CN103633682B - 电池组及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池组及其控制方法，该电池组包括：至少一个电池单元；微计算机，具有第一电压测量端、第二电压测量端和参考电压输出端，微计算机被配置成根据第一电压测量端处的第一电压和第二电压测量端处的第二电压检测参考电压输出端处的参考电压的异常来控制所述至少一个电池单元的再充电或放电；电压分配单元，连接在参考电压输出端与地之间，电压分配单元被配置成分配电压并向微计算机输出中间电压作为第一电压；以及电压测量单元，连接在参考电压输出端与地之间，电压测量单元被配置成向微计算机输出二极管的正向电压作为第二电压。

Description

电池组及其控制方法
本申请要求于2012年8月21日在韩国知识产权局提交的名称为“BatteryPack andMethod of Controlling the Same(电池组及其控制方法)”的第10-2012-0091470号韩国专利申请的优先权，该申请通过引用全部包含于此。
技术领域
一个或更多的实施例涉及通过确定电池组是否正常来执行保护操作的电池组以及控制所述电池组的方法。
背景技术
通常，随着例如蜂窝电话和个人数字助理(PDA)的便携式电子装置的发展，已经积极地进行了关于可再充电二次电池的研究。具体地讲，已经开发了各种类型的可再充电二次电池，例如镍金属氢化物电池(NiMH)、锂离子电池、锂聚合物电池、金属锂电池和空气锌电池。可再充电二次电池包括具有电路的电池组，并通过电池组的外部端子执行充电和放电。
传统的电池组可包括电池单元和具有可再充电电路的外围电路。在外围电路被形成为印刷电路基板之后，外围电路可以与电池单元结合。当电池组通过电池组的外部端子连接到外部电力时，用通过外部端子和可再充电电路供应的外部电力对电池单元进行充电；当负载通过外部端子被应用于电池组时，电池单元的电力通过可再充电电路和外部端子被供应到负载。在这点上，外围电路的可再充电电路控制连接到外部端子的电池单元的再充电和放电。通常，多个电池单元并联连接或串联连接。
发明内容
一个或更多的实施例包括一种当电池组中出现安全和功能性问题时不允许再充电或放电的电池组和一种控制该电池组的方法。
另外的方面将在下面的描述中部分地阐述，部分地通过该描述将是明显的，或者可通过给出的实施例的实践而获知。
根据一个或更多的实施例，提供了一种电池组，该电池组包括：至少一个电池单元；微计算机，具有第一电压测量端、第二电压测量端和参考电压输出端，微计算机被配置成根据第一电压测量端处的第一电压和第二电压测量端处的第二电压检测参考电压输出端处的参考电压的异常来控制所述至少一个电池单元的再充电或放电；电压分配单元，连接在参考电压输出端与地之间，电压分配单元被配置成分配电压并向微计算机输出中间电压作为第一电压；以及电压测量单元，连接在参考电压输出端与地之间，电压测量单元被配置成向微计算机输出二极管的正向电压作为第二电压。
微计算机可被配置成：当在第一电压的恒定状态下第二电压的变化率超过临界值时，确定参考电压为异常。
微计算机可被配置成：当检测到参考电压为异常时，停止所述至少一个电池单元的再充电或放电。
微计算机还可包括：模数转换器(ADC)，被配置成根据预先设定的分辨率将在第一电压测量端处测量的第一电压和在第二电压测量端处测量的第二电压的电压值转换成数字值；以及检测单元，被配置成根据第一电压和第二电压的转换后的数字值确定参考电压是否异常。
电压分配单元可包括：具有第一端和第二端的第一器件，第一器件的第一端连接到参考电压输出端；以及具有第一端和第二端的第二器件，第二器件的第一端连接到第一器件的第二端与第一电压测量端之间的节点，第二器件的第二端接地。
第一器件或第二器件可以是具有根据温度而变化的电阻值的器件。
第一器件或第二器件可以是热敏电阻器。
电压测量单元可包括：具有第一端和第二端的第三器件，第三器件的第一端连接到参考电压输出端；以及具有第一端和第二端的二极管，二极管的第一端连接到第三器件的第二端与第二电压测量端之间的节点，二极管的第二端接地。
根据一个或更多的实施例，还提供了一种控制电池组的方法，所述电池组具有微计算机和至少一个电池单元，微计算机具有参考电压输出端、第一电压测量端和第二电压测量端，所述方法包括下述步骤：通过电压分配单元分配电压，使得微计算机通过第一电压测量端接收中间电压作为第一电压，电压分配单元连接在参考电压输出端与地之间；从电压测量单元通过微计算机的第二电压测量端接收正向电压作为第二电压，电压测量单元连接在参考电压输出端与地之间；根据第一电压测量端处的第一电压和第二电压测量端处的第二电压检测微计算机的参考电压输出端处的参考电压是否异常；以及根据关于参考电压的异常的检测结果来控制所述至少一个电池单元的再充电或放电。
检测参考电压是否异常的步骤可包括：当在第一电压的恒定状态下第二电压的变化率超过临界值时，检测到参考电压为异常。
所述方法可包括：当检测到参考电压为异常时，停止所述至少一个电池单元的再充电或放电。
接收中间电压作为第一电压的步骤可包括：在通过使用预定的器件测量所述至少一个电池单元或微计算机的温度之后，接收作为根据测量的温度分配参考电压的结果的电压作为第一电压，所述预定的器件具有根据温度而变化的电阻。
接收第二电压的步骤可包括：从电压测量单元中的二极管接收正向电压作为第二电压，从二极管接收的正向电压根据温度而变化。
附图说明
通过参照附图详细描述示例性实施例，特征对于本领域普通技术人员将变得明显，在附图中：
图1示出了根据实施例的电池组的构造；
图2示出了根据实施例的电池组的电路图；
图3是示出了图2中的二极管的正向电压根据温度变化的特性的图；
图4是总结了根据图2中的微计算机的参考电压的变化的二极管和热敏电阻器的电压和温度的图表；
图5示出了根据实施例的控制电池组的方法的流程图。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图更充分地描述示例实施例；然而，示例实施例可以以不同的形式实施，且不应被解释为局限于这里阐述的实施例。确切地说，提供这些实施例，使得本公开将是彻底的和完整的，且这些实施例将把示例性的实施方式充分地传达给本领域技术人员。
在附图中，为了示出的清楚，可以夸大层和区域的尺寸。还将理解的是，当层(即，元件)被称作“在”另一层或基底“上”时，该层可以直接在所述另一层或基底上，或者也可以存在中间层。另外，还将理解的是，当层被称作“在”两层“之间”时，该层可以是这两层之间唯一的层，或者也可以存在一个或更多的中间层。相同的附图标记始终表示相同的元件。
图1示出了根据实施例的电池组100的构造。图2示出了电池组100的电路图。
参照图1，根据当前实施例的电池组100可包括可再充电电池110和保护电路。保护电路可包括再充电开关120、放电开关130、模拟前端(AFE)集成电路(IC)140、微计算机150、连接到微计算机150的电压分配单元160以及电压测量单元170。
可再充电电池110向其上安装有电池组100的电子装置供应存储的电力。此外，当将充电器连接到电池组100时，可用外部电力对可再充电电池110进行再充电。可再充电电池110可包括至少一个电池单元111(图2)，电池单元111可以是可进行再充电和放电的二次电池。电池单元111可以是可再充电二次电池，例如镍镉电池、镍金属氢化物电池(NiMH)、锂离子电池或锂聚合物电池。电池单元111输出与单元相关的各种信息，例如单元温度、单元的充电电压和通过单元流到AFE IC140的电流的量。
再充电开关120和放电开关130在电池组100与外部端子之间在高电流通路(HCP)上彼此串联连接，以控制充电电流和放电电流的流动。再充电开关120阻断再充电电流，放电开关130阻断放电电流。再充电开关120和放电开关130可包括场效应晶体管(FET)，例如，再充电开关120和放电开关130中的每个开关可以是FET，可以通过微计算机150执行再充电开关120和放电开关130中的每个开关的控制。
AFE IC140并联连接到再充电开关120和放电开关130，并且串联连接在可再充电电池110与微计算机150之间。AFE IC140从电池单元111接收关于电池单元111的信息，例如单元温度、单元的充电电压和流过单元的电流的量，并将接收的信息传送到微计算机150。此外，AFE IC140通过使用来自电池单元111的电压产生微计算机150的驱动电压。
微计算机150是串联连接在AFE IC140与外部系统之间的集成电路，并控制再充电开关120和放电开关130以阻断电池单元111的过充电和过放电。也就是说，微计算机150通过将从电池单元111经AFE IC140接收的电压与微计算机150中设定的电压电平进行比较，然后通过根据比较结果产生的控制信号接通或关断再充电开关120和放电开关130，来阻断电池单元111的过充电和过放电。这里，描述了通过微计算机150的控制来执行再充电开关120和放电开关130的开关控制。然而，可以根据微计算机150的控制通过AFE IC140来控制再充电开关120和放电开关130的开关操作。
具体地讲，微计算机150包括用于测量从电池单元111经AFE IC140接收的电池单元111的电压的ADC151(图2)和产生参考电压的电路。微计算机150将测量的电池单元111的AD值与参考电压进行比较，并通过根据比较结果接通或关断再充电开关120和放电开关130来阻断过充电和过放电。然而，当参考电压因微计算机150的故障而改变时，微计算机150会错误地控制再充电开关120和放电开关130，从而导致电池组100不稳定。
因此，根据示例实施例，电池组100可包括在微计算机150外部的电压分配单元160和电压测量单元170，以检测微计算机150的异常的参考电压。因此，微计算机150可以通过分别从电压分配单元160和电压测量单元170接收电压分配结果和二极管正向电压来检测参考电压的异常状态。当检测到异常的参考电压时，微计算机150关断再充电开关120和放电开关130，从而防止或基本上阻断电池组100中的电池单元111的过充电和过放电。在下文中，参照图2详细地描述微计算机150、电压分配单元160和电压测量单元170的操作。
参照图2，微计算机150可包括再充电控制端CHG、放电控制端DCG、参考电压输出端OUT、第一电压测量端IN_1和第二电压测量端IN_2。参考电压输出端OUT输出模拟参考电压，例如1.5V。第一电压测量端IN_1接收电压分配单元160的分配电压作为第一电压。第二电压测量端IN_2接收电压测量单元170的二极管正向电压作为第二电压。
电压分配单元160分配参考电压，并形成在微计算机150的参考电压输出端OUT与地之间。电压分配单元160包括位于微计算机150的参考电压输出端OUT与地之间的第一电阻R1和第二电阻R2，并输出通过分配而得到的中间电压作为第一电压。具体地讲，电压分配单元160的第一电阻R1的一端连接到微计算机150的参考电压输出端OUT，第一电阻R1的另一端连接到第一电压测量端IN_1与第二电阻R2的一端之间的节点。第二电阻R2的一端连接到第一电压测量端IN_1与第一电阻R1的另一端之间的节点，第二电阻R2的另一端接地。这里，第二电阻R2是其电阻值根据温度而变化的器件，例如，其电阻值随温度升高而减小的具有负温度系数(NTC)的热敏电阻器。可选择地，第二电阻R2是其电阻值随温度升高而增大的具有正温度系数(PTC)的热敏电阻器。在可选的实施例中，第一电阻R1是其电阻值根据温度而变化的器件，例如，其电阻值随温度升高而减小的具有负温度系数(NTC)的热敏电阻器或其电阻值随温度升高而增大的具有正温度系数(PTC)的热敏电阻器。
通过第一电阻R1和第二电阻R2分配从微计算机150的参考电压输出端OUT输出的参考电压，因此输入到微计算机150的第一电压测量端IN_1的电压根据温度而变化。例如，当温度升高时，因为作为具有负温度系数(NTC)的热敏电阻器的第二电阻R2的电阻值减小，所以第一电阻R1和第二电阻R2分配的输入到微计算机150的第一电压测量端IN_1的第一电压减小。然而，当温度降低时，因为第二电阻R2的电阻值增大，所以第一电阻R1和第二电阻R2分配的输入到微计算机150的第一电压测量端IN_1的第一电压增大。以这种方式，可通过输入到第一电压测量端IN_1的第一电压信号估计电池单元111或微计算机150的当前温度。
此外，当从微计算机150输出的参考电压在恒定的温度状态下变化时，电压分配单元160分配的第一电压的变化与参考电压的变化率一致。也就是说，当在相同的温度条件下参考电压相对于当前电压增大时，第一电压增大到比当前电压高的值。类似地，当在相同的温度条件下参考电压相对于当前电压减小时，第一电压减小到比当前电压低的值。这是因为当温度条件恒定时，第二电阻R2的电阻值恒定。
电压测量单元170形成在微计算机150的参考电压输出端OUT与地之间。电压测量单元170输出二极管正向电压作为第二电压，并包括第三电阻R3和二极管。第三电阻R3的一端连接到微计算机150的参考电压输出端OUT，另一端连接到微计算机150的第二电压测量端IN_2与二极管D1的一端之间的节点。二极管D1的一端连接到微计算机150的第二电压测量端IN_2与第三电阻R3的另一端之间的节点，二极管D1的另一端接地。这里，二极管D1的二极管正向电压Vf的值根据温度而变化。
图3示出了输入到微计算机150的第二电压测量端IN_2的第二电压的数字值根据温度变化的图。这些值与二极管D1的正向电压Vf的根据温度变化的特性一致。参照图3，当温度升高时，因为二极管D1的正向电压Vf减小，所以输入到微计算机150的第二电压测量端IN_2的第二电压减小。然而，当温度降低时，因为二极管D1的正向电压Vf增大，所以输入到微计算机150的第二电压测量端IN_2的第二电压增大。此外，当温度恒定时，二极管D1的正向电压Vf保持在当前状态。
微计算机150可包括ADC151和检测单元152。ADC151将分别从第一电压测量端IN_1和第二电压测量端IN_2输入的第一电压和第二电压转换成数字电压值。从ADC151输出的数字值根据ADC151中预先设定的分辨率(resolution)改变。
这里，分辨率表示数字输出变化一个量级所对应的模拟输入的最小变化。这是ADC可表示的最低模拟值。也就是说，当ADC是n比特的时侯，数字输出数据的范围是0至2n-1，因此分辨率是满量程(full scale)电压除以2n得到的值。例如，当使用具有10比特的ADC将满量程为大约0V至大约1.5V的电压转换成数字值时，分辨率可以表示为1.5/210V，即，大约0.00146V。此外，当使用具有10比特的ADC将满量程为大约0V至大约2.0V的电压转换成数字值时，分辨率可以表示为2.0/210V，即，大约0.00195V。以这种方式，当ADC的比特数相同时，分辨率与满量程范围成正比。此外，当满量程范围恒定时，ADC的比特数与分辨率成反比。也就是说，ADC151通过根据预先设定的分辨率转换第一电压和第二电压来输出数字值。注意的是，“满量程”是指ADC可输出的最大电压值。
检测单元152检查从ADC151输出的第一电压和第二电压的数字值。当第二电压的变化率超过临界值，同时第一电压恒定时，检测单元152检测到参考电压的异常。当检测到参考电压的异常时，微计算机150通过再充电控制端CHG和放电控制端DCG关断再充电开关120和放电开关130。
在下文中，现在将参照图4详细描述检测参考电压的异常的方法。图4总结了根据参考电压的变化的二极管和热敏电阻器的电压和温度。参照图4，假定当微计算机150正常操作时输出1.5V的参考电压，并且当微计算机150异常操作时输出2.0V的参考电压。
当微计算机150正常操作时，即，当微计算机150的参考电压是1.5V时，微计算机150通过在ADC151转换从电压分配单元160经第一电压测量端IN_1接收的第一电压(例如，0.75V)计算出数字值500。当数字值500被转换成温度时，数字值500对应于温度20℃。当温度是20℃时，微计算机150通过在ADC151转换从电压测量单元170经第二电压测量端IN_2接收的第二电压(例如，0.6V)计算出数字值2450。参照图3，温度20℃等于绝对温度293.1K，在绝对温度293.1K下第二电压的数字值是2450。
然而，在微计算机150的异常操作时，即，当微计算机150的参考电压是2.0V时，微计算机150通过在ADC151转换从电压分配单元160经第一电压测量端IN_1接收的第一电压(例如，1.0V)计算出数字值500。当数字值500被转换成温度时，数字值500对应于温度20℃。当温度是20℃时，微计算机150通过在ADC151转换从电压测量单元170经第二电压测量端IN_2接收的第二电压(例如，0.6V)应当计算出数字值2450。然而，如图4中所示，微计算机150通过在ADC151转换从电压测量单元170经第二电压测量端IN_2接收的第二电压(例如，0.6V)计算出数字值2200，即，不是2450。参照图3，第二电压的数字值2200表示温度为40℃(313.1K的绝对温度)时的第二电压。
该结果(即，确定温度40℃)可导致两种可能的结论。第一，如果第二电压(即，二极管D1的正向电压Vf)改变，则电池单元111的温度或微计算机150的温度可能升高。第二，如果第二电压(即，二极管D1的正向电压Vf)改变，则从微计算机150输出的参考电压可能改变。
然而，如图4中所示，温度恒定在20℃。在此状态下，虽然参考电压改变，但是第一电压的数字值是500。以这种方式，在温度恒定在20℃的状态下，第二电压的数字值应当被计算为2450。然而，因为计算出的第二电压的数字值是2200，所以确定参考电压改变。如上所述，这是因为ADC151的满量程值从0～1.5V变成0～2.0V，分辨率改变，从而改变了第二电压的数字值。以这种方式，当在恒定的温度条件下且在恒定的第一电压下，第二电压的变化率超过临界值时，微计算机150检测到参考电压为异常，并通过关断再充电开关120和放电开关130保护电池组100免于过充电和过放电。
图5示出了根据实施例的控制电池组100的方法的流程图。在控制电池组100的方法中，可通过如图1中所示的微计算机150和另外的外围元件执行对电池组100的控制。在下面的说明中，不重复与图1至图4中的元件相同的元件的描述。
参照图5，微计算机150接收参考电压作为第一电压，其中，通过连接在参考电压输出端OUT与地之间的电压分配单元160分配参考电压(S10)。
电压分配单元160包括串联连接在参考电压输出端OUT与地之间的第一电阻R1和第二电阻R2。这里，第二电阻R2是其电阻值根据温度而变化的器件。例如，第二电阻R2可以是具有NTC(即，随温度升高而减小的电阻值)的热敏电阻器。通过第一电阻R1和第二电阻R2分配从微计算机150的参考电压输出端OUT输出的参考电压，输入到微计算机150的第一电压测量端IN_1的电压根据温度而改变。
当完成第一电压的接收时，微计算机150从连接在参考电压输出端OUT与地之间的二极管D1接收正向电压Vf(S20)。
二极管D1与第三电阻R3一起串联连接在参考电压输出端OUT与地之间。温度与来自二极管D1的正向电压Vf成反比。因此，当电池单元111或微计算机150的温度升高时，二极管D1的正向电压Vf减小，因此，输入到微计算机150的第二电压测量端IN_2的第二电压减小。然而，当电池单元111或微计算机150的温度降低时，二极管D1的正向电压Vf增大，因此，输入到微计算机150的第二电压测量端IN_2的第二电压增大。此外，当温度恒定时，二极管D1的正向电压Vf保持在当前状态。
之后，微计算机150确定当第一电压保持在恒定值时第二电压是否改变(S30)。当在第一电压为恒定值的情况下第二电压改变时，微计算机150检测到(即，确定)参考电压为异常(S40)。
在微计算机150接收第一电压和第二电压之后，其中预先设定了分辨率的ADC151将第一电压和第二电压转换成数字值。从由第一电压转换而来的数字值的恒定状态，微计算机150可以确定电池单元111或微计算机150的温度状态为恒定。也就是说，当从微计算机150输出的参考电压在恒定的温度条件下改变时，电压分配单元160分配的第一电压与参考电压的变化率一致。此外，当在被转换成数字值的第一电压的恒定状态下，被转换成数字值的第二电压改变时，微计算机150检测到参考电压为异常。这是因为ADC151的满量程值因参考电压的改变而改变，因此，分辨率改变。结果，第二电压的数字值因分辨率的改变而改变。
以这种方式，当由于在第一电压的恒定状态下第二电压的改变，微计算机150检测到参考电压为异常时，微计算机150停止电池单元111的再充电或放电，从而保护电池组100(S50)。
根据示例实施例，通过检测微计算机的参考电压的异常来停止电池单元的再充电和放电，当存在电池组的安全和功能性问题时可以保护电池组。也就是说，电池组可包括在微计算机外部的电压分配单元和电压测量单元，以检测微计算机的异常的参考电压。
虽然已经参照示例实施例的优选实施例具体地示出并描述了示例实施例，但是本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离本发明的由所附权利要求限定的精神和范围的情况下，在此可以做出形式和细节上的各种改变。应当仅以描述性的含义看待优选实施例，而不是为了限制的目的。因此，本发明的范围不是由本发明的具体实施方式限定，而是由所附权利要求限定，在该范围内的所有不同将被解释为被包括在本发明中。

Claims (11)

1.一种电池组，包括：
至少一个电池单元；
微计算机，包括第一电压测量端、第二电压测量端、以及输出由微计算机产生的参考电压的参考电压输出端，微计算机控制所述至少一个电池单元的再充电或放电；
电压分配单元，连接在参考电压输出端与地之间，电压分配单元将参考电压进行划分并向微计算机的第一电压测量端输出划分的参考电压作为第一电压；以及
电压测量单元，连接在参考电压输出端与地之间，电压测量单元向微计算机的第二电压测量端输出二极管的正向电压作为第二电压，其中
微计算机分别通过第一电压测量端和第二电压测量端接收第一电压和第二电压，并且基于所述第一电压和所述第二电压检测参考电压是否为异常电压，其中
电压分配单元和电压测量单元从微计算机接收参考电压，并且通过使用参考电压分别产生第一电压和第二电压。
2.根据权利要求1所述的电池组，其中，当检测到参考电压为异常电压时，微计算机停止所述至少一个电池单元的再充电或放电。
3.根据权利要求1所述的电池组，其中，微计算机还包括：
模数转换器，根据预先设定的分辨率将第一电压和第二电压的电压值转换成数字值；以及
检测单元，根据第一电压和第二电压的转换后的数字值确定参考电压是否异常。
4.根据权利要求1所述的电池组，其中，电压分配单元包括：
具有第一端和第二端的第一器件，第一器件的第一端连接到参考电压输出端；以及
具有第一端和第二端的第二器件，第二器件的第一端连接到第一器件的第二端与第一电压测量端之间的节点，第二器件的第二端接地。
5.根据权利要求4所述的电池组，其中，第一器件或第二器件是具有根据温度而变化的电阻值的器件。
6.根据权利要求5所述的电池组，其中，第一器件或第二器件是热敏电阻器。
7.根据权利要求4所述的电池组，其中，电压测量单元包括：
具有第一端和第二端的第三器件，第三器件的第一端连接到参考电压输出端；以及
具有第一端和第二端的二极管，二极管的第一端连接到第三器件的第二端与第二电压测量端之间的节点，二极管的第二端接地。
8.一种控制电池组的方法，所述电池组具有微计算机和至少一个电池单元，微计算机具有输出由微计算机产生的参考电压的参考电压输出端、第一电压测量端和第二电压测量端，所述方法包括下述步骤：
通过电压分配单元将参考电压进行划分，使得微计算机通过第一电压测量端接收划分的参考电压作为第一电压，电压分配单元连接在参考电压输出端与地之间；
从电压测量单元通过微计算机的第二电压测量端接收二极管的正向电压作为第二电压，电压测量单元连接在参考电压输出端与地之间；
基于第一电压测量端处的第一电压和第二电压测量端处的第二电压检测参考电压是否为异常电压；以及
根据参考电压是否为异常电压来控制所述至少一个电池单元的再充电或放电，其中
电压分配单元和电压测量单元从微计算机接收参考电压，并且通过使用参考电压分别产生第一电压和第二电压。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法还包括：当检测到参考电压为异常电压时，停止所述至少一个电池单元的再充电或放电。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，接收第一电压包括：所述至少一个电池单元或微计算机的温度信息，其中，所述至少一个电池单元或微计算机的温度信息由预定的器件产生，所述预定的器件具有根据温度而变化的电阻。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，接收第二电压的步骤包括：接收电压测量单元中的二极管的正向电压作为第二电压，所述二极管的正向电压根据温度而变化。
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