CN1253986C - 充电装置、电池组及使用它们的充电系统 - Google Patents

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Abstract

根据从温度检测端子(8)来的信息检测电池组(2)温度的上升率在规定值以上时，或根据从电压检测端子(9)来的信息检测电池组的电压的上升率在规定值以下时，包括充电控制装置(10)的充电装置(1)向输出控制开关(14)送出输出(OFF)信号，进行电池组的保护控制。

Description

充电装置、电池组及使用它们的充电系统
技术领域
本发明涉及电池组及使用该电池组的充电系统，特别涉及在锂离子二次电池有效的二次电池的保护装置。
背景技术
关于使用作为携带型电子设备的电源的锂离子二次电池的电池组，用图4说明以往的保护控制的方法。锂离子二次电池111通过逆流防止二极管115与正端子116和负端子117之间串行连接，又对于前述锂离子二次电池111串行配设由过充电保护用附属寄生二极管的MOSFET(以下，称为充电FET)和过放电保护用附属寄生二极管的MOSFET(以下，称为放电FET)构成的FET开关114。设置控制电路112控制这FET开关114的充电FET和放电FET的开关，这控制电路112向锂离子二次电池111的两端电压和FET开关114的两端电压输入放电电流。这控制电路112接受前述的输入信息，通过触发器113，由FET开关114进行充电放电都开、只充电开、只放电开、充放电都关的四值控制。这里，含有控制电路112、触发器113、FET开关114的保护电路，一般称为SU(安全装置)。
因此，对便携式电子设备充电时，由那些本体或者充电器充电控制和在故障时动作的由上述的电池组内部的SU控制的两个控制是独立存在的充电控制。作为一般的控制方法分别如下。
正常时的携式电子设备或充电器的充电控制是，①4.2V定电压充电、②0.7C最大电流控制、③充电结束控制(电流值，充电时间或其组合)的其中之一控制、电池组内部的SU不动作。这些控制由于故障或误动作不动作时，电池组内部的SU，①考虑充电电压的控制的公差或温度离散，检测与充电电压正常的变动范围无重叠设定的4.35V±0.05V的电压时切断充电电路(有复位型、非复位型)、②检测最大电流2.0C-4.0C时切断充电电路、进行那样的控制。又不包括SU机能时、在携式电子设备或充电器侧也，①检测4.55V±0.05V的电压时切断充电电路、②检测最大充电电流的1.3倍的电流时切断充电电路、③通过电池组侧温度检测端子118传达，热敏电阻119检测的锂离子二次电池111的表面温度在0℃-40℃范围以外时不充电、④由定时器在2-3小时停止充电、有这种保护机能。
这样，关于锂离子二次电池的充电，想定故障的多重保护作为基本的想法，确保商品的可靠性(安全性)。
但是，在上记以往的内藏SU的电池组及其用于那电池组的充电系统，存在电池组内部的SU作为前提是为了多重保护，当然不能没有SU。在电池组，光是控制电路112、触发器113、FET开关114之类的SU的主要部件就占整个成本的3成，是用锂离子二次电池的电池组的高成本化的一个原因。此外，关于电池组单体的保护功能改良，如在特开平8-116627号公报中所有想法实现了，用这些措施在成本方面仍是大问题。
本发明是为了解决这样前述的问题，其目的是作为单元电池的锂离子二次电池，特别用锂离子二次电池的电池组，不光改良单体，重新认识充电系统整体，进行多重保护，同时删除SU的主要部件，大幅降低成本和由于删除SU的主要部件缩短开发周期以及谋求电池组小型化。
发明内容
为达成上述目的，本发明的充电系统，包括充电装置及电池组。前述充电装置，包括直流变换市电的AC/DC变换器，将来自前述AC/DC变换器输出传输到电池组的充电输出端子，与其对应的GND端子，在充电路线配设的电压、电流检测装置，在充电路线配设的过压保护装置，检测电池组电压的电压检测端子，检测电池组温度的温度检测端子，接受从前述电压、电流检测装置和前述电压检测端子和前述温度检测端子来的信号，进行各种充电控制的充电控制装置，接受从在充电路线配设前述充电控制装置来的信号，进行输出控制的输出控制开关。此外，前述电池组，包括充电对象的锂离子二次电池，与用于向前述锂离子二次电池充电的充电装置和电气连接的正端子及负端子，检测前述锂离子二次电池的表面温度的热敏电阻，将用前述热敏电阻检测的温度信息输出到充电装置的电池组侧温度检测端子。本发明的充电系统，通过从前述电池组侧温度检测端子、前述温度检测端子的前述充电控制装置接受的前述电池组温度的上升率在规定值以上时，前述充电控制装置向前述输出控制开关送出输出OFF信号，进行前述电池组的保护控制。
这时，作为单元电池所用的锂离子二次电池，最好含有过充电抑制添加剂。这样，过充电时因为电池表面温度早期或急剧上升，抓住温度上升在早期或容易实行保护控制。
此外，本发明的充电系统，在前述充电装置中增加，包括充电对象的锂离子二次电池，前述锂离子二次电池与前述充电装置电气连接的正端子及负端子，检测前述锂离子二次电池的电池电压的电池电压检测装置，将用前述电池电压检测装置检测的电压信息输出到前述充电装置的电池组侧电压检测端子的电池组。这样，通过前述电池组侧电压检测端子和前述电压检测端子前述充电控制装置接受的前述电池组电压的上升率在规定值以下时，前述充电控制装置向前述输出控制开关送出输出OFF信号，进行前述电池组的保护控制。
这时，作为单元电池所用的锂离子二次电池，最好含有过充电抑制添加剂。这样，过充电时因为电池电压的上升率的变化早期发生，抓住电压上升的变化在早期或容易实行保护控制。
这样，作为充电系统整体进行多重保护同时不特别地进行构成要素的添加，由于从电池组削减SU的主要部件能够谋求电池组的小型化和大幅度成本下降和开发周期的缩短。
附图说明
图1表示本发明的充电系统的方框图。
图2表示锂离子二次电池的过充电时的温度特性图。
图3表示锂离子二次电池的过充电时的电压特性图。
图4表示以往的电池组的方框图。
本发明的较佳实施形态
以下，关于本发明的较好的实施形态参照附图详细地进行说明。此外，以下所示实施形态是实现本发明的一例，不应该限定本发明的技术范围。
图1所示本发明的充电系统的方框图。在图中，1是笔记本电脑或移动电话机等设备与充电器或AC适配器的组合、或者是充电器单体等的充电装置，2是作为单元电池的用锂离子二次电池的电池组。
充电装置1，包括直流变换市电的AC/DC变换器3，在充电路线配设的向电池组2输出计测电压、电流的电压、电流检测装置4，在充电路线配设的防止过渡电压流向电池组2的过压保护装置5，用于向电池组2电压输出的充电输出端子6及GND端子7，检测电池组温度的温度检测端子8，检测电池组电压的电压检测端子9，接受从电压、电流检测装置4、温度检测端子8、电压检测端子9来的信号进行各种充电控制的充电控制装置10。这种充电控制装置10根据充电状态对LED11点亮、熄灭所定颜色同时，通过电压、电流控制装置12、触发器13、输出控制开关14，进行开始、中止充电的控制。
电池组2，包括正端子16，负端子17，单电池或多个电池的锂离子二次电池21，逆流防止二极管22，为计测电池电压的电池电压检测装置的电阻20，把那电池电压信息输出到充电装置1的电池组侧电压检测端子19，检测锂离子二次电池21的表面温度的热敏电阻23，把那温度信息输出到充电装置1的电池组侧温度检测端子18。
关于本发明充电端子、温度检测端子电压检测端子等的各端子不管是接触式，非接触式，能够进行同等的控制。
从图1可见，在本发明的充电系统，删除图4所示用虚线围成的以往的电池组的构成部件中部分保护电路SU。这部分是测定、控制电压的IC基板或半导体开关部分在保护电路中占成本的大部分。另外低成本的PTC、温度熔丝或热敏电阻23，又逆流防止二极管22等也可留下。
在本发明，提议新的充电控制也删除SU实现多重保护。进一步，在单元电池内部加入过充电抑制添加剂，造成过充电时的电压或电池温度举动的变化，从充电装置1检知这举动进行充电控制，对于防止过充电可靠性得到更飞跃提高。
下面关于具体的控制变更点进行说明。
第一，在充电装置1作为保护机能的电路切断的基准电压容许量，从以往的4.55V变成4.35V。于是，在充电装置1内部保持在以前SU作为保护机能的电路切断的基准电压容许量。
第二，通过温度检测端子8充电控制装置10接受电池组温度的上升率在规定值以上时，充电控制装置10向输出控制开关14送出输出OFF信号进行ΔT/dt保护控制。如图2所示，如果过充电因为电池的表面温度急剧变化，检测这变化结束充电。具体是，充电装置1的充电控制装置接受从热敏电阻23检测温度信息，进行运算处理，其上升率在规定值以上时，中断输出控制开关14只要结束充电就行。作为规定值的具体的值，也由于单元电池的特性，为了防止误检测维持若干余地ΔT/dt在0.5℃/分以上，最好1℃/分以上就行。
第三，通过电压检测端子9充电控制装置10接受电池组电压的上升率在规定值以下时，充电控制装置10向输出控制开关14送出输出OFF信号进行ΔV/dt保护控制。如图3所示，如果过充电，电池电压上升，因为5.5V附近峰值一次电压下降，检测这举动结束充电。具体是，充电装置1的充电控制装置10接受从电池电压检测装置的电阻20检测的电压信息，进行运算处理，其上升率在规定值以下时，中断输出控制开关14只要结束充电就行。作为规定值的具体的值，为了防止误检测维持若干余地ΔV/dt＜0就行。
这样三种充电控制，没有SU，根据与以往的温度范围控制或定时控制，温度熔丝或单元电池单体的电流截止机构等的控制相结合能够实现多重保护。必须由温度检测的充电控制与由电压检测的充电控制的哪一个和，最好由充电装置的电压许容量的变更进一步附加到充电装置，更好地由全部三种机能实施充电控制。
以下，关于本构成，想定用上述的充电控制时的大的两个项目的故障。
首先充电装置1的充电控制全部坏了时(充电侧的电压检知机能故障时)，充电装置1在能流动的最大的耐电压、电流下进行充电。一般，在10V-20V耐电压下，发生3C的连续充电。这时没有SU的电池组必须100％保障，对于这问题单元电池单体的保护控制的研究开发比以前积极地推进，电流截止机构的精度上升，添加过充电抑制添加剂，进一步利用PTC或形状记忆合金高精度温度熔丝等的选择可信赖的多重保护是可能的。
其次，因为误动作通常的4.2V不能控制时，对于通常如有SU动作在电池电压达到4.35V时切断充电电路，本发明因为没有SU用前述三种类的机能结束充电。
根据充电装置的电压许容值的变更使用充电控制时，与象从前SU做的同样，电池电压达到4.35V时结束充电。当然作为保护机能，根据温度电压检测附加充电控制装置。
根据温度检测使用充电控制时，电池的表面温度变化达到设定值(例如0.5℃/分)以上时结束充电。当然作为保护机能，也可附加上述其他的装置。这时，在单元电池中添加前述的过充电抑制添加剂，过充电时的电池温度举动造成的变化，早期且准确地能够进行保护控制。
根据电压检测使用充电控制时，因为充电中连续上升的电压一到过充电领域就在5V附近峰值一次电压下降，电池电压一到ΔV/dt＜0就结束充电。当然作为保护机能，也可附加上述其他的装置。这时，在单元电池中添加前述的过充电抑制添加剂，过充电时的电池电压举动造成的变化，早期且准确地能够进行保护控制。
这里，关于过充电抑制添加剂的选定或并用的效用基本的考虑方法简单说明。过充电抑制添加剂在通常的充放电中无什么作用，一超过设定的充电电压(现在4.2V)就起作用。其结果，电池急剧地表面温度上升或充电电压达到ΔV/dt＜0而引起现象。具体的，一到充电设定电压以上(过充电领域)发生飞快的分解气体，反应热或，气体在电极间积存电池内部电阻上升产生焦耳热等使电池表面温度急剧上升。没有过充电抑制添加剂时，直到开始电解液的分解不发生这现象，因为进行过充电，在安全方面有问题。但是，有添加剂时马上发生温度上升现象，进行过充电能够在浅的状态停止充电。关于具体的添加剂的种类，有正三联苯、联苯、二苯醚等，这些在4.5V附近发生氧化聚合反应在极间形成保护膜，这保护膜成为电阻产生焦耳热。
图2，示出电池的表面温度给与变化的含有过充电抑制添加剂锂离子二次电池和，不含有过充电抑制添加剂锂离子二次电池各种场合的电池表面温度变化。同图虚线所示那样不含有过充电抑制添加剂时，因为在满充电容量的200％附近的A点电池的表面温度急剧上升，能够检测自身，在这时点已经进行相当过充电。从而，在A点温度检测，在安全方面有问题。但是，为了解消这些加入上述的过充电抑制添加剂，在同图象实线所示那样表面温度的上升开始得早，例如在满充电容量的120％附近的B点只上升一定温度，可能比较的抑制那以后的温度上升。为此，能够达成安全性改进与早期容易地检测的兼容。
同样的图3，示出电池的电压给与变化的含有过充电抑制添加剂锂离子二次电池和，不含有过充电抑制添加剂锂离子二次电池各种场合的电池电压变化。同图虚线所示那样不含有过充电抑制添加剂时，因为电池电压上升到5.5V在状态C点发生电压下降，能捕捉这现象能够检测自身。但是，在这时点因为已经进行相当的过充电，在安全方面留有问题。为了解消这些加入上述的过充电抑制添加剂，在同图象实线所示那样，例如在满充电容量的120％附近的D点，电池电压下降，捕捉那现象是可能的。为此，能够达成安全性改进与早期容易地检测的兼容。
这样，在过充电时考虑锂离子二次电池21的温度，或电压的变化进行在充电装置1侧加入保护控制，作为充电系统整体进行多重保护而不特别地增加构成要素，从电池组2消减SU的主要部件能够谋求电池组2的大幅的成本下降和开发周期的缩短和小型化。
此外，在本实施形态中，电池电压值等，就单元电池数值作说明，多个电池时只是数值的变化，同样的控制是可能的这是不言而喻的。
此外，在充电装置1，本发明的保护控制因为某些的因素不包括功能时，最好同时持有与以前例同样的检测最大充电电流的1.3倍的电流时中止充电电路的机能，温度在0℃-40℃的范围外时中止充电电路的机能，根据定时器在2-3小时停止充电的机能。
此外，在本实施形态中，为了使充电系统整体的成本下降，本发明的检测温度上升率或电压上升率的保护控制机能需要的控制装置和，从FET等的开关从以往的充电控制装置10和输出控制开关14的并存的软件的变更要对应。但是，充电控制装置10和输出控制开关14的故障也考虑在内同时，例如只有开关设置在别的充电路径，控制装置与开关同时也设置在别的充电路径当然是好的。这时，很难实现整体的成本下降，但是能够谋求电池组2的大幅的成本下降和开发周期的缩短和小型化。
此外，在实施例中用锂离子二次电池作说明，锂离子二次电池以外的锂二次电池(例如在负极用金属锂的电池)也有本发明的效果。
此外，从以前关于碱蓄电池的充电控制，作为满充电检测的检测电压下降中止充电也就是所谓-ΔV检测，关于锂离子二次电池到满充电为止所谓电压下降的事实不能得到，此外，电池系统因为不同不能单纯考虑类似的充电控制，况且关于用保护控制，不能容易地类推。
工业上的实用性
从以上的实施形态可见，本发明，根据近年的单元电池的安全性能提升或电池电压、温度举动的分析进步作为充电系统整体考虑多重保护控制，没有SU的主要部件，本发明的充电装置增加保护控制机能与以往的温度范围控制或定时器控制，温度熔丝或单元电池单体的电流截止机构等的控制相结合，实现多重保护能够得到充分的安全性，所以对谋求电池组的小型化和大幅的成本下降以及开发周期的缩短是有用的。

Claims (10)

1.一种充电装置(1)，用于对使用锂二次电池的电池组(2)进行充电，其特征在于，包括
直流变换市电的AC/DC变换器(3)，
将来自所述AC/DC变换器的输出传输到电池组的充电输出端子(6)，
与其对应的GND端子(7)，
在充电路线配设的电压、电流检测装置(4)，
在充电路线配设的过压保护装置(5)，
检测电池组电压的电压检测端子(9)，
检测电池组温度的温度检测端子(8)，
接受从所述电压、电流检测装置和所述电压检测端子和所述温度检测端子来的信号，进行各种充电控制的充电控制装置(10)，以及
接受从在充电路线配设所述充电控制装置来的信号，进行输出控制的输出控制开关(14)；
电池组温度的上升率在规定值以上时，所述充电控制装置向所述输出控制开关送出输出OFF信号，进行保护控制；
所述规定值是对应于过充电早期阶段的电池组温度的上升率。
2.一种充电装置(1)，用于对使用锂二次电池的电池组(2)进行充电，其特征在于，包括
直流变换市电的AC/DC变换器(3)，
将来自所述AC/DC变换器的输出传输到电池组的充电输出端子(6)，
与其对应的GND端子(7)，
在充电路线配设的电压、电流检测装置(4)，
在充电路线配设的过压保护装置(5)，
检测电池组电压的电压检测端子(9)，
检测电池组温度的温度检测端子(8)，
接受从所述电压、电流检测装置和所述电压检测端子和所述温度检测端子来的信号，进行各种充电控制的充电控制装置(10)，以及
接受从在充电路线配设所述充电控制装置来的信号，进行输出控制的输出控制开关(14)；
电池组的电压的上升率在规定值以下时，所述充电控制装置向所述输出控制开关送出输出OFF信号，进行保护控制；
所述规定值是对应于过充电早期阶段的电池组电压的上升率。
3.一种电池组，其特征在于，包括
充电对象的锂二次电池，
与用于向所述锂二次电池充电的充电装置(1)电气连接的正端子(16)及负端子(17)，
检测所述锂二次电池的表面温度的热敏电阻(23)，以及
将用所述热敏电阻检测的温度信息输出到充电装置的电池组侧温度检测端子(18)；
根据从所述电池组侧温度检测端子来的信息检测的电池组温度的上升率在规定值以上时，接受由充电装置进行输出OFF的控制；
所述规定值是对应于过充电早期阶段的电池组温度的上升率。
4.一种电池组，其特征在于，包括
充电对象的锂二次电池，
与用于向所述锂二次电池充电的充电装置(1)电气连接的正端子(16)及负端子(17)，
检测所述锂二次电池的电池电压的电池电压检测装置，以及
将用所述电池电压检测装置检测的电压信息输出到充电装置的电池组侧的电压检测端子(19)；
根据从所述电池组侧电压检测端子来的信息检测的电池组电压的上升率在规定值以下时，接受由充电装置进行输出OFF的控制；
所述规定值是对应于过充电早期阶段的电池组电压的上升率。
5.如权利要求3所述的电池组，其特征在于，
在锂二次电池中，含有抑制过充电添加剂。
6.如权利要求4所述的电池组，其特征在于，
在锂二次电池中，含有抑制过充电添加剂。
7.一种充电系统，其特征在于，包括
充电装置(1)和电池组，
所述充电装置(1)包括
直流变换市电的AC/DC变换器(3)，
将来自所述AC/DC变换器的输出传输到电池组的充电输出端子(6)，
与其对应的GND端子(7)，
在充电路线配设的电压、电流检测装置(4)，
在充电路线配设的过压保护装置(5)，
检测电池组(2)的电压的电压检测端子(9)，
检测电池组温度的温度检测端子(8)，
接受来自所述电压、电流检测装置和所述电压检测端子和所述温度检测端子来的信号，进行各种充电控制的充电控制装置(10)，以及
接受来自在充电路线配设的所述充电控制装置的信号，进行输出控制的输出控制开关(14)，
所述电池组包括
充电对象的锂二次电池，
与用于对所述锂二次电池充电的充电装置电气连接的正端子(16)及负端子(17)，
检测所述锂二次电池的表面温度的热敏电阻(23)，以及
将用所述热敏电阻检测的温度信息输出到充电装置的电池组侧的温度检测端子(18)；
根据来自所述电池组侧温度检测端子、所述温度检测端子的输出信息检测的所述电池组温度的上升率在规定值以上时，所述充电控制装置向所述输出控制开关送出输出OFF信号，进行所述电池组的保护控制；
所述规定值是对应于过充电早期阶段的电池组温度的上升率。
8.一种充电系统，其特征在于，包括
充电装置(1)和电池组，
所述充电装置(1)包括
直流变换市电的AC/DC变换器(3)，
将来自所述AC/DC变换器的输出传输到电池组的充电输出端子(6)，
与其对应的GND端子(7)，
在充电路线配设的电压、电流检测装置(4)，
在充电路线配设的过压保护装置(5)，
检测电池组(2)的电压的电压检测端子(9)，
检测电池组温度的温度检测端子(8)，
接受来自所述电压、电流检测装置和所述电压检测端子和所述温度检测端子来的信号，进行各种充电控制的充电控制装置(10)，以及
接受来自在充电路线配设的所述充电控制装置的信号，进行输出控制的输出控制开关(14)，
所述电池组包括
充电对象的锂二次电池，
与用于对所述锂二次电池充电的充电装置电气连接的正端子(16)及负端子(17)，
检测所述锂二次电池的电池电压的电池电压检测装置，以及
将用所述电池电压检测装置检测的电压信息输出到充电装置的电池组侧的电压检测端子(19)；
根据来自所述电池组侧电压检测端子、所述电压检测端子的输出信息检测的所述电池组温度的上升率在规定值以下时，所述充电控制装置向所述输出控制开关送出输出OFF信号，进行所述电池组的保护控制；
所述规定值是对应于过充电早期阶段的电池组电压的上升率。
9.如权利要求7所述的充电系统，其特征在于，
在锂二次电池中，含有抑制过充电添加剂。
10.如权利要求8所述的充电系统，其特征在于，
在锂二次电池中，含有抑制过充电添加剂。
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