CN1797895A - 电池组、充电控制方法及应用设备 - Google Patents

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Abstract

公开了具有蓄电池以及控制该蓄电池的充电和放电的电路的电池组。该电池组具有与布置在充电设备中的另一个计算机进行通信、验证该充电设备、并且计算该蓄电池的剩余容量信息的计算机。当计算机没有成功地验证该充电设备并且已经检测到该蓄电池已经以预定方式进行了充电时，计算机强制地将剩余容量信息设置为“没有剩余容量”。

Description

电池组、充电控制方法及应用设备
相关申请的交叉引用
本发明包含与在2004年12月2日向日本专利局提交的日本专利申请JP2004-349749相关的主题，这个专利申请的全部内容通过引用包含在此。
技术领域
本发明涉及电池组以及充电控制方法，其允许电池组对充电设备进行验证，并且当充电设备不是未授权的充电设备时，阻止该充电设备对电池组进行充电。
背景技术
因为蓄电池，例如锂离子电池，具有尺寸小、重量轻、能量密度高、高输出等特征，所以它已经广泛地用作诸如数字照相机、蜂窝电话、便携式个人计算机等之类的应用设备的电源。这样的锂离子电池需要由经授权的生产商制造的充电设备进行充电，以确保电池的安全使用以及防止电池寿命的降低。例如，未经授权的充电设备可能没有满足必需的规范。如果电池由这样未经授权的充电设备进行充电，则该电池可能被过量充电。
以下专利文献1描述了这样的相关技术参考，其中电池组和应用设备彼此验证，以防止使用经授权的电池组。
[专利文献1]日本专利申请公开第2004-147408号
发明内容
在专利文献1描述的相关技术参考中，布置在作为应用设备的摄录机中的微型计算机和布置在电池组中的微型计算机相互验证。依据验证结果，接通或者断开该摄录机的供电线路。在专利文献1描述的相关技术参考中，禁止摄录机使用不可能满足摄录机的规范的伪造电池组。换句话说，专利文献1中所描述的相关技术参考不能用来防止未经授权的充电设备对经授权的电池组进行充电。
鉴于上述情况，期望提供电池组、充电控制方法、以及应用设备，以允许防止电池组由未经授权的充电设备进行充电。
依据本发明的实施例，提供了一种电池组，该电池组具有蓄电池和控制该蓄电池的充电和放电的电路。电池组具有与布置在充电设备中的另一个计算机进行通信、验证该充电设备、并且计算该蓄电池的剩余容量信息的计算机。当计算机没有成功地验证该充电设备并且已经检测到该蓄电池已经以预定方式进行了充电时，计算机强制地将剩余容量信息设置为“没有剩余容量”。
依据本发明的实施例，提供了电池组的充电控制方法，该电池组具有蓄电池、控制该蓄电池的充电和放电的电路；以及计算该蓄电池的剩余容量信息的计算机。该计算机与布置在充电设备中的另一个计算机进行通信，并且对该充电设备进行验证。当没有成功地验证充电设备时，检测该蓄电池已经以预定方式进行了充电。当已经检测到蓄电池已经以预定方式进行了充电时，强制地将剩余容量信息设置为“没有剩余容量”。
依据本发明的实施例，提供了一种应用设备，其中电池组作为电源连接到应用设备，应用设备从电池组接收剩余容量信息，该剩余容量信息由电池组检测，其中当电池组供给电源到应用设备期间，当应用设备接收了已经被强制设置为“没有剩余容量”的剩余容量信息时，应用设备停止它的操作。
依据本发明的一个实施例，因为防止电池组由未经授权的充电设备进行充电，所以可以提高电池组的安全性。此外，可以防止由于未经授权的充电设备的使用而导致的电池组性能的退化，诸如电池寿命的减少。因此，可以提高电池组的可靠性。此外，可以使对电池组有危害的未经授权的充电设备远离市场。此外，依据本发明的实施例，用软件防止使用未经授权的充电设备，它不需要改变电池组的硬件。
根据以下如在附图中说明的那样，对本发明最佳模式实施例的详细说明，本发明的这些及其他目的、特征和优点将变得更为明显。
附图说明
通过以下结合附图的详细说明，本发明将得到更充分的理解，其中相同的参考数字指示相同的元件，其中：
图1为示出依据本发明实施例的电池组电路的示意图；
图2A和图2B是示出电池组和充电设备结构的验证方法的框图；
图3是描述在电池组的微计算机控制下执行的充电控制方法的流程图；以及
图4A、图4B、图4C、和图4D是描述依据本发明实施例的便携式游戏设备的示例的示意图。
具体实施方式
接下来，将参考附图描述本发明的实施例。图1示出了依据本发明实施例的电池组。在图1中，参考数字1代表蓄电池，例如锂离子电池。电池组具有正(+)端子2、负(-)端子3、以及通信端子4。
蓄电池1的正极连接到正(+)端子2。蓄电池1的负极通过电流限制设备5、电流检测电阻6、放电控制场效应晶体管(FET)7a的漏极和源极、以及充电控制FET 8a的漏极和源极连接到负(-)端子3。电流限制设备5例如为正温度系数(PTC)设备。当温度升高时，电流限制设备5的阻抗增加并且限制所流过的电流。寄生二极管7b和8b分别布置在FET 7a的漏极和源极之间以及FET 8a的漏极和源极之间。
从保护电路9分别提供控制信号D0和C0到放电控制FET 7a和充电控制FET 8a的栅级。在常规的充电和放电操作中，控制信号D0和C0的信号电平为高，导致FET 7a和7b被接通。保护电路9具有三个功能，即过度充电保护功能、过度放电保护功能、和过电流保护功能。接下来，将简要地描述这些保护功能。
首先，将描述过度充电保护功能。当对蓄电池1进行充电时，在蓄电池1被充满之后电池组电压继续上升。当蓄电池1被过度充电时，它可变得危险。因此，蓄电池1需要在恒定电压处以恒定电流进行充电。充电控制电压需要是电池的额定电压或者更低(例如，4.2V)。然而，如果充电设备发生故障或者使用了未经授权的充电设备，则蓄电池1可能被过度充电。当蓄电池1被过度充电而且电池电压变为预定值或者更高时，保护电路9的输出C0的信号电平从高电平改变到低电平，导致断开充电控制FET 8a，并切断充电电流。这个功能是过度充电保护功能。当断开充电控制FET 8a时，蓄电池1仅仅可以通过放电控制FET 7a和寄生二极管8b进行放电。
接下来，将描述过度放电保护功能。当对蓄电池1进行放电、而且电池电压下降到额定放电停止电压或者更低、例如2V到1.5V时，则蓄电池1可能发生故障。当电池电压下降到预定值或者更低时，保护电路9的输出D0的信号电平从高电平改变到低电平，导致断开放电控制FET 7a并且切断放电电流。这个功能是过度放电保护功能。当断开放电控制FET 7a时，蓄电池1仅仅可以通过充电控制FET 8a和寄生二极管7b进行充电。
接下来，将描述过电流保护功能。当蓄电池1的正(+)端子和负(-)端子被短路时，在蓄电池1中流过大电流，并且可能导致蓄电池1被异常加热。如果流过的放电电流超过预定值时，保护电路9的输出D0的信号电平从高电平改变到低电平，导致断开放电控制FET 7a并且切断放电电流。这个功能是过电流保护功能。
参考数字10代表布置在电池组中的微计算机。电流测量部分11检测流入电流检测电阻6的电流。电压测量部分12测量电池电压。温度测量部分13用诸如热敏电阻之类的温度检测设备测量蓄电池1的温度。将所测量的值输入到微计算机10。
作为非易失存储器的电可擦可编程只读存储器(EEPROM)14连接到微计算机10。数据输入线、数据输出线、时钟供给线、以及芯片选择线路连接在微计算机10和EEPROM 14之间。微计算机10用电流测量值、电压测量值、和温度测量值计算剩余的容量信息。EEPROM 14存储测量的值，获得剩余容量所必需的数据(例如表示电池电压和剩余功率的关系的表格)，所获得的剩余容量信息等。除EEPROM之外，非易失存储器还可以是具有备份电源的随机存取存储器(RAM)。
蓄电池的剩余容量可以通过例如电压方法和累积方法进行检测，在电压方法中，通过测量电池电压检测蓄电池的剩余容量，在累积方法中，通过测量蓄电池的电压和电流并且将它们相乘获得蓄电池的剩余容量。
当通过电压方法检测蓄电池的剩余容量时，测量电池单元的端电压。依据蓄电池的电压和电池容量(剩余容量比)的相关性计算剩余容量。因此，当锂离子电池的电池电压是4.2V/单元时，确定该电池被充满了。当电池电压是2.4V/单元时，确定该电池被过度充电了。因此，可以容易地测量蓄电池的剩余容量。
检测蓄电池剩余容量的累积方法可以分类为电流累积方法和功率累积方法，在电流累积方法中，以预定周期的间隔测量并且累积蓄电池的电流，在功率累积方法中，测量蓄电池的电压和电流，对它们进行相乘，获得该功率，并且以预定周期的间隔累积该功率。在任何方法中，获得蓄电池的放电电流或者放电功率。依据放电电流或者放电功率与蓄电池的可用电流或者可用功率的比率，获得蓄电池的剩余容量。因此，可以稳定地获得蓄电池的剩余容量，而没有电池电压波动的影响。
当通过一起使用累积方法和电压方法检测电池容量时，可以提高所获得的电池容量的精确度。当蓄电池的电流低于预置值时，可以使用电压方法。相反，当蓄电池的电流高于预置值时，可以使用电流累积方法。当通过有选择地使用这些方法测量电池容量时，可以提高电池容量的计算精度。已经提出了另一种检测方法，其中依据蓄电池的剩余容量比率对由累积方法和电压方法检测到的剩余容量比率进行加权，相加这些结果，并且检测到最终的剩余容量比率。依据这个实施例，可以使用这些方法中的任一个。
作为剩余容量信息，具体地说，计算剩余容量(mAh)、剩余容量比(％)、和剩余可用时间(分钟)。将剩余容量信息从微计算机10传送到电池组与之连接的应用设备的微计算机。应用设备侧在诸如液晶显示器之类的显示部分上显示所接收的剩余容量信息。当剩余容量信息为0时，即使电池组连接于应用设备，它也不进行操作。
依据本发明的实施例，通信端子4用于允许微计算机相互通信。已经被时分多路复用的发送信号和接收信号通过连接到通信端子4的一条信号线进行传送。在微计算机10和通信端子4之间布置输入/输出部分15。输入/输出部分15例如分离发送信号Tx和接收信号Rx，并调整这些信号的电平。作为替代，可以布置独立的发送和接收端子。
此外，电池组具有调节器16，其利用蓄电池1的电压生成例如2.5V的预定调节电压。由调节器16生成的电压作为供电电压提供给微计算机10、电流测量部分11、温度测量部分13、EEPROM 14、和输入/输出部分15。
从保护电路9提供到放电控制FET 7a的栅级的控制信号D0作为接通/断开控制信号提供给调节器16。换句话说，检测电池组过度放电的可能性。断开放电控制FET 7a的控制信号断开调节器16。当断开调节器16时，调节器16的输出电压变为0，导致诸如使用调节器16的输出电压作为供电电压的微计算机10的电路停止。电池组的电路防止蓄电池1被过度放电。
接下来，参考图2A和图2B，将描述依据本发明实施例的电池组和充电设备的连接示例。图2A示出了电池组20连接到充电设备30的结构示例，该充电设备30整流商业电源并且生成充电电源。在图2A中，充电设备30具有整流电路和充电电路(未显示)。电池组20具有与图1所示相同的结构。在这种情况下，充电设备30对电池组20的蓄电池进行充电。此外，充电设备30的微计算机31与电池组20的微计算机10进行通信，以彼此互相进行验证。
在图2B中，电池组20附连于应用设备40。电池组20的蓄电池由AC适配器32进行充电。在图2B所示的结构中，应用设备40和AC适配器32组成充电设备。AC适配器32整流商业电源并且将整流过的电源提供给应用设备40。布置在应用设备40中的调节器41生成用于电池组20的蓄电池的充电电源。在这个结构中，电池组20的微计算机10与应用设备40的微计算机42进行通信以进行彼此互相验证。作为图2A所示结构的修改，交流电适配器32可以连接到托架，而且AC适配器32可以对放置到该托架中的应用设备40的电池组20的蓄电池进行充电。此外，如图2A所示，由充电设备30充电的电池组20可以附连于应用设备40。
电池组20的微计算机10和充电设备30的微计算机31或者应用设备40的微计算机42依据例如询问和响应系统互相验证。当电池组20附连于充电设备30或者应用设备40时，它们被互相验证。
微计算机31通过读取电池组20的EEPROM 14的内容，检测电池组20是否已经附连于充电设备30或者应用设备40。当在预定时间周期内从EEPROM 14返回预定数据时，微计算机31确定已经附连了电池组20。当没有在预定时间周期内从EEPROM 14返回预定数据时，微计算机31确定没有附连电池组20。作为替代，微计算机31可以通过检测物理连接来检测是否已经附连了电池组20。
在询问和响应系统中，由充电设备(微计算机31或者42；这适用于以下描述)和电池组(微计算机10；这适用于以下描述)共享保密信息。首先，将询问数据从充电设备传送到电池组。询问数据是作为随机数的临时数据。
当电池组已经从充电设备接收了询问数据时，电池组用自己的保密信息和该询问数据生成响应数据，并且将该响应数据返回到充电设备。充电设备侧执行相同的生成处理，并且将所生成的数据和响应数据进行比较。当它们匹配时，充电设备确定电池组知道该保密信息。换句话说，充电设备确定所附连的电池组为经授权的电池组。否则，充电设备未成功地验证该电池组，并且确定该电池组是未经授权的电池组。充电设备存储验证结果。
接下来，验证侧从充电设备改变到电池组。被验证侧从电池组改变到充电设备。充电设备用从电池组接收的询问数据和自己的保密信息生成响应数据，并且返回该响应数据到电池组。电池组侧以相同的生成处理生成数据，并且将所生成的数据与接收的响应数据进行比较。当它们匹配时，电池组侧成功地验证该充电设备并且存储所确定的结果。在这种情况下，电池组确定充电设备是否是已验证的充电设备。
电池组将验证结果返回到充电设备。当满足了两个验证结果时，充电设备确定电池组和充电设备已经进行了相互验证，并且存储该互相验证的结果。当没有成功地验证作为充电设备的应用设备时，应用设备不能使用该电池组。在验证侧的电池组存储在被验证侧的充电设备的验证结果。如稍后将描述的那样，当没有成功地验证该电池组时，强制将剩余容量信息设置为“没有剩余容量”。依据本发明的实施例，因为依据验证结果控制电池组的剩余容量信息，所以电池组需要成功地验证充电设备。因此，电池组和充电设备不需要彼此互相验证。此外，依据上述询问响应系统的验证方法仅仅是一个示例。因此，可以使用其它验证方法。
接下来，参考图3中的流程图，将描述依据本发明的实施例的充电控制方法的流程。在电池组的微计算机10的控制下执行充电控制处理。以预定时间周期的间隔，例如1秒，重复图3所示的流程图的处理。当电池组附连于充电设备或者应用设备(这适用于以下描述)时，对该电池组进行充电。
在步骤S31，执行剩余容量计算处理。通过例如电流累积方法计算电池组的剩余容量，在该电流累积方法中，以预定时间周期的间隔测量和累积电池组的电流。在步骤S32，确定由电压测量部分12所测量的电压是否为预定值或者更高，例如3V。当电压低于3V时，流程前进到步骤S40。在步骤S40，存储在EEPROM 14中的剩余容量信息被设置为“没有数据”(NonData)，以关掉“剩余容量0”。
当在步骤S32的确定结果表示电池电压为3V或者更高时，该流程前进到步骤S33。在步骤S33，确定充电电流是否是预定值或者更大，例如50mA。为了防止电池组被过度放电，确定电池电压是否是预定电压或者更高。检测充电电流以确定电池组是否正被充电。
当在步骤S33的确定结果为是时，流程前进到步骤S34。在步骤S34，确定是否已经成功地验证了电池组。在电池组附连于充电设备之后立即执行上述验证过程。
当已经成功地验证了电池组时，流程前进到步骤S35。在步骤S35，将“没有数据”设置到EEPROM 14。此后，完成该处理。当在步骤S34的确定结果表示电池组没有被成功验证时，流程前进到步骤S36。在步骤S36，确定是否已经将“没有数据”设置到EEPROM 14中。
当在步骤36的确定结果表示已经将“没有数据”设置到EEPROM 14中时，流程前进到步骤S37。在步骤S37，设置所使用的容量。此后，在步骤S38，确定电池容量是否已经增加了预定值或者更大，例如100mAh。当在步骤S33的确定结果表示充电电流不大于50mA或者当在步骤S36的确定结果表示还没有将“没有数据”设置到EEPROM 14中时，流程前进到步骤S38。
当在步骤S38的确定结果表示电池容量已经增加了100mAh时，确定该电池组已经被不正确地充电了。在步骤S39，将已经设置到EEPROM 14中的、表示剩余容量的数据，例如标志强制地改为“没有剩余容量”。在这种情况下，表示电池组已经被完全放电而且剩余容量为零的“没有剩余容量”标志与被强制设置到EEPROM 14中的“没有剩余容量”标志是不同的数据。因为这些标志是不同的，当该充电设备或者应用设备接收信息“没有剩余容量”时，可以执行不同的处理，例如不同的指示(indication)。当在步骤S38的确定结果表示电池容量没有增加100mAh或更多时，完成该处理。
当已经设置了“没有剩余容量”标志时，发送给应用设备的“剩余容量(mAh)”、“剩余容量比(％)”、以及“可放电时间(分钟)”的任何数据被强制设置为0。当应用设备已经接收了信息“剩余容量0”时，因为不将电源提供给应用设备，所以该设备不能进行操作。
当电池组附连于应用设备而且应用设备不对电池组进行充电时，如图2A所示，如果电池组由充电设备充电，则通过上述处理将信息“剩余容量0”写入到电池组的EEPROM 14。因此，即使电池组从充电设备处分开并且附连于应用设备的话，因为应用设备识别出该电池组的剩余容量为0，所以应用设备不能进行操作。
接下来，将描述步骤S37和S38的示例。假定电池组的容量例如为1800mAh，即电池组已经被充满了，换言之，电池组的已使用容量为0mAh而且它的剩余容量比是100％。在步骤S37，将当前使用的容量，例如900mAh设置到EEPROM 14中。在步骤S38，确定电池容量是否已经增加了100mAh。换句话说，确定已使用的容量是否为800mAh或者更少。当所确定的结果表示已使用的容量为800mA或者更低时，确定电池组已经被不正确地充电了，并且将“没有剩余容量”标志设置到EEPROM 14。
因此，当已经被强制设置为“没有剩余容量”的电池组的电池电压变为3V或者更低时，取消“剩余容量0”并且可以使用该电池组。
本发明的实施例可以应用于各种应用设备。接下来，参考图4A、图4B、图4C、和图4D，将描述应用设备是便携式游戏设备的情况。图4A是示出该便携式游戏设备的正视图。在该便携式游戏设备的中心部分布置宽液晶显示器部分51。在该宽液晶显示器部分51的左边和右边布置操作键52和53。用户可以在观看液晶显示器部分51的同时，通过对操作键52和53进行操作来玩游戏。同样布置了模拟垫54作为另一个操作键。
图4B是示出该便携式游戏设备的后视图。如图4C所示，在该便携式游戏设备的后部布置了电池组仓壳部分55。电池组56被容纳在仓壳部分55中。电池盖57可滑动地覆盖仓壳部分55。从便携式游戏设备的主体突出的突出部58插入到在电池盖57中形成的孔59中，以便锁住和闭合电池盖57。
如图4D所示，连接端子61a、61b、和61c布置在电池组56的突出部分60的边缘部分60上。连接端子61a、61b、和61c分别对应于图1所示的端子2、3、和4。
图4A到图4D所示的便携式游戏设备具有各种功能，诸如光盘记录/再现功能、无线LAN连接功能、USB接口功能、以及存储卡接口功能。此外，便携式游戏设备具有除了图4A所示的那些之外的键、连接部分等。因为这些功能不涉及本发明的实施例，所以将省略它们的描述。当然，本发明的实施例可以应用于诸如数字摄像机、数字照相机、个人数字助理(PDA)、和蜂窝电话之类的各种应用设备。
本发明的实施例可以应用于具有多个蓄电池的电池组、以及具有充电控制FET和放电控制FET连接到正极的结构的电池组。此外，剩余容量计算方法可以是电流累积方法之外的方法。
本领域的那些技术人员应当理解，只要在所附权利要求和其等效物的范围之内，依据设计要求及其它因素，可以出现各种修改、组合、子组合以及替换。

Claims (13)

1、一种具有蓄电池以及控制该蓄电池的充电和放电的电路的电池组，该电池组包括：
计算机，与布置在充电设备中的另一计算机进行通信，验证该充电设备，并且计算该蓄电池的剩余容量信息，
其中当计算机没有成功地验证该充电设备并且已经检测到该蓄电池已经以预定方式进行了充电时，该计算机强制地将剩余容量信息设置为“没有剩余容量”。
2、如权利要求1所述的电池组，其中，当电池组附连于充电设备时，计算机对该充电设备进行验证。
3、如权利要求1所述的电池组，其中，当计算机已经检测到电池容量已经增加了预定值时，计算机确定该蓄电池已经以预定方式进行了充电。
4、如权利要求1所述的电池组，其中，剩余容量信息存储在非易失性存储器中。
5、如权利要求1所述的电池组，其中，由不同的数据标识被强制设置的“没有剩余容量”和真实的“没有剩余容量”。
6、如权利要求1所述的电池组，其中，当蓄电池的电压下降到预定值或者更低时，取消“没有剩余容量”的设置。
7、一种电池组的充电控制方法，该电池组具有蓄电池、控制该蓄电池的充电和放电的电路、以及计算该蓄电池的剩余容量信息的计算机，该充电控制方法包括步骤：
与布置在充电设备中的另一计算机进行通信，并对该充电设备进行验证；
当没有成功地验证充电设备时，检测该蓄电池是否已经以预定方式进行了充电；以及
当已经检测到蓄电池已经以预定方式进行了充电时，强制地将剩余容量信息设置为“没有剩余容量”。
8、如权利要求7所述的充电控制方法，其中，当电池组附连于充电设备时，对该电池组进行验证。
9、如权利要求7所述的充电控制方法，其中，当已经检测到电池容量已经增加了预定值时，确定该蓄电池已经以预定方式进行了充电。
10、如权利要求7所述的充电控制方法，其中，由不同的数据标识被强制设置的“没有剩余容量”和真实的“没有剩余容量”。
11、如权利要求7所述的充电控制方法，其中，当蓄电池的电压下降到预定值或者更低时，取消“没有剩余容量”的设置。
12、一种附连了电池组作为电源的应用设备，该应用设备从电池组接收剩余容量信息，该剩余容量信息由电池组检测，
其中在电池组提供电能到应用设备期间，当应用设备接收已经被强制设置为“没有剩余容量”的剩余容量信息时，应用设备停止它的操作。
13、如权利要求12所述的应用设备，其中，当被确定为没有被成功验证的充电装置已经对该电池组进行了充电时，强制地设置表示“没有剩余容量”的剩余容量信息。
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