CN1300458A

CN1300458A - 蓄电池控制电路

Info

Publication number: CN1300458A
Application number: CN00800585A
Authority: CN
Inventors: 祝园芳宣
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 2000-03-16
Publication date: 2001-06-20
Anticipated expiration: 2020-03-16
Also published as: KR100427903B1; KR20010043673A; CA2332357A1; WO2000055954A1; JP3212963B2; CA2332357C; EP1096637A1; JP2000270494A; US20040167741A1; US6714882B1; US7502700B2; US6925400B2; CN1140033C; HK1038110A1; TW439311B; US20040162698A1

Abstract

本发明提供了无须激活PTC元件便能执行可靠的充电/放电控制的蓄电池控制电路,该蓄电池控制电路包含用于检测蓄电池的温度的温度检测部件及用于根据温度检测部件检测到的温度控制蓄电池的充电/放电的系统逻辑。系统逻辑在温度检测部件检测到的温度超出预定的第一温度范围时中断该蓄电池的充电,而在温度检测部件检测到的温度超出预定的第二温度范围时中断该蓄电池的放电。

Description

蓄电池控制电路

本发明涉及蓄电池控制电路，更具体地涉及用于可靠地执行锂离子蓄电池的充电与放电的控制电路。

过去，作为锂离子蓄电池充电的控制，在电池充电器中曾包含充电电压控制、充电电流控制、只能在预定温度范围内充电的控制等。在其中包含锂离子蓄电池等的电池组中，设置了检测电池的电压并在电压等于或大于预定电压值时中断充电的控制作为充电电压控制不工作的情况的预防措施。设置在电池组中的上述充电中断控制称作过充电保护。

此外，执行下述控制，用热敏电阻测定上述电池组中的电池的温度，将其输出连接到电池充电器上，并且在电池充电器中，只在预定的温度范围内才启动充电。

另一方面，传统上作为与锂离子蓄电池等的放电关联的控制，曾执行过在出现负载短路时中断放电的控制，检测放电期间的过度涌动的电流并中断放电的控制，及检测放电期间的恒定电流及中断放电的控制。这些控制总称过电流保护。

诸如上述过充电保护、热敏电阻控制及过电流保护等在电池组方面的控制总称安全电路。

上述过电流保护是诸如锂离子蓄电池等的电池的保护功能之一。然而，在许多情况中，在为这一保护不起作用的情况作准备中，在锂离子蓄电池本身中安装具有环形形状的PTC元件，或在电池组中设置PTC元件。

PTC(正温度系数)元件为在正常工作期间电阻值低，但被本身或环境温度加热时电阻值突然升高的元件。已将这种元件用于过电流/发热保护。

在例如日本公开公布号10-275612中描述了使用锂离子蓄电池与蓄电池控制电路(安全电路)的电池组。

然而，在上述传统结构中，在激活安装在锂离子蓄电池本身中的具有环形形状的PTC元件的情况中，在PTC元件的厚度方向上的膨胀力作用在打开电池密封部分的填料部分的方向上。这是电解溶液泄漏的原因。此外，曾顾虑由置于高温条件中的全充电锂离子蓄电池等导致的蓄电池的生命周期的恶化或膨胀。

此外，曾顾虑在液体渗透到诸如锂离子蓄电池等蓄电池或其中装有上述蓄电池的电池组中的情况中，或在泄漏电池内的电解溶液的情况中可能导致电路不正常工作、腐蚀或由于加水到电解溶液中生成氢氟酸而产生的问题。

通常用于锂离子蓄电池中的电解溶液的主要成分是锂六氟磷酸盐。

在水渗透到锂六氟磷酸盐中引起的化学反应是用方程式(1-1)表示的。通过这一化学反应生成氢氟酸(即，一种非常强的酸)。 (1-1)

本发明解决这些传统问题。本发明的目的为提供无须激活PTC元件便能可靠地控制充电/放电的蓄电池控制电路，它减少寿命恶化及出现电池膨胀，并能装在电池组中的小的空间部分中。

为了解决上述问题，本发明的蓄电池控制电路包括：用于检测蓄电池的温度的温度检测部件；以及根据温度检测部件检测到的温度控制该蓄电池的充电/放电的控制部件，其中在温度检测部件检测到的温度超出预定的第一温度范围时，该控制部件中断蓄电池的充电，而在温度检测部件检测到的温度超出预定的第二温度范围时中断蓄电池的放电。从而，能够防止由装在锂离子蓄电池本身中的环形形状PTC元件的激活引发的电解溶液的液体渗漏现象。

预定的第二温度范围可包含预定的第一温度范围。

本发明的蓄电池控制电路包括：用于检测蓄电池的电压的电压检测部件；用于检测蓄电池的温度的温度检测部件；以及根据电压检测部件检测到的电压及温度检测部件检测到的温度控制该蓄电池的充电/放电的控制部件，其中当电压检测部件检测到的电压等于或大于预定的第三电压值，且温度检测部件检测到的温度等于或大于预定的第四温度时，该控制部件便放电蓄电池直到蓄电池的电压到达预定的第五电压值为止。从而，能防止由完全充电的诸如锂离子蓄电池等蓄电池保持在高温条件中所导致的生命周期恶化与电池膨胀。

最好预定的第三电压值与预定的第五电压值是用具有滞后量的单一电路检测的。

最好预定的第三电压值或预定的第五电压值之一等于过充电释放电压值。

蓄电池的放电解除条件包含蓄电池的温度条件。

本发明的蓄电池控制电路包括在检测蓄电池内部或装有蓄电池的电池组内部的液体的渗漏或产生的液体检测部件检测到液体时中断蓄电池的充电/放电的控制部件。在这一结构中，当产生了电路不正常工作、腐蚀、由于加水到电解溶液中产生氢氟酸引起的问题(这可能在液体渗漏到诸如锂离子蓄电池等蓄电池或装有上述蓄电池的电池组中时或电池内部的电解溶液泄漏时导致的)时，便截止蓄电池的充电/放电，借此能通知用户出现了问题。

该蓄电池控制电路还包括用于检测蓄电池的温度的温度检测部件，控制部件可根据温度检测部件检测到的温度控制蓄电池的充电/放电。

在蓄电池控制电路构成在单一半导体芯片上的情况中，便得到小尺寸的蓄电池控制电路。通过将半导体芯片封装在蓄电池的密封部件中或将半导体芯片安装在电池组的狭窄空间部件中，便能提供其中装有蓄电池控制电路的蓄电池或其中在电池组的狭窄空间部分中装有蓄电池控制电路的小尺寸蓄电池组。

下面描述本发明的功能。

按照权利要求1中所述的本发明，在温度检测部件检测到的温度超出预定的第一温度范围或超出预定的第二温度范围时，便中断蓄电池的充电/放电。这防止由安装在蓄电池中的PTC元件的激活引起的电解溶液的液体泄漏现象。

按照权利要求3中所述的本发明，在电压检测部件检测到的电压等于或大于预定的第三电压值且温度检测部件检测到的温度等于或大于预定的第四温度时，便放电该蓄电池直到蓄电池的电压到达小于预定的第三电压值的预定的第五电压值为止。通过这一强制放电，便能防止由充电的蓄电池在高温条件中引起的生命周期恶化及蓄电池的膨胀。

按照权利要7中所述的本发明，当液体检测部件检测到液体的产生时，便中断蓄电池的充电/放电。这使用户能注意到由诸如水或电解溶液等液体引起的电路工作不正常或腐蚀或由加水到电解溶液中生成的氢氟酸导致的问题。

图1为示出按照本发明的实施例的蓄电池10的控制电路20的配置图。

图2为示出检测到的温度与输出信号O_T1～O_T5的逻辑电平之间的关系的图。

图3为示出检测到的温度T_b与充电禁止信号CD及放电禁止信号DD的逻辑电平之间的关系的图。

图4为示出液体检测部件62的配置实例的图。

图5为示出检测到的电压范围与输出信号O_V1-O_V6的逻辑电平之间的关系的图。

图6为示出输出信号O_V6的电压检测/输出部件48的一部分的配置的图。

图7为示出蓄电池10的密封部件80的剖视图。

下面参照附图描述本发明的实施例。

图1示出按照本发明的实施例的蓄电池10的控制电路20(下面称作蓄电池控制电路20)的配置。该蓄电池10为例如锂离子蓄电池。

蓄电池控制电路20构成在半导体芯片20a上。图1中虚线包围的区域表示构成在半导体芯片20a上的蓄电池控制电路20占用的区域。蓄电池控制电路20设置有正(+)接线端22、负(-)接线端24及B+接线端26。

蓄电池10连接在负(-)接线端24与B+接线端26之间。PTC元件12与蓄电池10串联。

可将电池充电器(未示出)或负载(未示出)连接在正(+)接线端22与负(-)接线端24之间。

FET30设置在正(+)接线端22与B+接线端26之间。FET30为可根据栅压在四种状态中转换的一种转换元件。FET30的功能与操作等效于例如安装在可从UNITRODE公司购买的称作UCC3911的半导体芯片上的FET转换元件的功能与操作。这种转换元件的功能与操作公开在美国专利号5,581,170中。

FET30的四种状态是响应来自开关(SW)32的输出或来自充电/放电控制部件42的输出转换的。FET30的四种状态示出如下：接通状态：蓄电池10可充电与可放电。断开状态：蓄电池10不能充电或放电。中间状态1：蓄电池10可充电但不能放电。中间状态2：蓄电池10不能充电但可放电。

蓄电池控制电路20通过控制FET30的状态来控制蓄电池10的充电/放电。下面详细描述蓄电池控制电路20如何控制FET30。

温度检测部件52检测蓄电池10的温度。温度检测部件52与蓄电池10是用例如金属板、硅树脂等热耦合的。温度检测部件52能利用例如半导体的温度特征。温度检测部件52输出指示检测到的温度的模拟信号。将该模拟信号提供给温度状态输出部件54。

温度状态部件54将对应于检测到的温度的输出信号(O_T1-O_T4)输出到系统逻辑46，并将对应于检测到的温度的输出信号O_T5输出到强制放电逻辑56。从基准电压发生部件50提供基准电压给温度状态输出部件54。

图2示出检测到的温度与输出信号O_T1-O_T5的逻辑电平之间的关系。在用T_b表示检测到的温度的情况中，输出信号O_T1-O_T5的逻辑电平定义如下：输出信号O_T1：T_b＜3℃时，H电平；否则，L电平。输出信号O_T2：3℃≤T_b≤47℃时，H电平；否则，L电平。输出信号O_T3：47℃＜T_b≤95℃时，H电平；否则，L电平。输出信号O_T4：95℃＜T_b时，H电平；否则，L电平。输出信号O_T5：35℃≤T_b时，H电平；否则，L电平。应指出图2中所示的温度范围只是一些示例，本发明不限于图2中所示的温度范围。

系统逻辑46接收上述输出信号O_T1-O_T4，并判定O_T1-O_T4的哪一输出信号在H电平上，借此判定检测到的温度T_b在多个温度范围(即下面示出的温度范围Ⅰ-Ⅵ)中的哪一个中。这里，温度范围Ⅰ-Ⅵ定义如下：

温度范围Ⅰ：T_b＜3℃

温度范围Ⅱ：3℃≤T_b≤47℃

温度范围Ⅲ：47℃＜T_b≤95℃

温度范围Ⅳ：95℃＜T_b

温度范围Ⅴ：T_b＜35℃

温度范围Ⅵ：35℃≤T_b

在检测到的温度T_b在温度范围Ⅱ内的情况中，系统逻辑46将充电禁止信号CD设定到H电平上；在检测到的温度T_b在温度范围Ⅰ、Ⅱ或Ⅳ内的情况中，系统逻辑46将充电禁止信号CD设定到L电平上。这里，充电禁止信号CD在H电平表示允许蓄电池10充电；充电禁止信号CD在L电平表示禁止蓄电池10充电。

在检测到的温度T_b在温度范围Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ内的情况中，系统逻辑46将放电禁止信号DD设定到H电平上；在检测到的温度T_b温度范围Ⅳ内的情况中，系统逻辑46将放电禁止信号DD设定到L电平上。这里，放电禁止信号DD在H电平上表示允许蓄电池10放电；放电禁止信号DD在L电平上表示禁止蓄电池10放电。

图3示出检测到的温度T_b与充电禁止信号CD及放电禁止信号DD的逻辑电平之间的关系。充电禁止信号CD及放电禁止信号DD是从系统逻辑46输出到充电/放电控制部件42的。此外，图3还示出检测到的温度T_b与输出信号O_T5的逻辑电平之间的关系。响应充电禁止信号CD在H电平及放电禁止信号DD在H电平上，充电/放电控制部件42将FET30的状态设定在“接通状态”上。类似地，响应充电禁止信号CD在L电平及放电禁止信号DD在L电平上，充电/放电控制部件42将FET30的状态设定在“断开状态”上；响应充电禁止信号CD在H电平而放电禁止信号DD在L电平上，充电/放电控制部件42将FET30的状态设定在“中间状态1”上；响应充电禁止信号CD在L电平而放电禁止信号DD在H电平上，充电/放电控制部件42将FET30的状态设定在“中间状态2”上。

充电泵44的操作是受从系统逻辑46输出的控制信号off控制的。

以这一方式，在检测到的温度T_b不在温度范围Ⅱ中的情况中，充电/放电控制部件42控制FET30以便中断蓄电池10的充电。在检测到的温度T_b不在温度范围Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ中的情况中，充电/放电控制部件42控制FET30以便中断蓄电池10的放电。当检测到的温度T_b不在温度范围Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ中时，中断蓄电池10的放电，从而蓄电池10能受到控制，使得当检测到的温度T_b在可能导致对PTC元件12的不利影响的温度范围中时蓄电池10是不放电的。结果，能改进蓄电池10的充电/放电安全性。

蓄电池控制电路20还包括WET接线端28。如图1中所示，通过该WET接线端28将检测到的样本(pattern)72连接到的液体检测部件62上。邻近检测到的样本72提供B+输入/输出样本74。B+输入/输出样本74连接在B+接线端26上。检测到的样本72与B+输入/输出样本74之间非常接近，以致它们之间的距离大约为0.1mm，但是它们电气上是分开的。从而，在正常状态中，检测到的样本72与B+输入/输出样本74之间的阻抗(电阻值)为接近无穷大的值。

诸如水、电解溶液等液体76的附着将检测到的样本72与B+输入/输出样本74之间的阻抗(电阻值)降低到数十到数百千Ohm。通过检测到这一阻抗(电阻值)的降低，液体检测部件62检测蓄电池10中或其中装有蓄电池10的电池组中的液体的渗漏或产生。例如，在将蓄电池控制电路20安装在印刷电路板上的情况中，能将检测的样本72与B+输入/输出样本74容易地构成为导电样本。

图4示出液体检测部件62的配置实例。液体检测部件62包括恒定电流源62a、基准电压源62b、及比较器62c。比较器62c的一个输入端连接在恒定电流源62a与WET接线端28上。比较器62c的另一输入端连接在基准电压源62b上。比较器62c的输出提供给充电/放电停止逻辑64。

当液体检测部件62检测到液体时，液体检测部件62激活充电/放电停止逻辑64。结果，充电/放电停止逻辑64将开关(SW)32转换到ON(接通)状态。从而，FET30的栅电压变低，而将FET30转换到OFF(断开)状态，借此截止蓄电池10的充电与放电。

以这一方式，当液体检测部件62检测到液体时，充电/放电停止逻辑64控制FET30以便中断蓄电池10的充电/放电。从而，有可能使用户知道由于水或电解溶液等引起的电路工作不正常或腐蚀，或由于加水到电解溶液中产生的氢氟酸引起的问题。

通过充电/放电停止逻辑64的充电/放电中断是在通过系统逻辑46的充电/放电中断之前执行的。

蓄电池控制电路20还包括检测蓄电池10的电压并输出与检测到的电压对应的输出信号(O_V1-O_V6)的电压检测/输出部件48。从基准电压发生部件50提供基准电压给电压检测/输出部件48。

图5示出检测到的电池电压的范围与输出信号O_V1-O_V6的逻辑电平之间的关系。图5中，Vnor表示正常状态范围；Voc表示过充电范围；Vocr表示只能放电范围；Vodr表示只能充电范围；而Vod表示过放电范围。

在检测到的电池电压在正常状态范围Vnor的情况中时，系统逻辑46将充电禁止信号CD设定为H电平，并将放电禁止信号DD设定为H电平。

在检测到的电池电压在过充电范围Voc或只能放电范围Vocr中的情况中，系统逻辑46将充电禁止信号CD设定到L电平上。

在检测到的电池电压在只能充电范围Vodr或过放电范围Vod中的情况中，系统逻辑46将放电禁止信号DD设定为L电平。

从系统逻辑46将充电禁止信号CD与放电禁止信号DD输出并提供给充电/放电控制部件42。

充电/放电控制部件42根据充电禁止信号CD与放电禁止信号DD控制FET30的状态。系统逻辑46根据来自温度状态输出部件54的输出对充电/放电的中断是在系统逻辑46根据来自电压检测/输出部件48的输出对充电/放电的中断之前执行的。

此外，在从电压检测/输出部件48输出输出信号OV₆(图5)，并且来自温度状态部件54的输出信号O_T5为H电平的情况中，激活强制放电逻辑56。强制放电逻辑56将设在负(-)接线端24与B+接线端26之间的开关(SW)34转换到ON状态，借此强制放电蓄电池10。

以这一方式，当电压检测/输出部件48检测到的电压等于或大于预定电压值(如4伏)且温度检测部件52检测到的温度等于或大于预定温度(如35℃)时，便放电蓄电池10直到到达预定的电压值(如3.9伏)为止。这一强制放电能减轻由充电的蓄电池10在高温条件下导致的生命周期恶化及蓄电池10的膨胀。

例如，在充电的蓄电池10处于35℃或以上的温度条件的情况中时，通过执行上述强制放电过程电池的电容可降低20％，借此能减轻生命周期恶化(电池能使用的次数)。此外，在充电的蓄电池10处于60℃或以上的温度条件的情况中时，通过执行上述强制放电过程，电池的电容能降低20％，借此能防止电池膨胀。

最好，作为强制放电的开始条件的预定电压值(如4伏)或作为强制放电的取消条件的预定电压值(如4伏)等于过充电释放电压值Vocr。这是所希望的，因为这样不需要用于将这些预定的电压值设定到过充电释放电压值Vocr的附加电路，并且过充电释放电压值Vocr实际上是适当的一个电压值。

可用具有滞后量的单一电路检测这些预定电压值。此外，与采用没有滞后量的电路来检测预定电压值相比，可以减少比较器的数量。

图6示出输出输出信号O_V6的电压检测/输出部件48的一部分的配置。

输出信号O_V6是从比较器48a输出的。向比较器48a的一个输入端(负(-)输入端)提供要输入到电压检测/输出部件48的电压VB+。比较器48a的输出通过电阻48d反馈给比较器48a的另一输入端(正(+)输入端)。此外，比较器48a的正(+)输入端通过电阻48b连接在基准电压发生部件50上并通过电阻48c接地。这里电阻48b、48c与48d的电阻值分别为R1、R2与R3。

在电压VB+小于比较器48a的正(+)输入端的电压(基准电压48E)的情况中，基准电压48E是用下列表达式(2-1)表示的：(基准电压发生部件50的输出)×R2/{R1×R3/(R1+R3)+R2}

(2-1)

在电压VB+高于比较器49a的正(+)输入端的电压(基准电压48E)的情况中，基准电压48E是用下列表达式(2-2)表示的：{(基准电压发生部件50的输出)×(R2×R3)/(R2+R3)}/{R2×R3/(R2+R3)+R1} (2-2)

以这一方式，比较器48a通过根据电压VB+小于还是高于基准电压48E自动改变基准电压48E便能拥有滞后性质。因此，通过使用单一比较器48a便能建立作为强制放电的开始条件的预定电压值及作为强制放电的取消条件的预定电压值。

此外，强制放电的取消条件可包含蓄电池10的温度条件。例如，当蓄电池10的电压达到预定电压值(如4伏)且蓄电池10的温度达到预定温度时，可取消强制放电。

此外，设置在开关(SW)34与B+接线端26之间的电阻器36通常是在半导体芯片20a上构成的。然而，电阻器36可设置在半导体芯片20a外面，使得可以从半导体芯片20a外面调节电阻器36的值。

图7为示出其中将本发明的蓄电池控制电路20定位在蓄电池10的密封部件80中的结构的剖视图。如图7中所示，蓄电池控制电路20是容纳在密封部件80内部的。在容纳蓄电池控制电路20的空间中考虑了密封部件80中的防爆空间。在日本公开公布号10-323643中描述了这一结构。

按照本发明的蓄电池控制电路，在温度检测部件检测到的温度超出预定的第一温度范围或超出预定的第二温度范围的情况中，便中断蓄电池的充电/放电。这防止了由于装在蓄电池中的PTC元件的激活引发的电解溶液的液体泄漏现象。

此外，按照本发明的蓄电池控制电路，在电压检测部件检测到的电压等于或大于预定的第三电压值且温度检测部件检测到的温度等于或大于预定的第四温度的情况中，放电蓄电池直到蓄电池的电压达到小于预定的第三电压值的预定的第五电压值为止。利用这一强制放电，能防止由于充电的蓄电池在高温条件中引起的生命周期恶化及蓄电池膨胀。

此外，按照本发明的蓄电池控制电路，在液体检测部件检测到液体的产生的情况中，中断蓄电池的充电/放电。这使用户注意到由于诸如水或电解溶液等液体引发的电路工作不正常或腐蚀，或由于水到电解溶液中产生氢氟酸导致的问题。

Claims

1．一种蓄电池控制电路，包括：

用于检测蓄电池的温度的温度检测部件；以及

用于根据温度检测部件检测到的温度控制蓄电池的充电/放电的控制部件，其中

在温度检测部件检测到的温度超出预定的第一温度范围时该控制部件中断该蓄电池的充电，及在温度检测部件检测到的温度超出预定的第二温度范围时中断该蓄电池的放电。

2．按照权利要求1所述的蓄电池控制电路，其中该预定的第二温度范围包括该预定的第一温度范围。

3．一种蓄电池控制电路，包括：

用于检测蓄电池的电压的电压检测部件；

用于检测蓄电池的温度的温度检测部件；以及

用于根据该电压检测部件检测到的电压及温度检测部件检测到的温度控制该蓄电池的充电/放电的控制部件，其中

在电压检测部件检测到的电压等于或大于预定的第三电压值且温度检测部件检测到的温度等于或大于预定的第四温度的情况中，控制部件放电蓄电池直到该蓄电池的电压到达预定的第五电压值为止。

4．按照权利要求3所述的蓄电池控制电路，其中该预定的第三电压值与该预定的第五电压值是用具有滞后量的单一电路检测的。

5．按照权利要求3所述的蓄电池控制电路，其中预定的第三电压值或预定的第五电压值等于过充电释放电压值。

6．按照权利要求3所述的蓄电池控制电路，其中蓄电池的放电取消条件包含该蓄电池的温度条件。

7．一种蓄电池控制电路，包括：

用于检测蓄电池内部或装有蓄电池的电池组内部液体的渗漏或产生的液体检测部件；以及

用于在液体检测部件检测到液体的情况中中断蓄电池的充电/放电的控制部件。

8．按照权利要求7所述的蓄电池控制电路，还包括用于检测蓄电池的温度的温度检测部件，其中

该控制部件根据该温度检测部件检测到的温度控制蓄电池的充电/放电。

9．按照权利要求1-8中所述的任何一项的蓄电池控制电路，其中该蓄电池控制电路是构成在单一半导体芯片上的。

10．按照权利要求9的蓄电池控制电路，其中该单一半导体芯片是封装在蓄电池的密封部件中的。