CN1781210A - 用于电池单元热保护和电池组过充电/充电不足保护的双用热敏电阻 - Google Patents
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Abstract
供电池供电设备(50)使用的保护电路(100)，包括过温检测器(110)、控制器(130)和分压器电路(102和106)。分压器电路可以包括多用途热敏电阻(102)，用于监控电池单元(104)、电池充电器或者电池供电设备的温度。此外，热敏电阻可以被可操作地连接到过温检测器。过温检测器的输入(114)处的输入电压可以相对于受监控温度的变化而变化。如果温度超过预定值，则检温器可以对控制器发送信号，以便终止对电池单元充电如果电池供电设备确定诸如渗水、电路故障或者软件问题之类的规定事件，则设备放电检测器可以向控制器发送信号，以便终止对电池单元放电。
Description
技术领域
本发明一般来讲涉及电池再充电，更特别的是涉及用于可再充电电池单元的系统。
背景技术
对于便携式电子设备应用而言，锂离子电池优于其他类型的可充电电池、比如镍镉电池和镍金属氢化物电池，因为其具有轻重量和高能量密度。然而，锂离子电池对于过充电极其敏感，对于其使用来讲，安全性是一个关心问题。例如，如果电池单元变为过充电，则金属锂可能镀到电池单元中的电极上。所镀的锂可能由于金属锂的易燃特质而引发火灾。另一安全性考虑涉及当电池单元温度变得过高时排出有毒气体。此外，过放电状态可能导致电池单元中的电解液的化学成分方面的变化，其可能显著地缩短电池单元的寿命。
电池单元还可能受到由渗水引起的不能恢复的损害。具体来讲，水可能使得与电池单元连接的电路部件短路。短路状态可能导致来自电池单元的电流骤增，这可能损害电路元件，并且引起电池单元本身中的严重故障。因此，很重要的是让电池具有精确地监控电池单元、并确保其在安全参数内工作的电池保护系统。
发明内容
本发明涉及供电池供电设备使用的保护电路。保护电路可以结合进电池或者电池组、电池充电装置或者电池供电设备。电池供电设备可以例如是无线电、蜂窝式电话、无绳电话、无绳工具、视频记录设备、音频记录设备、照相机、电池式剃须刀、电池式牙刷或者玩具。保护电路可以包括过温检测器、控制器和分压器电路分压器电路可以包括至少一个多用途热敏电阻，用于监控电池单元(或者多个电池单元)、电池充电器或者电池供电设备的温度。一旦监控的温度超过预定值，则过温检测器可以向控制器发送信号，以便终止对电池单元或者多个电池单元的充电和/或放电。应该理解的是，在本发明的设想中，电压或者温度的“预定值”可以被理解为电压或者温度的预定值范围。还应该被理解的是，本发明适用于单个单元和多单元电池或者电池组，并且应该在这样的上下文中来解释随后的“电池”、“电池单元”或者“电池组”的使用。此外，温度监测器可以被可操作地连接到热敏电阻，以输出一个由施加到热敏电阻两端的电压所导出的温度值。分压器电路还可以包括可在电池供电设备中配置的电阻。
保护电路还可包括过充电检测器和第一逻辑门。可以是或门的第一逻辑门，可具有可操作地连接到控制器的输出，可操作地连接到过温检测器的输出的第一输入，以及可操作地连接到过充电检测器的输出的第二输入。一旦第一逻辑门从过温检测器或者过充电检测器接收到信号，则第一逻辑门可以向控制器发送信号，以终止电池单元的充电。
保护电路还可以包括设备放电检测器，其中如果从电池单元施加到电池供电设备的电压小于预定值，则所述设备放电检测器向控制器发送信号，以终止电池单元的放电。设备放电检测器还可以在发生规定状态的时候终止电池单元的放电，比如水渗入到电池供电设备或者电池单元封装中，电池供电设备中的内部电路故障，电池供电设备中的软件故障，或者电池供电设备外部的软件故障。
可以包括过放电检测器和第二逻辑门，第二逻辑门可以是与门。第二逻辑门可具有可操作地连接到控制器的输出，可操作地连接到设备放电检测器的输出的第二输入，以及可操作地连接到过放电检测器的输出的第二输入。一旦第二逻辑门从过温检测器或者过充电检测器接收到信号，则第二逻辑门可以向控制器发送信号，以终止电池单元的充电。
本发明还可以包括为电池供电设备提供设备保护的方法。该方法可以包括监控至少一个电池单元的电压的步骤。此外，可以使用热敏电阻来监控电池单元、电池充电器或者电池供电设备的温度。可以使用热敏电阻监控施加于电池保护电路的、或者由电池保护电路提供的电压。一旦监控的温度超过预定值，则可以终止电池单元的充电和/或放电。该方法还可以包括以下步骤：一旦施加于电池保护电路的、或者由电池保护电路提供的电压过高或者过低，则终止电池单元的充电和/或放电。充电和/或放电也可以在电池单元处测得的电压过高或者过低的情况下被终止。
附图说明
图1是根据本发明的供电池供电设备里使用的保护电路的示意图。
图2是图示出根据本发明的提供电池保护的方法的流程图。
具体实施方式
本发明涉及例如在电池单元封装中的供电池供电设备(设备)使用的保护电路。该保护电路包括分压器电路，分压器电路包括用于过温、过电压和电压不足检测的多用途热敏电阻(热敏电阻)。具体来讲，热敏电阻可以被用于检测设备、为该设备供应能量的一个或多个电池单元、和/或为该电池单元封装供应能量的电池充电设备中的过温状态。热敏电阻还可以提供与施加于设备的、或从电池充电设备接收的电压相关联的电压值。据此，如果发生过电压、电压不足或者过温的状态，则热敏电阻可以令保护电路终止电池的充电和/或放电。值得注意的是，使用热敏电阻提供抵制多种不希望的状态的电路保护，为电路设计者在设计高性能且低成本的保护电路方面提供了很大的灵活性。热敏电阻还被设备(诸如无线电)用于监控电池温度，例如经由A/D输入(参见图1中的模-数转换器170)。
参见图1，示出了供电池51和电池供电设备或者电池充电器50使用的保护电路100的示意图。保护电路100可以包括多用途热敏电阻(热敏电阻)102。热敏电阻102可以是具有随温度变化而变化的阻抗值的热敏电阻器。热敏电阻102可以具有正温度系数或者负温度系数。在优选的方案中，当经受温度方面的相应变化时，热敏电阻102显示出电阻方面的可预测变化。
热敏电阻102可以被放置为与一个或多个电池单元104相邻，与电池供电设备和/或与电池充电器50相邻。热敏电阻102可以与电池正电压接头(正极接线柱)176和机壳接地108之间的负载电阻106串联连接。据此，热敏电阻102和负载电阻106可以形成分压器电路。在示出的方案中，负载电阻106可以被包含在设备50中。然而，本发明不局限于此。例如，负载电阻106可以被包含在电池充电器或者电池中，与热敏电阻102相邻，或与保护电路100中其他组件相邻。
如图所示，负载电阻106具有与正极接线柱176的低阻抗连接，并且热敏电阻102具有与机壳接地108的低阻抗连接。然而，热敏电阻102和负载电阻106的相对位置可以是不同的。例如，热敏电阻102可以具有与正极接线柱176的低阻抗连接，并且负载电阻106可以具有与机壳接地108的低阻抗连接(在这种情况下，负载电阻106可以被称为下拉电阻)。还可以将另外的电阻添加到分压器电路，并且可以实施任何其他适当的电路布置，只要可以监视热敏电阻102来检测电池单元、电池充电器或受监控设备的温度。
如果热敏电阻102具有正温度系数，则热敏电阻102两端的电压降将随着热敏电阻102的本体温度的上升而增加。如果热敏电阻102具有负温度系数，则热敏电阻102两端的电压降将随着热敏电阻102的本体温度的上升而降低。但不论是哪种情况，均能够监控热敏电阻102两端的电压降，并且如果热敏电阻102的本体问题变得高于可接受的温度，则可以产生过温信号。
保护电路还可以包括过温检测器110和设备放电检测器112。过温检测器110自动数值判定设备放电检测器112均可以是被配置为监控热敏电阻102两端的电压降、并且如果该电压降小于和/或大于预定值时产生输出信号的任何适当电路。例如，检测器110、112可以是包括运算放大器电路的比较器电路。这种电路为技术人员所知。在所示出的示例性的方案中，每一检测器110、112均可具有各自的可操作地连接到热敏电阻102和负载电阻106在节点180处的接点的第一输入114、116，并且每一检测器110、112均可以具有各自的可操作地连接到各自的参考电压122、124的第二输入118、120。此外，检测器110可以包括输出端口126，用于输出表示热敏电阻102两端的电压降是大于还是小于参考电压122的第一检测器输出信号190，并且检测器112可以包括输出端口128，用于输出表示热敏电阻102两端的电压降是大于还是小于参考电压124的第二检测器输出信号192。
输出端口126、128可以被可操作地连接到控制器130。控制器130可以是适用于控制其他电路元件操作的任何电路设备。例如，控制器130可以是产生控制信号来控制晶体管、例如场效应晶体管(FET)132和FET 134的操作的处理器。控制器130可以激活FET 132，来启动对电池单元104的放电，例如为了为设备提供电力。此外，控制器130可以激活FET 134来为电池单元104充电。此外，控制器130可以根据需要，分别使FET 132和/或FET 134去激活，以便终止对电池单元104的放电和/或充电。可以在控制器130和FET的132、134之间设置适当的电路，正如技术人员所了解的。例如，可以提供分频器逻辑控制136和FET的138。但是，本发明并不局限于此。
控制130还可以接收由其他电路元件产生的输入信号。控制器130可以在为控制电路组件产生控制信号的时候评估此类输入信号。例如，控制器130可以接收由过电流检测器140、142、短路检测器144、过充电检测器146和过放电检测器148产生的信号。此外，如果由任何此类检测器检测出不希望的状态，则控制器130可以使FET 132和/或FET 134去激活，以便终止电池单元104的放电和/或充电。
保护电路100还可以包括逻辑门150、152，其可以使得控制器输入线160、162每一个均监测一个以上的检测器。逻辑门150、152可以是AND、OR、NAND、NOR、XAND、XOR或者任何其他适当的逻辑门。例如，逻辑门150可以是具有用于从过温检测器110接收第一检测器输出信号190的第一输入、和用于从过充电检测器146接收第三检测器输出信号194的第二输入。在正常工作状态下，第一和第三检测器输出信号190、194可以是低，因此逻辑门150的输出可以是低。如果过充电检测器146检测到电池104上的过充电状态，例如通过检测到电池单元的电压高于基准最高电压，则过充电检测器146可以被触发为高，从而将逻辑门150的输出触发为高，并且从而向控制器130发出信号关闭FET 134并且终止电池单元104的充电。基准最高电压可以是电池单元104的最大安全充电电压。例如最大参考电压可以是4.35伏特。此外，如果过温检测器110检测到高于基准最高电压、比如参考电压122的热敏电阻102两端电压，则可以将过温检测器110产生的第一检测输出信号触发为高，因此将逻辑门150的输出触发为高，并且，再次向控制器发出信号关闭FET 134。
在此刻应被注意的是，热敏电阻102两端的过量电压可以表现出电池充电器向保护电路100输出一个超过预定最高电压的充电电压。热敏电阻102两端的过量电压还可以表现出电池单元、电池充电器或者设备中的过温状态。据此，温度监测器可以被可操作地连接到热敏电阻102。温度监测器可以测量热敏电阻102两端的电压，并且输出由测得电压导出的温度值。
在一个方案中，逻辑门152可以是与门，其具有用于从设备放电检测器112接收第二检测器输出信号192的第一输入，和用于从过放电检测器148接收第四检测器输出信号196的第二输入。在正常工作状态下，第二和第四检测器输出信号192、196可以是高，并且因此逻辑门152的输出可以是高。如果过放电检测器146检测到电池单元104的电压小于参考电压最小值，则过放电检测器146的输出可以被触发为低，从而将逻辑门152触发为变高，并且向控制器130发出信号关闭FET 132，以便终止电池单元104的放电。参考电压最小值可以是对于电池单元104放电很安全而不会对电池单元104造成损害的最小电压电平。例如，参考电压最小值可以是2.4伏特。同样地，如果设备放电检测器112检测到热敏电阻102两端的电压小于最小值参考电压，设备放电检测器112的输出可以被触发为低，并且再次向控制器130发出信号关闭FET 132。
有各种状态可以使得热敏电阻102两端的电压低于最小基准。例如，如果提供给设备的电压小于预定值，则电压可以低于最小基准，这可能是由于出故障的电路或者已经过放电的电池所引起的。此外，模-数转换器(A/D)170或者输入/输出模块(I/O)172可以被可操作地连接到外部故障检测传感器。例如，I/O 172可以与渗水检测器连接。如果在设备内检测出渗水，则I/O 172可以将节点180处的电压触发为变低，从而将设备放电检测器112的输出触发为变低，并且从而令热敏电阻102两端的电压降低。此外，I/O 172可以被可操作地连接到在某种情况下使得节点180处的电压变高或者变低的外部传感器和/或电路。例如，如果在设备中发生故障，例如电路故障，或者如果发生软件问题，则外部电路可以使得I/O 172将节点180处的电压触发为变低。软件问题可以是在设备内部，或者在设备外部。因此，可以为多种目的使用单一节点180(和热敏电阻)，比如由电路100进行过温控制，由设备50进行温度监控，由设备50在电路100上通过强制过温事件停止对电池51充电而触发温度事件，或者在比如设备50检测到渗水、电路故障或者软件问题的时候，由设备50在电路100上触发过放电事件，以便将电池51与设备50断开连接。
参见图2，图示出根据本发明的提供电池保护的方法的流程图200。从步骤205开始，可以监控一个或多个电池单元的电压。如果电池单元或者多个电池单元的电压高于预定最大值或者低于预定最小值，则可以终止电池单元的充电和/或放电，如决策框210和步骤240中所示。还可以使用热敏电阻来监控电池单元的温度，如步骤215中所示。此外，也可以监控其他组件的温度。例如，可以监控电池供电设备或者电池充电器的温度。无论电池单元、电池充电器或者电池供电设备是否被监控，如果温度超过预定值，则可以终止对该电池单元充电和/或放电，如决策框220和步骤240中所示。在步骤225处继续，热敏电阻还可被用于监控施加于电池保护电路的、或者由电池保护电路提供的热敏电阻。继续到步骤230，如果电压过高或者过低，则可以终止电池的充电和/或放电。该过程可以继续直到电池单元、电池供电设备或者电池充电器经历诸如过温、过电压或者电压不足之类的状态为止。如果保护电路关闭，该过程也可以终止。例如，当设备关闭的时候，保护电路可以自动地关闭。
尽管已经图示出和描述了本发明的最佳实施例，但显然是本发明并不局限于此。本领域普通技术人员将作出大量改进、改变、变动、置换和等效，而不背离所附列权利要求书中描述的本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种供电池供电设备使用的保护电路，包括：
过温检测器；
控制器；以及
分压器电路，包括至少一个多用途热敏电阻，用于监控电池单元、电池充电器和所述电池供电设备中的至少一个的温度，所述多用途热敏电阻被放置为与电池单元、电池充电器和所述电池供电设备中的所述至少一个相邻，并且所述多用途热敏电阻被可操作地连接到所述过温检测器的输入；
其中，所述过温检测器的所述输入处的输入电压相对于电池单元、电池充电器和所述电池供电设备中的所述至少一个的所述温度的变化而改变，一旦电池单元、电池充电器和所述电池供电设备中的所述至少一个的所述温度超过预定值，所述过温检测器向所述控制器发送信号，以终止从由对所述电池单元充电和对所述电池单元放电所构成的组中选择出来的至少一个事件。
2.根据权利要求1的保护电路，其中一旦由所述保护电路接收到的电池充电电压大于或者小于预定值，则所述过温检测器向所述控制器发送信号以终止对所述电池单元充电。
3.根据权利要求1的保护电路，还包括可操作地连接到所述热敏电阻的温度监测器，所述温度监测器输出与电池单元、电池充电器和所述电池供电设备的所述至少一个的所述温度相关的温度值，所述温度值是根据施加于所述热敏电阻两端的电压导出的。
4.根据权利要求1的保护电路，还包括过充电检测器和第一逻辑门，所述第一逻辑门具有可操作地连接到所述控制器的输出、可操作地连接到所述过温检测器的输出的第一输入、以及可操作地连接到所述过充电检测器的输出的第二输入，其中一旦所述第一逻辑门从所述过温检测器和所述过充电检测器的至少一个接收了信号，则所述第一逻辑门向所述控制器发送信号，以终止所述电池单元的充电。
5.根据权利要求1的保护电路，还包括设备放电检测器，其中如果从所述电池单元施加到所述电池供电设备的电压小于预定值，则所述设备放电检测器向所述控制器发送信号，以终止所述电池单元的放电。
6.根据权利要求5的保护电路，其中一旦发生至少一个规定状态，则所述设备放电检测器向所述控制器发送信号，以终止所述电池单元的放电，所述规定状态是从由以下状态构成的组中选择出来的：水渗入到所述电池供电设备和电池单元封装中的至少一个中，所述电池供电设备中的内部电路故障、所述电池供电设备中的软件故障以及所述电池供电设备外部的软件故障。
7.根据权利要求5的保护电路，还包括过充电检测器和第二逻辑门，所述第二逻辑门具有可操作地连接到所述控制器的输出、可操作地连接到所述设备放电检测器的输出的第一输入、以及可操作地连接到所述过放电检测器的输出的第二输入，其中一旦所述第二逻辑门从所述过温检测器和所述过充电检测器的至少一个接收了信号，则所述第二逻辑门向所述控制器发送信号，以终止所述电池单元的充电。
8.一种为电池供电设备提供设备保护的方法，包括以下步骤：
监控至少一个电池单元中的电压；
使用热敏电阻监控所述电池单元、电池充电器和所述电池供电设备中的至少一个的温度；
使用所述热敏电阻监控施加到电池保护电路的电压和由所述电池保护电路提供的电压中的至少一个；以及
一旦所述温度变化偏离预定值，则终止对所述电池单元充电和放电中的至少一个。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：一旦施加到电池保护电路的电压和由所述电池保护电路提供的电压中的所述至少一个是变化偏离预定值的电压值，则终止对所述电池单元充电和放电中的至少一个。
10.根据权利要求8的方法，还包括以下步骤：一旦所述电池单元的测得电压是变化偏离预定值的电压值，则终止对所述电池单元进行充电和放电中的至少一个。
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