CN201174408Y

CN201174408Y - 监视电池组电池的设备及在充电期间平衡电池电压的装置

Info

Publication number: CN201174408Y
Application number: CNU2005900000839U
Authority: CN
Inventors: 戴维·A·卡里尔; 丹·T·特林; 杰弗里·S·霍华德; 小安德鲁·E·西曼; 丹尼尔·C·布罗托
Original assignee: Black and Decker Inc
Current assignee: Black and Decker Inc
Priority date: 2004-10-04
Filing date: 2005-10-04
Publication date: 2008-12-31
Anticipated expiration: 2015-10-04

Abstract

一种电池的电池监视设备，该电池被配置用来为电池供电的电动工具供电，该电池监视设备可以包括：集成电路(220)，连接到该集成电路外部的电池组(210)的微处理器(250)，以及连接到该电池组的N个电池单元的每一个。该集成电路可以被配置成个别或依次获取采样读数，该采样读数包括电池组中的单独电池单元电压或所有电池单元的总电池组电压之一。该采样读数在被微处理器读取之前在集成电路中被滤波。

Description

监视电池组电池的设备及在充电期间平衡电池电压的装置

技术领域

本发明总的涉及一种用于监视电池组的电池(battery cell)的方法和设备，该电池组被配置用来为电池供电的(cordless)电动工具供电，还涉及一种用于在充电期间平衡电池单元(cell)电压的方法和装置。

背景技术

使用可充电电池的电池供电产品或设备在工作场所和家里都很普遍。可充电电池可以用在许多设备中，从计算机产品和/或家用品到电动工具。在这些设备中可以使用镍-镉、镍-金属-氢化物电池和/或锂-离子电池单元。由于设备使用多个电池单元，因此各电池单元通常可以组成电池组。这些电池组可以与电池供电的设备相连以便将电池组紧固(secure)到该设备。例如，可以将电池组从电池供电的设备中取出并在电池充电器中充电，或者可以在该电池供电的设备自身中充电。

发明内容

本发明的一个示例实施例针对一种电池组的电池监视设备，该电池组被配置用来为电池供电的电动工具供电。该设备可以包括集成电路，其连接到该集成电路外部的电池组的微处理器以及连接到该电池组的N个电池单元的每一个。该集成电路可以被配置成个别或依次获取采样读数，该采样读数包括电池组中的单独电池单元电压或所有电池单元的总电池组电压。该采样读数在被微处理器读取之前在集成电路中被滤波。

本发明的另一个示例实施例针对一种监视电池组的电池单元的方法，该电池组被配置用来为电池供电的电动工具供电。在该方法中，可以从电池组的微处理器接收第一串行数据命令，以从连接到一个或多个电池单元的通道获取电压测量。该电压测量可以被实施为在单独电池单元两端测量的差分电压值或者在所有电池单元两端测量的用于反映总电池组电压的差分电压值。可以将电压测量存储在电容器中并且对其滤波，使得电容器充电到给定电池单元或电池组的所有电池单元的平均差分电压值。可以接收第二串行数据命令，来将电容器连接到缓冲放大器，使得微处理器可以从电容器读取平均电压值。

本发明的另一个示例实施例针对一种电池组中的装置，用于在电池组中的多个电池单元充电期间平衡电池单元电压。该装置可以包括：微处理器；和可操作与微处理器通信的集成电路，连接到每个电池单元。微处理器可以指示集成电路在充电持续期间依次周期性地测量电池组的每个电池单元两端的电池单元电压和总电池组电压。集成电路将测量的单独电池单元电压和所有电池单元的当前平均电池单元电压发送到微处理器。在集成电路内将测量的总电池组电压自动除以电池单元数，以确定当前平均电池单元电压。微处理器在充电期间基于每个测量的单独电池单元电压和确定的当前平均电池单元电压，控制每个电池单元电压的平衡。

本发明的另一个示例实施例针对一种在电池组充电期间自适应地平衡电池组中的多个电池单元的电池单元电压的方法。该方法包括不断依次监视电池组中每个电池单元的电池单元电压，检测对于一个或多个电池单元的电压差。该电压差可以表示为给定测量电池单元电压超过由不断的监视步骤计算的当前平均电池单元电压值的差。在充电期间，可以通过将具有检测的电压差的电池单元放电，直到该放电电池单元的测量电池单元电压下降到等于平均电池单元电压为止，来平衡电池单元电压。

本发明的另一个示例实施例针对一种电池组，配置成监视其中的电池单元的电压，该电池组可操作连接到电池供电的电动工具。该电池组包括：微处理器；可操作与微处理器通信的集成电路，用于在电池组放电期间，基于从微处理器接收的命令，监视至少N个单独电池单元的电池单元电压和总电池组电压。该电池组包括电机控制半导体器件，由微处理器操作控制。当电池组被装入电池供电的电动工具，并且在初次开动电动工具的触发开关时，微处理器指示集成电路依次测量所有电池单元的单独电池单元电压。如果所确定的单独电池单元电压与给定电压阈值相比是可接受的，则微处理器可以给电机控制半导体器件加电，来使电池电流能流到电动工具的电机。

附图说明

通过附图和下面给出的详细描述，将会更充分地理解本发明的示例实施例，其中在附图中相同的元件用相同的附图标记表示，它们仅仅是为了说明而给出的，因此并非限制本发明的示例实施例。

图1示出了根据本发明示例实施例的、监视电池参数的装置的框图。

图2是示出根据本发明示例实施例的、图1的微控制器与ASIC之间的数据流的流程图。

图3是示出根据本发明示例实施例的、示例电池组的组件和端子的框图。

图4是示出根据本发明示例实施例的、示例电池组与示例电池充电器之间的组件和连接的框图。

图5是示出根据本发明示例实施例的、示例电池组与示例电动工具之间的组件和连接的框图。

图6-图8示出根据本发明的、配置成由示例电池组供电的示例的电池供电电动工具。

具体实施方式

图1示出根据本发明示例实施例的、监视电池参数的装置的框图。图1中的电池监视装置200可以被配置成用于感测电池组的特定电池参数，如各个电池单元电压和/或电池组的总堆(stack)电压。

电池监视装置200可以是适用于给电池供电的电动工具系统供电的可移除电源的一部分。电池供电的电动工具的示例可以包括圆形电动锯10(图6)、滑锯20(图7)和电钻30(图8)。工具10、20和30每一个可以包括常规的DC电机(未示出)，适合于由具有给定标称额定电压的电源供电。在示例实施例中，工具10、20和30可以由具有至少18伏标称额定电压的可移除电源驱动。本领域技术人员显然理解，本发明不限于附图中所示的具体类型的工具，也不限于下面示例所述的特定电压。在这点上，本发明的示教事实上可以应用到任何类型的电池供电的电动工具和任何供电电压。

可移除电源可以实现为具有外壳的电池组40，外壳中包括电池监视装置200，用于监视电池参数。电池组可以是可充电电池组40。电池组40可以在其外壳内包括多个串联连接的电池单元，和/或多个串联连接的电池单元串，其中各串彼此是并行的。

出于描述示例实施例的目的，电池组40可以由具有锂-离子电池单元化学成分(chemistry)的多个电池单元组成。由于该示例实施例针对用在电池供电的电动工具环境中的电池监视装置200，该电池监视装置200需要电源具有比使用锂离子电池技术的传统低电压设备(如膝上型计算机和蜂窝电话)高得多的额定电压，因此电池组40的标称额定电压可以为至少18V。

然而，例如在构成电池组40的各个电池单元、电极和电解液的化学成分方面，电池组40可以由其他基于锂的化学成分的电池单元组成，如锂金属或锂聚合物，或者诸如镍镉(NiCd)、镍金属氢化物(NiMH)和铅酸之类的其他化学成分。

现在参照图1，装置200可以是电池组40的一部分，并且包括电池监视设备220。设备220在图1中显示为单个集成电路(IC)220，它与电池组40外壳内的电池组控制器250和多达N个电池单元的堆210相接和/或进行通信。电池组控制器在下面可以称为数字微处理器250。在一个示例中，N可以至少是5个电池单元，而堆210包括多个电池单元，范围为大约5到20个电池单元。在其他示例中，堆210可以由七(7)电池单元配置、十四(14)电池单元配置和/或图1所示的说明性的十(10)电池单元配置实现。在前面每个示例中，电池组40可能能够向其相连的电池供电的电动工具提供大约18-40伏范围的输出电压。在另一示例中，电池组40可以在7-14个电池单元的范围内配置，以实现大约25到36伏之间的电池组电压。电池组40的这些电压和电池单元数仅仅是示例性的，本发明并不限于上述电池单元配置和/或额定电压。

如下面将说明，通过使用数字通信，例如三线串行通信，微处理器250可以向/从IC 220发送和接收命令。如下面将进一步说明，可以通过由微处理器250在串行数据线215上发送的一个或多个串行数据命令指示IC 220，依次采样与堆210的电池单元相对应的通道，以及将每个采样读数电平移动到缓冲放大器227的缓冲输出、经由A/D引脚到微处理器250，以便测量采样读数。如下面将看到，IC 220也能够按照微处理器250的命令，通过内部平衡半导体器件对单个或多个电池单元放电。

在图1中，装置200的框图可能仅表示图6到图8中所示的电池组40的内部电路组成的一部分。电池组40可以包括额外的功能或组件，如其他微处理器或控制器、电流传感器、电池组温度传感器、电池组标识组件、限流设备、其他保护电路(如保险丝)和/或例如其他内部组件，这里为了清楚起见而没有示出。

尽管在图1中IC 220显示为单个专用集成电路(ASIC)，但电池监视设备例如还可以用诸如数字微控制器、微处理器、模拟电路、数字信号处理器之类的硬件或软件实现，或者由一个或多个数字IC(如多个专用集成电路(ASIC))实现。

图1中的电池组控制器在下面描述为数字微处理器250，并且可以实现为Intel

的Pentium

处理器。或者，该控制器例如可以被配置为模拟电路、数字信号处理器和/或实现为一个或多个数字IC(如专用集成电路(ASIC))等。在下面所述的示例实施例中，微处理器250在IC 220的外部，而不是IC220的一部分，微处理器250独立地位于电池组40的外壳内，通过一系列串行数据线215与IC 220通信。

堆210中的每个示例电池单元具有相应的可选择通道，Ch1到Ch10。这些通道表示IC 220的引脚。例如，Ch0是连接到电池堆210的低侧或底部的电池单元(电池单元1)的负极侧的ASIC引脚，Ch1是连接到电池单元1的正极侧和电池单元2的负极侧的引脚，等等。标为FET 1到FET 10的引脚表示相应的半导体器件(场效应晶体管FET 1到FET 10)的引脚，并且连接到电池单元1-10的正极侧。FET 1-10的功能将在下面进一步详细说明。IC 220可操作连接到堆210中的每个电池单元的相应通道。每个通道因此可以被配置成提供从其相应电池单元到IC 220的通道输入。

装置200可以包括电压调节器230，它向IC 220和微处理器250提供内部控制电压(低电压Vcc)。例如，当相连的电动工具的触发开关闭合时，电池单元堆210(或充电器)可以向调节器230提供给定输入电压Vin，后者进而向IC 220和微处理器250提供降低的内部控制电压Vcc。例如通过包括滤波电路231，可以对提供给IC 220的Vcc滤波。可以提供调节器分流晶体管260来分散电力，从而不在调节器230中分散电力。公知的，来自电压调节器230的PSC信号控制晶体管260中的基极电流，使得VCC保持在期望的稳定范围内。调节器230提供给微处理器250的电压参考(Vref)是用于微处理器250中的A/D转换器(未示出)的恒定Vref。

因此，IC 220意图将微处理器250和多达N个电池单元的堆210相接。例如使用三线串行通信，微处理器250可以向/从IC 220发送/接收命令。IC 220设备连接到电池单元的堆210，并且能访问每个电池单元电压。IC 220的电力可以由低电压Vcc引脚和高电压Vin引脚或Vin电力端子提供。Vin电力端子可以与Ch10端子分开。例如可以通过包括滤波电路212来对Vin电力端子滤波，从而Vin电力端子可以经受较少的剧烈电压波动。如果PSC引脚保持开路，IC 220还可以在Vcc引脚上接收外部Vcc电力。通过读取Rsense两端的电压，IC 220可以限制流过分流晶体管260的电流。一旦建立了Vcc，IC 220就创建用于微处理器250中的A/D转换器的温度稳定的Vref。

可以使用适合的接口通过串行传输来实现数据通信。IC 220因此可以包括逻辑控制器222，用于微处理器250与IC 220之间的数据通信。作为示例，逻辑控制器222可以实现为串行外围接口(SPI)逻辑控制器。

一般而言，SPI可以用于主处理器(如微处理器250)与外设(如IC 220中的逻辑控制器222)之间的同步串行通信。SPI典型地配置有两条控制线--芯片选择(CS)和时钟(SCK)，以及两条数据线--串行数据输入(SDI)和串行数据输出(SDO)。尽管对于SDI和SDO引脚只示出一个方向，但微处理器250和IC 220都具有各自的SDI和SDO引脚。因此数据流可以从控制器250的SDO引脚传送到IC 220的SDI引脚，和/或从IC 220的SDO引脚传送到控制器250的SDI引脚，这是公知的。用CS引脚选择相应的外围设备。该引脚主要是低有效的(active-low)。在未选中状态中，SDO线处于高阻抗状态(hi-Z)因此无效。SCK线送到设备(IC 220)，而不管它是否被选中。SCK信号用作数据通信的同步。

在一般的SPI操作中，主设备(微处理器250)决定它要与哪个外围设备(即，IC 220)通信。主设备提供时钟信号SCK，并且确定芯片选择(CS)线的状态，即，它激活它要与之通信的从设备(IC 220)。CS和SCK因此是输出。从设备(如IC 220)接收作为输入的SCK和CS选择。这意味着，存在一个主设备，而从设备的数量仅由芯片选择的数量限制。如果一SPI设备未被选中，则其数据输出(SDO)变为高阻抗状态(hi-Z)，从而它不干扰当前选择的设备。

SPI设备可以是简单的移位寄存器到独立的子系统。移位寄存器的长度对各个设备可能是不同的。通常移位寄存器可以是8位或者其整数倍。也存在具有偶数位的移位寄存器。例如，两个级联的9位EEPROM可以存储18位数据。

尽管这里描述的微处理器250与IC 220之间的串行通信是基于示例SPI逻辑控制器222的，但本领域技术人员显然理解，使用内部IC(I²C)和/或通用异步接收器/发送器(USART)接口和/或芯片组件代替图1的SPI逻辑控制器，该装置也可以完成期望的设备间串行通信。

SPI逻辑控制器222除了是微处理器250与IC 220之间的通信接口外，还可操作用于与IC 220的各种额外组件通信。例如，SPI逻辑控制器222可以(基于从微处理器250接收的命令)输出控制信号，来驱动栅极驱动电路224和/或开关矩阵225。包括栅极驱动电路224的组件装置是现有技术中公知的，因此这里为了简要起见不再描述。在一个示例中，开关矩阵225可以实现为模拟复用器。开关矩阵225的功能是基于从SPI逻辑控制器222接收的控制信号(后者进而对应于从微处理器250接收的给定数据命令)，选择给定通道来采样和获取电池组参数。

基于从微处理器250接收的命令，SPI逻辑控制器222还可以输出控制信号来驱动栅极驱动电路224，以便将半导体器件堆228中的给定半导体器件(FET)接通或关断。这些FET可以通过SPI逻辑控制器222和栅极驱动电路224控制，以便有选择地允许(或不允许)给定电池单元的放电，因此FET1到10有时候可以称为“平衡FET”。每个通道可以与堆228中的相应平衡FET相连。下面将进一步说明堆228中的平衡FET的控制和操作。

作为另一示例，基于从微处理器250接收的命令，SPI逻辑控制器222可以输出控制信号，指示开关矩阵225监视给定通道的电池参数，和/或依次和/或在给定持续时间内(或连续地)在信道之间切换，以监视N个电池单元的每一个的特定电池参数，包括总电池堆电压(例如，总电池组电压)。因此，基于从微处理器250接收的数字数据命令，开关矩阵225可以被指示(通过来自SPI逻辑控制器222的控制信号)来选择用于监视各个电池参数和/或监视地到地连接以便差错校正的通道，电池参数包括但不限于：所选单个电池单元的电池单元电压、总电池组电压(即，总电池堆电压)、内部或外部电压参考、电池组温度。

一般而言，基于接收的命令，开关矩阵225选择指定的通道来采样感兴趣的电池参数。尽管下面将更详细地说明采样和获取过程，但一般而言，被采样的电池单元的采样读数或参数(在该示例中为电池单元电压值)首先作为平均电压值存储到外部电容器，其在图1中显示为C203。电容器203在IC220的外部，允许电路设计者灵活设计滤波频率。开关矩阵225的输出(从两个通道测量的差分电压值，其中这两个通道在如图1或表1所示的感兴趣的给定电池单元一侧上各一个)通过RC滤波电路数字滤波，该RC滤波电路在图1中由电容器203和内部电阻器R1组成，电容器C203正被充电。

期望该滤波除去高频噪声(可能是由于电池组的放电或由矩阵开关225产生的)。由于滤波，因此当C203充电时存储的信号是感兴趣的电池单元两端的平均电压值(例如，从该电池单元两端的两个通道获取的差异电池单元电压的平均值)。这可以提供例如对微处理器250的A/D转换器的更精确的测量。

因此，利用RC滤波电路(R1和C203)提供的滤波，C203充电到电池单元两端的平均电压。在软件控制的允许C203充电的延迟之后，基于从微处理器250接收的另一数据命令，电容器C203与开关矩阵225断开，并且连接到缓冲放大器227。缓冲放大器227从C203接收所存储的平均电压值--模拟电压信号。提供缓冲放大器227使得电容器C203在微处理器250进行测量期间不渗漏。(通过缓冲放大器227)发送到微处理器250中的A/D转换器的Vout是一个干净得多的模拟信号(与没有滤波时相比)，表示测量的电池单元电压。

如图1所示，缓冲放大器227的输出Vout可以通过可选的外部滤波器或调整电路233送到微处理器250内的A/D转换器，以便模数转换成数字电压值。不需要在微处理器250内执行对Vout的数字电压值的偏差校正以便检测(测量)精确的电池单元电压。因为C203通过开关SW2DB2连接到地，如图1所示，因此所选电池单元的平均电压在C203上的副本现在以地为参考，并准备好由微处理器250中的A/D转换器读取，作为来自缓冲放大器227的Vout。

因此，由微处理器250通过SDI线发送的各个8位命令可以指示IC 220进行测量，并且通过Vout引脚将模拟测量值经由调整电路233输出到微处理器250，进行数字转换和检测(测量)。这允许微处理器250读取堆210内的任何单个电池单元电压，而不需要执行两个或多个单向测量和/或数字减法或偏差校正以确定(测量)电池单元电压。

因此，为了采样诸如单个电池单元电压之类的电池组参数，参照图1，从微处理器250发送命令给SPI逻辑控制器222。SPI逻辑控制器222进而发送控制信号，以闭合开关矩阵225并选择到IC 220的DB1和DB2引脚的给定通道，并且调整开关位置(分路或开路)以采样，例如，开关SW2DB1、SW2DB2、DB1SELGND和DB1SELGND都具有逻辑低状态(＝0)或开路，而开关SW1＝1(分路)，以便在电容器C203通过电阻器R1充电时获取采样读数。

在软件控制的延迟(可以是几毫秒)之后，SPI逻辑控制器222可以接收来自微处理器250的另一命令，来断开开关矩阵225，断开开关SW1，并且闭合开关SW2DB1、SW2DB2、DB1SELGND和DB1SELGND的每一个(逻辑高＝1)。这将C203连接到缓冲放大器227，以便作为Vout(例如电池单元的模拟平均电压值)输出到微处理器250。

其他命令可以允许和/或禁止在给定通道上的给定平衡FET，目的是消耗(drain)由外部电阻器213设置的特定电流。如在下面将进一步详细示出，可以由微处理器250发送命令来指令IC 220在开关矩阵225的输出上读取总堆电压(自动除以10)。

表1提供可以由微处理器250在SDI线上传送到IC 220的8位命令的示例列表。在表1的首行上，显示了8位命令(数据线)、对IC 220的DB1和DB2选择什么、开关SW1、SW2(DB1和DB2)、SW3、SW4和SW5的开关位置、以及FET堆228中给定FET的动作。

表1-示例命令结构

数据线 DB1 DB2 S1 S2 S3 S4 S5 FET动作

0000 0000 Gnd Gnd 开路分路开路开路开路不改变

0000 0001 Ch1 Ch0 分路开路开路开路开路不改变

0000 0010 Ch2 Ch1 分路开路开路开路开路不改变

0000 0011 Ch3 Ch2 分路开路开路开路开路不改变

0000 0100 Ch4 Ch3 分路开路开路开路开路不改变

0000 0101 Ch5 Ch4 分路开路开路开路开路不改变

0000 0110 Ch6 Ch5 分路开路开路开路开路不改变

0000 0111 Ch7 Ch6 分路开路开路开路开路不改变

0000 1000 Ch8 Ch7 分路开路开路开路开路不改变

0000 1001 Ch9 Ch8 分路开路开路开路开路不改变

0000 1010 Ch10 Ch9 分路开路开路开路开路不改变

0000 1011 Vcc Gnd 开路开路开路开路开路不改变

0000 1100 Vref Gnd 开路开路开路开路开路不改变

0000 1101 Gnd Gnd 开路开路开路分路开路不改变

0000 1110 Gnd Gnd 开路开路开路开路分路不改变

0000 1111 Ch10 Ch0 分路分路分路开路开路不改变

0010 0001 Ch1 Ch0 分路开路开路开路开路 FET 1接通

0010 0010 Ch2 Ch1 分路开路开路开路开路 FET 2接通

0010 0011 Ch3 Ch2 分路开路开路开路开路 FET 3接通

0010 0100 Ch4 Ch3 分路开路开路开路开路 FET 4接通

0010 0101 Ch5 Ch4 分路开路开路开路开路 FET 5接通

0010 0110 Ch6 Ch5 分路开路开路开路开路 FET 6接通

0010 0111 Ch7 Ch6 分路开路开路开路开路 FET 7接通

0010 1000 Ch8 Ch7 分路开路开路开路开路 FET 8接通

0010 1001 Ch9 Ch8 分路开路开路开路开路 FET 9接通

0010 1010 Ch10 Ch9 分路开路开路开路开路 FET 10接通

0010 1111 Ch10 Ch0 分路分路分路开路开路所有FET接通

0011 0001 Ch1 Ch0 分路开路开路开路开路 FET 1关断

0011 0010 Ch2 Ch1 分路开路开路开路开路 FET 2关断

0011 0011 Ch3 Ch2 分路开路开路开路开路 FET 3关断

0011 0100 Ch4 Ch3 分路开路开路开路开路 FET 4关断

0011 0101 Ch5 Ch4 分路开路开路开路开路 FET 5关断

0011 0110 Ch6 Ch5 分路开路开路开路开路 FET 6关断

0011 0111 Ch7 Ch6 分路开路开路开路开路 FET 7关断

0011 1000 Ch8 Ch7 分路开路开路开路开路 FET 8关断

0011 1001 Ch9 Ch8 分路开路开路开路开路 FET 9关断

0011 1010 Ch10 Ch9 分路开路开路开路开路 FET 10关断

0011 1011 “唤醒” 分路分路开路开路开路所有FET关断

0011 1110 休眠模式开路开路开路开路开路所有FET关断

0011 1111 Ch10 Ch0 分路分路分路开路开路所有FET关断

如图1所示，提供可连接到引脚DB1和DB2的外部设备的辅助电路(包括开关DB1SELVcc、DB1SELVref、DB1SELGND和DB2SELGND)。在一个示例中，该外部设备可以是高电压差分放大器，其可以被添加来代替IC 220中的开关SW1-SW5和C203的开关-电容器装置(例如，开关-电容器装置)，或者在开关-电容器装置故障时提供备用电池监视器件。因此，外部差分放大器将连接到开关矩阵225的输出，来直接向微处理器250的A/D转换器提供差分电压测量。

通过使用命令“0000 1101”并读取Vout上的电压，微处理器250可以确定外部放大器是否连接到DB1和DB2。在一个示例中，如果使用了外部设备，则电压读数将是地电势(GND)。如果使用了IC 220，则电压读数将是5伏。如果使用了外部放大器，则不使用命令“0000 0000”来获取。

单独电池单元电压测量

参照表1，在一个示例中，假设从微处理器250向IC 220发送命令“00000111”，这是用于测量通道Ch6与Ch7之间的电池单元6的电池单元电压的命令。从表1中可以看出，该命令对堆228中的任何平衡FET的状态都没有产生改变。该命令由SPI逻辑控制器222处理，并且在下一字节传输期间在SDO线上返回到微处理器250以进行验证。这是因为紧跟着最初命令，微处理器250继续触发SCK线，同时逻辑控制器222送回该初始命令以进行验证。

一旦读取，SPI逻辑控制器222就控制开关矩阵225来选择Ch7到DB1引脚以及选择Ch6到DB2引脚，以便采样表示在电池单元6处的电池单元电压的差分电压。同时，SW1闭合以在引脚DB1和DB2之间经由由R1和C203形成的RC网络，开始对电容器C203充电。因此，由于RC网络的滤波，电容器C203存储电池单元6的差分电压的平均值，而不是将随着充电/放电电流改变而剧烈波动的电池单元6的瞬时差分电压。

在软件控制的延迟之后，微处理器发送第二命令0000 0000。如表1所示，该命令断开矩阵开关225和开关SW1，并且闭合开关SW2DB1、SW2DB2、DB1SELGND和DB1SELGND(逻辑高＝1)中的每一个。这将C203连接到缓冲放大器227，以将Vout送到微处理器250的A/D转换器。可以以同样方式读取堆210的其余电池单元。

总堆电压测量

微处理器可以使用命令来读取总堆电压。为了测量总堆电压，微处理器250向IC 220发送命令“0000 1111”，这是用于测量Ch0与Ch10之间的总堆电压的命令。该命令由SIP逻辑控制器222处理，并且在下一字节传输期间在SDO线上返回到微处理器250以进行验证。如表1所示，参照图1，SPI逻辑控制器222控制开关矩阵225选择Ch10到DB1引脚以及选择Ch0到DB2引脚，以便采样表示电池组的总堆电压的差分电压。同时，开关SW1、SW2和Sw3闭合以在引脚DB1和DB2之间经由由R1和R2形成的分压器电路，开始对电容器C203充电，该分压电路以10∶1的比例将电容器充电到堆的平均电压。10∶1的比例是由R1和R2的值设定的。

存储在电容器C203上的电压值通过由R1和C203形成的RC网络滤波，获得总堆电压的平均电压值。在软件控制的延迟之后，微处理器250可以发送命令0000 0000来将C203连接到缓冲放大器227，以将Vout送到微处理器250的A/D转换器。然而，由于开关SW2在采样和获取总堆电压期间是闭合的，因此微处理器250的A/D转换器可以继续测量总堆电压。

开关矩阵225可以在不使电池单元电压短路的情况下从任何通道改变到任何其他通道，而这在通常情况下可能导致贯通(shoot-through)状况。贯通是通常在开关从一个连接转换到另一连接期间发生的状况。如果开关要在断开与第二支路的接触之前与电路的一个支路进行接触，则电流可能从第一支路流到第二支路。这是一种不期望的状况，因此多数开关被设计成具有“接触前断开”接触系统。开关矩阵225的输出因此在进入缓冲放大器227之前被RC电路滤波。

在图1中，CS引脚是芯片选择。当拉(pull)低时，SPI逻辑控制器222将正常工作。当拉高时，SPI逻辑控制器222发送和接收逻辑被复位。该功能在分组/字节同步以使得IC 220位计数器保持与主时钟同步时是有用的。SPO引脚可以在该复位期间设为三态，这是公知的。

IC 220可以包括SLEEP(休眠)引脚，用236总体表示。参照图1和表1，当给出SLEEP命令0011 1110时，将导致IC 220切换到低功率休眠模式中。因此，当SLEEP引脚236被拉低时，IC 220切换到低功率休眠模式中。堆228中的所有FET都被禁止，并且Vout被禁止并切换到高Z状态。逻辑控制器222的SPI逻辑在休眠模式期间也被禁止，并且SDO引脚设为三态。

此外在表1中，提供特殊的“唤醒”命令0011 1011来将IC 220带出休眠模式。当离开休眠模式时，SPI逻辑被复位，而不管CS引脚的状态如何。堆228中的平衡FET在唤醒时也被复位到“关断”状态。

图2是示出根据本发明示例实施例的、图1的微控制器250与IC 220之间的总的数据流的流程图。一般而言，微处理器250通过对SCK引脚计时(clocking)并在其SDO引脚上发送8位数据命令以便由IC 220的SDI引脚接收，来向IC 220发送该命令(S210)。IC 220接收该命令(S220)，并且处理模拟输出。微处理器250然后对SCK引脚计时(S230)以在微处理器250的SDI引脚上接收从IC 220回来的初始命令，以便向微处理器250验证IC 220理解和实施了正确命令。

如果响应命令与初始命令不同，则微处理器250的A/D读数(从IC 220接收的检测或测量值)被丢弃，并且可以重发该初始命令。这个两字节的传输可以认为对于在电子安静、无噪声环境中使用是足够的。在该情况下，可以使用标准的SPI协议，其中握手是逐位而非逐字节进行的。握手可以被定义为接收信号并将其发送回发起者以进行验证的动作。

图3是示出根据本发明示例实施例的、示例电池组的组件和端子的框图；图4是示出根据本发明示例实施例的、示例电池组与示例电池充电器之间的组件和连接的框图。

作为实施示例，图1的装置200在图3和图4所示的电池组300的上下文中描述。为了清楚起见，电池组300的框图仅仅示出装置200的特征。可以理解，电池组300可以具有可操作地与微处理器250通信的额外传感部件，例如，电流传感器、温度传感器、组ID设备、限流设备等。下面，描述在示例充电和放电期间IC 220的示例特征和功能。

参照图3，电池组300显示处于非使用状态，没有连接到任何电设备。在图3中，显示四个端子(端子1-4)。然而，示例实施例不应当限于该端子配置，根据电池组300与另一可连接电设备(如电动工具或充电器)之间期望传递的信息，可以包括更多或更少的端子。

电池堆210的各电池单元在该示例中可以完全停用(0伏)，电池组300闲置在货架上。如图3所示，调节器230未加电，从而IC 220和微处理器250空闲，什么也不做。通过将电池组300放入充电器400(图4)，发生下列事件：

(i)充电器400向分流晶体管260和Vin引脚提供电源电压(这里作为示例显示为15伏)，进而通过PSC引脚控制调节器230。

(ii)调节器230进而向微处理器250和IC 220(低电压Vcc引脚)提供例如5伏(Vcc)。

(iii)微处理器250复位并开始初始化其自己的程序参数。该复位和初始化例程例如可以与PC或膝上型计算机在启动时所进行的类似，因为这些过程不是本发明的关注点，所以不再详细说明。

(iv)在初始化之后，微处理器250通过串行通信(为了清楚起见未示出)与充电器400(如充电控制器420)通信。

(v)微处理器250保持电机控制FET 240关断，因为微处理器250已经确定了电池组300连接到充电器400，而非连接到电动工具。

充电循环

参照图4，在充电可以开始之前，应当知道(电池单元电压值)A/D读数。微处理器250可以发送命令0000 0001给IC 220来选择第一电池单元(图1中通道Ch0与Ch1之间的电池单元)。数据可以被计时输出到IC 220，并且在短暂的等待期之后，返回字节可以被计时送回微处理器250。如果通信有效的话，返回的字节应当与初始命令匹配。

在微处理器250验证返回的命令的同时，IC220将第一电池单元的电压放在其DB1和DB2引脚上。通过内部电阻器R1对外部电容器C203充电。在软件控制的延迟之后，微处理器250发送第二命令0000 0000来将电容器C203连接到缓冲放大器227，以便将Vout送到微处理器250的A/D转换器。可以以相同方式读取堆210中的其余电池单元。知道了电池单元电压，电池组300中的微处理器250可以命令充电器400开始充电。

充电期间的动态电池单元平衡

堆210的电池单元在它们被充电时电压增加。不是所有的电池单元都具有相同的容量，因此一些电池单元电压比其他的高。为了阻止电势过量充电事件，可以按照微处理器250的需要依次和不断监视各电池单元，以便检测电压差。例如，IC 200可以由微处理器250指示，大约10毫秒扫描整个电池单元堆210，但是由于充电慢的特性，也可以采用更长的循环时间。在任何情况下，在充电时可以按需要重复针对阈值的电池单元电压的测量、评估、以及电池单元电压的平衡，以便在充电期间保持所有电池单元电压基本平衡。

因此微处理器250可以通过发送到IC 220的数据命令采样每个电池单元，检测或测量值存储在微处理器250的相关内部或外部存储器中。当进行完整扫描时，例如，可以采用总堆电压作为第十一测量。该值在IC 220中通过分压器电路(R1和R2)被缩放或自动除以10，使得电容器C203充电到所有电池单元的平均电池单元电压。如果将所有单独电池单元测量相加，则测量将总计达平均电池单元电压乘以10。例如，可以使用该过程作为系统完整性的差错校验。

此外，平均电池单元电压也可以用作运行时的(running)相对参考值或阈值。该阈值可以用于确定在充电期间哪个单独电池单元具有较小的容量，从而比其他的电池单元充电快。这些较小容量的电池单元如果在充电期间不予理睬则可能会产生问题。作为一个示例，对于锂离子电池单元，过量充电状况对于电池单元来说是非常不希望出现的。在图1的示例中，如果九个电池单元处在4伏，而第十电池单元处在4.2伏(最大电压)，则总堆210电压读数只有40.2伏。这并不意味着允许继续充电，因为如果继续充电的话，处在4.2伏的电池单元将会受损。因此，希望在充电期间提供有效电池单元平衡，从而第十电池单元(或例如第六电池单元、第四电池单元等)的电压永远不会比所有电池单元的平均电池单元电压值高。这样，堆210中的所有电池单元一起达到峰值电压。

微处理器250因此可以指令IC 220以依次的方式连续监视每个电池单元，获取单独和总堆电压测量，以便检测在检测的单独电池电压与所有电池单元的平均电池单元电压(通过总堆电压自动除以10确定的)之间的任何电压差。在具体示例中，参照图1，4号电池单元(在Ch3与Ch4之间)的检测电压比参考电压稍高，所述参考电压例如是对堆210中所有电池单元确定的平均电池单元电压。为了加速电池单元的平衡，微处理器250能够基于来自表1的命令0010 0100的、所存储的电池单元的A/D值(例如，对电池单元4检测的电池单元电压值)与由命令0000 1111指示的、IC 220在采样总堆电压时测量的、所存储的平均电池单元电压A/D值之间的数字比较，动态检测该电压差。

装置200因此可以被配置成大约10毫秒循环所有电池单元电压测量，然后可以将测量的各单独电池单元A/D值与测量的平均电池单元电压A/D值进行比较，以动态地确定“失衡”的电池单元。如果微处理器250确定电池单元4电压比堆210中的电池单元的平均电池单元电压稍高，则微处理器250向IC 220发出数据命令0010 0100。该命令告诉IC 220将半导体器件堆228中的平衡FET 4转到接通状态。除了电池单元4外，电池单元都以相同速率充电，电池单元4的充电速率被降低在FET 4接通情况下的放电速率。这使得在电池单元4的单独电池单元电压下降时，其他电池单元“赶上”电池单元4，以达到堆210的平均电池单元电压。

迄今为止，使用堆210中所有电池单元的平均电池单元电压作为基线或参考值(例如，作为阈值)，描述了确定是否在充电期间尽量放电特定电池单元以获得电池组300中平衡的电池单元电压。然而，放电具有与堆210中平均电池单元电压的最大差分电压的电池单元，仅仅是一个示例阈值。在一个替代示例中，IC 200在来自微处理器250的数据命令的指示下执行每个单独电池单元电压测量的循环之后，微处理器250可以向IC 220发出命令，来对从单独电池单元电压测量中发现的最高电压电池单元放电。在另一替代示例中，基于在给定(或每个)测量循环中接收的电压测量，微处理器250可以向IC 220发出命令，来对多个电池单元，例如从单独电池单元电压测量中发现的X个最高电压单元放电。在另一替代示例中，微处理器250可以向IC 220发出特殊命令，来对那些电池单元电压测量超过给定电压阈值的电池单元放电，所述电压阈值例如Y乘以可能预先设定的电池单元的电池电压(Y是≥1的整数)。这些方法表示在充电期间对电池组300中的一个或多个电池单元放电的阈值准则的其他示例类型，目的是在充电期间和完成后均匀平衡电池单元电压。

确定在充电期间电池单元堆的总堆电压

如上所述，除了监视单独电池单元电压外，还可以用命令0000 1111来命令IC 220测量堆210的总堆电压。如前面所述，总堆210电压可以在IC 220内被自动除以10，提供对堆210的电池单元的平均电池单元电压值。微处理器250接收的单独A/D读数应当总计达到作为Vout发送到微处理器250的A/D引脚的堆A/D测量(即，微处理器250用来不断确定堆210中每个电池单元的电压差的平均电池单元电压)的十倍。该功能可以作为对电池单元校验的支持，以防止过量充电。

其他示例电池单元平衡

在充电期间随着时间的流逝，一个或多个其他电池单元可能开始具有比电池单元的平均电池单元电压稍高的电压。这些其他电池单元可以由IC 220与电池单元4同时地放电(在微处理器250命令这样操作之后)。这可以如上面对电池单元4所描述的那样执行。当扫描正被放电的电池单元(例如电池单元4)时，可以用数据命令0011 0100做出对电池单元4的最精确测量。这指示IC 220输出电池单元4电压，但它还关断(断开)该电池单元的平衡FET(FET 4)。在没有电流被放电的情况下，电池单元4的电压是其充电状态的合理可靠指示符。当结束读取通道时，该平衡FET可以用命令00100100再接通(如果认为有必要的话)。

在充电的后期，电池单元4电压降回到堆210的平均电池单元电压。微处理器250将此确定为停止对电池单元4放电的触发。可以向IC 220发送相同命令0011 0100来测量电池单元4的电池单元电压，并且断开平衡FET4。现在电池单元4可以接收其余电池单元正接收的全部充电电流。

终止充电

最后，堆210中的电池单元全都达到期望终止充电电流的电压。微处理器250可以用各种方式进行该判断，这里不再讨论，因为这些终止策略不在本发明范围内。微处理器250可以与充电器400通信(即，通过串行数据通信)，从而充电电流被暂停。在该示例中，每个电池单元在完全充电时，可以具有大约4.2伏的电荷；因此Ch10处的电压相对于地为大约42伏。Vin引脚和调节器230仍然用充电器400的15伏供电。

将电池组300从充电器400中移除，并且可以放回工具箱(或其他存储区域)中待一会。堆210中的电池单元仍然将其电压施加在IC 220引脚上，但因为Vcc引脚未被加电并且Vin处在零伏，所以IC 220被关闭，电池单元上仅流出很小的泄漏电流。

放电循环-电池组与电动工具工作

在一个示例中，例如当工作日开始时，电池组300可以如图5所示放在工具500中。工具触发开关510一旦被开动，电池组300的电池单元堆210电压就可以施加到调节器230和IC 220的Vin引脚。在初始化周期之后，微处理器250认识到它是在工具(而不是充电器)中，并且检查电池单元电压。如果所有测量都是可接受的，则电机控制FET 240被接通来允许电流流到工具电机520。例如，如果所有电池单元电压都大于给定电压电平或电压阈值(如给定的截止电压，低于该截止电压的电池单元就处于电压不足状态)，则测量可以接受。

与在充电期间一样，微处理器250在堆210的放电期间监视电池单元电压。如果触发开关510被释放，则提供到微处理器250和IC 220的Vin处的电压和调节后的电压(5V)衰减到地电压。没有电力供应，微处理器250关闭，并且电机控制FET 240被关断。

当触发开关510再次被拉上时，IC 220被加电，并且工具电机520继续工作。只要触发开关510被拉上、并且电池单元电压大于给定电压电平或电压阈值，工具电机520就将启用。一旦堆210中的电池单元达到例如低电压阈值(如截止电压)，微处理器250就可以命令电机控制FET 240关断。该动作防止堆210的电池单元过度放电，并且延长电池单元寿命。

如果触发开关510保持接通(在特定情形中，一些用户可能用带子捆扎触发开关)，微处理器250将继续将命令发送至220，以便继续监控电池单元电压，但是将电机控制FET 240保持在关断状态。一旦总堆电压已经降至低于示例阈值，在该示例中，其可以是25伏(由于对电池电路供电所需要的小的发电电流)，微处理器250可以经由SLEEP引脚236告诉IC 220进入休眠模式。这一动作可以充分降低在电池组300中的电力消耗。IC 220将停留在这一模式，直到微处理器250被复位。电池组300最终可以从工具500中移除，并且放回在货架上处于放电状态。

上述示例充电/放电循环示出IC 220如何能够与微处理器250工作来延长电池单元寿命。过度充电保护、过度放电保护和在充电期间执行电池组内的自适应电池单元平衡的能力，全都可以在具有包括例如IC 220和微处理器250的装置200的电池组中完成。

描述了本发明的示例实施例，显然它可以以多种方式变化。这些变型并不应认为是背离本发明的示例实施例的宗旨和范围，并且对于本领域技术人员显然理解的所有这些修改都意图被包括在随后的权利要求书的范围内。

Claims

1.一种电池组的电池监视设备，该电池组被配置用来为电池供电的电动工具供电，其特征在于该电池监视设备包括：

集成电路，连接到该集成电路外部的该电池组的微处理器以及连接到该电池组的N个电池单元的每一个，该集成电路被配置成个别或依次获取采样读数，该采样读数包括电池组中的单独电池单元电压或所有电池单元的总电池组电压之一，其中该采样读数在被微处理器读取之前在集成电路中被滤波。

2.根据权利要求1所述的电池监视设备，其特征在于该集成电路还被配置成当电池组被充电时，有选择地对N个电池单元中的一个或多个放电。

3.根据权利要求2所述的电池监视设备，其特征在于该微处理器发出命令来依次和周期性地测量单独电池单元电压和总电池组电压，在电池组被充电时比较从集成电路接收的测量的单独电池单元电压值与给定阈值，并且有选择地对那些不满足该阈值的电池单元放电。

4.根据权利要求3所述的电池监视设备，其特征在于该阈值是根据集成电路测量的总电池组电压确定的、所有电池单元的平均电池单元电压值，该平均电池单元电压值被存储在微处理器中并随着充电的持续而更新。

5.根据权利要求4所述的电池监视设备，其特征在于在充电期间对具有高于平均电池单元电压的最大差分电压的电池单元放电，直到其测量的电池单元电压下降到等于平均电池单元电压为止。

6.根据权利要求4所述的电池监视设备，其特征在于在充电期间对任何超过平均电池单元电压的电池单元放电，直到其各自测量的电池单元电压下降到等于平均电池单元电压为止。

7.根据权利要求3所述的电池监视设备，其特征在于该阈值被设为在给定测量循环中测量的最高电压电池单元，并且微处理器向集成电路发出命令，来对该给定测量循环中发现的最高电压电池单元放电。

8.根据权利要求3所述的电池监视设备，其特征在于该阈值被设为在给定测量循环中测量的X个最高电压电池单元，并且微处理器向集成电路发出命令，来对该给定测量循环中发现的X个最高电压电池单元放电。

9.根据权利要求3所述的电池监视设备，其特征在于该阈值是预先设定的电池单元的最小电压乘以整数Y(Y≥1)，并且微处理器向集成电路发出命令，来对超过Y^*预设最小电压的那些电池单元放电。

10.根据权利要求1所述的电池监视设备，其特征在于N大于或等于5。

11.根据权利要求1所述的电池监视设备，其特征在于集成电路包括与微处理器通信的逻辑控制器，逻辑控制器被配置成处理从微处理器接收的给定串行数据命令，以从N个电池单元的一个或多个中获取采样读数，或者被配置成指示有选择地对N个电池单元中的一个或多个放电。

12.根据权利要求11所述的电池监视设备，其特征在于

集成电路可操作地连接到电池组中的每个电池单元的相应通道，每个通道具有从其电池单元到集成电路的通道输入，以及

集成电路还包括与逻辑控制器通信的栅极驱动电路，用于控制多个场效应晶体管(FET)中的一个或多个，每个FET对应于给定通道，并且可操作用来基于从微处理器接收的给定数据命令，有选择地对其相应电池单元放电。

13.根据权利要求11所述的电池监视设备，其特征在于

集成电路可操作地连接到电池组中的每个电池单元的相应通道，每个通道具有从其电池单元到集成电路的通道输入，并且集成电路还包括：

开关矩阵，其连接到每个通道并与逻辑控制器通信，并且其适合于基于来自逻辑控制器的控制信号选择给定通道来输出采样读数，和

连接到开关矩阵的输出的电容器，用于存储采样读数，其中在电容器被充电时采样读数被数字滤波，从而在电容器中存储平均电压值，并且其中在允许电容器充电的受控制的延迟之后，从集成电路输出存储在电容器上的平均电压值供微处理器读取。

14.根据权利要求13所述的电池监视设备，其特征在于基于所接收的用于测量给定电池单元电压或总电池组电压的数据命令，逻辑控制器发送控制信号，来闭合开关矩阵并选择用于获取采样读数的给定通道，并且当电容器用采样读数充电时，调整开关组的开关位置，使得电容器成为在开关矩阵的输出处的RC滤波电路的一部分，以便对输出滤波。

15.根据权利要求13所述的电池监视设备，其特征在于集成电路还包括在其上的辅助电路，该辅助电路连接到开关矩阵的输出，以连接到外部差分放大器，其中所述外部差分放大器可以有选择地连接到开关矩阵输出，来给电容器提供用于获取采样读数的另一选择。

16.根据权利要求1所述的电池监视设备，其特征在于电池组的电池单元具有锂-离子电池单元化学成分。

17.根据权利要求1所述的电池监视设备，其特征在于电池组的标称额定电压至少为18V。

18.一种电池组中的装置，用于在电池组中的多个电池单元充电期间平衡电池单元电压，其特征在于该装置包括：

微处理器，和

可操作与微处理器通信的集成电路，其连接到每个电池单元，

微处理器指示集成电路在充电持续期间依次周期性地测量电池组的每个电池单元两端的电池单元电压和总电池组电压，

集成电路将测量的单独电池单元电压和所有电池单元的当前平均电池单元电压发送到微处理器，其中，在集成电路内将测量的总电池组电压自动除以电池单元数，以确定当前平均电池单元电压，以及

微处理器基于每个测量的单独电池单元电压和确定的当前平均电池单元电压，控制每个电池单元电压的平衡。

19.根据权利要求18所述的电池组中的装置，其特征在于

微处理器通过比较每个测量的单独电池单元电压与当前平均电池单元电压，来控制电池单元电压的平衡，以及

指示集成电路在充电期间对具有超过当前平均电池单元电压的测量的单独电池单元电压的一个或多个电池单元放电给定的持续时间。

20.根据权利要求18所述的电池组中的装置，其特征在于

集成电路包括多个半导体器件，每个连接到电池组中的相应电池单元，以及

如果相应电池单元具有大于当前平均电池单元电压的测量的单独电池单元电压，则集成电路给半导体器件加电，以允许对其相应电池单元放电给定的持续时间。

21.根据权利要求19所述的电池组中的装置，其特征在于给定持续时间被定义为到放电电池单元的测量的电池电压下降到等于所确定的平均电池单元电压为止所经过的时间。

22.根据权利要求18所述的电池组中的装置，其特征在于在充电期间，由微处理器或集成电路执行重复周期测量、平均电池单元电压的确定、比较和平衡的功能，以便在充电期间保持单独电池单元电压基本平衡。

23.一种电池组，配置成监视其中的电池单元的电压，该电池组可操作连接到电池供电的电动工具，其特征在于该电池组包括：

微处理器；

可操作与微处理器通信的集成电路，用于在电池组放电期间，基于从微处理器接收的命令，监视至少N个单独电池单元的电池单元电压和总电池组电压，和

电机控制半导体器件，可操作地由微处理器控制，

其中当电池组被装入电池供电的电动工具，并且在初次开动电动工具的触发开关时，微处理器指示集成电路依次测量所有电池单元的单独电池单元电压，以及

其中，如果所确定的单独电池单元电压与给定电压阈值相比是可接受的，则微处理器给电机控制半导体器件加电，以使得电池电流能流到电动工具的电机。

24.根据权利要求23所述的电池组，其特征在于

当触发开关被再次开动时，微处理器指示集成电路在电池单元向电动工具放电时依次监视电池组中的每个单独电池单元的电压，以及

利用来自电池组的电流使工具电机保持启用，直到集成电路测量并发送给微处理器的电池单元电压处于或低于给定截止电压。

25.根据权利要求24所述的电池组，其特征在于如果集成电路测量的任何单独电池单元电压处于或低于给定截止电压，则微处理器对电机控制半导体器件断电，以终止电流流向电动工具。

26.根据权利要求23所述的电池组，其特征在于

如果触发开关被再次开动并保持在开动、有效状态，则微处理器继续指示集成电路在电池单元向工具放电时依次监视电池组中的每个单独电池单元的电压，以及

一旦总电池组电压降低到给定截止电压以下，则微处理器将集成电路置于休眠模式，以减少电池组内的内部功耗。

27.根据权利要求23所述的电池组，其特征在于N大于或等于5。