CN1096731C - 用于在对锂离子电池充电中模拟高电池温度的装置 - Google Patents

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Abstract

一种电池组(200)，含有用于模拟置于电池组(200)内的热敏电阻(216)的高温状态的装置(201)。电池组(200)包括一个充电结点(203)，测温结点(205)及地结点(207)。一个控制电路(209)用来与锂离子电池一起测量锂离子电池(211)的电压。在充电期间，当达到所需要的电压时，控制电路(209)产生一个控制信号。控制信号和高压开关(217)，热敏电阻(216)，二极管(213)，及电阻器(215)一起来控制测温结点(205)上的电压。于是，测温结点(205)上电压的任何变化可通过所连接的充电系统检出来，以便能够改变其工作的方式。

Description

用于在对锂离子电池充电中模拟高电池温度的装置
本申请涉及到卷号No.EN10144题为“在充电电池内模拟高电池温度的装置及方法”，卷号No.EN10157题为“向可充电电池系统提供一个初始电压的装置和方法，卷号No.EN1045题为“用于模拟充电电池系统高电池温度的装置”诸共同未决申请并转让给摩托罗拉公司。
本发明一般涉及电池充电，尤其涉及用于可充电电池的系统。
今天可以买到的便携式电子产品越来越多都使用机内的电池工作。这些产品包括例如蜂窝电话、便携收音机、寻呼机、录音机这类东西，它们可很容易移动，使用可充电的电池工作。许多满足充电需要的不同化学电池已使用了许多年。可能最普通的化学电池有镍镉电池和镍金属氢电池。但是，一种相对较新的化学电池(通常叫作锂离子电池)能使一个电池多次充电，同时提供许多胜过于其他型式的可充电电池的优点。这些优点主要是指低重量和小尺寸而有高能量密度。使用锂离子电池时要考虑的唯一因素是它的充电方法。一个锂离子电池不能用与镍化学电池同样的方式充电。
镍-镉及镍金属氢电池的充电，一般通过应用恒定电流快速充电到出现某种情况为止。这种情况可与电池达到预定的高电压，减少到预定的低电压，或电池的温度增加相联系。这有别于锂离子电池，它需要一个两步充电过程来达到最佳性能，过程的第一步，当电池电压仍然低于一个预定的门限电压时，让电池充电器使用一恒定电流电平。一旦电压增至门限值，则第二步，保证电池充电器维持在门限电压使电流能够逐渐减小。一旦电流充分减小到所需电平，锂离子电池即被完全充电。
这个两步过程在考虑使用为镍系统设计的充电器给锂离子电池充电时出现一个问题。通常，镍系统充电器仅仅应用一个使电池的电压不受限制地升高的恒定电流。只要电池不变得太热，就是说增加到一个所不希望的危险水平，电压可升至任何高度。一旦镍系统电池变得很热，充电器便检测出这种状态并从高电流快速充电转到大约为快速电流值的5-10％的数值。这个低电流方式通常被叫作涓流或涓流充电。因此，目前的镍系统充电器提供的充电方法不适合为锂离子电池充电。假如将一个锂离子电池被有意无意放入到镍系统充电器中，其结果将因锂离子电池会很快过热而会有潜在危险。所以，要有一个电池充电电路或系统，它可被改造得去控制存在有锂离子电池的电路，允许电池安全地使用镍系统充电器。
根据本发明的与锂离子电池组一起使用的高温模拟装置，用于允许所述锂离子电池组与适于使用镍基化学电池的充电系统一起使用，所述充电系统包括用于接收充电电压的充电电路、用于传送温度数据的控制电路、热敏电阻、开关装置、控制装置以及地结点，所述高温模拟装置包括：
至少一个连接到所述的充电电路的锂离子电池；以及
串联在所述的热敏电阻和所述控制装置之间的二极管和电阻器，用于降低所述控制电路的电压，模拟所述至少一个锂离子电池的高温状态，以允许所述充电系统改变方式，其特征在于：
所述控制装置连接到所述至少一个锂离子电池，用于测量所述至少一个电池的电势；
所述开关装置连接到所述控制装置，用于防止所述的至少一个锂离子电池的电压上升超过预定电压；
所述热敏电阻连接在所述控制电路和接地电位之间，用于接收所述至少一个锂离子电池的温度数据。
根据本发明的电池组，包含用于模拟位于所述电池内的热电阻的高温状态的装置，所述电池组具有充电结点、温度结点、控制电路、热敏电阻和地结点，所述电池组包括：
锂离子电池；以及
二极管与电阻器对，用于控制流经所述温度结点的电流以模拟所述锂离子电池的高温度，其特征在于：
所述控制电路用于测量所述锂离子电池的电压并产生控制信号；所述热敏电阻用于确定所述锂离子电池的温度。
图1是一个方框图示出根据本发明的高温度模拟器的工作。
图2是根据本发明的一个优选实例的部份示意图示出存在有一个高电流源时使用的高温度模拟器。
图3是根据本发明一个优选实施例的部分示意图，示出仅存在有一个低电流源时使用的高温度模拟器。
图4是根据本发明一个优选实施例的部份示意图，示出图2所示高温度模拟器的一个替代实施例。
现在参照图1，示出一个描述用于充电电池系统的高温模拟器的工作的方框图，该模拟器能模拟高电池温度的状态。可充电电池一般可以是一种基于锂离子，锂聚合物或铅酸的化学电池。高温度模拟器允许可充电电池使用不同性质的充电系统或充电网络(通常具有不兼容的充电线路)充电。一个不同性质的充电系统可以是一种使用镍镉或镍金属氢型电池并且具有第一工作方式及第二工作方式的系统。第一工作方式通常是一种快速或高速方式而第二方式则是较慢或涓流充电方式。这些充电系统通常叫做镍系统电池充电器，而且做成可充镍金属氢或镍镉电池的结构。
正如下面将更详细描述的一样，本发明的优选实施例利用镍系统电池充电器提供的固有特性。这些特性保证了在收到来自电池的适当控制信息时，停止对可充电电池的快速充电。这个控制信号民电池在快速充电期间的温度相关。当达到预定的温度时，镍系统电池充电器自动转到低电流或涓流充电状态，致使可充电电池被充得更慢些。
本发明的优选实施例示出包括了一个可充电电池101的电池组100。正如上面指出的，可充电的电池101可以是一个或一个以上的具有锂离子化学物质或类似物质的电池。一个控制电路103测量或观察处于被充电系统105充电状态下的可充电电池101的电压。充电系统105是一个用于镍镉或镍金属氢电池的典型充电器。控制电路103可以是一个比较电路或其相似电路如摩托罗拉型号No.SC 371013F/FER集成电路。一旦控制电路103判定已达到预定的电压电平或电位，控制电路103就在控制线106上产生一个控制信号。预定电压通常选为由可充电电池101的工作电压决定的电压极限并可随具体的电池化学物质和/或相关的充电算法而定。
控制线106用于将控制信号从控制电路103传送到低压开关104，高压开关107以及温度模拟器装置(例如热敏电阻开关111)的每一个。低压开关用于在可充电电池101的电压变得太低时断开可充电电池，并可以此防止对电池的损坏。高压开关107及一个延迟电路109被放置得与充电系统105串联，用于在充电期间达到预定电压时，经过一段必要的延迟周期后，提供开路。而延迟周期是用于允许充电系统105起作用改变通过温度传感器或热敏电阻113的电流。如果没有延迟，充电系统105可以将打开高压开关107判读为可充电电池101被断开。一旦这事发生，充电系统105本身就会关断。
热敏电阻开关111被连接到控制电路103并也被通过控制线106的控制信号触发，向热敏电阻113提供一个短路。正如在这一技术中众所周知的，热敏电阻113的电阻值或其状态根据可充电电池101的温度变化而变化。于是，流经热敏电阻113的电流随热敏电阻113所在的周围环境而变化。此电流被充电系统105判读为温度数值用于决定何时转换充电方式。这些方式一般从一个快速或高速状态，(充电速率处于高水平)转到低速充电状态(充电速率已降低)。热敏电阻开关111连接到热敏电阻113并受控制电路103控制。动作时，热敏电阻开关111改变热敏电阻113的电流或状态。如上所述，流过热敏电阻113的电流的这一增加可被充电系统105检测出来当作高温状态。于是，热敏电阻开关111充当一个改变热敏电阻113的工作状态的控制电路。从而热敏电阻开关111模拟可充电电池101的高温状态。据此，充电系统105从高度快速或非常快的充电方式转换到一个又慢又低的或滑细的充电方式。因为可充电电池101首先被允许充电到它的预定电压，即它充电方法的第一步，然后才允许可充电电池101按第二步充电方法用涓细充电方式再充电。一旦充电系统105已经转到较低电流，可充电电池101的电压将由于可充电电池101内部存在内阻而从以前的电平稍稍降低。这个较低电平的电流允许继续给可充电电池充电，而其电压低于门限电压电平，直到电池充满电为止。但是，利用充电系统105来充电，常常需要比使用理想的锂离子充电方法更长的时间。
图2举例说明一般用在可充电电池组200中的高温度模拟器电路201的示意图，图中控制电路209能将足够的电流陷落到一个弧立的或虚拟的地电位。如在图2中看到的，可充电电池组200一般包括一个充电电压结点203，一个温度结点205，和一个虚拟地结点207。在工作中，充电电压连接到充电电压结点203和虚拟地结点207。一个电池充电系统(没有示出)通过温度结点205测量温度以决定何时改变或转换工作方式。电池充电系统可以是设计得用于镍镉电池、镍金属氢电池或其他相似的电池的系统。正如上面指出的，低压开关210是用于防止可充电电池211在低于选定数值下放电。相反地，当控制电路209检测出可充电电池212在充电期间已经达到了预定的高电压时，它送出一个经由控制线211到高温度模拟电路201并经由延迟器214到高压开关217的控制信号。高温度模拟电路201包括了一个二极管213和电阻器215。当控制信号启动高温度模拟器电路201及高压开关217时，它将温度结点205的电压从高电平转换到虚拟接地结点207。因为电流被陷落到虚拟地结点207的关系，这就具有将温度结点205上的电压拉到或降低到低数值的作用。这样，这个较低电压就模拟了热敏电阻216的高温状态。这由电池充电系统在温度结点205检测出来作为使它转换方式的高温状态。虽然二极管213能够单独使用，但电阻器215是用来确保温度结点上的电压不致由于某些种类的电池充电器在这些状态下进入测试方式而降得太低。
图3举例说明一般用在诸如锂离子电池之类可充电电池300中的高温度模拟器电路301的示意图。高温度模拟器电路301被用在控制电路315不能陷落足够数量的电流以允许使用图2所示的电路的场合。显然，对那些熟悉这一技术的人员来说，可充电电池304，低电压开关306以及延迟器308的功能与工作都和上面的图1及图2所述的一样。可充电电池300使用一个充电结点302，温度结点303，及虚拟地结点305。高温度模拟器301包括一个N-沟道MOSFET307，电阻器309，电阻器310，P-沟道MOSFET311以及电阻器313。在工作中，控制电路315起动高电压开关317，这使得P-沟道MOSFET311的栅-源结偏置。电阻313是用来在控制电路315停止作用时上拉或增加在N-沟道MOSFET307的栅极上的电压。电阻器313具有足够高的电阻仅在出现了来自控制电路315的控制信号时，允许微不足道的电流从充电结点302流过它。这使P-沟道MOSFET311变成低电阻值并且有电流流经P-沟道MOSFET311，电阻器309及电阻器310。所产生的最终电压也将N-沟道MOSFET307偏置成使之转到一个导通状态的低电阻状态。一旦N-沟道MOSFET307转为导通，电阻器316起到将温度结点303上的电压降落到足以向电池充电系统(没有示出)表示或模拟存在一个高温度状态。温度结点303的电压因为流经该结点的电流流向或陷落到虚拟地结点305而降低。于是，从热敏电阻314两端测得的电压被使用高温度模拟电路301所模拟。图3所示的结构仅可用在控制电路315不能处理过大电流(它是来自所连接的充电系统的必须陷落的电流)的场合。图3所示的电路比较复杂，但是它有低电流的优点，因为在出现来自控制电路315的控制信号时，仅有微不足道的电流量流经电阻器313。
图4举例说明高温度模拟器电路320的示意图。高温度模拟器电路320是图2所示高温度模拟器电路的一个替代实施例，其中存在有一个来自所连接的充电系统的高电流源。显然，对于熟悉这一技术的那些人员来说，可充电电池322、低电压开关324、高压开关326及延迟器328的功能和工作均与上面图1，2和3中所描述的相同。在优选实施例中，高温度模拟电路320包括一个非门321，P-沟道MOSFET323及电阻器325。在工作中，与上面的其它实施例一样，当控制电路327检测到电池329上的高电压状态时，一个控制信号被发送到控制线331上。这个控制信号将控制线331上的电压拉到或降低到低电位状态，它还控制非门321的输入端处于低态。这就将P-沟道MoSFET323置偏使它导通。当P-沟道MOSFET导通时，这就将温度结点333拉到或降低到低状态(因为温度结点333有效地连接到虚拟地结点335)。电阻325的数值用来控制和/或选择所附接的电池充电系统判读所需的温度水平。于是一个连接到温度结点333的附接电池充电系统根据这个结点上的低电压检出一个高温度。高温度模拟器电路320的作用是模拟或建立一个假的高温度状态。
实践本发明的优选方法包括用一个具有第一种工作方式和第二种工作方式的充电装置对可充电电池组充电(其充电方法与所述可充电电池组中的可充电电池不兼容)。步骤包括将来自充电装置的充电电流加到可充电电池上。检测可充电电池的电势。使用温度传感器测量出可充电电池的温度，并在达到一个预定的电位时将一个控制信号从第一控制网络发送到第二控制网络，以使温度传感器能够模拟一个高温度逆给充电装置。最后检测充电装置的模拟高温度以从所述第一工作方式改变到第二工作方式，允许可充电电池在较低速率下充电。
为此，所发明的热电池模拟装置及方法，将使消费者能够使用新一代的锂化学电池而不会加重消费者必需去买特殊的充电器来适应为这些可充电电池(如锂离子电池)充电的负担。与为了某个必要的用途去购买一套全新的充电器和电池组相比，这将大大提高利用锂基电池保持总费用低廉的好处和优势。
尽管只说明和叙述了本发明的优选实施例，但是很清楚本发明并不局限于此。大量的修改，变动，变例，替代以及等效物，对那些熟悉这一技术的人员来说，都是想得到的，而无需离开所附权利要求书规定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种与锂离子电池组一起使用的高温模拟装置，用于允许所述锂离子电池组与适于使用镍基化学电池的充电系统一起使用，所述充电系统包括用于接收充电电压的充电电路、用于传送温度数据的控制电路、热敏电阻、开关装置、控制装置以及地结点，所述高温模拟装置包括：
至少一个连接到所述的充电电路的锂离子电池；以及
串联在所述的热敏电阻和所述控制装置之间的二极管和电阻器，用于降低所述控制电路的电压，模拟所述至少一个锂离子电池的高温状态，以允许所述充电系统改变方式，其特征在于：
所述控制装置连接到所述至少一个锂离子电池，用于测量所述至少一个电池的电势；
所述开关装置连接到所述控制装置，用于防止所述的至少一个锂离子电池的电压上升超过预定电压；
所述热敏电阻连接在所述控制电路和接地电位之间，用于接收所述至少一个锂离子电池的温度数据。
2.根据权利要求1的高温模拟装置，其特征在于还包括：连接到所述开关装置的延迟装置，用于延迟所述控制装置对所述开关装置的驱动。
3.根据权利要求1的高温模拟装置，其特征在于：所述开关装置连接所述控制电路与所述地结点。
4.一种电池组，包含用于模拟位于所述电池内的热电阻的高温状态的装置，所述电池组具有充电结点、温度结点、控制电路、热敏电阻和地结点，所述电池组包括：
锂离子电池；以及
二极管与电阻器对，用于控制流经所述温度结点的电流以模拟所述锂离子电池的高温度，其特征在于：
所述控制电路用于测量所述锂离子电池的电压并产生控制信号；
所述热敏电阻用于确定所述锂离子电池的温度。
5.根据权利要求4的电池组，其特征在于：所述热敏电阻连接在所述温度结点和所述地结点之间。
6.根据权利要求5的电池组，其特征在于：所述二极管和电阻器对串联连接在所述控制电路和所述热敏电阻之间。
7.根据权利要求4的电池组，其特征在于：还包括至少一个被所述控制电路控制的开关，用于在达到预定电压时，将所述锂离子电池与充电系统断开。
8.根据权利要求7的电池组，其特征在于：所述至少一个开关受所述控制信号控制。
9.根据权利要求8的电池组，其特征在于：所述至少一个开关将所述温度结点连接到所述地结点。
10.根据权利要求9的电池组，其特征在于：还包括一个串接到所述控制电路的延迟装置，用于延迟所述控制信号对所述至少一个开关的驱动。
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