專利名稱：具有欠電壓和過電壓保護的電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及電池，并且特別涉及具有斷路開關(guān)的電池組。
隨著電子設(shè)備變得日益輕便和復(fù)雜，用戶開始對這些產(chǎn)品期望有優(yōu)質(zhì)電源。典型地，最佳解決辦法是使用可再充電的電池或電池組。這樣的電池組必須非常耐用，以便提供盡可能多的充電/放電循環(huán)。另外，由于電池組是儲能裝置，所以它們必須安全。這對最近市場上可實到的一些新型電池，例如與像鎳鎘那樣的既定電池系統(tǒng)比較具有相當(dāng)高能量密度的鋰離子電池來說，特別如此。為了達到既安全又可靠，這樣的電池組的設(shè)計者必須假定一旦交付給最終用戶，無論是有意還是無意總會有一定程度的誤處理。
可靠性降低并且發(fā)生頻率在增加的一種情況是電池組的偶然深放電。這種情況在設(shè)備放置一段持續(xù)時間時，例如在用戶忘記它，并且電池放電遠超過其正常放電電平時發(fā)生。對于像鎳金屬氫化物，鋰離子，以及鋰聚合物那樣的新型系統(tǒng)來說，這種情況可能引起電池故障。最好的情況是，電池的循環(huán)壽命大大縮短；在極端情況下，當(dāng)再充電時會產(chǎn)生安全危險。
對新型電池系統(tǒng)，特別對鋰離子和鋰聚合物所特有的另一個潛在問題是過電壓。眾所周知金屬鋰為高活性。在鋰離子原電池中，開始在原電池中沒有可用金屬鋰。只要電池電壓不超過閥值電壓，將什么也不形成。如果電池充電到這個閥值電平之上某一電壓時，那么原電池就經(jīng)歷稱為過電壓的條件。這個過電壓條件按照與電化學(xué)電鍍過程類似的反應(yīng)，使金屬鋰從溶液中析出。超過規(guī)定時間，當(dāng)建立較多金屬鋰時則可能產(chǎn)生安全危險。鋰聚合物原電池在過電壓下同樣經(jīng)歷類似的現(xiàn)象。
在典型系統(tǒng)中，充電器設(shè)計為避免過電壓條件。但是，各種故障方式會使充電器達到閥值電壓時繼續(xù)充電。這種類型的故障通常稱為失控充電器。為了保護免遭這樣故障，需要某類電池斷路開關(guān)來防止原電池不會經(jīng)歷任何過電壓充電。理想地這樣開關(guān)一旦起動，應(yīng)該仍允許電池組其后放電。
過去已有利地使用電池斷路開關(guān)以既對欠電壓條件又對過電壓條件定址。但是，它們的費用和復(fù)雜性通常抵消了新型電池系統(tǒng)所可能提供的任何優(yōu)點，新型電池系統(tǒng)典型地就已經(jīng)比常規(guī)系統(tǒng)昂貴。例如，在使用中對鋰離子電池，有電池組固有低電壓或更普通為欠電壓開關(guān)電路。但是，這些電路一旦起動，就要求充電器輸出特定信號來“喚醒”電池開關(guān)電路，并且允許使用電池。這樣對充電器來說就要求一定的復(fù)雜程度。類似地，在一些鋰離子電池組中使用了電池組固有過電壓斷路電路。但是，它們典型地使用多個比較器，精確電壓參考，而且在許多情況下有用戶完成的集成電路。
因此，有必要提供一種簡單裝置，當(dāng)電池已經(jīng)正常放電，即在任何深放電之前時，利用它能使電池與負載斷開，并且使電池仍可再充電。同樣，有必要提供一種簡單裝置，在發(fā)生過電壓條件之前使電池斷開，以便避免任何安全危險。理想地，這樣要求能由單個裝置滿足。


圖1是按照本發(fā)明具有欠電壓保護裝置的電池系統(tǒng)的方框圖；圖2是按照本發(fā)明與圖1相同并且結(jié)合有過電壓保護裝置的電池系統(tǒng)的方框圖；圖3是按照本發(fā)明的電路的示意圖。
雖然本說明書以限定本發(fā)明特征的權(quán)利要求來結(jié)束，這些特征被認為是新穎的，但是相信，本發(fā)明在連同附圖考慮了下列說明后將會得到更好理解，其中預(yù)約實行相同標(biāo)號。
現(xiàn)在參考圖1，這里其中說明了按照本發(fā)明的電池系統(tǒng)的方框圖。示出有電池組10和負載12，例如蜂窩電話機，便攜式雙路收音機，便攜式計算機，或任何這樣要求便攜式電源的裝置。負載12按箭頭14方向從電池組10抽取放電電流。電池電壓V1施加在正電池端子16與負電池端子18之間。
電池組10包括至少一個原電池20，欠電壓開關(guān)22，以及電壓控制開關(guān)24。欠電壓開關(guān)22具有單向作用，即箭頭23方向的電流總能流通，而與欠電壓開關(guān)22是否起動無關(guān)。如果欠電壓開關(guān)22起動，按箭頭23相反方向流通的電流將被阻斷，否則將流通。
欠電壓開關(guān)22的開關(guān)狀態(tài)，即接通或斷開是由控制輸入端25來控制的。具體地，欠電壓開關(guān)22響應(yīng)由電壓控制開關(guān)24產(chǎn)生并沿線26傳送到控制輸入端25的開關(guān)信號。電壓控制開關(guān)24響應(yīng)電池電壓V1，并且在線26上提供一個開關(guān)信號，以便使欠電壓開關(guān)22保持在接通狀態(tài)，即在兩個方向都導(dǎo)電，直到電池電壓V1降到一個預(yù)定欠電壓電平之下時為止。當(dāng)電池電壓V1降到該欠電壓電平之下時，電壓控制開關(guān)24斷開，并且使欠電壓開關(guān)22阻斷進一步放電，由此限制了原電池20經(jīng)歷的放電深度。當(dāng)欠電壓開關(guān)22斷開時，電池電壓V1降到大約零伏，這樣即使當(dāng)原電池20兩端之間電壓升到該欠電壓電平之上時，也使電壓控制開關(guān)24保持在斷開狀態(tài)。由于欠電壓開關(guān)22為單向阻斷開關(guān)，所以通過簡單地施加再充電電流能使電池充電。這樣使欠電壓開關(guān)22兩端之間電壓反向，使電池電壓V1升高到該欠電壓電平之上，并且使電壓控制開關(guān)24接通。
現(xiàn)在參考圖2，這里其中說明了如圖1那樣，并且進一步包括過電壓開關(guān)28和第二電壓控制開關(guān)30的電池組10的方框圖。但是，在本例中，負載12可以如前所述使電池組10放電，或按箭頭32方向供給再充電電流。過電壓開關(guān)28在起動時將阻斷再充電電流，但是將允許放電電流按箭頭29方向流通。在這個意義上，過電壓開關(guān)28像欠電壓開關(guān)22那樣起一個單向阻斷開關(guān)作用。當(dāng)再充電電流流入電池時，電池電壓升高。一旦電池電壓V1達到第二預(yù)定電平時，第二電壓控制開關(guān)30就接通，并且在線34上提供一個開關(guān)信號，使過電壓開關(guān)28阻斷任何進一步充電。典型地，原電池20兩端之間的電壓將稍微下降，因此使電池電壓V1下降。
但是，當(dāng)過電壓開關(guān)28斷開時，由于電池充電器典型地調(diào)節(jié)電流，所以充電器電壓逐漸上升到它的最大電平，以極力維持電流調(diào)節(jié)。當(dāng)充電器輸出端與電池組10并聯(lián)連接時，充電器輸出電壓成為電池電壓V1，并且電壓控制開關(guān)30在線34上保持開關(guān)信號，而且過電壓開關(guān)28繼續(xù)阻斷再充電電流。由于欠電壓開關(guān)22將不接通，并且過電壓開關(guān)28僅阻斷再充電電流，所以原電池仍能放電。
現(xiàn)在參考圖3，這里其中說明了按照本發(fā)明的電路的示意電路圖。示出有一個電池組10，通過正電池端子16和負電池端子18與充電器或負載12連接，在這兩個端子之間顯然有電池電壓V1。還包括至少一個原電池20，欠電壓開關(guān)22，第一電壓控制開關(guān)24，過電壓開關(guān)28，第二電壓控制開關(guān)30，以及復(fù)開關(guān)36。復(fù)開關(guān)36是一個響應(yīng)流過其中的強電流的電流斷路裝置。如果或按充電方向或按放電方向施加過量電平的電流，復(fù)開關(guān)36將從非常低的電阻變?yōu)榉浅８叩碾娮?，以提供開關(guān)作用。在本領(lǐng)域這樣使用復(fù)開關(guān)為周知。
通過與開關(guān)并聯(lián)耦合一個二極管，欠電壓開關(guān)22和過電壓開關(guān)28實現(xiàn)單向阻斷操作。在一個優(yōu)選實施例中，使用N-通道MOSFETs(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)，因為這些裝置提供優(yōu)良的開關(guān)作用，并且由于用來制造它們的制造過程所引起而具有本征二極管。欠電壓開關(guān)22具有源極端子38，漏極端子40，以及柵極端子42。本征二極管43與MOSFET并聯(lián)連接，陽極44與源極端子38連接。這樣定向允許再充電電流流過原電池20而與欠電壓開關(guān)22的開關(guān)狀態(tài)無關(guān)。源極端子38還與原電池20連接，而柵極端子42為控制輸入端。
過電壓開關(guān)28也有一個源極端子46，漏極端子48，以及柵極端子50。漏極端子48連接到欠電壓開關(guān)22的漏極端子40，源極端子46連接到負電池端子18，并且和欠電壓開關(guān)22類似與本征二極管49并聯(lián)耦合，但是按反向定向以便阻斷通過電池組10的再充電電流。柵極端子50起控制輸入端作用，并且從線51接收開關(guān)信號。
第一電壓控制開關(guān)24包括第一分壓電阻器52，第二分壓電阻器54，雙極晶體管56，耦合電阻器58，以及偏置電阻器60。第一和第二分壓電阻器52和54分別串聯(lián)連接在正和負電池端子16和18之間，并且形成一個中點節(jié)點62。中點節(jié)點62處的電壓與電池電壓V1成正比，并且決定于分壓電阻器52和54的值。雙極晶體管56起一個電壓控制開關(guān)元件作用，并且分別具有發(fā)射極，集電極和基極端子64，66和68。當(dāng)在發(fā)射極基極結(jié)之間施加偏置電壓時，雙極晶體管56使電流從發(fā)射極端子64導(dǎo)向集電極端子66。
基極端子68通過耦合電阻器58耦合到中點節(jié)點62。耦合電阻器58起限制流過雙極晶體管56的發(fā)射極基極結(jié)電流的作用。選擇分壓電阻器52和54，以便當(dāng)電池電壓V1在第一預(yù)定電平之上，即低電壓斷開電平時，中點節(jié)點62處電壓等于或大于雙極晶體管56的最小偏置電壓。結(jié)果，雙極晶體管56使電流導(dǎo)向偏置電阻器60，由此提供一個偏置電壓。該偏置電壓使欠電壓開關(guān)22保持為接通狀態(tài)。如果電池電壓V1降到欠電壓電平之下，中點節(jié)點處的電壓將不足以偏置雙極晶體管56，并且雙極晶體管將不會使電流導(dǎo)向偏置電阻器60。這樣結(jié)果使欠電壓開關(guān)22斷開。當(dāng)電池電壓V1降到欠電壓電平之下時，就不能從電池組10抽取電流，并且電池電壓V1降到大約零伏。
第二電壓控制開關(guān)30以類似方式操作。它包括串聯(lián)連接并形成中點節(jié)點74的分壓電阻器70和72。在一個優(yōu)選實施例中，包括熱敏電阻器76，并且該熱敏電阻器為負溫度系數(shù)類型。如果不需要熱敏電阻器76，那么分壓電阻器72將直接連接到負電池端子18。雙極晶體管78起一個開關(guān)元件作用，并且通過耦合電阻器75連接到中點節(jié)點74。線51上電壓通過偏置電阻器80上拉到高電平。這個電壓電平在控制輸入端50施加在過電壓開關(guān)28上，以便過電壓開關(guān)28為接通。如果包括的話，選擇第三和第四分壓電阻器70和72，以及熱敏電阻器76，以便當(dāng)電池電壓V1在過電壓電平，即第二預(yù)定電平之上時，雙極晶體管偏置接通，并且線51上的電壓降到大約0伏。這個開關(guān)信號使過電壓開關(guān)28斷開，并且阻斷進一步再充電。
熱敏電阻器76的目的是按本領(lǐng)域已知方式來補償雙極晶體管78的熱偏置電壓誤差。眾所周知，雙極晶體管具有大約-2毫伏/℃的熱偏置電壓誤差。也就是，在晶體管的溫度增加時，需要較小電壓來使其偏置而為接通狀態(tài)，以及在溫度降低時需要較大電壓。由于過電壓電平從安全原因來選擇，所以過電壓開關(guān)在相同電池電壓電平下起作用而與溫度無關(guān)就非常重要。雖然這里示出與分壓電阻器70和72串聯(lián)連接，但是它能同樣容易地與分壓電阻器72并聯(lián)，或在電阻性網(wǎng)絡(luò)中連接在中點節(jié)點74與負電池端子18之間。所有這些是根據(jù)具體設(shè)計和可用元件來選擇。
雖然已經(jīng)說明和敘述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是將很清楚本發(fā)明不是這樣限定的。在不違反附加權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍下，對本領(lǐng)域技術(shù)人員將有許多更改，改變，變化，替代和等效。
權(quán)利要求
1．一種具有電池電壓的電池組，包括至少一個原電池，具有一個正電池端子和一個負電池端子；單向阻斷開關(guān)裝置，響應(yīng)一個開關(guān)信號并且至少具有接通和斷開狀態(tài)，所述阻斷開關(guān)裝置與所述至少一個原電池串聯(lián)耦合，以便施加在所述電池組上的再充電電流將流過所述單向阻斷開關(guān)裝置而與所述開關(guān)狀態(tài)無關(guān)；以及電壓控制開關(guān)裝置，響應(yīng)所述電池電壓以產(chǎn)生所述開關(guān)信號。
2．如權(quán)利要求1的限定一種電池組，其中當(dāng)所述電池電壓比預(yù)定欠電壓電平高時，所述電壓控制開關(guān)裝置使所述單向阻斷開關(guān)保持為接通狀態(tài)。
3．如權(quán)利要求1限定的一種電池組，其中所述至少一個原電池從鎳鎘原電池，鎳金屬氫化物原電池，鋰離子原電池，鋰聚合物原電池，以及其組合所組成的組中選擇。
4．如權(quán)利要求1限定的一種電池組，其中所述單向阻斷開關(guān)裝置包括一個晶體管開關(guān)；以及一個二極管，與所述晶體管開關(guān)裝置并聯(lián)連接，以便所述陽極連接到所述至少一個原電池。
5．如權(quán)利要求1限定的一種電池組，其中所述單向阻斷開關(guān)裝置是一個包括一個二極管的MOSFET。
6．如權(quán)利要求1限定的一種電池組，其中所述電壓控制開關(guān)裝置包括一個雙極晶體管，具有發(fā)射極，集電極和基極端子，所述發(fā)射極端子連接到所述電池組的所述正端子，所述集電極端子連接到所述單向阻斷開關(guān)裝置；第一和第二分壓電阻器，串聯(lián)耦合在所述正電池端子和所述負電池端子之間，所述分壓電阻器形成一個中點節(jié)點；以及一個第一耦合電阻器，連接在所述雙極晶體管的所述基極端子與所述第一和第二分壓電阻器的所述中點節(jié)點之間。
7．如權(quán)利要求1限定的一種電池組，還包括一個第二單向阻斷開關(guān)裝置，響應(yīng)一個第二開關(guān)信號并且至少具有接通和斷開狀態(tài)，所述第二阻斷開關(guān)裝置與所述至少一個原電池串聯(lián)耦合，以便所述電池組的放電電流將流過所述第二單向阻斷開關(guān)裝置，而與所述第二單向阻斷開關(guān)裝置的所述開關(guān)狀態(tài)無關(guān)；以及一個第二電壓控制開關(guān)裝置，響應(yīng)所述電池電壓以產(chǎn)生所述第二開關(guān)信號。
8．如權(quán)利要求7限定的一種電池組，其中當(dāng)所述電池電壓在預(yù)定過電壓電平之下時，所述第二電壓控制開關(guān)裝置使所述第二單向阻斷開關(guān)保持為接通狀態(tài)。
9．如權(quán)利要求7限定的一種電池組，其中所述第二單向阻斷開關(guān)裝置包括一個晶體管開關(guān)；以及一個具有陽極的二極管，所述二極管與所述晶體管開關(guān)并聯(lián)連接，并且定向為所述陽極連接到所述負電池端子。
10．如權(quán)利要求7限定的一種電池組，其中所述第二單向阻斷開關(guān)裝置是一個包括一個本征二極管的MOSFET。
11．如權(quán)利要求7限定的一種電池組，其中所述第二電壓控制開關(guān)裝置包括一個第二雙極晶體管，具有發(fā)射極，集電極和基極端子，所述發(fā)射極端子連接到所述電池組的所述負端子，所述集電極端子連接到所述第二單向阻斷開關(guān)裝置的所述控制輸入端；第三和第四分壓電阻器，串聯(lián)耦合在所述正和負電池端子之間，所述分壓電阻器形成一個中點節(jié)點；以及一個第二耦合電阻器，連接在所述第二雙極晶體管的所述基極端子與所述第三和第四分壓電阻器的所述中點節(jié)點之間。一個第二偏置電阻器，連接在所述第二單向阻斷開關(guān)裝置的所述控制輸入端與所述正電池端子之間。
全文摘要
一種電池組(10)連接到一個負載或充電器(12),并且包括原電池(20),欠電壓開關(guān)(22),第一電壓控制開關(guān)(24),過電壓開關(guān)(28),以及第二電壓控制開關(guān)(30)。欠電壓開關(guān)(22),只能阻斷放電電流,任何再充電電流可以通過它而與其開關(guān)狀態(tài)無關(guān)。過電壓開關(guān)(28)在斷開時只能阻斷再充電電流,并且總將允許放電電流流通而與其開關(guān)狀態(tài)無關(guān)。當(dāng)電池電壓V1在預(yù)定欠電壓電平之上時,第一電壓控制開關(guān)(24)使欠電壓開關(guān)(22)保持為接通。當(dāng)V1降到該欠電壓電平或之下時,第一電壓控制開關(guān)(24)應(yīng)用線(26)上的開關(guān)信號使欠電壓開關(guān)(22)斷開。當(dāng)電池電壓V1在預(yù)定過電壓電平之下時,第二電壓控制開關(guān)(30)使過電壓開關(guān)(28)保持為接通。當(dāng)V1達到或超過該過電壓電平時,第二電壓控制開關(guān)通過線(34)上的開關(guān)信號使過電壓開關(guān)(28)斷開。
文檔編號H02J7/00GK1172553SQ96191761
公開日1998年2月4日 申請日期1996年1月25日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月3日
發(fā)明者斯科特·M·加勒特, 蒂珀提·V·瓦石 申請人:摩托羅拉公司