电压电平作比较。可以将Vccd滤波DC电压电平提供给第一比较器402和第二比较器404的反向输入端。
第一比较器402可以被配置成检测电源电压412的正电压跃迁，并提供第一输出信号。第二比较器404可以被配置成检测电源电压412的负电压跃迁，并提供第二输出信号。输出判定电路420可以从第一比较器402接受第一输出信号，从第二比较器404接受第二输出信号，并在端子422提供输出信号。如果来自第一比较器402的第一输出信号表示正电压跃迁，或者来自第二比较器404的第二输出信号表示负电压跃迁，则在端子422提供的输出信号可以表示电池组402的备用状态的结束。
输出判定电路420可以包括或门406和触发器410。或门可以被配置成从第一比较器402接收第一输出信号，以及从第二比较器404接收第二输出信号。如果第一输出信号表示正电压跃迁，或者第二输出信号表示负电压跃迁，则将触发器410配置成在其“C”端子接收或门的输出信号，并在其“Q”端子提供表示电池组的备用状态结束的输出信号。
因而，在操作中，当电池单元提供放电电流给感应性负载，以信号通知电池组402的备用状态的结束时，电池状态监测电路408可以被配置成检测所监测的电源电压412的正的或负的跃迁。如果没有由电池状态监测电路408检测到电压跃迁，则这表示电池组处于备用状态，并且因此电池状态监测电路408可以保持处于休眠模式中。
在文中所使用的术语和措辞是用作描述性的术语，而非限制性的，并且不企图使用上述术语和措辞排除任何所显示和所描述的特征(或在其中的部分)的等同物，可以认识到各种变形在权利要求的范围内都是可以的。其他变形、变化和替换也是可以的。

Claims (2)

1.一种电池组，其特征在于，该电池组包括：
至少一个电池单元；以及
电池状态监测电路，将该电池状态监测电路配置成监测从所述至少一个电池单元供给负载的电源电压，并且将该电池状态监测电路配置成响应于对所述被监测的电源电压的跃迁的检测，来检测所述电池组的备用状态的结束，
其中，所述跃迁包括所述被监测的电源电压的正电压跃迁或负电压跃迁，
所述电池状态监测电路包括：
第一比较器，将其配置成检测所述正电压跃迁并提供第一输出信号；
第二比较器，将其配置成检测所述负电压跃迁并提供第二输出信号；以及
输出判定电路，将其配置成接受所述第一输出信号和所述第二输出信号，并提供输出信号，如果所述第一输出信号表示所述正电压跃迁，或者所述第二输出信号表示所述负电压跃迁，则所述输出信号表示所述电池组的所述备用状态的所述结束。
2.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，所述输出判定电路包括一或门和一触发器，所述或门被配置成接收所述第一输出信号和所述第二输出信号，所述触发器被配置成如果所述第一输出信号表示所述正电压跃迁，或者所述第二输出信号表示所述负电压跃迁，则所述触发器从所述或门接收输出信号，并提供表示所述电池组的所述备用状态的所述结束的所述输出信号。
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