CN103814298B - 自动检测电池插入的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种可充电电源电池，除非将电源电池插入配置为接受电源电池的装置中，否则在其正负电源端之间没有电压。电源电池包括电池管理处理器和电池插入检测电路，所述电池管理处理器和电池插入检测电路协作以确定何时动力电池被插入装置中，然后驱动电子开关以提供从电源电池至电池的正极端的电流传导。

Description

自动检测电池插入的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年8月10日提交的美国临时申请No.61/522,203和2011年4月28日提交的美国临时申请No.61/480,286的优先权的权益。
本申请涉及___提交的、序列号为___、题目为“Battery Management System ForControl of Lithium Power Cells”的美国申请；___提交的、序列号为___、题目为“LatchMechanism For Battery Retention”的美国申请；___提交的、序列号为___、题目为“Battery Management System With MOSFET Boost System”的美国申请；___提交的、序列号为___、题目为“System and Method For Tracking And Archiving BatteryPerformance Data”的美国申请；___提交的、序列号为___、题目为“Viral Distributionof Data,Operating Parameters and Software Using A Battery As A Carrier”的美国申请；这些申请的全部由此通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种向装置供电的电池组。更具体地，本发明涉及电池组和电池管理系统，该电池管理系统用于管理电池组的充放电以便最大化在使用时对所述装置有效的充电量并以延长电池的使用寿命的方式给电池再充电。
背景技术
心肺复苏术（CPR）是一种用于使遭受心跳停止的人们苏醒的众所周知的有价值的急救方法。CPR要求重复胸部按压以按压心脏和胸腔以把血液泵压到全身。人工呼吸，比如嘴对嘴呼吸或面罩装置，用于向肺提供空气。当急救提供者有效执行人工胸部按压时，身体中的血流量大约为正常血流量的25%-30%。然而，即便经验丰富的医护人员也不能维持超过几分钟的足够胸部按压。参见Hightower,et al.,Decay In Quality Of ChestCompressions Over Time,26Ann.Emerg.Med.300(September1995)。因此，在维持或恢复病人时CPR经常不成功。不过，如果适当维持胸部按压，则心跳骤停的病人可支撑更长时间。已经报道延长CPR努力（45-90分钟），最后利用冠状动脉搭桥手术救活病人的临时报告。参见Tovar,et al,Successful Myocardial Revascularization and Neurologic Recovery,22Texas Heart J.271(1995)。
尽力提供更通畅的血液流动并增加旁观者复苏努力的效果，已经提出各种机械装置用于执行CPR。在此等装置的一个变形中，将皮带放置在病人胸部周围，自动胸部按压装置将皮带收紧以使胸部按压生效。参见我们自己的专利，Mollenauer等人的题目为Resuscitation device having a motor driven belt to constrict/compress thechest的美国专利No.6,142,962（2000年11月7日）、Bystrom等人的题目为Resuscitationand alert system的美国专利No.6,090,056（2000年7月18日）、Sherman等人的题目为Modular CPR assist device的美国专利No.6,066,106（2000年5月23日）、以及Sherman等人的题目为Modular CPR assist device的美国专利No.6,398,745（2002年6月4日）；以及2001年5月25日提交的序列号为09/866,377的申请、2002年7月10日提交的序列号为10/192,771的申请以及2010年3月17日提交的序列号为12/726,262的申请示出了用皮带按压病人胸部的胸部按压装置。这些专利或申请中的每一个由此通过引用全部并入。
由于在紧急情况下争分夺秒，因此任意CPR装置都应易于使用且有利于将装置迅速布置在病人身上。我们自己的装置易于快速布置并且可以显著提高病人的生存机率。
这类装置的一个重要方面是需要强有力且可靠的小电源来给装置供电。CPR被支配至少三十分钟是并不少见的。因此，电源必须能够将足够的能量传递至至少在这么长的时间内驱动按压装置的电机。而且，电源必须是相对轻型的，以便增强胸部按压装置的可携带性，还必须在延长的时间段内传递其电能，而电压或电流不会明显下降，以便确保按压在治疗期间完全一致。
已经设计了提供为机械按压装置供电所需的这类大电流功率电池的各种方法。因为使用了更高效的电池设计和化学反应，所以出现了谨慎管理电池充放电的需求。为了满足该需求，已经设计了复杂的电池管理电路，包括处理器、存储器及其他组件的使用。所有这些组件需要匹配在为待供电的一个设备中使用而设计的电池外壳的范围内。
为了防止电池端子的意外短路，表明有希望的一种方法是电气隔离电池和端子，除非将电池正确插入待供电的装置、充电器或其他授权装置中。此隔离需要使用可以由电池管理软件和硬件控制的某种开关。
所需的且迄今为止不可用的是能够将高电流输出以便为例如医疗装置供电的轻型、可靠的电池组。这种电池应该还包括机构和/或电路以防止电池在电池端子意外短路的情况下快速的高电流放电。本发明满足这些以及其他需求。
发明内容
在最普遍的方面，本发明提供了一种能够可靠地提供高功率和电流以便在延长的时间段内给装置供电的高性能电池组。而且，电池组包括监测并控制电池操作的所有方面，包括电池的充放电的电池管理系统。电池管理系统也能够记录在电池组充放电期间发生的事件，并能够传送这些事件以备稍后分析。电池管理系统还能够利用增强的或改进的操作参数更新，并能够管理各种电池化学反应以提供前向和后向兼容性。
在一个方面，本发明的电池管理系统包括电路，该电路防止电流或电压流至电池的电源端，除非将电池正确插入设计为接受电池的设备，例如旨在由电池供电的装置、电池充电器等。在这个方面，电池管理系统配置为利用适当的编程命令监测电池连接器上的所选针脚并响应于所选状态的检测使电流能够流过电池的电源端来进行。
在另一方面，本发明包括一种电池连接检测电路，包括：第一参考电压源和第二参考电压源；由第一参考电压源驱动至高电平的检测线；用于比较来自第二电压源的信号和检测线上的信号的比较电路，其中比较电路的输出在检测线上的信号变为低电平时变为低电平。
在又一方面，本发明包括一种用于医疗装置的可充电电池，包括：具有至少一个电池的电池组；设置在电池组上的连接器，所述连接器具有分别与至少一个电池的正极侧和负极侧电气连通的正极端和负极端，所述连接器还具有配置为结合要由电池组供电的装置中的对应端的检测端；设置在至少一个电池的正极侧和连接器的正极端之间的开关；与电池和开关构件电气连通的电池管理处理器；与检测端电气连通的电池检测电路，所述电池检测电路配置为在将电池组插入配置为接受电池组的装置中时向电池管理处理器提供电池检测信号；以及其中电池管理处理器向开关构件提供信号以响应于电池检测信号来控制开关构件以便允许电流从至少一个电池的正极侧至连接器的正极端流过开关构件。
在再一方面，至少一个电池基于锂离子化学。在又一替代方面，开关是n-FETMOSFET器件。
在另一替代方面，在不将电池组插入配置为接受电池组的装置中时，电池检测电路的输出偏置为高电平。在再一替代方面，将电池组插入配置为接受电池组的装置中的所述插入驱动电池检测电路的输出为低电平。在又一方面，电池检测信号具有边缘，所述边缘在边缘由电池管理处理器接收时充当中断，并且在再一方面，边缘是当检测信号从高电平状态降至低电平状态时形成的下降边缘。
在更进一步的方面，在连接器的检测端结合配置为接受电池组的装置中的对应端时，检测信号从高电平状态降至低电平状态。
在再一方面，配置为接受电池组的装置中的对应端接地。
在另一方面，电池管理处理器接收中断并分析检测信号以确定所述信号是具有高电平状态还是具有低电平状态。在替代的方面，如果检测信号具有低电平状态，电池管理处理器向开关提供信号以便允许电流流过开关。
在又一方面，电池检测电路包括由第一电压偏压的检测线和由第二电压偏压的参考线，还具有用于比较第一电压和第二电压的比较电路，比较电路具有输出，所述输出在第一电压大于第二电压时具有第一状态，在第一电压小于第二电压时其具有第二状态。在替代的方面，第二状态指示已经将电池组插入配置为接受电池组的装置中，并且在另一替代的方面，比较电路包括被配置为比较器的运算放大器。
在再一方面，电池检测电路包括静电保护构件。
在又一方面，开关是机械开关或互锁装置。
在进一步的方面，电池管理处理器配置为通过连接器向待供电装置提供握手信号。在更进一步的方面，握手信号被加密。
本发明的其他特征和优点结合附图根据以下详细描述将变得一目了然，附图经由实例的方式示出了本发明的特征。
附图说明
图1示出了通过利用机械胸部按压装置对病人执行胸部按压的方法。
图2是图1的机械胸部按压装置的透视图，示出了装置的底侧和前侧。
图3是图1的机械胸部按压装置的透视图，示出了除去的底盖板和后盖板。
图4A是根据本发明的电池组的透视图，示出了设置在电池组前侧上的电池闩锁。
图4B是图4A的电池组的透视图，示出了设置在电池组后侧上的连接器、指示器和按钮。
图5是示出了本发明的电池组的一个实施例的各种组件的分解透视图。
图6是根据本发明的原理的电池管理系统的实施例的示意图。
图7是本发明的实施例的示意图，示出了用于在将电池插入装置中时进行检测的示例性电路。
具体实施方式
本发明的各个实施例涉及提供用于给移动设备，特别是医疗装置供电的可充电电池。本发明的实施例在需要电池在可预测的时间段内提供大量电流时特别有利。而且，本发明的实施例包括控制电池操作的所有方面的电池管理系统，还包括其中存储有与电池有关的在电池的使用寿命期间发生的事件的存储器。而且，电池管理系统的实施例包括适应于利用不同电池化学反应的电池的能力，并且还能够通过通信端口来更新。
尽管参照机械按压装置描述了本发明的各个实施例，但是本领域技术人员能够立即理解的是，这些实施例不限于给此装置供电。事实上，此使用仅仅是示例性的，根据本发明的各个实施例的电池可以用于给任意装置供电，具体地，给医疗装置供电，其中此电池的能力满足了该装置的设计要求。
当根据本发明的各个实施例的电池与机械按压装置一起使用时，电池必须能够给机械按压装置供电足够长的时间以便不仅仅在现场治疗病人，而且还可以在将病人从现场运送至护理中心期间治疗病人。然而，经验表明病人的体积和体重是确定电池在治疗期间的电流损耗量的因素。相应地，治疗比一般病人大的病人需要消耗电池的更多电流。
例如，研究发现胸深、胸宽和胸围是影响给机械按压装置供电的电池的电流损耗量的因素。其他研究表明平均成人男性的平均胸深为9.4英寸，平均胸宽为12.2英寸，平均胸围为39.7英寸。参见Young,JW,RF Chandler,CC Snow,KM Robinette,GF Zehner,MSLofberg,Anthropometric and Mass Distribution Characteristics of the AdultFemale,FAA Civil Aeromedical Institute,Okalhoma City,OK,Report No.FAA-AM-83-16,1983；Anthropometry and Mass Distribution for Human Analogues:Volume1:Military Male Aviators,Report No.USAFSAM-TR-88-6,March,1988；Haslegrave,CM,"Characterizing the anthropometric extremes of the population",Ergonomics,29:2,pp.281-301,1986;Diffrient,N,AR Tilley,JC Bardagy,Human Scale1/2/3,The MITPress,Cambridge,MA,1974；和PeopleSize Pro Software,Open Ergonomics Ltd.,34Bakewell Road,Loughborough,Leicestershire,LE115QY,United Kingdom，其全部通过引用并入本文。可以针对平均体积的病人维持机械按压装置的操作至少三十分钟，针对大于平均体积的病人维持至少二十分钟的电池是有利的。
现在详细的参照附图，其中类似的参考编号在几个图中指的是类似的或对应的元件，在图1中示出了装在病人1上的胸部按压皮带。胸部按压装置2利用皮带3施加按压，该皮带3具有皮带右部3R和皮带左部3L。胸部按压装置2包括皮带驱动平台4和按压皮带套筒5（其包括皮带）。皮带驱动平台包括病人抵靠在其上的壳体6、用于拉紧皮带的构件、处理器和设置在壳体上的用户接口。皮带包括拉力带18和19以及皮带两端的宽负载分配部16和17。用于拉紧皮带的构件包括附接至驱动线轴的电机，皮带在使用过程中缠绕在驱动线轴上并拉紧。胸部按压装置的设计，如本文所示，可作为轻型机电胸部按压装置。完全组装的胸部按压装置仅29磅重，因此在长距离内是可手提的。装置本身大约22.0-23.0磅重，该电池，在本发明的至少一个实施例中，为2-5.0磅重，优选约3磅重。皮带套筒约0.8磅重，用于固定病人的拉力带约1.6磅重。
图2示出了从优先方向看见的胸部按压装置的后侧23。在图2的透视图中，平均体积的病人的臀部和病人的腿的后面会延伸穿过下面的缓冲器40。装置围绕相对于壳体横向取向的坚固槽型梁41构建。槽型梁支撑所述装置抵抗在按压期间产生的力。槽型梁还充当皮带套筒附接至其上的结构。
槽型梁41形成延伸跨过装置的横向宽度的槽。在按压期间，皮带设置在槽中并沿槽行走。皮带附接至横跨槽的驱动线轴42。
图3示出了胸部按压装置2的内部组件。电机79可操作用于通过离合器80和变速箱81向驱动线轴42提供转矩。附接至电机的上侧的制动器82可操作用于制动驱动线轴的运动。制动轮毂直接连接至电机的转子轴。
电机79和制动器82由全部安装在前盖板60内侧上的处理器单元83、电机控制器84和功率分布控制器控制。处理器单元包括计算机处理器、非易失性存储器装置和显示器。
处理器单元设置有用于控制功率控制器和电机控制器的软件。处理器单元、功率控制器和电机控制器一起构成能够精确控制电机的操作的控制系统。因此，按压的时间和力针对不同体积的病人进行自动精确的控制。
图2和图3还示出了靠近病人头部的位置的电池室121。电池组和电池室的位置和设计允许快速更换电池。在电池室后部中的弹簧挤出电池组，除非将电池组全部正确地插入室中。电池组一端上的闩锁结合电池室121中的接收器以便在将电池组插入电池室中时将电池组保持在电池室中。凹部120指示电池室121内侧的弹簧位置。电池室端部的塑料格栅122加固凹部。
图4A和图4B是分别示出了电池组的前侧205和后侧210的电池组200的透视图。在将电池组插入电池室121中时电池组的前侧205面向外面且对用户可见（图3）。如图4A所示，前侧205包括结合电池室121中的接收器的闩锁215以便将电池组200保持在电池室内。图4A中还示出了设置在电池组的前端的顶侧上的一对突起耳片217。这些耳片与闩锁协作以便通过防止电池的顶部在电池插入期间向上拱，迫使闩锁与电池闩锁接收器或电池室的突出部分正确结合来确保电池正确安装在电池室中。
电池组的后侧210，如图4B中所见，包括连接至电池室121中的连接器以便使机械按压装置的控制器或处理器和电池组200之间可以电气连通的连接件220。连接器不仅允许电流从电池组流动以便给机械按压装置供电，而且还提供电池组和控制机械按压装置的操作的处理器或计算机之间的数据流、编程命令和其他信息，比如电池充电状态、放电率、放电的剩余时间等。类似地，连接器220可以配置为与电池充电器中的连接器连接以便给电池组的电池充电，并提供充电器和电池组之间的数据流、软件程序或命令和/或其他信息。还要设想的是，连接器220可以用于将电池组连接至通信网络，该通信网络允许电池组和也与该网络连接的其他计算机、服务器、处理器或装置之间的信息流。要理解的是，网络可以是有线网络，比如以太网，或者可以是无线网络。网络可以是局域网，或者可以是广域网，比如WLAN或互联网。
状态指示器225，例如其可以是一个或多个发光二极管（LED）或类似装置，也设置在电池组200的后端210上以便提供（例如）电池组的充放电状态、影响电池组操作的任意故障存在或对电池的用户有用的其他信息的可视指示。还包括按钮230，按钮230例如可用于启动电池组的重设。可替代地，按钮230可用于启动诊断试验，其结果可以用状态指示器225表示。在其他实施例中，按下按钮230可以启动电池组中的处理器的其他功能，例如包括但非限制地，确定电池的剩余容量，通过使用状态指示器225等显示故障码，等。
图5是电池组200的分解透视图。该分解视图中的电池组200已经从图4A和图4B的视图反转。电池组具有底部外壳234和顶部外壳232。具有电池闩锁236、杠杆底座238和杠杆闩锁240的电池闩锁组件在将电池组插入电池室中时安装在电池组的面向外面的一侧，并利用底部外壳和顶部外壳固定到位。杠杆闩锁240具有插入形成在电池闩锁236的一面中的凹槽或槽口243中的翼241，杠杆底座238安装在底部外壳上以便将杠杆闩锁240可枢转地保持在外壳中。按压弹簧254设置在电池闩锁236的底端和顶部外壳232之间。突部255设置在电池闩锁238的顶端，并配置为通过槽口251凸出，该槽口251延伸穿过底部外壳234的厚度。以这种方式，电池闩锁236可以由用户操纵以结合突部255并将突部255与位于机械按压装置中的闩锁接收器分离以便将电池组插入电池室和释放电池组以从电池室121中移除。
设置在电池组的后端210的是电池入口板242，其上安装有连接器220、指示器225和按钮230（图4B）。入口板256利用一个或多个螺钉250安装在底部外壳232上。入口板还可以利用一个或多个螺钉256紧固在顶部外壳252上。在一些实施例中，防水垫片262可以用于防止流体进入电池组的内部。而且，标签260可以用于相对于可以由指示器225提供的各种指示向用户提供信息。
其上安装有处理器、存储器和电气电路的用于管理电池的各种操作的电池管理板244（下面更详细的描述）利用螺钉或其他紧固件258安装在电池组件246上。电池组件246包括一个或多个电池248。电池248可以是利用各种电池化学反应，比如镍金属氢化物、氢化锂、锂离子等的电池。电池管理板244和电池组件246还可以包括一对飞溅防护罩266，这对飞溅防护罩安装在电池组件246的左右两侧上以防止单独的电池248的端子意外接触组件的其他部分，由此提供防止电池短路的防护罩。
电池组200还包括至少一个通风孔264，示出设置在顶部壳体中以允许给电池组通风，从而防止在电池组充放电期间电池248产生的潜在易燃或易爆气体的聚集。尽管示出设置在顶部外壳中，但本领域技术人员要理解的是，通风孔可以通过电池组的任意壁或侧进行设置。通风孔264可以是延伸通过电池组的壁或侧的简单孔。可替代地，通风孔264可以包括过滤构件265，比如网屏或疏水膜以防止颗粒或流体或水分进入电池组的内部。这些通风孔的其他优点在于一个或多个通风孔在电池组的内部和外部之间提供压力均衡，比如在将电池组运输至较高或较低高度时可能会出现。
上文描述的机械按压装置需要可靠的电源来操作。要求装置在三十分钟以上的范围内用于向急救中的病人提供复苏并非不同寻常。机械按压装置的电机的转矩和功率需求在按压期间需要七十安培的电流峰值。如果不能利用电池向控制按压的电机传递足够的电流，则电压下降并且电机可能无法产生足够的转矩以确保病人胸部的完全按压。
本发明的发明人已经意识到具有非常低的总内部电阻是确保当电池处于恒定功率消耗时电池的延长和可靠操作的关键。已经发现可用于要求大功率的装置的一个这样的电池化学反应是利用锂离子化学的电池，比如可从A123系统公司获得的ANR26650M1-A或ANR26650M1-B型号的锂离子电池。
图6是示出了根据本发明的电池组300的一个实施例的示意图。电池组300包括11个Li离子化学电池，比如上述ANR26650M1-A or ANR26650M1-B型号的电池。每个电池提供3.3伏，11个电池串联连接以便总共提供36.3伏。利用这些电池，可以制造根据本发明的原理的电池组的一个实施例，大约为三磅重。已经发现这个电池传递1550瓦和2000瓦，并优选传递1800瓦的峰值功率。这提供了所需的重量功率比。而且，还发现这个实施例能够传递略低于100瓦/小时的能量。尽管11个电池用于该示例性实施例，但可以使用更多或更少的电池，这主要取决于待供电的装置的需求。
为了提供操作按压装置的电机所需的电流的量，本发明人发现最小化电池组的内部电阻很重要。相应地，所使用的锂离子（Li离子）电池应该具有较低的内部DC电阻，优选低于15毫欧姆，更优选低于12.5毫欧姆/电池。
尽管Li离子电池能够提供在更长的时间段内操作机械按压装置所需的电压和电流，但在电池的放电阶段和再充电期间必须当心，以便确保电池在所需的使用寿命内继续运作。众所周知，Li离子电池不应该过度充电，也不应该过度放电。相应地，本发明的各个实施例包括监测并控制电池的放电和再充电周期的能力。下面将更详细地讨论这些实施例。
如前面所述的，11个Li离子电池310利用主电源总线320串联连接。总线320具有正极侧和负极侧，或接地侧，如对DC电路而言是典型的一样。总线320将电池提供的直流电通过接口330传递至负载（在该实例中为机械按压装置）。如图6所示，接口330是具有7个连接针脚的针脚连接器。可替代地，可使用插座，或者可使用大于或小于7个针脚或插座的针脚和插座的组合。
总线320的正极侧与接口330的针脚7连接。类似地，总线320的负极侧与接口330的针脚6连接。接口的针脚1-5用于传送涉及电池组的监测和控制的各个信号，以及传送至正在供电的装置，从而使信息和控制信号可以在电池组和通电装置之间交换。下面将更详细地讨论包含这些特征的本发明的各个示例性实施例。
再次参照图6，总线320的正极侧包括用于保护电路免受过电流状态的影响的保险丝342。保险丝342例如可以是30安培的保险丝。在这种情况下，通过保险丝342的大于30安培的持续电流流动可使保险丝断开，从而断开由总线320构成的电路并停止电流从电池的流动。尽管未示出，但同样具有熔断保险丝检测器电路，其监测保险丝，如果保险丝被熔断，则向组控制器提供保险丝被熔断的信号。组控制器然后可以提供指示电池不适合使用的信号。此信号例如可以是LED颜色的变化，或某些其他状态指示器的激活或停用。可替代地，电池组控制可以向由电池供电的设备提供信号，然后可以向用户提供电池还没准备使用的指示。
主总线320的正极侧还包括数个n沟道场效应晶体管（n-FET）340、350和360。这些n-FET提供电路的开关和控制。使用N-FET，因为它们提供符合最小化电池的总内部电阻的设计要求的非常低的电阻开关。n-FET的另一个独特功能是能够传导大电流负载，而不损坏且不产生过多的热量。已经发现适用于本发明的各个实施例的n-FET的一个实例为可从第吉基公司获得的IRLS3036型号。
在典型的设计中，p-FET装置被用作开关并放置在主总线的高压侧。然而，p-FET的电阻是n-FET装置的两倍以上。因此，为了处理与n-FET装置相同的电流，需要几个并联连接的p-FET。而且，使用几个p-FET还可能需要使用散热器来耗散同时接通p-FET所产生的热。如果限制电池组内的空间，这是不利的。
类似地，n-FET装置通常用于主总线的低压侧以便在总线中打开并断开电流。然而，在这种情况下使用n-FET中断电池接地，这可能会造成电路中的噪声并干扰电池管理系统电路的各个元件之间的通信。相应地，本发明已经将n-FET开关放置在总线的高压侧中，从而提供总线的有效开关，而不产生在使用p-FET时可能出现的余热。将n-FET放置在总线的高侧也消除了中断电路接地的问题。
在某些实施例中，一个或多个电阻器，比如电阻器370和380，可以插入主总线电路的负极侧或低压侧。这些电阻器提供与主总线抽头连接的功能以监测流过电路的电流的各个方面。例如，在一个实施例中，电阻器370跨电池平衡和一级保护电路(将在下文中详细讨论)的输入线而连接。电阻器370的典型值例如为2.5毫欧姆。
在另一实施例中，电阻器380可以跨充电状态监测器（也称为“气体压力计”）而连接。在该实施例中，电阻器380的值例如可以是5毫欧姆。
在充电和放电期间单独监测每个电池310以分别控制充电和放电的速率。在一个示例性实施例中，如图6所示，独立的电池分接线390与每个电池连接并与电池监测和平衡电路400连接。
一级保护
在充电期间，单独监测每个电池的电压以防止电池过度充电。在一个示例性实施例中，微芯片上的监测系统(例如其可以是电池组保护和监测集成电路（IC）410，比如可从O2Micro获得的OZ890)用于控制各个电池的充电。在这种布局中，电池监测线390向IC410的代表性针脚输入提供正信号。例如，电池1利用IC410的输入线BC1进行监测，依次类推直至电池11，该电池11利用IC410的输入线BC11进行监测。
如果IC410的控制电路检测到电池中的不平衡，则IC410在对应的外部放流控制线CB1-CB11上提供信号。如图6所示，当将对应的外部放流控制线上的信号施加给n-FET420的栅极时，允许电流在n-FET420的源极和漏极之间传递，然后经过电阻器430，从而绕过电池并停止给电池充电。如从图6可以看出，每个电池具有与IC410电气连通的自己专门的电阻器和n-FET的组合，用于监测每个电池并防止每个单独的电池过度充电。
电池平衡和一级保护IC410还可以在某些实施例中用于监测电池电池组的总电压。例如，当所有电池达到最大电压时，IC410可以向n-FET350的栅极发送低信号以便断开n-FET350的源极和漏极之间的沟道，并因此断开主总线电路320。由此导致充电电流停止经过电池，并因此停止充电过程。
类似地，IC410在电池放电期间监测电池两端的电压。当电池两端的电压降至阈值电平（例如21伏）以下时，IC410将线路450上的信号驱动为较低，反过来断开干扰主总线电路的n-FET360。这防止了可能由于除去电池中的太多电荷而导致的对电池电池的损坏，防止电池的寿命缩短。
IC410还可以包括并控制设计为监测电池组和/或单独电池的温度以防止过热的温度测量功能。在该实施例中，一个或多个热敏电阻器460用于通过线470向IC410提供温度信号。如果IC410确定电池的温度太高或太低，则IC410可以驱动n-FET350和360的一个或两个较低，从而断开主总线320并隔离电池组。要理解的是，尽管为了清晰起见仅示出了单一线470，但线470包括适当数量的导体以监测与IC410连通的温度监测电路中使用的所有热敏电阻器的功能。
IC410还可以通过提供线480上的故障信号来提供故障状态的可视指示，该故障信号然后可以用于使LED490发光。一级保护电路感测到的故障状态的视觉信号表明电池组通过IC410呈现非功能性并且可以要求对电池组进行修理或维护。
二级保护
本发明的某些实施例还可以包括对灾难性故障的二级保护或过电压保护。此二级保护可以由各种电路提供，所述电路设计为监测电池组的电压和/或通过主总线的电流流动并在超过电流或电压的一些阈值时采取行动。在一个实施例中，此保护可以由集成电路500，比如可从O2Micro获得的OZ8800提供。本领域技术人员要知道，根据电池组中使用的电池数量，可能需要不止一个IC500。例如，OZ8800二级电池保护集成电路可以监测3-7个单独电池。因此，当使用11个电池时，需要两个OZ8800。
IC500监测监测线312上的每个电池的电压。在某些实施例中，可以采用时间延迟，提供存在的临时过电压状态。当因为电压未落回到可接受的范围内导致超过时间阈值时，IC500通过故障线510向n-FET340发送低信号以断开n-FET340。每个电池由类似电路监测。
从图6应看出，上述n-FET处于正常断开状态，除非向每个n-FET的栅极施加正电压。因此，导致栅极电压降至低于n-FET的阈值的电平的任何故障将导致n-FET断开，由此向电池和电池管理电路提供额外保护。
气体压力计
本发明的另一实施例包括监测电池组中剩余的有用电荷量的“气体压力计”功能。此气体压力计功能可以利用设计为执行不同任务（比如基于使用时间、放电率和电池的温度来计算用于使用和备用状态的剩余电池容量）的集成电路来提供。此电路还可以确定从近满充电至近满放电状态的放电周期过程中的真正的电池容量。
图6示出了此气体压力计电路600的一个实例。电池组的监测利用集成电路610（比如可从德州仪器公司获得的bq2060A）来完成。IC610结合外部EEPROM620一起工作。EEPROM620存储用于IC610的配置信息，比如电池中使用的化学、电池的自放电率、各种率补偿因素、测量校正和电池设计电压和容量。可以改变所有这些设置以允许系统与各种电池类型一起使用。而且，IC610可以通过后侧总线电路630与中央处理器和存储器通信。以这种方式，IC610和EEPROM620可以利用来自中央处理器的控制信号进行配置，以适应由系统中包括的其他电路检测并识别的，或由用户手动识别的不同类型的电池。在替代实施例中，IC610还可以与组控制器协作以便在低电流消耗的状态下利用嵌入软件中的适当控制命令增加气体压力计的报告准确性，该软件控制组控制器和气体压力计的操作以实现执行该功能所需的算法。
通常情况下，气体压力计功能由IC610结合IC800一起执行以通过监测从电池输入或除去的电荷的量来确定满电荷电池容量和任何时间点剩余的电量。另外，IC610跨电阻器380检测的同时，测量电池电压、电池温度和电流。在某些实施例中，IC610也可以评估电池的自放电率，还可以监测电池的低压阈值。如上所述，IC610通过监测电阻器380两端的电压来测量电池的充放电的量，该电阻器380位于（串联连接的电池中的）第一电池310的负极端和电池组的负极端之间。可用电池电荷根据该测得的电压并通过校正环境和操作状态的测量来确定。
IC610还可以测量电池组的温度以便执行上述估计和调整。在一个实施例中，热敏电阻器640靠近电池组的一个或多个电池安装以便能够测量电池组的一个或多个电池的温度。在测量一个或多个电池的温度的同时，IC610通过向线路660提供适当信号来驱动n-FET650的栅极至高电平，以便将偏置电压源连接至热敏电阻器640。一旦完成测量，IC610就驱动n-FET650的栅极至低电平，从而断开n-FET并由此断开热敏电阻器640和偏压源。
每当给电池充电时都可以重设IC610，使得所报告的电池中剩余的电荷量是准确的。下面将更详细地描述的电池组监控电路或组控制器800通过重设线670提供信号以驱动n-FET680的栅极为高电平。这使电流流过n-FET680，导致重设信号被提供给IC610以重设IC610的电池容量计数器。
在另一实施例中，IC610可以包括防止对存储在IC610或EEPROM620中的参数进行未授权访问的封闭/解封功能。组控制器800可以通过驱动n-FET690的栅极为高电平的线路680发送信号，从而闭合n-FET690，允许命令和数据在IC610和EEPROM630之间流动。此数据例如可以包括更新的校正信息等。在替代实施例中，IC610和EEPROM630之间的数据流可以只利用来自组控制器的软件命令进行控制以便控制IC610和EEPROM630，而不需要n-FET690。
组控制器
在本发明的另一实施例中，电池管理系统包括充当电池管理系统执行的各个功能的整体监控器的组控制器800。组控制器800通常是集成电路，虽然可使用执行相同功能的离散电路，这主要取决于电池组内可用的空间量。
例如，组控制器800可以是低或超低功率微控制器比如可从德州仪器公司获得的MSP430F2418混合信号控制器。此控制器可以包括存储器，比如随机存取存储器或闪存以便提供电池管理系统的各个功能的快速而有效的执行。组控制器800还具有通过一条或多条通信总线（比如后侧总线630和前侧810）与外围装置、电路或存储器通信的功能。通信总线通常使用通信协议，比如I2C总线（飞利浦商标公司）或系统管理总线（SMBus）。下面更详细地描述SMBus。
适当的软件命令用于编程组控制器800的功能。此软件包括配置通信协议接口（比如SMBus接口）的命令。软件还配置组控制器以监测通过通信线810、820、822、后侧总线630、前侧总线810和检测线824以及未示出的将来可以添加的其他通信线可用于其的关键电池组参数。
在适当进行编程时，组控制器800也与一个或多个存储器装置（比如事件档案EEPROM900）通信。此档案例如具有（但不限于）64千字节的存储器，该存储器可用于存储在电池组的充放电周期期间出现的各事件的历史，比如总电荷量、总放电能量、电池的温度、发生的任意故障或与用于管理并控制电池操作的各个电路和/或单独电池有关的其他信息。
组控制器800还可以编程以与存储器和/或处理器（比如EEPROM1000）通信。在图6中所示的示例性实施例中，EEPROM1000可以位于由电池组供电的机械按压装置中，或者可以并入电池组中并配置为由要利用电池供电的装置访问。在该实例中，组控制器800通过前侧总线810与机械按压装置中的EEPROM1000和/或处理器通信，所述前侧总线810通过连接器330访问机械按压装置中的类似总线。以这种方式，可以在电池组和由电池组供电的装置之间建立双向通信连接以允许信息在电池组和所供电的装置之间交换。例如，当使电池组与通电装置通信时，更新的操作参数或命令（包括更新的软件）可以从所供电的装置加载到电池组中。类似地，可以将事件档案EEPROM900中包含的信息传输至EEPROM1000，或配置为通过后侧总线810从存在于电池组中的任意存储器通信的任意其他存储器（比如便携式存储器装置）。
要理解的是，该通信功能还允许电池与除由电池供电的装置之外的其他装置通信。例如，通常情况下，从所供电的装置上移除电池组以便进行再充电。当电池组与电池充电器连接时，电池充电器可以用于从电池组的一个或多个存储器检索信息，和/或通过前侧总线810将更新数据、信息、编程命令或软件传输至电池。该通信过程通常利用用于实现通信的通信协议（比如SMBus协议）中所规定的各种握手和通信对话来进行管理，所述通信在驻留在充电器或其他装置中的处理器和电池组的组控制器800之间交换。在某些实施例中，在将电池插入待供电的装置中时，电池还可以涓流充电，其中正在供电的装置还与外部电源连接。
本发明的其他实施例可以包括由组控制器800管理的识别何时将电池组插入电池充电器或待供电装置(比如机械按压装置中)的功能。例如，组控制器800可被配置为利用适当软件和/或硬件命令来向IC410和IC500提供信号，从而向n-FET340、350和360的栅极提供高电平信号以闭合这些开关并由此只在检测电路1100通过线824向组控制器800发送指示电池组适当安装在待供电装置中的适当信号时在连接器330的正针脚和负针脚提供全电池电压。
在一个实施例中，组控制器800监测与当将电池正确插入充电器或待供电的装置中时强制关闭的机械开关或互锁装置连接的线路。在另一实施例中，组控制器800监测与电池连接器的一个或多个针脚连接的信号线。当通过该信号线收到适当的信号时，组控制器800确定将电池插入充电器或待供电装置中，并向上述n-FET340、350和360的栅极提供高电平信号。该实施例特别有利的地方在于组控制器800可以编程为仅在接收特定信号时作出响应，从而确保将电池插入设计为在向n-FET340、350和360的栅极提供高电平信号之前容纳电池的特定类型或构造的充电器或待供电的装置中。
这些实施例的优点在于防止电池在连接器330的正负端之间出现意外短路的情况下电池的放电。考虑到电池组的电池中存储的能量的量，此放电可能是灾难性的。因此，在该实施例中，只有将电池组正确安装在配置为向检测电路1100提供适当信号的装置中时，电池组的连接器330的正负端之间才有电压，由此在电池组不与充电器或待供电的装置（比如上述机械按压装置）连接时提供电池组的安全操作、存储和运输。
组控制器800还可以编程为提供密码访问以允许改变存储在EEPROM900和620中的设置和参数，并提供适当信号以便在故障情况下驱动LED490。还可以包括其他功能（配置为使用相应的软件和/或硬件指令）以向电池管理系统提供其他功能。例如，这些功能可以包括驱动指示电池等中剩余的总电荷量的显示器。可从德州仪器公司获得的题目为“MSP430F241x,MSP430F261x Mixed Signal Microcontroller”SLAS541F，2007年6月，2009年12月修订的文献中包含可以并入组控制器800中的各种功能的更完整描述（尤其当组控制器是MSP430F24l8（或这种控制器系列的其他元件）时），该文献的全部内容由此通过引用并入本文。
智能总线通信
如显而易见的是，并入本发明的各个实施例的各种处理器和集成电路以及逻辑系统由于通过前侧总线320和后侧总线630彼此通信的能力而能够具有统一系统的功能。在某些实施例中，通过这些总线的通信利用系统管理总线（SMBus）规范来执行。SMBus是双线接口，通过该接口其他电路中的各个系统组件芯片（比如IC410，IC610、二级保护系统500、事件档案900、EEPROM1000和组控制器800）可以彼此通信并且可以与系统的其余部分通信。与SMBus规范有关的进一步信息包含在“系统管理总线（SMBus）规范版本2.0”中，SBS实施者论坛，2000年8月3日，其全部内容由此通过引用并入本文。
升压电路
发明人发现，在本发明的某些实施例中，驱动关闭的n-FET所需的电压超过可从电池组获得的电压。例如，利用需要10伏偏置电压的n-FET，该n-FET需要偏置电压加上电池电压的驱动电压来充分驱动n-FET以允许适当电压穿过n-FET，从而给电池充电或放电。相应地，包括有升压电路以增加提供给n-FET的栅极的电压，从而驱动n-FET以传导由电池提供的电流。
本领域技术人员将理解n-FET在本发明中的使用会导致对复杂电路（比如升压电路）有需求。此复杂性可利用p-FET来消除。然而p-FET的使用被发现是不利的，因为需要几个p-FET来处理可以由单一n-FET处理的相同电流。另外，利用多个p-FET产生的热可以要求增设一个或多个散热器来散热，在小型电池中这可能需要比可用的更大的空间。而且，众所周知，p-FET的导通电阻是n-FET的导通电阻的两倍，从而使电池组的整个内部电阻增加。
装置检测
本发明的其他实施例可以包括由组控制器800管理的识别何时将电池组插入电池充电器或待供电装置（比如机械按压装置）中的功能。例如，组控制器800可配置为利用适当软件和/或硬件命令以向IC410和IC500提供信号，从而向n-FET340、350和360的栅极提供高电平信号以闭合这些开关并由此只在检测电路1100通过线824向组控制器800发送指示电池组正确安装在待供电装置中的适当信号时在连接器330的正负针脚提供全电池电压。
在一个实施例中组控制器800监测与在将电池正确插入充电器或待供电的装置中时强制关闭的机械开关或互锁装置连接的线路。在另一实施例中，组控制器800监测与电池连接器的一个或多个针脚连接的线路。当通过该信号线收到适当的信号时，组控制器800确定将电池插入充电器或待供电装置中，并向上述n-FET340、350和360的栅极提供高电平信号。该实施例特别有利的地方在于组控制器800可以编程为仅在接收特定信号时作出响应，从而确保将电池插入设计为在向n-FET340、350和360的栅极提供高信号之前容纳电池的特定类型或构造的充电器或待供电的装置中。
这些实施例的优点在于防止电池在连接器330的正负端之间出现意外短路的情况下放电。考虑到电池组的电池中存储的能量的量，此放电可能是灾难性的。因此，在该实施例中，只有将电池组正确安装在配置为向检测电路1100提供适当信号的装置中时，电池组的连接器330的正负端之间才有电压，由此在电池组不与充电器或待供电的装置（比如上述机械按压装置）连接时提供电池组的安全操作、存储和运输。
现在参照图7，示出了实施本发明的示例性电路。该电路是图6的框1100的更详细的说明。当将电池插进配置为与电池通信的装置中时，连接器330（图6）将与其中插有电池的装置的适当连接器配合。如图所示，连接器330的针脚3在该实施例中用于接收指示将电池插入适当装置的信号。
当将电池插入适当装置中时，装置的连接器具有接地的对应针脚。因此，将电池正确插入装置使连接器330的针脚3被拉至接地电压。针脚3向电池管理系统提供如图所示的DTEC信号以指示电池与适当装置连接。
为了启动自动检测系统，具有一百万欧电阻的电阻器R429将与针脚3连接的线拉至由3P3指示的3.3电压源。因此，当不将电池插入装置中时，连接器330的针脚3上的电压大约为3.3伏。DTEC线上的电流由R428（具有2000欧的电阻）限制，R428与箝位二极管D403一起工作以确保电压不超过损坏集成电路（IC）IC U405的电平。二极管D403例如可以是肖特基势垒双二极管，比如可从恩智浦半导体公司获得的BAS70-04W。使用如图所示的二极管D403提供与到达DTEC线路上的电压的极性无关的保护，并防止电压上升至可能损坏IC U405的电平。
在所示的实施例中，集成电路U405例如是高速电压比较器，比如可从美信集成产品公司获得的MAX9060E型号。U405由输入U405的针脚1中的电压供电。该电压通常为2.5伏，还为比较器提供参考电压。U405比较针脚4上的电压（其通常为3.3伏）和针脚1上的参考电压（为2.5伏）。当不插入电池时，针脚4为3.3伏，大于针脚1的电压，因此U405的输出针脚5的电压较高。而且，检测线路824在正常情况下利用通过电阻器R426提供的电压被拉高，该电阻器R426具有一百万欧电阻。U405的针脚2和3接地并通过电容器C415与电路的其余部分解耦。电容器C414提供噪声滤除并且还降低了RF（射频）敏感度。
当将电池插入配置为将DTEC线上的电压牵引至较低电平的装置中时，针脚4上的电压变低，即，针脚4上的电压降至IC U405的针脚1上的2.5伏的参考电压以下，并且U405的输出针脚5上的电压也变低。
在该实施例中，线路824馈送进入组控制器800（图6），该组控制器800被编程以便分析线路824上的信号作为低真实装置检测。换句话说，如果线路824上的电压较高，电池并未插入装置中。然而，当线路824变低时，组控制器800确定电池已经被插入适当的装置中，并通过经由通信总线向一级保护电路410提供信号来启动电池组以便使用，该一级保护电路410反过来驱动n-FET340、350和360接通以闭合主总线的电路，从而允许电流流至连接器330的正负电池端。
在替代实施例中，组控制器800被编程以便监测线824上的信号以确定正在接收的信号是否具有边缘，该边缘指示信号是上升还是下降。当检测到边缘时，组控制器的编程将边缘识别为中断，指导组控制器分析信号并确定是否下降（指示电池已经被插入装置的电池室中）或者信号是否上升（指示电池已经从装置上拆除）。当组控制器确定信号下降时，组控制器向一级保护电路发送信号以闭合控制前侧总线中的电流流动的n-FET以在电池组连接器的正负端之间提供电压，以便给装置（比如机械按压装置）供电，或从装置（比如电池充电器接受）电能。另外，当测试装置配置为将电池检测电路驱动至适当的状态时，相同的系统可以用于允许对电池进行测试。
类似地，当组控制器确定检测信号上升时，组控制器确定电池已经从装置上拆除，然后组控制器向一级保护电路提供信号以断开控制通过主总线电流流动的n-FET。这会导致电池组的连接器的正负端之间的电压降至0伏，由此保护电池免受电池连接器的正负端意外短路的影响。
在替代实施例中，线路824可以通过合适的电路与机械开关或互锁装置连接以实现与上述相同的结果。在此实施例中，在将电池正确插入待供电的装置或电池充电器中时可关闭机械开关或互锁装置以将U405的针脚4上的电压牵引至较低，从而在检测线路824上产生低信号。
在又一实施例中，待供电的装置可以包括配置为在将电池插入待供电的装置的电池室中时，与电池组的组控制器通信的处理器。在此实施例中，可以执行附加的处理电平以确保电池与待供电装置兼容。附加的处理电平包括在处理器之间交换对话以启动处理器之间的通信以便控制电池的操作。此处理通常被称为“握手”。而且，可以对处理器之间交换的对话进行加密以维护对话交换的安全性质并防止使用未授权中止或假冒电池组。此加密的各个方案为本领域技术人员所熟知。还要理解的是，握手处理（经过加密或未经过加密）可以结合上述装置检测电路的各个实施例使用，或者在某些情况下，可以在没有装置检测电路的情况下使用。
尽管已经示出并描述本发明的几种特定形式，但是在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。

Claims (19)

1.一种电池连接检测电路，所述电路布置在所述电池内，所述电池具有电池连接器，所述电池连接器用于将所述电池连接至由所述电池供电的装置，所述电路用于使所述电池从所述电池连接器隔离，以在所述电池没有连接到所述装置时，防止电压穿过所述连接器，包括：
第一参考电压源和第二参考电压源；
由所述第一参考电压源驱动至高电平的检测线；
用于比较来自所述第二参考电压源的信号和所述检测线上的信号的比较电路，所述比较电路用于所述电池连接检测，其中所述比较电路的输出在所述检测线上的所述信号变为低电平时变为低电平。
2.一种用于医疗装置的可充电电池，包括：
具有至少一个电池的电池组；
设置在所述电池组上的连接器，所述连接器具有分别与所述至少一个电池的正极侧和负极侧电气连通的正极端和负极端，所述连接器还具有配置为结合要由所述电池组供电的装置中的对应端的检测端；
设置在所述至少一个电池的所述正极侧和所述连接器的所述正极端之间的开关；
与所述电池和所述开关电气连通的电池管理处理器，当所述电池组没有插入配置为接受所述电池组的装置中时，所述电池管理处理器编程为打开所述开关以使所述至少一个电池与所述正极端隔离，以防止电压穿过所述正极端和负极端；
与所述检测端电气连通的电池检测电路，所述电池检测电路配置为在将所述电池组插入配置为接受所述电池组的装置中时向所述电池管理处理器提供电池检测信号，所述电池检测电路包括第一参考电压源和第二参考电压源、由所述第一参考电压源驱动至高电平的检测线、以及用于比较来自所述第二参考电压源的信号和所述检测线上的信号的比较电路；以及
其中所述电池管理处理器向所述开关提供信号以响应于所述电池检测信号来控制所述开关以便允许电流从所述至少一个电池的所述正极侧至所述连接器的所述正极端流过所述开关。
3.如权利要求2所述的可充电电池，其中所述至少一个电池基于锂离子化学。
4.如权利要求2所述的可充电电池，其中所述开关是n-FET MOSFET器件。
5.如权利要求2所述的可充电电池，其中在所述电池组未插入配置为接受所述电池组的所述装置中时，所述电池检测电路的输出被偏压为高电平。
6.如权利要求5所述的可充电电池，其中将所述电池组插入配置为接受所述电池组的所述装置的所述插入驱动电池检测电路的输出为低电平。
7.如权利要求2所述的可充电电池，其中所述电池检测信号具有边缘，所述边缘在由所述电池管理处理器接收时充当中断。
8.如权利要求7所述的可充电电池，其中所述边缘是当所述电池检测信号从高电平状态降至低电平状态时形成的下降边缘。
9.如权利要求8所述的可充电电池，其中在所述连接器的所述电池检测端结合配置为接受所述电池组的所述装置中的所述对应端时，所述电池检测信号从所述高电平状态降至所述低电平状态。
10.如权利要求9所述的可充电电池，其中配置为接受所述电池组的所述装置中的所述对应端接地。
11.如权利要求7所述的可充电电池，其中所述电池管理处理器接收所述中断并分析所述电池检测信号以确定所述信号是具有高电平状态还是具有低电平状态。
12.如权利要求11所述的可充电电池，其中如果所述电池检测信号具有所述低电平状态，所述电池管理处理器向所述开关提供信号以便允许电流流过所述开关。
13.如权利要求2所述的可充电电池，其中所述比较电路具有输出，所述输出在所述第一参考电压大于所述第二参考电压时具有第一状态，在所述第一参考电压小于所述第二参考电压时其具有第二状态。
14.如权利要求13所述的可充电电池，其中所述第二状态指示已经将所述电池组插入配置为接受所述电池组的所述装置中。
15.如权利要求13所述的可充电电池，其中所述比较电路包括被配置作为比较器的运算放大器。
16.如权利要求2所述的可充电电池，其中所述电池检测电路包括静电保护构件。
17.如权利要求2所述的可充电电池，其中所述开关是机械开关或互锁装置。
18.如权利要求2所述的可充电电池，其中所述电池管理处理器配置为通过所述连接器向待供电的所述装置提供握手信号。
19.如权利要求18所述的可充电电池，其中握手信号被加密。
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