CN1172553A - 具有欠电压和过电压保护的电池组 - Google Patents

Abstract

一种电池组(10)连接到一个负载或充电器(12),并且包括原电池(20),欠电压开关(22),第一电压控制开关(24),过电压开关(28),以及第二电压控制开关(30)。欠电压开关(22),只能阻断放电电流,任何再充电电流可以通过它而与其开关状态无关。过电压开关(28)在断开时只能阻断再充电电流,并且总将允许放电电流流通而与其开关状态无关。当电池电压V1在预定欠电压电平之上时,第一电压控制开关(24)使欠电压开关(22)保持为接通。当V1降到该欠电压电平或之下时,第一电压控制开关(24)应用线(26)上的开关信号使欠电压开关(22)断开。当电池电压V1在预定过电压电平之下时,第二电压控制开关(30)使过电压开关(28)保持为接通。当V1达到或超过该过电压电平时,第二电压控制开关通过线(34)上的开关信号使过电压开关(28)断开。

Description

具有欠电压和过电压保护的电池组

本发明一般涉及电池，并且特别涉及具有断路开关的电池组。

随着电子设备变得日益轻便和复杂，用户开始对这些产品期望有优质电源。典型地，最佳解决办法是使用可再充电的电池或电池组。这样的电池组必须非常耐用，以便提供尽可能多的充电/放电循环。另外，由于电池组是储能装置，所以它们必须安全。这对最近市场上可实到的一些新型电池，例如与像镍镉那样的既定电池系统比较具有相当高能量密度的锂离子电池来说，特别如此。为了达到既安全又可靠，这样的电池组的设计者必须假定一旦交付给最终用户，无论是有意还是无意总会有一定程度的误处理。

可靠性降低并且发生频率在增加的一种情况是电池组的偶然深放电。这种情况在设备放置一段持续时间时，例如在用户忘记它，并且电池放电远超过其正常放电电平时发生。对于像镍金属氢化物，锂离子，以及锂聚合物那样的新型系统来说，这种情况可能引起电池故障。最好的情况是，电池的循环寿命大大缩短；在极端情况下，当再充电时会产生安全危险。

对新型电池系统，特别对锂离子和锂聚合物所特有的另一个潜在问题是过电压。众所周知金属锂为高活性。在锂离子原电池中，开始在原电池中没有可用金属锂。只要电池电压不超过阀值电压，将什么也不形成。如果电池充电到这个阀值电平之上某一电压时，那么原电池就经历称为过电压的条件。这个过电压条件按照与电化学电镀过程类似的反应，使金属锂从溶液中析出。超过规定时间，当建立较多金属锂时则可能产生安全危险。锂聚合物原电池在过电压下同样经历类似的现象。

在典型系统中，充电器设计为避免过电压条件。但是，各种故障方式会使充电器达到阀值电压时继续充电。这种类型的故障通常称为失控充电器。为了保护免遭这样故障，需要某类电池断路开关来防止原电池不会经历任何过电压充电。理想地这样开关一旦起动，应该仍允许电池组其后放电。

过去已有利地使用电池断路开关以既对欠电压条件又对过电压条件定址。但是，它们的费用和复杂性通常抵消了新型电池系统所可能提供的任何优点，新型电池系统典型地就已经比常规系统昂贵。例如，在使用中对锂离子电池，有电池组固有低电压或更普通为欠电压开关电路。但是，这些电路一旦起动，就要求充电器输出特定信号来“唤醒”电池开关电路，并且允许使用电池。这样对充电器来说就要求一定的复杂程度。类似地，在一些锂离子电池组中使用了电池组固有过电压断路电路。但是，它们典型地使用多个比较器，精确电压参考，而且在许多情况下有用户完成的集成电路。

因此，有必要提供一种简单装置，当电池已经正常放电，即在任何深放电之前时，利用它能使电池与负载断开，并且使电池仍可再充电。同样，有必要提供一种简单装置，在发生过电压条件之前使电池断开，以便避免任何安全危险。理想地，这样要求能由单个装置满足。

图1是按照本发明具有欠电压保护装置的电池系统的方框图；

图2是按照本发明与图1相同并且结合有过电压保护装置的电池系统的方框图；

图3是按照本发明的电路的示意图。

虽然本说明书以限定本发明特征的权利要求来结束，这些特征被认为是新颖的，但是相信，本发明在连同附图考虑了下列说明后将会得到更好理解，其中预约实行相同标号。

现在参考图1，这里其中说明了按照本发明的电池系统的方框图。示出有电池组10和负载12，例如蜂窝电话机，便携式双路收音机，便携式计算机，或任何这样要求便携式电源的装置。负载12按箭头14方向从电池组10抽取放电电流。电池电压V1施加在正电池端子16与负电池端子18之间。

电池组10包括至少一个原电池20，欠电压开关22，以及电压控制开关24。欠电压开关22具有单向作用，即箭头23方向的电流总能流通，而与欠电压开关22是否起动无关。如果欠电压开关22起动，按箭头23相反方向流通的电流将被阻断，否则将流通。

欠电压开关22的开关状态，即接通或断开是由控制输入端25来控制的。具体地，欠电压开关22响应由电压控制开关24产生并沿线26传送到控制输入端25的开关信号。电压控制开关24响应电池电压V1，并且在线26上提供一个开关信号，以便使欠电压开关22保持在接通状态，即在两个方向都导电，直到电池电压V1降到一个预定欠电压电平之下时为止。当电池电压V1降到该欠电压电平之下时，电压控制开关24断开，并且使欠电压开关22阻断进一步放电，由此限制了原电池20经历的放电深度。当欠电压开关22断开时，电池电压V1降到大约零伏，这样即使当原电池20两端之间电压升到该欠电压电平之上时，也使电压控制开关24保持在断开状态。由于欠电压开关22为单向阻断开关，所以通过简单地施加再充电电流能使电池充电。这样使欠电压开关22两端之间电压反向，使电池电压V1升高到该欠电压电平之上，并且使电压控制开关24接通。

现在参考图2，这里其中说明了如图1那样，并且进一步包括过电压开关28和第二电压控制开关30的电池组10的方框图。但是，在本例中，负载12可以如前所述使电池组10放电，或按箭头32方向供给再充电电流。过电压开关28在起动时将阻断再充电电流，但是将允许放电电流按箭头29方向流通。在这个意义上，过电压开关28像欠电压开关22那样起一个单向阻断开关作用。当再充电电流流入电池时，电池电压升高。一旦电池电压V1达到第二预定电平时，第二电压控制开关30就接通，并且在线34上提供一个开关信号，使过电压开关28阻断任何进一步充电。典型地，原电池20两端之间的电压将稍微下降，因此使电池电压V1下降。

但是，当过电压开关28断开时，由于电池充电器典型地调节电流，所以充电器电压逐渐上升到它的最大电平，以极力维持电流调节。当充电器输出端与电池组10并联连接时，充电器输出电压成为电池电压V1，并且电压控制开关30在线34上保持开关信号，而且过电压开关28继续阻断再充电电流。由于欠电压开关22将不接通，并且过电压开关28仅阻断再充电电流，所以原电池仍能放电。

现在参考图3，这里其中说明了按照本发明的电路的示意电路图。示出有一个电池组10，通过正电池端子16和负电池端子18与充电器或负载12连接，在这两个端子之间显然有电池电压V1。还包括至少一个原电池20，欠电压开关22，第一电压控制开关24，过电压开关28，第二电压控制开关30，以及复开关36。复开关36是一个响应流过其中的强电流的电流断路装置。如果或按充电方向或按放电方向施加过量电平的电流，复开关36将从非常低的电阻变为非常高的电阻，以提供开关作用。在本领域这样使用复开关为周知。

通过与开关并联耦合一个二极管，欠电压开关22和过电压开关28实现单向阻断操作。在一个优选实施例中，使用N-通道MOSFETs(金属氧化物半导体场效应晶体管)，因为这些装置提供优良的开关作用，并且由于用来制造它们的制造过程所引起而具有本征二极管。欠电压开关22具有源极端子38，漏极端子40，以及栅极端子42。本征二极管43与MOSFET并联连接，阳极44与源极端子38连接。这样定向允许再充电电流流过原电池20而与欠电压开关22的开关状态无关。源极端子38还与原电池20连接，而栅极端子42为控制输入端。

过电压开关28也有一个源极端子46，漏极端子48，以及栅极端子50。漏极端子48连接到欠电压开关22的漏极端子40，源极端子46连接到负电池端子18，并且和欠电压开关22类似与本征二极管49并联耦合，但是按反向定向以便阻断通过电池组10的再充电电流。栅极端子50起控制输入端作用，并且从线51接收开关信号。

第一电压控制开关24包括第一分压电阻器52，第二分压电阻器54，双极晶体管56，耦合电阻器58，以及偏置电阻器60。第一和第二分压电阻器52和54分别串联连接在正和负电池端子16和18之间，并且形成一个中点节点62。中点节点62处的电压与电池电压V1成正比，并且决定于分压电阻器52和54的值。双极晶体管56起一个电压控制开关元件作用，并且分别具有发射极，集电极和基极端子64，66和68。当在发射极基极结之间施加偏置电压时，双极晶体管56使电流从发射极端子64导向集电极端子66。

基极端子68通过耦合电阻器58耦合到中点节点62。耦合电阻器58起限制流过双极晶体管56的发射极基极结电流的作用。选择分压电阻器52和54，以便当电池电压V1在第一预定电平之上，即低电压断开电平时，中点节点62处电压等于或大于双极晶体管56的最小偏置电压。结果，双极晶体管56使电流导向偏置电阻器60，由此提供一个偏置电压。该偏置电压使欠电压开关22保持为接通状态。如果电池电压V1降到欠电压电平之下，中点节点处的电压将不足以偏置双极晶体管56，并且双极晶体管将不会使电流导向偏置电阻器60。这样结果使欠电压开关22断开。当电池电压V1降到欠电压电平之下时，就不能从电池组10抽取电流，并且电池电压V1降到大约零伏。

第二电压控制开关30以类似方式操作。它包括串联连接并形成中点节点74的分压电阻器70和72。在一个优选实施例中，包括热敏电阻器76，并且该热敏电阻器为负温度系数类型。如果不需要热敏电阻器76，那么分压电阻器72将直接连接到负电池端子18。双极晶体管78起一个开关元件作用，并且通过耦合电阻器75连接到中点节点74。线51上电压通过偏置电阻器80上拉到高电平。这个电压电平在控制输入端50施加在过电压开关28上，以便过电压开关28为接通。如果包括的话，选择第三和第四分压电阻器70和72，以及热敏电阻器76，以便当电池电压V1在过电压电平，即第二预定电平之上时，双极晶体管偏置接通，并且线51上的电压降到大约0伏。这个开关信号使过电压开关28断开，并且阻断进一步再充电。

热敏电阻器76的目的是按本领域已知方式来补偿双极晶体管78的热偏置电压误差。众所周知，双极晶体管具有大约-2毫伏/℃的热偏置电压误差。也就是，在晶体管的温度增加时，需要较小电压来使其偏置而为接通状态，以及在温度降低时需要较大电压。由于过电压电平从安全原因来选择，所以过电压开关在相同电池电压电平下起作用而与温度无关就非常重要。虽然这里示出与分压电阻器70和72串联连接，但是它能同样容易地与分压电阻器72并联，或在电阻性网络中连接在中点节点74与负电池端子18之间。所有这些是根据具体设计和可用元件来选择。

虽然已经说明和叙述了本发明的优选实施例，但是将很清楚本发明不是这样限定的。在不违反附加权利要求所限定的本发明的精神和范围下，对本领域技术人员将有许多更改，改变，变化，替代和等效。

Claims (11)

1．一种具有电池电压的电池组，包括：

至少一个原电池，具有一个正电池端子和一个负电池端子；

单向阻断开关装置，响应一个开关信号并且至少具有接通和断开状态，所述阻断开关装置与所述至少一个原电池串联耦合，以便施加在所述电池组上的再充电电流将流过所述单向阻断开关装置而与所述开关状态无关；以及

电压控制开关装置，响应所述电池电压以产生所述开关信号。

2．如权利要求1的限定一种电池组，其中当所述电池电压比预定欠电压电平高时，所述电压控制开关装置使所述单向阻断开关保持为接通状态。

3．如权利要求1限定的一种电池组，其中所述至少一个原电池从镍镉原电池，镍金属氢化物原电池，锂离子原电池，锂聚合物原电池，以及其组合所组成的组中选择。

4．如权利要求1限定的一种电池组，其中所述单向阻断开关装置包括：

一个晶体管开关；以及

一个二极管，与所述晶体管开关装置并联连接，以便所述阳极连接到所述至少一个原电池。

5．如权利要求1限定的一种电池组，其中所述单向阻断开关装置是一个包括一个二极管的MOSFET。

6．如权利要求1限定的一种电池组，其中所述电压控制开关装置包括：

一个双极晶体管，具有发射极，集电极和基极端子，所述发射极端子连接到所述电池组的所述正端子，所述集电极端子连接到所述单向阻断开关装置；

第一和第二分压电阻器，串联耦合在所述正电池端子和所述负电池端子之间，所述分压电阻器形成一个中点节点；以及

一个第一耦合电阻器，连接在所述双极晶体管的所述基极端子与所述第一和第二分压电阻器的所述中点节点之间。

7．如权利要求1限定的一种电池组，还包括：

一个第二单向阻断开关装置，响应一个第二开关信号并且至少具有接通和断开状态，所述第二阻断开关装置与所述至少一个原电池串联耦合，以便所述电池组的放电电流将流过所述第二单向阻断开关装置，而与所述第二单向阻断开关装置的所述开关状态无关；以及

一个第二电压控制开关装置，响应所述电池电压以产生所述第二开关信号。

8．如权利要求7限定的一种电池组，其中当所述电池电压在预定过电压电平之下时，所述第二电压控制开关装置使所述第二单向阻断开关保持为接通状态。

9．如权利要求7限定的一种电池组，其中所述第二单向阻断开关装置包括：

一个晶体管开关；以及

一个具有阳极的二极管，所述二极管与所述晶体管开关并联连接，并且定向为所述阳极连接到所述负电池端子。

10．如权利要求7限定的一种电池组，其中所述第二单向阻断开关装置是一个包括一个本征二极管的MOSFET。

11．如权利要求7限定的一种电池组，其中所述第二电压控制开关装置包括：

一个第二双极晶体管，具有发射极，集电极和基极端子，所述发射极端子连接到所述电池组的所述负端子，所述集电极端子连接到所述第二单向阻断开关装置的所述控制输入端；

第三和第四分压电阻器，串联耦合在所述正和负电池端子之间，所述分压电阻器形成一个中点节点；以及

一个第二耦合电阻器，连接在所述第二双极晶体管的所述基极端子与所述第三和第四分压电阻器的所述中点节点之间。

一个第二偏置电阻器，连接在所述第二单向阻断开关装置的所述控制输入端与所述正电池端子之间。

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