專利名稱：防障電路與使用該電路的電池組件的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及可再充電的電池組件，特別涉及用于可再充電電池組件的安全電路。
可再充電的電池組件用于許多不同類型的手提式電氣裝置與電子裝置。這些裝置的例子包括手持通信裝置例如蜂窩式電話，與動力工具例如無繩電鉆。在設計這些裝置用的可再充電電池組件時，通常有兩個互相矛盾的目標使電池組件的能量貯存能力最大與使其重量最輕。多年來一種典型的可再充電的電池組件由鎳鎘電池組構成。新近，一種使用通常稱為鎳金屬-氫化物的電-化學系統的另一種電池得到認可，這是因為它的能量能力與重量比與鎳鎘型電池組相比有所提高。在過去兩年中，一種使用通常稱為鋰離子的電-化學系統的第三種電池為眾所周知，這是因為它提供的能量與重量比明顯地優于鎳金屬-氫化物電池組與鎳鎘電池組。
但是，當設計以鋰離子電池組為基礎的的電池組件時，必須采取一些預防措施。第一，鋰離子電池的過度充電會無可挽回地損壞電池并明顯地縮短它的周期壽命。因此，幾乎所有的鋰離子電池組件的制造商都在電池組件中引入一個電路以防止過度充電，典型的方法是當電池的電壓一旦降低至某個欠電壓值時阻止源電流注入電池組件。這通常通過提供一個同電池(電池組)串聯的欠電壓開關來完成，當電池電壓一旦達到欠電壓值時此開關就打開。同樣，鋰離子電池充電至高于某個過電壓值，典型為約直流4.2V，會縮短電池的周期壽命。此外，鋰離子電池充電至超過過電壓值，在極端情況下，會導致安全危險，這是因為電池可能經受由熱引起的破裂。為防止鋰離子電池組的過度充電，典型采取兩種措施。第一，相關的電池充電器這樣設計使它們的輸出電壓受到限制以防止電池電壓超過過電壓值。這類限制可通過硬件設計、軟件設計或二者兼施而獲得。第二，在電池組件中提供一個過電壓開關和相關的控制電路。如果電池電壓達到某個超過適當設計的充電器限制的值，控制電路使得過電壓開關打開，從而防止對電池的任何進一步充電。欠電壓與過電壓電路在現有技術中都已有充分的實踐。
但是，電池充電器與電池組件的過電壓電路二者都出故障，從而導致鋰離子電池組不能避免過度充電，這種情況是可能的。在出現象這樣的雙重故障的不太可能的情況下，可能存在安全危險。因此有必要尋求一個即使充電器與鋰離子電池組件的過電壓電路二者都發生故障仍能防止出現不安全情況的裝置。
附

圖1表示根據本發明的包括一個防障電路的電池系統框圖。
附圖2表示根據本發明的電池組件中的防障電路的一個更詳細的電路示意圖。
盡管本說明書具有限定被認為是新穎的本發明特征的權利要求書，但相信通過考慮下面連同附圖的說明，將更好地理解本發明，附圖中與前面相同的部件標有同樣的參考標號。
本發明通過提供一個臨界電壓檢測電路，在發生雙重故障的情況下，即一個故障發生在相關的充電器中和第二個故障發生在電池組件的過電壓保護電路中的情況下，解決鋰離子電池組件的潛在的安全危險問題。臨界電壓檢測電路在檢測到鋰離子電池電壓達到某個臨界電壓值情況下，使一個截止電池組件的開關工作。為使電池組件截止，將一個電流敏感元件同鋰離子電池或電池組串聯連接。如果電池電壓達到臨界值，將迫使超過電流敏感元件定額的電流通過電流敏感元件，導致此元件關斷，從而使得任何進一步的電流不可能通過電池或電池組。
現在參看附圖1，其表示一個按本發明的電池系統100的框圖。電池系統由一個可再充電的鋰電池組件102與一個充電器104組成。充電器通過至少一個正觸點106與一個負觸點108同電池組件連接，并順著箭頭110的方向提供一個充電電流。電池組件包括至少一個鋰電池112，例如一個鋰離子電池或一個鋰聚合物電池。通常，電池或電池組不管其化學性質如何都對過電壓情況敏感。
在一個為供鋰電池充電而設計的典型充電器中，當電池組件同充電器連接時，充電器執行一些預充電程序，這些程序可能包括例如讀取配置在電池組件中的一個存儲器114與/或使用一個熱敏電阻器116讀取電池組件的溫度。這二者都在現有技術中是已知。設計充電器使提供一個對該型電池的最佳充電范圍，這個范圍可通過存儲裝置中的信息指示。鋰型電池典型地施加一個恒定值的直流電流進行充電直至電池電壓Vb(118)達到一個預先選定的電壓限值。同電池串聯的任何元件都經過挑選使具有很低的阻抗，因此正、負觸點之間檢測到的電壓與Vb基本相同。一旦達到電壓限值，充電器控制充電電流值使Vb保持基本恒定。
然而，有可能由于例如誤用的結果，使充電器表現得不如預想的那樣，從而使電池電壓可能超過優選電壓限值。在另一例子中，可能發生電池與一個不是供鋰電池充電用的充電器連接，或未按電池組件制造商推薦的技術要求設計。在這些情況下，電池電壓會超過優選電壓，并可能損壞電池。為防止發生重大損壞，按現有技術中已有的知識，提供一個由過電壓開關120與初級過電壓控制電路122組成的初級過電壓電路。過電壓開關同電池組串聯，正常情況下閉合，使充電電流能流過電池組。但是，過電壓控制電路可響應電池電壓，且當電池電壓達到某個預選的過電壓值(典型為每電池約4.2V)時，過電壓控制電路使得過電壓開關打開，從而防止電池或電池組的任何進一步充電。典型地，按現有技術中充分的實踐經驗，過電壓開關采用一個N溝道增強型金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。此外，隨著越來越多的電子裝置在低電壓值下工作，可能只需用一個單電池，因而過電壓MOSFET開關必須能在這樣的電壓值下工作。可使用許多能擔當如上所述的過電壓控制電路功能以及其它功能的集成電路芯片。因此，一旦電池電壓達到過電壓限值初級過電壓電路應制止充電。
如前所述，充電器與初級過電壓保護電路有可能未能將電池電壓限制在可接受的值。為防止發生潛在的不安全情況，提供一個臨界電壓保護電路，它單向地打開充電路經使電池組件實際上不能導通任何進一步的充電電流。這導致一個故障保險狀態。
臨界電壓保護電路由3個元件組成一個熔斷器124，一個分流開關126，與一個臨界電壓控制電路128。熔斷器同電池或電池組串聯連接使通過電池或電池組的任何電流必須同時通過此熔斷器。因此，此電流熔斷器選定的額定電流大到足以流過正常的充電電流值。臨界電壓控制電路128，同過電壓控制電路一樣，響應電池電壓。分流開關正常打開，并有導電端子130、132跨接串聯的熔斷器與電池或電池組。分流開關還有與臨界電壓控制電路連接的控制端子134。當電池電壓達到臨界電壓值時，可假定充電器與初級電壓保護電路二者都發生了故障。在此最佳實施例中，臨界電壓值為每電池約4.5V(直流)或更高。當檢測到此電壓值時，臨界電壓控制電路認定分流開關控制端子上的一個信號，導致分流開關閉合，從高電阻狀態改變至一個非常低的電阻狀態。
現在參看附圖2，其表示一個按本發明的電池組件中的防障電路的較詳細的電路示意圖200。在此最佳實施例中，分流開關同過電壓開關一樣采用一個MOSFET202。控制端子134是這個MOSFET的控制極。正常情況下控制極上的電壓與連接導電端子132的參考線204上的電壓基本相同。在此最佳實施例中，導電端子132是MOSFET的源極端子，因此，在正常情況下，控制極與源極處在基本相同的電壓下，因而接在導電端子130與132之間的MOSFET處于高電阻狀態。為保證控制極電壓在正常工作期間為低電壓，在控制極與參考線之間連接一個下拉電阻器206。此MOSFET必須經過選擇使它一旦導通(閉合)時能通過一個高值電流。圖1中用兩個箭頭136、138表示。箭頭138代表由充電器流出的充電電流，而箭頭136代表從電池或電池組引出的電流。此MOSFET的導電性必須這樣當開關接通時來自充電器的全部電流通過此MOSFET，同時從電池或電池組中引出一個超過熔斷器124額定電流值的電流，導致熔斷器電氣上斷開。于是，電池組件將不工作，同時由于熔斷器斷開后電流不能從充電器流過電池或電池組，因而使電池組件處于故障保險狀態。由于熔斷器的額定電流必須大于正常充電電池值使能充電，此MOSFET必須至少能導通稍大于兩倍的最大許可充電電流值。
當MOSFET202閉合而開始導通時，電池電壓將明顯降低。為維持臨界電壓保護電路所需的操作，臨界電壓控制電路必須這樣設計使它繼續維持MOSFET202控制極上的電壓輸出以保持此MOSFET處于導通狀態的時間長到足以保證熔斷器124熔斷。在此最佳實施例中，臨界電壓控制電路由一個比較電路208與一個包括一保持電容器210與一個保持電阻器212的保持電路組成。由保持電阻器與保持電容器構成的RC時間常數設計成使保持節點214上的電壓同電池電壓基本上改變得一樣快。此外，比較電路有很小的引出電流，如同在比較電路中使用CMOS技術時的情況，這一點是重要的。
比較電路直接檢測保持電壓，此電壓在充電期間與電池電壓基本相等。它將保持電壓同以一個慣用的方法提供的某個參考值進行比較。當電池電壓達到臨界電壓限值時，比較電路的輸出從一個低值改變到一個高值。此高值基本等于保持電壓。由于MOSFET202一旦導通電池電壓將很快降低，因此保持電容器與保持電阻器的RC時間常數必須是這樣，使保持電壓維持高值的時間長到足以使熔斷器熔斷。此外，最好將比較電路設計成具有一些滯后作用，使正當保持電壓由于電池電壓經歷快速與大量的降落而稍微降落時輸出將保持高值。因此，當電池電壓達到臨界電壓值時，電池組件會變得不工作而處于故障保險方式。
盡管對本發明的最佳實施例已作了圖解與說明，但很明顯本發明并不限于此，對本領域技術人員而言，可以進行不背離由附加的權利要求書限定的本發明的精神與范圍內的各種改進、改變、變更、替換與等效操作。
權利要求
1．一種用于帶有至少一個用來提供電池電壓的電池的電池組件的防障電路，此防障電路包括一個同至少一個電池串聯電連接并具有某一額定電流的熔斷器；一個跨接熔斷器與至少一個電池、用于分流來自至少一個電池并通過熔斷器的電流的分流開關；與一個可操作地與分流開關連接的、用于控制分流開關的開關狀態的臨界電壓控制電路；其中當電池電壓低于臨界電壓值時臨界電壓控制電路將分流開關置于打開開關狀態，而當電池電壓達到臨界電壓值時將分流開關置于閉合狀態；且其中當置于閉合開關狀態時，分流開關導通的電流超過熔斷器的額定電流，從而導致熔斷器熔斷。
2．根據權利要求1的防障電路，其特征在于分流開關為至少一個MOSFET。
3．根據權利要求1的防障電路，其特征在于至少一個電池是鋰離子電池，臨界電壓值為直流4.5V。
4．根據權利要求1的防障電路，其特征在于電池組件可由一個具有最大電流輸出值的電池充電器充電，分流開關導通的電流超過熔斷器的額定電流與電池充電器的最大電流輸出值的總和。
5．根據權利要求1的防障電路，其特征在于臨界電壓控制電路包括一個電壓保持電路。
6．一種電池組件，包括至少一個用來提供某一電池電壓的鋰電池；一個帶有同至少一個鋰電池串聯連接的過電壓開關的初級過電壓保護電路；一個同至少一個電池串聯電連接并具有一額定電流的熔斷器；一個跨接熔斷器與至少一個電池、用于分流來自至少一個電池并通過熔斷器的電流的分流開關；與一個可操作地同分流開關連接、用于控制分流開關的開關狀態的臨界電壓控制電路；其中臨界電壓控制電路當電池電壓低于臨界電壓值時將分流開關置于打開開關狀態，而當電池電壓達到臨界電壓值時將分流開關置于閉合狀態；且其中當置于閉合開關狀態時，分流開關導通的電流超過熔斷器的額定電流，從而導致熔斷器熔斷。
7．根據權利要求6的防障電路，其中分流開關為至少一個MOSFET。
8．根據權利要求6的防障電路，其特征在于至少一個電池是鋰離子電池，臨界電壓為直流4.5V。
9．根據權利要求6的防障電路，其特征在于電池組件可由一個具有某一最大電流輸出值的電池充電器充電，分流開關導通的電流超過熔斷器的額定電流與電池充電器的最大電流輸出值的總和。
10．根據權利要求6的防障電路，其特征在于臨界電壓控制電路包括一個電壓保持電路。
全文摘要
一種電池組件(102)包括一個鋰電池或鋰電池組(112),由一個充電器(104)充電。在充電器出故障的情況下,過電壓保護電路(120,122)正常防止電池高于某一過電壓限值的充電。在充電器與過電壓保護電路二者都出故障的情況下,提供一個臨界電壓保護電路(124,126,128)使電池不工作而處于故障保險狀態。臨界電壓控制電路(128)檢測電壓達到臨界電壓值并通過閉合分流開關(126)作出響應,此開關從電池或電池組通過熔斷器(124)引出電流,導致熔斷器熔斷,從而使電池組件不工作而處于故障保險狀態。
文檔編號H02J7/00GK1295731SQ99804567
公開日2001年5月16日 申請日期1999年3月19日 優先權日1998年3月31日
發明者戴維·M·德莫勒 申請人:摩托羅拉公司