CN101814725A - 二次电池 - Google Patents

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Abstract

一种二次电池包括内置充电电路。该二次电池包括：具有正电极和负电极的裸单电池；电连接到所述裸单电池的保护电路部分；电连接到所述保护电路部分的正电极充/放电端子和负电极充/放电端子；用于向所述保护电路部分供应充电电流的充电电路部分；以及电连接到所述充电电路部分的正电极充电端子和负电极充电端子；其中所述充电电路部分包括第一反向电流阻止部件和用于阻止由反向充电对所述第一反向电流阻止部件产生的损害的第二反向电流阻止部件。

Description

二次电池
技术领域
本发明涉及二次电池。更具体地说，本发明涉及用于二次电池的内置充电电路和具有该内置充电电路的二次电池。
背景技术
随着近年来电子、信息通信和计算机行业的快速进步和发展，对便携式电子设备的使用日益增加。二次(可再充电)电池主要用作便携式电子设备的电源。
组型电池当前被广泛用作二次电池。组型二次电池通常具有其中存储和供应电能的裸单电池和控制裸单电池的充/放电的保护电路被集成到一个单元中的结构。
在诸如便携式计算机之类的便携式电子设备中使用的二次电池被构造成使得该电池在它被装在便携式电子设备上的状态下被充电。内置充电电路的二次电池最近也被使用，这种二次电池被配置成使得该电池即使在它与便携式电子设备分离的状态下也能够被充电。不幸的是，二次电池中内置的传统充电电路可能容易被电路部件的反向充电连接产生的电流损害。
图1示出内置有传统充电电路的二次电池的框图。参见图1，二次电池10包括裸单电池20、保护电路部分30以及充电电路部分40。充电电路部分40以使得二次电池10能够在它与便携式电子设备(未示出)分开的状态下被充电的方式形成。充电电路部分40包括连接到正电极充电端子41的第一开关元件42和连接到负电极充电端子43的反向电流阻止元件44，这样充电电路部分40以输入电压高于输出电压的逐步下降(step-down)方式运行。第一开关元件42的占空比由脉宽调制(PWM)控制器45控制，从而获得期望的充电电压。通过第一开关元件42获得的给定充电电压被存储在扼流圈46中，并被施加到保护电路部分30。反向电流阻止元件44阻止充电电流流向负电极充电端子43。当第一开关元件42截止时，反向电流阻止元件44的场效应晶体管(FET)48导通，因此存储在扼流圈46中的能量通过反向电流阻止元件44的二极管47的前向通路引出。
二次电池10即使在它被装在便携式电子设备上的状态下也能够被充电。这是通过连接到保护电路部分30的正电极充/放电端子31和负电极充/放电端子32来实施的。然而，当正电极充/放电端子31和负电极充/放电端子32被错误地反向连接到便携式电子设备时，这会导致反向充电的发生。保护电路部分30检测反向充电事件，从而截止充电开关元件33和放电开关元件34，以实现对保护电路部分30的保护。然而，在充电电路部分40中生成了由虚线表示的不期望的电流(I)。该电流(I)将依次通过负电极充电端子43、反向电流阻止元件44、扼流圈46以及正电极充/放电端子31。电流(I)的流动会导致反向电流阻止元件44生热，从而会对反向电流阻止元件44造成损害。
发明内容
因此，鉴于以上问题而做出本发明，本发明的目的在于提供一种用于二次电池的、能够阻止由反向充电对电池部件造成损害的内置充电电路，以及具有该内置充电电路的二次电池。
根据本发明，以上和其它目的可通过提供一种二次电池来完成，该二次电池包括：具有正电极和负电极的裸单电池；电连接到所述裸单电池的保护电路部分；电连接到所述保护电路部分的正电极充/放电端子和负电极充/放电端子；用于向所述保护电路部分供应充电电流的充电电路部分；以及电连接到所述充电电路部分的正电极充电端子和负电极充电端子；其中所述充电电路部分包括第一反向电流阻止部件和用于阻止由反向充电而对所述第一反向电流阻止部件产生的损害的第二反向电流阻止部件。
根据一方面，上述需要通过对本发明的一种实施方式来满足，该实施方式包括一种二次电池，该二次电池包括：裸单电池以及连接到所述裸单电池的保护电路，其中所述保护电路包括适于连接到负载的正电极端子和负电极端子。在该实施方式中，二次电池进一步包括具有正电极充电端子和负电极充电端子的充电电路部分，其中所述充电电路部分连接到所述裸单电池。在该实施方式中，所述充电电路部分包括第一反向电流阻止部件和第二反向电流阻止部件，所述第一反向电流阻止部件抑制充电电流流向所述负电极充电端子，所述第二反向电流阻止部件抑制由所述保护电路的正电极端子和负电极端子上的反向充电而产生的反向电流的流动造成的损害。
在另一种实施方式中，上述需要通过一种二次电池来满足，该二次电池包括裸单电池和互连在所述裸单电池与适于连接到负载的端子之间的保护电路，其中所述保护电路控制所述裸单电池的充电状态。在该实施方式中，该二次电池进一步包括具有正电极输入端和负电极输入端的充电电路，其中所述充电电路经由所述保护电路向所述裸单电池提供电荷，并且其中所述充电电路定义在所述正电极输入端与所述保护电路之间延伸的正充电通路。在该实施方式中，第一开关设备和电荷存储设备沿该正充电通路被放置，并且所述充电电路定义所述电荷存储设备与所述负电极输入端之间的存储能量放电通路。在该实施方式中，第一反向电流保护元件沿所述存储能量放电通路被放置，并且所述充电电路包括第二反向电流保护元件，该第二反向电流保护元件抑制由连接到所述负载的保护电路的端子上的反向充电对所述充电电路造成损害。
这些以及其它目的和优势将从以下结合附图进行的描述中变得更加明显。
附图说明
图1是具有内置充电电路的传统二次电池的框图；以及
图2是根据本发明一个实施例的具有内置充电电路的二次电池的框图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的实施例。
图2是根据本发明一个实施例的二次电池的框图。
参见图2，二次电池100包括裸单电池110、保护电路部分120、电连接到保护电路部分120的正电极充/放电端子130a和负电极充/放电端子130b、充电电路部分140以及电连接到充电电路部分140的正电极充电端子150a和负电极充电端子150b。
裸单电池110是存储电能并向外供应电能的设备，包括正电极111和负电极112。裸单电池110可以是锂离子单电池或锂聚合物单电池。尽管裸单电池110被示出为单个电池，但是本发明不限于此。裸单电池110可以具有多个单电池串联连接、并联连接或其任意组合的方式连接的结构。
保护电路部分120包括充/放电开关部分121、充/放电控制部分124以及电流检测器127。保护电路部分120控制包括裸单电池110的充/放电的整体运行。
充/放电开关部分121包括充电开关元件122和放电开关元件123。充/放电开关部分121响应于单电池的充/放电而设立电流流动的方向。
充电开关元件122包括充电场效应晶体管(FET)122a和用于充电FET且与充电FET 122a并联连接的寄生二极管122b(在下文中称为“充电FET寄生二极管122b”)。充电FET 122a被布置为使得漏极和源极置于裸单电池110的大电流通路10上。在本发明的场景下，大电流通路10指的是裸单电池110的充/放电电流流经的通路。充电FET 122a响应于从充/放电控制部分124通过栅极输入的控制信号而导通/截止。充电FET 122a在对电池单元充电时导通，而后将充电电流施加于裸单电池110。
充电FET寄生二极管122b沿与充电电流的方向相反的方向连接。当充电FET 122a截止时，充电FET寄生二极管122b切断充电电流，并提供放电电流通路。
放电开关元件123包括放电FET 123a和用于放电FET且与放电FET123a并联连接的寄生二极管123b(在下文中称为“放电FET寄生二极管123b”)。
放电FET 123a被布置为使得漏极和源极被置于裸单电池110的大电流通路10上。放电FET 123a响应于从充/放电控制部分124通过栅极输入的控制信号而导通/截止。放电FET 123a在对电池单元放电时导通，而后将裸单电池110的放电电流通过正电极充/放电端子130a和负电极充/放电端子130b施加于外部负载(未示出)。
放电FET寄生二极管1234b沿与放电电流的方向相反的方向连接。当放电FET 123a截止时，放电FET寄生二极管123b切断放电电流，并提供充电电流通路。
充/放电控制部分124包括模拟前端(AFE)125和微处理器单元(MPU)126。
AFE 125分别电连接到裸单电池110的正电极111和负电极112。另外，AFE 125电连接到充电FET 122a的栅极和放电FET 123a的栅极。AFE 125检测与裸单电池110的正电极111与负电极112之间的电压差相对应的开路电压(OCV)，并且而后它确定裸单电池110的过放电模式、完全放电模式、完全充电模式和过充电模式，并根据每种模式导通/截止充/放电开关部分121的充电FET 122a和放电FET 123a。在这种情况下，AFE 125被提供以内置安装的用于控制充/放电开关部分121的电源控制电路。
AFE 125是特定用途集成电路(ASIC)，并且是用于即时检测电池110的开路电压(OCV)并驱动充/放电开关部分121的电力驱动电路元件。因此，AFE 125根据裸单电池的每种模式，以很高的响应速度导通/截止充/放电开关部分121的充电FET 122a和放电FET 123a，从而为裸单电池110提供主要的保护。
MPU 126包括微处理器(未示出)和无源元件(未示出)、有源元件(未示出)和电连接到微处理器的存储器(未示出)。MPU 126电连接到AFE 125，从而接收裸单电池110的OCV信息的输入，并检测裸单电池110的OCV。进一步，MPU 126可以改变在AFE 125中设立的过放电、完全放电、完全充电和过充电模式的设置电压。进一步，MPU 126向AFE 125输出控制信号，从而控制充/放电开关部分121。进一步，MPU 126计算裸单电池110的充电电流和放电电流。在这种情况下，MPU 126电连接到电流检测元件127的两端，并测量电流检测元件127的两端之间的电压差的变化，从而计算电流值。
电流检测元件127被布置在大电流通路10上。电流检测元件127的两端都电连接到MPU 126。在该实施例中，电流检测元件127由感测电阻器形成。MPU 126测量电流检测元件127的两端之间的电压差，从而计算在大电流通路10中流动的充电电流和放电电流的值。
正电极充/放电端子130a和负电极充/放电端子130b电连接到保护电路部分120。正电极充/放电端子130a和负电极充/放电端子130b是当二次电池100装在诸如便携式计算机之类的便携式电子设备(未示出)上时二次电池100电连接到该便携式电子设备处的部件。正电极充/放电端子130a在大电流通路10上电连接到裸单电池110的正电极111。负电极充/放电端子130b在大电流通路10上电连接到裸单电池110的负电极112。负电极充/放电端子130b接地。裸单电池110的充/放电可通过正电极充/放电端子130a和负电极充/放电端子130b来实现。
充电电路部分140安装在二次电池100内，使得即使在二次电池100与便携式电子设备(未示出)分离时，二次电池100也能够方便地被充电。充电电路部分140以传统的逐步下降方式，将通过正电极充电端子150a和负电极充电端子150b输入的输入电压拉低到期望的电平，而后将输出电压施加于保护电路部分120。充电电路部分140包括第一开关元件141、第一反向电流阻止元件142、脉宽调制(PWM)控制器143、第二反向电流阻止元件144、第三反向电流阻止元件145以及扼流圈146。充电电路部分140在连接在正电极充电端子150a与正电极充/放电端子130a之间的第一通路160和连接在第一通路160的第一点161与接地的负电极充电端子130b之间的第二通路170上形成。第一开关元件141和第三反向电流阻止元件145沿从第一点161到正电极充电端子150a的方向依次置于第一通路160上。扼流圈146沿从第一点161到正电极充/放电端子130a的方向置于第一通路160上。第一反向电流阻止元件142和第二反向电流阻止元件144沿从第一点161到负电极充电端子150b的方向依次置于第二通路170上。
第一开关元件141包括第一FET 141a。第一FET 141a被布置为使得源极和漏极置于连接在正电极充电端子150a和保护电路部分120之间的第一通路160上。第一FET 141a响应于从PWM控制器143通过栅极输入的控制信号而导通/截止，从而控制第一FET 141a的占空比。相应地，通过正电极充电端子150a和负电极充电端子150b输入的输入电压而后下降到充电电压。
第一反向电流阻止元件142被布置在提供第一通路160的第一点161与负电极充电端子150b之间的电连接的第二通路170上。第一反向电流阻止元件142包括第二FET 142a和用于第二FET且与第二FET 142a并联连接的寄生二极管142b(在下文中称为“第二FET寄生二极管142b”)。第二FET 142a被布置为使得源极和漏极置于第二通路170上。第二FET 142a响应于从PWM控制器143输入的控制信号而导通/截止。第二FET 142a的运行与第一开关元件141的第一FET 141a的运行反相关。也就是说，当第一FET 141a导通时，第二FET 142a截止，而当第一FET 141a截止时，第二FET 142a导通。因此，只有当第一FET 141a截止时，存储在扼流圈146中的能量才通过第二通路170引出。
第二FET寄生二极管142b沿与从第一点161到负电极充电端子150b的方向相反的方向连接。第二FET寄生二极管142b阻止待施加于保护电路部分120的充电电流流向负电极充电端子150b，并且另外提供一通路，当第一FET 141a截止时，存储在扼流圈146中的能量可通过该通路放出。
尽管在该实施例中，第一反向电流阻止元件142被例示为包括寄生二极管142b的FET 142a，但是本发明不限于此。第一反向电流阻止元件142可仅由沿从第一点161到负电极充电端子150b的方向相反的方向连接的二极管形成。仅通过安装这种二极管，就可实现期望的目的，例如阻止充电电流流向负电极充电端子150b，以及在第一FET 141a截止时，形成用于使存储在扼流圈146中的能量放出的通路。
PWM控制器143生成PWM信号，并将PWM信号供应给第一开关元件141的第一FET 141a和第一反向电流阻止元件142的第二FET 142a。PWM控制器143将与传送至第一FET 141a的第一控制信号相反的第二控制信号传送至第二FET 142a，使得第二FET 142a的运行与第一FET 141a的运行成相反关系。
第二反向电流阻止元件144被布置在第二通路170上。在正电极充/放电端子130a和负电极充/放电端子130b反向充电连接时，第二反向电流阻止元件144阻止反向电流流经第一反向电流阻止元件142的发生。第二反向电流阻止元件144包括第三FET 144a。第三FET 144a以源极和漏极被置于第二通路170上的方式被布置。第三FET 144a的栅极144b电连接到正电极充/放电端子130a。因此，第三FET 144a的运行取决于正电极充/放电端子130a的极性。当正(+)电压被施加于第三FET 144a的栅极144b时，第三FET144a导通。当零(0)或负(-)电压施加于第三FET 144a的栅极144b时，第三FET 144a截止。为了确保这种运行能够实现，例如n沟道MOSFET可用作第三FET 144a。
第三反向电流阻止元件145是置于第一开关元件141和正电极充电端子150a之间的第一通路160上的二极管。第三反向电流阻止元件145沿与从第一开关元件141到正电极充电端子150a的方向相反的方向被布置，从而阻止电流从第一开关元件141流向正电极充电端子150a。
扼流圈146从第一开关元件141所输出的充电电压中去除高频噪声，而后将最终充电电压施加于保护电路部分120。当第一开关元件141截止时，存储在扼流圈146中的能量通过第二通路170引出。
在下文中，将参照图2更详细地描述二次电池的充电。
首先，将例示当二次电池100以反向充电连接方式装在诸如便携式计算机之类的便携式电子设备(未示出)上时电池的充电。如这里所使用的，术语“反向充电连接”指的是便携式电子设备的连接器到正电极充/放电端子130a和负电极充/放电端子130b的反向极性连接。也就是说，反向充电连接意味着，便携式电子设备的负电极端子连接到二次电池100的正电极充/放电端子130a，而便携式电子设备的正电极端子连接到二次电池100的负电极充/放电端子130b的状态。
在反向充电连接状态下，反向电流在保护电路部分120中流动。MPU 126感测通过电流检测元件127的反向电流的发生，从而检测反向充电连接状态。检测反向充电连接状态的MPU 126通过AFE 125截止充/放电开关部分121的充电FET 122a和放电FET 123a。因此，阻止了反向电流流入保护电路部分120，从而保护了保护电路部分120的电路部件。进一步，由于栅极144b连接到由于反向充电电流连接而被施加负(-)电压的正电极充/放电端子130a，因此充电电路部分140的第二反向电流阻止元件144被截止。因此，可阻止反向电流流入第一反向电流阻止元件142，从而保护了第一反向电流阻止元件142。
若二次电池100在正常状态下被装在便携式电子设备上，则裸单电池110通常由保护电路部分120充电，并且可由第一反向电流阻止元件142的第二FET寄生二极管142b和第三反向电流阻止元件145阻止充电电流流入充电电路部分140。
在下文中，将专门描述当二次电池100与便携式电子设备分离且而后通过充电电路部分140被充电时二次电池的充电。
直流(DC)输入电压通过正电极充电端子150a和负电极充电端子150b被施加于充电电路部分140。传统地，输入电压是由AC适配器施加的。所施加的输入电压被占空比由PWM控制器143控制的第一开关元件141逐步拉低至充电电压，并且被第一开关元件141拉低的电压在扼流圈146中被去除高频噪声，而后作为最终充电电压被施加于保护电路部分120。由于栅极144b电连接到正电极充/放电端子130a，因此正(+)电压被施加于第二反向电流阻止元件144的第三FET 144a，因此第二反向电流阻止元件144的第三FET 144a总是维持在“导通”状态。当第一开关元件141的第一FET 141a处于“导通”状态时，第一反向电流阻止元件142的第二FET 142a截止，从而阻断第二通路170。当第一开关元件141的第一FET 141a截止时，第一反向电流阻止元件142的第二FET 142a导通。这里，第二反向电流阻止元件144的第三FET 144a导通，因此，存储在扼流圈146中的能量通常通过第二通路170引出。
从以上描述中显而易见的是，本发明的配置能够实现本发明的所有上述目的。特别地，本发明被构造为提供了用于阻止由于反向充电而在充电电路中发生不期望的电流的反向电流阻止部件。因此，可阻止对充电电路部件的可能损害。
尽管已经出于例示目的公开了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员应当理解，可以在不脱离如所附权利要求所公开的本发明的范围和精神的前提下，进行各种修改、添加和替换。

Claims (21)

1.一种二次电池，包括：
裸单电池；
保护电路，连接到所述裸单电池，其中所述保护电路包括适于连接到负载的正电极端子和负电极端子；
充电电路部分，具有正电极充电端子和负电极充电端子，其中所述充电电路部分连接到所述裸单电池，其中所述充电电路部分包括第一反向电流阻止部件和第二反向电流阻止部件，第一反向电流阻止部件用于抑制充电电流流向所述负电极充电端子，所述第二反向电流阻止部件用于抑制由所述保护电路的正电极端子和负电极端子上的反向充电产生的反向电流的流动造成的损害。
2.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述第一反向电流阻止部件包括晶体管。
3.根据权利要求2所述的二次电池，其中所述第一反向电流阻止部件进一步包括与所述晶体管并联连接的寄生二极管。
4.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述第一反向电流阻止部件包括二极管。
5.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述充电电路部分具有插置于所述裸单电池与所述正电极充电端子之间以能够控制正在被输送到该裸单电池的电荷的充电控制开关和电荷存储设备。
6.根据权利要求5所述的二次电池，其中所述第一反向电流阻止部件插置于所述电荷存储设备与所述负电极充电端子之间，从而控制放电电流流向所述负电极充电端子。
7.根据权利要求1所述的二次电池，其中所述第二反向电流阻止部件插置于所述第一反向电流阻止部件与所述负电极充电端子之间，并且被布置成在反向充电发生时抑制电流流经第一反向电流阻止部件。
8.根据权利要求7所述的二次电池，其中所述第二反向电流阻止部件包括晶体管，该晶体管具有连接到所述保护电路的电极端子之一的栅极，从而在反向电流情况发生时，该晶体管被截止以抑制电流流经所述第一反向电流阻止部件。
9.根据权利要求8所述的二次电池，其中所述晶体管的栅极电连接到所述保护电路的正电极端子。
10.根据权利要求1所述的二次电池，进一步包括抑制反向电流流经所述充电电路的第三反向电流阻止部件。
11.根据权利要求10所述的二次电池，其中所述第三反向电流阻止部件包括插置于所述正电极充电端子与所述第一反向电流阻止部件之间的二极管。
12.一种二次电池，包括：
裸单电池；
保护电路，互连在所述裸单电池与适于连接到负载的端子之间，其中所述保护电路控制所述裸单电池的充电状态；
充电电路，具有正电极输入端和负电极输入端，其中所述充电电路经由所述保护电路向所述裸单电池提供电荷，其中所述充电电路定义在所述正电极输入端与所述保护电路之间延伸的正充电通路，并且其中第一开关设备和电荷存储设备沿该正充电通路被放置，并且其中所述充电电路定义所述电荷存储设备与所述负电极输入端之间的存储能量放电通路，其中第一反向电流保护元件沿所述存储能量放电通路被放置，并且其中所述充电电路包括第二反向电流保护元件，该第二反向电流保护元件抑制由连接到所述负载的保护电路的端子上的反向充电对所述充电电路造成的损害。
13.根据权利要求12所述的二次电池，其中所述第一反向电流保护元件包括晶体管。
14.根据权利要求13所述的二次电池，其中所述第一反向电流保护元件进一步包括与所述晶体管并联连接的寄生二极管。
15.根据权利要求12所述的二次电池，其中所述第一反向电流保护元件包括二极管。
16.根据权利要求12所述的二次电池，其中所述第一反向电流保护元件插置于所述电荷存储设备与所述负电极输入端之间，从而控制放电电流流向所述负电极输入端。
17.根据权利要求12所述的二次电池，其中所述第二反向电流保护元件插置于所述第一反向电流保护元件与所述负电极输入端之间，并且被配置成在反向充电发生时抑制电流流经第一反向电流保护元件。
18.根据权利要求17所述的二次电池，其中所述第二反向电流保护元件包括晶体管，该晶体管具有连接到所述保护电路的端子之一的栅极，从而在反向电流情况发生时，该晶体管被截止以抑制电流流经所述第一反向电流保护元件。
19.根据权利要求18所述的二次电池，其中所述晶体管的栅极电连接到所述保护电路的一正电极端子。
20.根据权利要求12所述的二次电池，进一步包括抑制反向电流流经所述充电电路的第三反向电流保护元件。
21.根据权利要求20所述的二次电池，其中所述第三反向电流保护元件包括插置于所述正电极输入端与所述第一反向电流保护元件之间的二极管。
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