CN1156934C - 电池状态监视器和电池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的电池状态监视器或电池装置包括：用于监视二次电池电压的电池电压监视电路，用于控制一个切换元件以充电或放电所述二次电池的控制电路，以及用于向所述电池电压监视电路和控制电路供电的电源端子。所述电池装置进一步包括一个正端子，该正端子从外部电源获得电压。本发明的特征在于，所述监视器或装置进一步包括一个电压切换单元，该电压切换单元与一个正端子、二次电池、电源端子、以及用于从外部电源提供电压的端子电气连接，且所述电功率是通过一个电压切换单元从由一个充电器供电的正端子上的电压和二次电池的电压中电压较高的一个提供给所述电源端子的。
Description
发明领域
本发明涉及一种电池装置(以后称为“电池组件”)，其包括对于电池状态例如电压或充电/放电电流而需要被监控的电路，用于监控该电路的电池状态监视电路，位于电池装置的外部的外部连接端子，开关元件，二次电池和用于二次电池的在电池组件中的检测电阻。
背景技术
作为一种常规的电池状态监视电路，已经公知一种如图2的电路方块图所示的装置。例如，日本专利申请公开No.Hei 9-312172“电池组件，充电器和充电系统以及充电方法”披露了一种这种结构。这涉及一种被称为“灵巧电池系统”或其类似物的电池组件。即这是一个电池组件100a，其具有利用微型计算机监控二次电池的电压和充电/放电电流，并和负载例如充电器17或计算机通信的功能。
使用这种结构的电池组件100a，可以通过和充电器17，个人计算机内的微型计算机，负载或其类似物进行通信来识别电池状态。利用这种信息可以使指示电池的残余电量，电池充电的中止等，被精确地进行。在使用锂离子电池作为二次电池的情况下，因为不像镍电池那样提供自保护作用，所以需要过充电保护电路。即锂离子电池配备有一些用于检测电池电压的电路和用于从外部中止充电操作的开关元件。
在这种结构的电池组件100a中，使用微型计算机5a。电池组件100a还配备有放大器3a，用于监控电池电压，以及检测电阻10和放大器3b，用于监控充放电电流。来自电池电压监视电路20a和放大器3a，3b的电信号被输入到微型计算机5a。因为微型计算机5a具有计算功能和A/D转换器，从而根据上述的信号它可以计算电压和二次电池6-8的容量，可以监控电池状态。这使得微型计算机5a可以进行开关元件11a，11b的通断操作，并因此微型计算机5a对于在其中使用锂离子电池的电池组件中的过充电实行安全保护。
需要使用恒定的电压作为在结构上作为一个重要部分的微型计算机的电源。例如，标称值为3.3V或5.0V的电压。如果提供给微型计算机5a的电源电压是不稳定的，则电池电压等的检测精度变差。在最坏的情况下，一般发生微计算机5a的被称为“失控”的现象。这是一种微计算机根本不受控制的状态，因此电池组件100a的安全根本不能保证。此外，需要对电池电压监视电路20a和放大器3a，3b提供恒定的电压，以保证其安全操作。
因为在电池组件100a内的电池状态监视电路18a的电源由二次电池6-8构成，所以该电压按照负载状态而改变。在电池组件100a向负载放电的情况下，电源电压变低，而在电池组件被充电的情况下，电源电压变高。为了对微计算机5a和配备在电池组件100a内的放大器3a，3b提供恒定的电压，一个电压调节器被设置在电池组件内。所述电压调节器用于即使在电源电压改变时，也维持其输出电压恒定。
然而，即使以这种方式设置电压调节器，如果连续放电，作为电源的电池电压也会变低。随着电压调节器的电源电压变低，其输出电压自然也变低。在这种状态下，便不能提供使微计算机稳定操作所需的电源电压。因而，产生的问题是，当微计算机的电源电压变低时，微计算机可能发生失控，从而不能监控电池状态。
图4是用于说明上述操作的曲线。在图中，横轴表示时间，而纵轴表示电压，并且示出了电池电压和电压调节器的输出电压(微计算机的电源电压)。在从0到ta的时间间隔期间，从电池组件向负载提供电流，因而随着时间的延长，电池电压下降。在时间ta，电池电压等于对电压调节器设置的电压。
在时间ta之后，电压调节器的输出电压变得低于预定值。虽然图4表示在时间ta之后，电压调节器的输出电压和电池电压相同，但这只是为了使说明简化。事实上，输出电压变得比电池电压低。在时间tb，电池组件向负载提供的电流中止，因而充电器和电池组件相连。由于充电器和电池组件相连，电池电压开始上升，然后，在时间tc，变得和电压调节器设置的输出电压相同。在时间tc之后，电压调节器的输出电压变为恒定电压。
在图4的例子中，因为电压调节器的输出电压，即微计算机的电源电压在时间ta到时间tc的间隔期间下降，所以不能确保微计算机的正常操作，因而不能精确地监控电池状态。
这问题甚至出现在实际使用的环境中。在从电池电压由于负载和电池组件相连而被降低，并且电压调节器的输出电压值被减少到等于或小于微计算机能稳定操作的电源电压，到由于充电器和电池组件相连，电池电压升高到等于或大于微计算机能稳定操作的电源电压的时间间隔内，微计算机的操作是不稳定的。在这期间，电池组件的安全根本不能保障。
由上述看来，为了解决现有技术中固有的上述问题，本发明的目的在于通过向微计算机可靠地提供恒定的电压，阻止微计算机的失控，使得可以在宽的范围内监控电池状态，同时增加电池组件的安全性。
发明内容
为了解决上述问题，按照本发明，在具有包括电压调节器的电池状态监视电路的电池状态监视器中，电压调节器的电源由来自二次电池或充电器的任何较高的电压供给。此外，当电压调节器的输出电压变得较低时，还提供一个用于向微计算机发送信号的电压检测电路。
在具有其中包括电压调节器的电池状态监视电路的电池状态监视器中，电压调节器的电源从电池电压或者充电器电压当中的较高的电压来提供。此外，当电压调节器的输出电压变得较低时，可以通过附加一个向微计算机发送信号的电压检测电路来确保向微计算机提供恒定的电压，从而能够阻止失控。因为这种结构使得微计算机的操作范围变宽，所以增加了电池组件的安全性，以及可以精确地进行电池状态的监控，借以使得能够从电池组件获得高质量的信息。
本发明的电池状态监视器或电池装置包括：用于监视二次电池电压的电池电压监视电路，用于控制一个切换元件以充电或放电所述二次电池的控制电路，以及用于向所述电池电压监视电路和控制电路供电的电源端子。所述电池装置进一步包括一个正端子，该正端子从外部电源获得电压。本发明的特征在于，所述监视器或装置进一步包括一个电压切换单元，该电压切换单元与一个正端子、二次电池、电源端子、以及用于从外部电源提供电压的端子电气连接，且所述电功率是通过一个电压切换单元从由一个充电器供电的正端子上的电压和二次电池的电压中电压较高的一个提供给所述电源端子的。
根据本发明，可以可靠地向控制器(微型计算机)施加恒定电压，并防止控制器的失控，从而提高了电池组的可靠性，并准确监视电池状态。
附图简述
图1是按照本发明的电池状态监视器以及使用所述电池状态监视器的电池组件的原理图。
图2是常规的电池状态监视器以及使用所述电池状态监视器的电池组件的原理图。
图3是按照本发明的电池状态监视器的另一个实施例以及使用所述电池状态监视器的电池组件的原理图。
图4是常规的电池状态监视器以及使用所述电池状态监视器的电池组件的时序图。
图5是按照本发明的电池状态监视器以及使用所述电池状态监视器的电池组件的时序图。
图6是按照本发明的电压切换电路的另一个例子的原理图。
图7是按照本发明的电池状态监视器的另一个实施例以及使用所述电池状态监视器的电池组件的原理图。
具体实施方式
图1表示应用本发明的电池状态监视器，以及使用这种电路的电池组件的一种结构的例子。下面，参照图1说明本发明的一个实施例。
电池组件100被这样设计，使得多个二次电池6-9(例如锂离子电池)串联连接。二次电池9的负极和检测电阻10相连。此外，检测电阻10和电池组件100的负端子103相连。二次电池6的正极和由FET或其类似物构成的开关元件12相连。开关元件12和开关元件11串联连接，并且开关元件11和电池组件100的正端子101串联连接。开关元件12和11被用作用来控制从电池组件100放电和从充电器17充电的开关元件。当禁止对电池组件100充电时，开关元件11可被截止。此外，当禁止由电池组件100放电时，开关元件12可被截止。开关元件11和12可被连接在二次电池9的负极和检测电阻10之间。在这种情况下，需要按照这种结构合适地改变FET等元件的类型。同样，检测电阻10可以连接在电池组件100的正端子101上。
电池状态监视电路18的电源端子104和电压切换单元21相连。在图1所示的实施例中，电压切换单元21由二极管13和14构成。在这种情况下，二极管13和二极管14的两个阴极被连接在一点上。二极管13的阳极和电池组件100的正端子101相连，二极管14的阳极和二次电池6的正极相连。二次电池6的正极的电压等于通过使二次电池6-9的电池电压相加所获得的值(以后在这点的电压被称为“总电池电压”)。利用这种连接，电池组件100的正端子101的电压或总电池电压当中任何一个较高的电压被施加于电池状态监视电路18的电源端子上。即，和电池组件100的正端子101相连的充电器的电压或二次电池6的电压当中任何一个较高的电压，被施加于电池状态监视电路18的电源上。
在电池状态监视电路18的电源只由二次电池6-9提供的结构中，当二次电池6-9的电压低时会出现问题。当二次电池6-9的电压变得较低时，即使充电器17和电池状态监视电路18相连，电池状态监视电路18的电压也不能被保证。因为电压调节器1的输出直到二次电池6-9被充电而使电压上升之前是不稳定的，所以在这个时间间隔期间，充电电流不能被监控，因此，使得指示残余的电池容量的精度变差。
然而，当如上所述使用电压切换单元21构成电路时，即使二次电池6-9的电压变低，也能由充电器17向电池状态监视电路18提供电压。因此，电压调节器1和放大器3在充电器被和其连接之后可以立即进行正常操作，从而改进电池状态的监控精度。
电压切换单元21的另一个例子如图6所示。在这个例子中，当电源和各个端子A和B相连时，端子A或者B当中的较高的电压被输出到端子C。在这个例子中，虽然电压切换单元21由比较器23和开关22构成，但并不限于这种电路结构，只要能够实现所需的功能，可以使用任何电路。
二次电池6-9，开关元件11，12，检测电阻10和电压切换单元21也分别和电池状态监视电路18相连。电池状态监视电路18由微计算机5，电池电压监视电路4，放大器3，电压调节器1以及电压检测电路2构成。电池电压监视电路4，放大器3，电压调节器1以及电压检测电路2等的电源由电压调节器1提供。
电池电压监视电路4是一种例如由多路转换器和放大器构成的电路，其把二次电池6-9的各自的电压切换成可由微计算机读取的电压，并把所述电压提供给A/D端口。在图1的实施例中，电池电压监视电路4由这样一种电路构成，其中二次电池6-9的各个电压按顺序被输出到一个信号线上。电池电压监视电路4的电源由电压调节器1供给。该电路以这样的方式设置，使得即使二次电池6-9的电压变低时，在充电器17和电池组件相连之后，电池电压监视电路4可以立即进行正常操作。
放大器3被设计用于把在检测电阻10上的电压降调整到一个可由微计算机5读取的电平。因为检测电阻10的电阻值一般小于几十个毫欧，所以放大器3放大检测电阻端子间的电压，并将放大的电压提供给微计算机5的A/D端口。放大器3的电源也由电压调节器1供给。
微计算机5具有A/D转换和计算等功能，也和电池组件100的外部相连。来自电池电压监视电路4的一个信号被输入到微计算机5的AD端口。在二次电池6-9由锂离子电池构成的情况下，当电池电压变得较高时，担心会发生燃爆。即，需要监控电池电压，并中止对电池组件100的充电。在这种情况下，微计算机5按照二次电池6-9的电压控制开关元件11，12的通断操作。此外，通过监控检测电阻10上的电压降可以计算二次电池6-9的充放电电流。因为可以计算充放电电流，所以可以求出电池的容量。
微计算机5的电源电压由电压调节器1提供。电压调节器1被设计用于即使在电源电压改变时也保持其输出电压恒定。在图1的实施例中，电压调节器1的电源由电池组件100的正端子101的电压或上述的总电池电压当中任何一个较高的电压提供。当充电器17不和电池组件100相连时，电压调节器1的电源电压也随着总电压的降低而降低。
电压调节器1的输出和电压检测电路2相连。电压检测电路2例如由比较器24和基准电压25构成，并且当输入的电压达到设置电压时，输出电压被改变。在图1中，当电压调节器1的输出电压变得较低时，电压检测电路2的输出被改变。当该输出被改变时，微计算机5中止计算功能或类似功能，借以能够提前阻止误操作。像通常那样，这种控制方法被称为“复位”。
下面，参照图5说明这一实施例的操作。在图中，横轴代表时间，而纵轴代表电压，并且示出了总电池电压和微计算机5的电源电压。在从0到ta的时间间隔期间，由电池组件100向负载16提供电流，并且随着时间的推移总电池电压降低。在时间ta，总电池电压等于电压调节器1的输出电压。在时间taa，电压调节器1的输出电压达到电压检测电路2的检测电压。此时，因为电压检测电路2的输出电压改变而使微计算机5被复位，所以不会发生微计算机5误操作的情况。因为微计算机5接收这一信号，并且也能禁止电池组件100的放电和从外部对其充电，因而确保电池组件100的安全。随着电池组件100对负载16继续放电，总电池电压降低。在时间tb，电池组件100向负载16提供的电流被停止，并且充电器17和电池组件100相连。在图1所示结构的电池组件100中，在充电器17和电池组件100相连之后，电压立即被施加于电池状态监视电路18的电源端子104。如果充电器17的电压高于在电压调节器1上设置的输出电压，电压调节器1则在充电器17和电池组件100相连之后立即向微计算机提供电源。
在常规的例子中，微计算机5在时间tb到tc的时间间隔期间误操作，而在本实施例中，电源被这样提供，使得微计算机5从充电器和电池组件相连的时间tb开始正常操作。此外，在时间taa到时间tb的时间间隔期间，因为微计算机5接收复位信号，微计算机5不会误操作，因而增加了电池组件100的安全性。
图3是另一个实施例。在本实施例中，微计算机50和电池状态监视电路180作为不同的部件被构成。其构成元件和操作原理和参照图1所述的实施例的完全相同。用这种方式，即使所有的功能在一个部件(IC)中被提供，按照本发明的电池组件也是有效的，并且即使通过在底板上安装微计算机5，开关元件11，12等来提供多个元件，也能获得相同的效果。
在图7所示的实施例中，电池电压监视电路4，放大器3，电压调节器1，电压检测电路2等的电源由电压切换单元21提供。即使利用这种结构，其作为微计算机的电源，显然可以进行上述的操作。
在图1，3，和7所示的实施例的方式中，说明了几种结构的例子，其中各个二次电池6-9不是并联的。不过，本发明同样适用于这样的情况，其中对于多个二次电池被并联连接的结构进行充放电控制。
按照本发明，只通过附加一个简单的电路便可以确保对微计算机施加恒定的电压，并且因为可以阻止失控，从而加宽了微计算机的操作范围，增强了电池组件的安全性，并能够精确地进行电池状态的监控，借以获得高质量的信息。
Claims (8)
1.一种电池状态监视器，包括：电池电压监视电路，用于监视一个二次电池的电压；控制电路，用于控制一个开关元件，以便对所述二次电池进行充电或放电；以及电源端子，用于向所述电池电压监视电路和控制电路提供电功率；
其特征在于，所述电池状态监视器进一步包括一个电压切换单元，该电压切换单元与一个正端子、二次电池、电源端子、以及用于从外部电源提供电压的端子电气连接，且所述电功率是通过一个电压切换单元从由一个充电器供电的正端子上的电压和二次电池的电压中电压较高的一个提供给所述电源端子的。
2.根据权利要求1所述的电池状态监视器，进一步包括一个放大电路，用于从与电池电气连接的检测装置检测电压。
3.根据权利要求1所述的电池状态监视器，其中所述电压切换单元包括两个二极管，该两个二极管以阴极对阴极的方式相互耦合，两个二极管的一个阳极电气连接到所述正端子，两个二极管的另一个正端子电气连接到所述二次电池，并且两个二极管的阴极电气连接到所述电源端子。
4.根据权利要求1所述的电池状态监视器，其中所述电压切换单元包括一个开关电路和控制该开关电路的一个比较器，所述正端子电气连接到所述比较器的一个输入端和开关电路的一个输入端，所述二次电池电气连接到所述比较器的另一个输入端和所述开关电路的另一个输入端，所述开关电路的输出端电气连接到所述电源端子。
5.一种电池装置，包括：从外部电源对其提供电功率的正端子；通过开关元件电气连接的二次电池；电池电压监视电路，用于监视二次电池的电压；控制电路，用于控制所述开关元件，以便对所述二次电池进行充电或放电；以及电源端子，用于向所述电池电压监视电路和控制电路提供电功率；
其特征在于，所述电池装置进一步包括一个电压切换单元，该电压切换单元与所述正端子、所述二次电池、和所述电源端子电气连接，且所述电功率是通过一个电压切换单元从由一个充电器供电的正端子上的电压和二次电池的电压中电压较高的一个提供给电源端子的。
6.根据权利要求5所述的电池装置，进一步包括一个电气连接到所述二次电池的检测和用于从与电池电气连接的检测装置检测电压的放大电路。
7.根据权利要求5所述的电池装置，其中所述电压切换单元包括两个二极管，该两个二极管以阴极对阴极的方式相互耦合，两个二极管的一个阳极电气连接到所述正端子，两个二极管的另一个正端子电气连接到所述二次电池，并且两个二极管的阴极电气连接到所述电源端子。
8.根据权利要求5所述的电池装置，其中所述电压切换单元包括一个开关电路和控制该开关电路的一个比较器，所述正端子电气连接到所述比较器的一个输入端和开关电路的一个输入端，所述二次电池电气连接到所述比较器的另一个输入端和所述开关电路的另一个输入端，所述开关电路的输出端电气连接到所述电源端子。
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