專利名稱：電池狀態(tài)監(jiān)視電路和電池裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在電池裝置和能計算諸如鋰離子二次電池之類的二次電池剩余電量的電池狀態(tài)監(jiān)視電路中提高安全性和降低相應的耗電量的技術。
智能電池系統中使用的鋰離子二次電池由于不象鎳隔電池那樣能自我保護而不能進行自我保護操作，因而需要有一個過充電保護電路。電池裝置22A配備有電池電壓監(jiān)視電路4A和開關元件12，電路4A供檢測電池電壓，開關元件12供使外部充電器21停止充電。
電池裝置22A控制各二次電池7至10剩余蓄電量的顯示過程和停止充電的時間等。電流監(jiān)視電路3A的輸出電壓V3a和電池電壓監(jiān)視電路4A的輸出電壓V4a輸入微計算機6A中。微計算機6A能根據輸入的電壓V3a和V4a計算二次電池7至10的充電電流和放電電流以及相應的電池電壓，從而計算二次電池7至10的剩余蓄電量。此外，微計算機6A還根據二次電池的狀態(tài)(正常、過充電、過放電和過電流)控制開關元件12和13的導通截止操作，即微計算機6A控制電池裝置22A的保護功能(過充電保護，過放電保護和過電流保護)。
在電池裝置22A中，電池狀態(tài)監(jiān)視電路14A以二次電池7至10的總電池電壓Vba作為電源。
調節(jié)器1A的輸出V1a輸入微計算機6A中，作為微計算機6A的電源。鑒于二次電池7至10的總電池電壓Vba隨連接在電池裝置22A的正極15與負極17之間的負載20的狀態(tài)而變化，因而總電池電壓Vba經調節(jié)器1A調節(jié)成恒定電壓V1a(例如3.3伏或5.0伏)后提供給微計算機6A。
電流監(jiān)視電路3A的輸出電流I3a輸入至微計算機6A，根據輸出電流I3a計算電池剩余的電量。通常，電流監(jiān)視電路3Aj的輸出是模擬值，需要轉換成數字值，以便微計算機6A計算電池剩余的電量。因此，微計算機6A中裝有A/D(模/數)轉換器。
綜上所述，由于電池狀態(tài)監(jiān)視電路14A是從二次電池7至10供電的，因而這里消耗的是這些二次電池的電能。
此外，二次電池的充電和放電電壓/電流不恒定，而是大部分在短期內隨負載20或充電器21的狀態(tài)變化，因此為提高電池狀態(tài)監(jiān)視電路14A監(jiān)視二次電池7至10充電和放電電流的精確度，需要調高裝在微計算機6A中A/D轉換器的工作頻率。隨著A/D轉換器工作頻率的調高，微計算機6A的耗電量進一步提高，從而進一步提高二次電池的功耗。
在上述情況下，有人提出使微計算機6A中的A/D轉換器和充/放電電流監(jiān)視功能停止作用的方法，即在電池狀態(tài)監(jiān)視電路14A中，當二次電池7至10的充電和放電電流小于二次電池的電池容量(例如0至10毫安)時，降低整個電路包括充電和放電監(jiān)視電路3A在內的耗電量，由此抑制二次電池7至10的功耗。
在此情況下，電池狀態(tài)監(jiān)視電路14A的耗電量降低到1/10至1/1000。這樣，這種耗電量降低了的狀態(tài)叫做“節(jié)能狀態(tài)”。
然后，操作從節(jié)能狀態(tài)回到正常操作狀態(tài)時需要某些條件。電池狀態(tài)監(jiān)視電路14A恢復到正常操作狀態(tài)的操作叫做“復蘇”。例如，當二次電池7至10的充電和放電電流超過1安時，取復蘇狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，充電器21A的負極電壓V21a小于50毫伏，很低。
為檢測如此細微的電壓，電流監(jiān)視電路3A必須使偏壓小，從而減小檢測出的復蘇電壓的波動。此外，由于電流監(jiān)視電路3A即使在節(jié)能狀態(tài)下也工作，因而必須減少耗電量。這種電流監(jiān)視電路結構復雜，不能以簡單、花費不大的電路付諸實施。
電路構制得使充電和放電電流值變小時只有電流監(jiān)視電路工作，傳感電阻器端和控制電路電流的輸入端與一個電容器連接，從而當充電和放電電流變化時開始履行檢測電池剩余電量的功能。
圖2示出了一般的電池狀態(tài)監(jiān)視電路和采用該電路的電池裝置。
圖3示出了本發(fā)明電池狀態(tài)監(jiān)視電路和采用該電路的電池裝置中使用的調節(jié)器。
圖4示出了本發(fā)明電池狀態(tài)監(jiān)視電路和采用該電路的電池裝置中使用的電流監(jiān)視電路。
圖5示出了本發(fā)明電池狀態(tài)監(jiān)視電路和采用該電路的電池裝置中使用的電池電壓監(jiān)視電路。
圖6示出了本發(fā)明電池狀態(tài)監(jiān)視電路和采用該電路的電池裝置中使用的控制電路。
圖7本發(fā)明的電池狀態(tài)監(jiān)視電路和采用該電路的電池裝置中使用的微計算機與控制電路之間通信信號的時間圖。
圖8是傳送到本發(fā)明的電池狀態(tài)監(jiān)視電路和采用該電路的電池裝置中使用的微計算機中控制電路的指令信號一覽表。
圖9是充電和放電電流監(jiān)視電路、A/D轉換器電路及充電和放電電流的關系曲線圖。
圖10是充電和放電電流監(jiān)視電路、A/D轉換器電路及充電和放電電流的關系曲線圖。
圖11是本發(fā)明電池狀態(tài)監(jiān)視電路的另一個實例和采用該電路的電池裝置的示意圖。
圖12是一般電池狀態(tài)監(jiān)視電路和采用該電路的電池裝置中睡眠狀態(tài)和復蘇狀態(tài)的時間圖。
圖13是本發(fā)明電池狀態(tài)監(jiān)視電路和采用該電路的電池裝置中復蘇狀態(tài)電路的示意圖。
圖14是本發(fā)明電池狀態(tài)監(jiān)視電路和采用該電路的電池裝置中使用的復蘇狀態(tài)電路的時間圖。
發(fā)明的最佳實施例現在參看附圖詳細說明本發(fā)明。
圖1示出了本發(fā)明電池狀態(tài)監(jiān)視電路和采用這種電路的電池裝置結構上的一個實例。下面參看圖1說明本發(fā)明的這個實施例。參看圖1。電池裝置22包括多個彼此串聯或并聯連接的二次電池7至10(例如，鋰離子二次電池)，電池狀態(tài)監(jiān)視電路14和開關元件12和13，供控制充電和放電電流等。在此實施例中，四個二次電池7至10彼此串聯連接，二次電池10的負極接傳感電阻器11。傳感電阻器11的另一端接電池裝置22的負端17。二次電池7的正極接由一個FET(場效應晶體管)和一個二極管組成的開關元件13。開關元件12與開關元件13串聯連接，而且與電池裝置22的正端15連接。
開關元件12和12根據電池狀態(tài)監(jiān)視電路14來的控制信號控制接電池裝置22的正端15和負端17的充電器21的充電操作和二次電池7至10放電到負載20的放電操作。舉例說，想阻止二次電池7至10的充電操作時，需要斷開開關元件12，想阻止二次電池7至10的放電操作時，需要斷開開關元件13。
開關元件12和13可以連接在二次電池10的負極與傳感電阻器11之間。在此情況下，可以改變開關元件(FET)的種類(n溝道，P溝道)等，使其適應連接位置或輸入的控制信號。同樣，傳感電阻器11可以連接在電池裝置22的正端15側與開關元件12之間。
電池狀態(tài)監(jiān)視電路14由調節(jié)器1、電壓檢測電路2、電流監(jiān)視電路3、電池電壓監(jiān)視電路4、控制電路5、微計算機6等等組成。
調節(jié)器1如圖3中所示由例如電阻器23和24、基準電壓25、比較器26和P溝驅動器27組成，其作用是使輸出電壓E2即使輸入電壓E1波動也始終保持恒定(例如3.3伏或5伏)。此外，控制信號E5可以控制調節(jié)器1輸出的接通/斷開。
調節(jié)器1的輸出端接電壓檢測電路2。電壓檢測電路2由例如比較器60和基準電壓61組成，如圖1中所示。當調節(jié)器1的輸出電壓E2等于或低于設定的電壓(復位檢測電壓)時，輸出RS由高變低.微計算機6在輸出RS變化時可以通過停止操作事先防止誤操作。通常，這種控制方法叫做“復位”。微計算機6的復位檢測電壓是微計算機6不致誤操作(失控)的最低操作電壓。例如，通常，若微計算機6的工作電壓為5伏，復位檢測電壓的電壓值就約為4.6伏。
電流監(jiān)視電路3放大電池裝置22的負端17與二次電池10的負端之間的電壓。傳感電阻器11配置在電池裝置22的負載17與二次電池10的負端之間，電流監(jiān)視電路3將充電和放電電流在傳感電阻器11兩端產生的電壓放大到微計算機6能讀出的電壓，再將如此放大過的電壓傳送給控制電路5。
鑒于傳感電阻器11的電阻通常很小只有幾十毫歐，因而電流監(jiān)視電路3將傳感電阻器11兩端之間產生的電壓放大幾十倍到幾百倍，將如此放大過的電壓供應給控制電路5。
圖4示出了電流監(jiān)視電路3的一個結構實例。傳感電阻器11兩端產生的電壓(G1和G2之間的電位差)由充電電流監(jiān)視放大器28和放電電流監(jiān)視放大器29加以放大。接充電電流監(jiān)視放大器28的開關元件30和接收電電流監(jiān)視放大器29的開關元件31，兩者的導通/截止操作根據信號C1切換，從而從A1輸出與充電電流監(jiān)視放大器28來的充電電流成正比的電壓或與放電電流監(jiān)視放大器29來的放電電流成正比的電壓。
電池電壓監(jiān)視電路4檢測二次電池7至10各自的電壓，并將這些電壓轉換成微計算機6能讀取的電壓，再作為A2輸出如此轉換過的電壓。
圖5示出了電池電壓監(jiān)視電路4的一個實例。電池電壓監(jiān)視電路4由轉換開關電路33、電池電壓監(jiān)視放大器34等組成。二次電池7至10的各電池電壓經轉換開關電路33選擇，再經電池電壓監(jiān)視放大器變換成微計算機6能讀取的電壓，然后作為電壓A2輸出出去。在此情況下，根據微計算機6控制的控制信號B2確定應選取哪一個電池，各電池的電壓依次輸出。雖然圖5中控制信號B2是以一條線畫出的，但控制信號B2是可以由多個信號群組成的。此外，圖中轉換開關電路13中的轉換開關示意表示出來，若開關能逐一輸出電池電壓，則可應用其它結構。
本發(fā)明在圖1所示實施例中的微計算機6能監(jiān)視二次電池7至10的電池電壓、充電電流和放電電流，還能根據這些信號計算出二次電池7至10的剩余電量。
微計算機6具備A/D轉換功能、算術運算功能、通信功能等。微計算機6給控制電路5發(fā)送指令信號TK和DA，從而依次有選擇地輸出來自控制電路5的模擬信號、來自電流監(jiān)視電路3的電壓信號A1和來自電池電壓監(jiān)視電路4的電壓信號A2，這些信號都是模擬信號。微計算機6將模擬信號AN進行A/D轉換，轉換成數字信號，匯集充電電流和放電電流，并根據相應的電池電壓計算出二次電池7至10的剩余電量。
此外，微計算機6監(jiān)視二次電池7至10的各電池電壓和放電電流，并根據各二次電池的電壓和放電電流控制開關元件12和13的通/斷操作，從而保護電池裝置22。為檢測各電池的充電電流和放電電流，微計算機6進行A/D轉換。在此情況下，若要精確監(jiān)視電流值，耗電量就變大。下面參看圖9和圖10說明這一點。
圖9示出了電流監(jiān)視電路3的輸出信號在時間t1由微計算機6進行A/D轉換的情況，圖10示出了電流監(jiān)視電路3的輸出信號在時間t2由微計算機6進行A/D轉換的情況。圖9和圖10中充電和放電電流的條件彼此相同，取樣時間滿足t1＞t2的條件。為了用A/D轉負電路更精確地監(jiān)視充電和放電電流，必須縮短操作時間。然而，A/D轉換電路的操作時間t縮短時，微計算機6的耗電量提高。就是說，產生了這樣的問題，即精確檢測充電和放電電流時，耗電量變大，若為了抑制耗電量而延長操作時間時檢測電流的精確度就變差。
在上述情況下，為解決上述問題，若充電電流和放電電流等于或小于給定值，除電流監(jiān)視電路3例外，其它所有電路中都停止耗電。在這種方法中，系統在給定條件下進入半運行狀態(tài)。這個狀態(tài)叫做“睡眠狀態(tài)”?！八郀顟B(tài)”的設置減小了整個系統的耗電量。
由于系統是在充電和放電電流小的情況下進入睡眠狀態(tài)，因而可以使剩余蓄電量監(jiān)視功能停止作用。因此，通過應用系統的睡眠狀態(tài)可以實現小耗電量和高精確度電池剩余電量監(jiān)視器的目的。
然而，這里系統的問題在于，從睡眠狀態(tài)解放出來的條件和電路。下面參看圖12說明這一點。圖12中，在時間ta之前由于充電和放電電流大，系統正常工作。在時間ta，充電和放電電流變?yōu)镮睡眠或更小，于是電池狀態(tài)監(jiān)視電路14進入睡眠狀態(tài)。在睡眠狀態(tài)下，所有電路除電流監(jiān)視電路3例外都停止耗電，從而在時間ta之后耗電量減小了。
在圖2所示的一般電路中，系統在靜止狀態(tài)出現I睡眠或更大的電流值時從睡眠狀態(tài)解放出來，因此充電和放電電流監(jiān)視電路3A必須在睡眠狀態(tài)期間繼續(xù)發(fā)揮作用。因此，即使設置了睡眠狀態(tài)，但由于需要監(jiān)視充電和放電電流以便解除睡眠狀態(tài)，因而電流監(jiān)視電路3A耗電。就是說，即使設置睡眠狀態(tài)也還是不能減少耗電量。
在上述情況下，本發(fā)明通過采用電容耦合解除睡眠狀態(tài)。在本說明書中，解除睡眠狀態(tài)的作用叫做“復蘇作用”。
如圖1中所示，在傳感電阻器11與控制電路5之間配置了微分電路62。微分電路62由電容器50和電阻器51組成。微分電路62的輸出作為信號G3輸入電池狀態(tài)監(jiān)視電路14的控制電路5中。電流監(jiān)視電路3的輸出A1等于或小于某給定值時，控制電路5根據信號C1使電流監(jiān)視電路3停止發(fā)揮作用并指示電流監(jiān)視電路3不耗電?？刂齐娐?在信號再從微分電路62輸入其中時再次啟動電流監(jiān)視電路3。
現在參看圖13A和13B詳細說明微分電路62和控制電路5的作用。參看圖13，圖中電壓源52表示圖1中所示傳感電阻器11兩端的電位差。此外，控制電路5a表示圖1中所示控制電路5的一部分電路。圖中，電壓源52中產生的電壓變化J1作為信號G3通過微分電路62傳送。圖14中示出了這種情況。信號G3輸入控制電路5a，作為信號C1從控制電路5a輸出出去。
微計算機6承擔電池裝置22中的安全保護作用(過充電保護，過放電保護和過電流保護)。因此，若上述保護作用因微計算機6停機、故障等而受影響，電池裝置22就有可能損壞。在上述情況下，需要有一個即使微計算機6停機或出故障也能保持電池裝置22處于安全狀態(tài)的結構。在電源電壓低從而使微計算機6停下來的情況下，或在微計算機6的電源電壓從低電壓上升，例如在電源電壓從原先低于電源電壓的情況恢復過來的情況下，或微計算機6的電源電壓從0伏上升的情況下，電壓檢測電路2的輸出RS全使微計算機6復位，從而使開關元件12和13截止。
這之后，當充電器21接電池裝置22時，微計算機6的電源電壓E2等于或高于微計算機6的正常工作電壓，指令信號TK和DA從微計算機6傳送給控制電路5以便指令開關元件12和13導通。
綜上所述，鑒于開關元件12和13只要微計算機6沒有發(fā)送使開關元件12和13導通的指令就保持截止，因而可以確保電池裝置22安全。
此外，由于微計算機6從復位狀態(tài)恢復過來時開關元件12和13處于截止狀態(tài)且在微計算機6完全穩(wěn)定工作之后導通，因而提高了二次電池剩余蓄電量計算的準確性。
接下去，說明一下本實施例的工作過程。圖9是本實施例工作時間的曲線圖，其中橫坐標軸表示時間，縱坐標軸表示電壓，曲線示出了總電池電壓與調節(jié)器1的輸出電壓。
控制電路5除上述復蘇功能外還具備“電池電壓切換功能”、“與微計算機聯絡的功能和控制各電路組件的功能”、“模擬信號的切換功能”和“數據復位功能”。
圖6示出了控制電路5的一個結構實例。控制電路5中的“電源電壓切換功能”是由比較器35將充電器的電壓信號E4與二次電池的總電池電壓信號E3比較和作為調節(jié)器1的電源電壓給E5輸出那些電壓中較高的電壓。
控制電路5中“與微計算機聯絡的功能和各電路組件的控制功能”是由圖6中所示的串并聯轉換電路39將微計算機6來的串行數據信號DA轉換成并行數據信號D5至D0，由邏輯電路40將那些并行數據信號D5至D0轉換成傳送給各電路組件的控制信號B1,B3,B4,F1,F2和H。
微計算機6來的聯絡信號如圖7中所示由定時時鐘信號TK和串行數據信號DA組成。串聯數據信號DA當定時時鐘信號TK高時是從微計算機6傳送來的指令信號。
在圖7的實例中，一個指令由6位串行數據構成。信號的時間軸從右側朝向左側，D0號臨時的前行信號，D5是臨時的后隨信號。在此實例中，假定高為“1”，低為“0”,D5至D0設定為“011010”的數據。
圖8示出了6位指令的一個實例。舉例說，在要對電池狀態(tài)監(jiān)視電路14進行初始化(復位)的情況下，從微計算機6傳送D5至D0為“000000”的串行數據DA。在要監(jiān)視充電電流的情況下，從微計算機6傳送D5至D0“101100”的串行數據信號DA。圖7和圖8中，微計算機6來的指令由6位組成，但指令可以由6位以外的二進制位組成。此外，在此實例中，從微計算機6傳送的信號是2個，即定時時鐘信號TK和串行數據信號DA。然而，控制可由2個以外的信號數目進行。此外，從微計算機6傳送的指令不局限于圖8中所示，邏輯高和低可以不同。
圖6中的邏輯電路40工作時給電路組件(例如電流監(jiān)視電路3)發(fā)送控制信號。邏輯電路40用邏輯元件(例如“與非”電路，“或非”電路和反相器)邏輯合成并行數據信號D5至D0，從而使其與圖8中所示的指令一致。舉例說，在充電電流監(jiān)視器指令“101100”的情況下，邏輯結構構制得使只有控制信號B3高，其它控制信號B1,B4,F1,F2和H不變。
控制電路5中模擬信號的開關功能是根據信號H切換開關元件41和42，并作為模擬信號AN給微計算機6發(fā)送圖1中電流監(jiān)視電路3的輸出信號A1或電池電壓監(jiān)視電路的輸出信號A2。模擬信號AN怕輸出是根據微計算機6來的信號TK和DA從充電電流或放電電流或各電池電壓選取的。
控制電路5中的“數據復位功能”是當圖1中所示調節(jié)器1的輸出電壓E2低于微計算機6的復位檢測電壓時根據電壓檢測電路2輸出的信號RS無條件地將圖6中所示串行/并行轉換電路39所有的并行數據信號D5至D0置0(在控制電路5內對數據進行初始化)。在此情況下，圖6中所示邏輯電路40的邏輯輸出信號F1和F2從而使控制充電和放電操作的開關元件12和13截止。
圖11示出了另一個實施例。在此實施例中，微計算機6構制成與電池狀態(tài)監(jiān)視電路14不同的部分。結構元件和工作原理完全和參看圖1說明的實施例中的完全相同。綜上所述，本發(fā)明的電池裝置即使一部分(IC)配備以所有功能也還是有效的，且即使微計算機、開關元件等裝在一個襯底上形成多個部分也可以取得同樣的效果。
在圖1和11所示的實施例中，說明了各二次電池7至10彼此串聯連接的結構實例。然而，本發(fā)明同樣適用于多個二次電池彼此并聯連接的情況。
在本發(fā)明中，即使微計算機6與其它電路組件在一個芯片上集成得難以將微計算機6與其它電路組件區(qū)分開來，能監(jiān)視二次電池的電池電壓、充電電流和放電電流和能根據這些信息計算二次電池的剩余電量的電路組件都可作為微計算機應用。
工業(yè)上的應用綜上所述，按照本發(fā)明，在能計算二次電池的剩余蓄電量的電池裝置和電池狀態(tài)監(jiān)視電路中，由于可以減少耗電量而不致犧牲充電和放電電流檢測的精確度，因而可以提供能使電池裝置的耗電量小、長時間精確測定電池剩余電量的電池裝置和電池狀態(tài)監(jiān)視電路。
權利要求
1．一種電池狀態(tài)監(jiān)視電路，根據微計算機來的指令信號對控制充電和放電電流的開關元件進行導通/截止操作從而控制加到二次電池的充電和放電電流，其特征在于，它由一個若充電和放電電流等于或小于一個給定值時減小所述電池狀態(tài)監(jiān)視電路的耗電量的電路和一個用于再啟動的控制電路組成。
2．如權利要求1所述的電池狀態(tài)監(jiān)視電路，其特征在于，它還包括一個通過監(jiān)視傳感電阻器的電壓監(jiān)視充電和放電電流的裝置和一個接所述傳感電阻器供檢測再啟動過程的集成電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能計算鋰離子二次電池剩余的蓄電量的電池裝置中安全性的提高和耗電量的減少。若充電和放電電流等于或小于某給定值,包括電流監(jiān)視電路的電路就工作,從而減少耗電量。在此情況下,電流監(jiān)視電路停止作用。控制電路與微分電路連接,若傳感電阻器兩端之間的電壓變化,充電和放電電流監(jiān)視電路就再次工作。通過上述解決辦法,既抑制了耗電量,又提高了電流監(jiān)視的精確度。
文檔編號H02J7/00GK1319274SQ00801587
公開日2001年10月24日 申請日期2000年7月28日 優(yōu)先權日1999年8月5日
發(fā)明者中下貴雄, 向中野浩志 申請人:精工電子有限公司