专利名称：便携式电气装置的电池组以及为其充电的方法
技术领域：
本发明涉及到便携式电气装置的电池组，它具有至少一个电池单元和连接到装置上的电气端子，本发明进一步涉及到为这种电池组充电的方法。
上述的此类电池组被广泛地用作诸如移动电话等无线电话的电源。这种电池通常包括具有一定端电压的许多电池单元，这些单元被彼此串联连接，以便提供适当的电源电压，用来驱动移动电话中的电气和电子元件。常用的电池单元类型有镍镉和NiMH。以使用五个NiMH单元电池的情况为例，可以获得5到6V之间的电源电压。更加紧凑和更小消耗功率的元件的开发已经为使用比以前更低的供电电压来驱动移动电话中的电子电路提供了可能性。这样就能使用例如具有四个单元的NiMH电池，它可以提供大约4V的电源电压。三个NiMH电池可以提供大约3V的电源电压，它足以驱动新式的CMOS集成电路。
另一种类型的电池使用了锂基的电池。锂电池具有3.6V左右的端电压，但是需要用4.2V左右的高电压充电。因此，具有两个单元的锂电池需要用大约8.5V的比较高的电压充电，而移动电话中的电子电路仅仅需要只有上述电压大约一半大小的供电电压。
本发明的全文都是以用于诸如GSM等任何蜂窝式移动电信系统中的移动电话的电池组为例的。然而，需要强调的是，本发明也可以用于其它类型的由电池供电的便携式电气装置，在装置正在工作期间可以对这些电池充电。此类电气装置的例子有便携式计算机(即所谓折叠式计算机或是掌上计算机)，个人数字助理(PDA)，手持通信装置等等。
图1表示了在移动电话20的工作期间为具有电池单元11a，11b的电池组10充电的一种惯用结构。移动电话20中包括电子电路22，它需要一定的电源电压，例如是zV。电子电路22包括的元件例如有功率放大器，本地振荡器，混频器，滤波器电路等等，这些元件都是本领域中所公知的，因而不需要更详细的解释。电池组10具有的端电压是yV，这是由单个电池单元11a，11b的电池电压所决定的。电池需要用xV的电压充电，其中的x大于y，因此当然也就远大于z。另外，电池组10还包括一个安全装置12，其用途是防止电池单元11a，11b承受来自充电装置30的过高电压。还可以设置其它的安全装置，用来保护相应的电子电路22。
图1所示的结构有一个缺点，那就是如果在结构中的任何位置发生某种故障，对电压敏感的电子电路22就有可能接触到危险的电压电平。例如，电池有可能意外地脱离移动电话。安全装置也可能发生故障，使安全装置不能响应出现的故障状态而释放。在这种情况下，电子电路22就很有可能由于来自充电装置30的过高的xV供电电压而受到损害。
按照上述结构的普通充电结构的另一个缺点在于给定的移动电话型号通常仅仅能够使用某一种类型的电池。其原因之一是因为不同类型的电池在充电过程中具有完全不同的充电特性。例如，NiMH型电池所具有的电压特性如图2所示。如图2所示，在恒流充电期间，电池的端电压u随着时间t而增加。当电池在时间tf接近满充电状态时，其电压特性在一个短时间周期内呈现增加的端电压u，端电压u随后就会下降。当电池达到了满充电状态时，通常要利用电池端电压呈现的这种负电压导数来控制充电过程。按照这种被称为“-dV”(负增量电压)的方法，当特性的符号由于端电压特性而发生变化时，就停止充电。
图3表示对锂电池充电时的端电压特性。这种电池通常是分两个步骤进行充电的，第一步是执行恒流(“CC”)充电。从时间点t0起，在端电压u的监视下向电池提供恒定的电流。当端电压在一个时间点t1达到一定的值u1时，充电过程就进入下一个步骤，也就是用恒定电压(“CV”)充电。在时间点tf达到满充电状态的电池不会呈现在图2中所示的任何特性电压尖峰，因此不能用这种条件来控制充电过程(特别是充电过程的结束)。
由于分别由图2和图3所示的电池类型在充电特性上具有明显的差别，在现有技术中很难将两种类型的电池用于同一种移动电话模型。
本发明的首要目的是提供一种电池组，可以用第一电压对其中的电池单元充电，并且可以用第二电压来驱动便携式电气装置中的电子电路，同时还能减少或是消除这些电子电路意外地承受来自充电装置的过高电压的风险。
本发明的第二目的是提供一种与装置之间具有标准化接口的电池组，从而能够使用多种不同类型的电池-甚至是截然不同的电池类型。
本发明的第三目的是提供一种在充电过程的控制以及电池组瞬时充电状态的报告等方面与电气装置具有双向通信的标准接口的电池组。
上述的目的是通过便携式电气装置的一种电池组来实现的，它包括一或多个电池单元以及与装置形成电气连接的端子，第一端子被用来从装置上接收充电电流，第二端子被用来向装置提供供电电流，而第三端子被用来构成装置和电池组共同的零线或是地线。第一电压转换装置被设在第一端子和电池单元之间，而第二电压转换装置被设在第二端子和电池单元之间。
另外，上述的目的是通过用来对便携式电气装置的电池组中的一个电池单元或是多个电池单元充电的一种方法来实现的，在其中由装置将充电电流/电压和充电控制信息一起提供给电池组，并且由电池组将供电电流/电压和关于电池单元瞬时充电状态的信息一起提供给电气装置。
以下要参照附图结合示意性的实施例来解释本发明，在附图中图1是一个示意性的框图，表示在正在使用无线电话时为电池组充电的惯用结构；图2是用来表示对NiMH型电池充电过程中的端电压特性随时间的变化曲线；图3被用来表示对锂型电池充电过程中的端电压特性随时间的变化曲线；图4是用来说明本发明的一个优选实施例的示意性框图；图5是一个曲线图，用来说明在按照本发明的一个优选实施例对电池组充电的过程中从电池组向无线电话传送充电信息的一种可能的方式；图6是用来传送上述充电信息的另一种方式的曲线图；图7表示用来传送充电信息的又一种方式的曲线图；图8是在最佳实施例中使用的第一电压转换装置的一个示意性电路图9是在最佳实施例中使用的第二电压转换装置的一个示意性电路图；以及图10是本发明的一个示意性框图，用来说明同一个无线电话如何使用几种不同类型的电池。
在图4中示意性地表示了按照本发明对电池组充电的基本结构。电池组40被连接到诸如移动电话的一个无线电话20上。电池组40具有用来连接无线电话的三个端子用来连接无线电话中的第一端子23的第一端子43，用来连接无线电话中的第二端子24的第二端子44，以及用来连接无线电话中的第三端子25的第三端子45。
电池组还具有彼此串联连接的许多电池单元41a，41b。在图中表示了两个电池单元，但是根据电池的类型以及具体的用途还可以使用超过或是少于两个的电池单元。在下文中假设电池单元41a，41b是锂电池，每个单元的电池电压大约是3.6V。第一电池单元41a的正端子被连接到安全装置42，而电池单元41a的负端子被连接到第二电池单元41b的正端子。第二电池单元41b的负端子被连接到第三电池组端子45，通过无线电话端子25形成无线电话20和电池组40共同的接地或是零线。因此，第三电池组端子45的作用是一个接地端子。
第一电压转换装置50被连接在第一电池组端子43和安全装置42之间。第二电压转换装置60和第一电压转换装置50被并联连接在第二电池组端子44和安全装置42之间。如下文中详细说明的情况，第一电池组端子43被用来从无线电话20的第一端子23接收充电电流，而第二电池组端子44被用来向第二无线电话端子24提供电流，以便为无线电话中的电子电路22供电。另外，无线电话20还设有一个正端子28和一个负端子29，充电装置30可以通过这些端子连接到无线电话上。用一个充电控制器27从充电装置30接收充电电流，并且在控制器21的控制下通过无线电话端子23和第一电池组端子43向电池组40提供充电电流。
从机械的观点来看，三个电池组端子43-45是这样布置的，当电池组40脱离无线电话20时，让接地端子45和相应的无线电话端子25之间的电连接仅仅在电池组端子43和44和各自对应的无线电话端子23和24之间已经中断时才会中断。
设在无线电话中的中央处理单元或是一个独立装设的微处理器等可以利用这一控制器21，而控制器21被连接到第二无线电话端子24，以便用来接收关于电池单元41a，41b的瞬时充电状态的信息。控制器21根据这一信息来控制充电控制器27，从而完成所需的充电过程，请参见以下的说明。
假设上述的电池单元41a，41b都是锂电池，其额定充电特性类似于图3所示的情况。第二电压转换装置60被用来监视电池单元41a，41b的瞬时充电状态，并且通过第二电池组端子44和无线电话端子24将关于这种充电状态的信息发送给无线电话20。用无线电话20的控制器21接收这一充电信息，并且使用这种信息来控制充电过程，特别是使用关于充电电流幅值或是充电电压幅值以及充电过程结束的时间点等等参数。
在图5中，用实线表示从电池组40通过第二电池组端子44向无线电话端子24和控制器21发送充电信息的第一种方式。当电池单元接近满充电状态或是实际上已经达到了这一状态时，第二电压转换装置60就改变供电电压的幅值，从而使供电电压的特性下降，类似于NiMH电池一例中的特性电压峰值。作为比较，在图5中用虚线表示了NiMH电池的充电特性。
控制器21连续地监视从第二电池组端子44接收到的供电电压的形状，它检测电压特性的下降，并且以此为依据指示充电控制器27结束对电池组40的充电。由于第二电压转换装置60是在电池组产生关于瞬时充电状态特别是电池组的满充电状态的信息时发送上述的充电信息的，上述的结构可以使一种给定的无线电话使用几种不同类型的电池，因为根据上述充电信息的发送无线电话20不需要考虑实际的电池类型。如果使用的电池是那种本身就具有图3所示的特性电压峰值和图5所示的虚线曲线的类型(例如NiMH)，就可以省掉电压转换装置50和60，在图10中表示了这种情况。
上述方法的另一种形式是可以通过调幅或是调频将充电信息叠加在供电电压中。图6所示的曲线表示了第二电压转换装置60提供的供电电压u的时间函数。上面的曲线表示向无线电话发送调幅的充电信息的第一种方式。在给定的时间点ta，tb，tc，和td上，第二电压转换装置60分别在供电电压u中产生一个电压脉冲。脉冲的大小也就是它相对于额定供电电压的幅值是电池单元41a，41b在每一瞬时的充电状态的函数。从图中可以看出，脉冲的幅值在接近时间tf的满充电状态时逐渐增大。图6下面的曲线表示了另一种方式，可以在例如ta等每一个瞬时产生一个脉冲串。脉冲串是由预定数量的脉冲构成的-在图中表示了四个脉冲。每个脉冲串中单个脉冲的幅值可以代表一个二进制值0或是1。例如，可以用高脉冲幅值代表数值1，而用低脉冲幅值代表数值0。在按照图6下面的曲线的一个实施例中，在时间ta将数字信息“0010”发送给无线电话20。还可以用数值“0010”代表电池单元41a，41b的瞬时充电状态。在时间tb发送数值“0011”，并且在时间tc发送数值“0101”依此类推。
图7表示通过对供电电压u调频来发送充电信息的方式。在给定的时间ta，tb等处发送有时间限制的调频信号，将上述信号叠加在供电电压u中。这种频率调制的频率成分类似于上述图6中所述的情况，它代表了电池单元41a，41b在时间ta，tb等每一个瞬间的瞬时充电状态。
图8示意性地表示了用来实现第一电压转换装置50的一种可能的电路图，如上所述，其作用是通过无线电话端子23和电池组端子43从无线电话20接收充电电流，并且从充电控制器27接收充电控制输入信号。该结构是本领域的技术人员所熟悉的，或者至少是处在他对本领域的一般知识范围之内，因此，在本文中仅仅概括地说明了构成电压转换装置的元器件。在电压转换装置的输入端设有第一控制器51。第一线圈52的一端被连接到电压转换装置上的第一输入端，其第二端被连接到电容器53的第一侧。第一电阻55通过一个半导体开关54在线圈52和电容器53之间接地。半导体开关54和第一电阻55之间的公共节点被连接到控制器51的第二输入端。电容器53的第二侧连接到一个二极管56的阳极端。一个第二线圈57与第二电阻58串联连接，从而将电容器53和二极管56之间的公共节点接地。第二线圈57和第二电阻58之间的公共节点被连接到第一控制器51的第三输入端。二极管56的阴极端被连接到第一电池单元41a的正端和一个第二控制器59。
最好是用一个MOSFET晶体管构成半导体开关54，它的开-关切换是由第一控制器51通过图中没有示出的控制装置来控制的。第一控制器51与第二控制器59具有双向的连接，以便共同控制对电池单元41a，41b的充电。
图9表示用来实现第二电压转换装置60的一种可能的电路示意图，如上所述，其作用是向无线电话20中的电子元件22供电，确定电池单元41a，41b的瞬时充电状态，并且以电信号的形式向无线电话发送充电信息，信号被叠加在无线电话的供电电压上。第二电压转换装置60包括一个控制器61，它被连接到电池单元41a，41b上，并且可以对瞬时的端电压采样。第一线圈62被连接在电池单元41a，41b和第一电容器63的第一侧之间。与上述情况相对应，半导体开关64和电阻65在第一线圈62和第一电容器63之间接地。电阻65上的电压被反馈给控制器61的控制输入端。第一电容器63的第二侧连接到一个二极管66的阳极端，二极管的阴极端被连接到第二电压转换装置60的输出端。一个第二线圈67通过二极管66与第二电容器68并联连接。最好是用一个MOSFET晶体管构成半导体开关64，它的开一关切换是由控制器61通过图中没有示出的控制装置来控制的。
控制器61可以用这种结构对电池单元41a，41b的瞬时充电状态采样，并且根据需要而相应地改变输出供电电压，将供电电压与代表着检测到的充电状态的电信号叠加在一起。
上述的电池组实施例中使用了两个电池单元，它们的电池电压共同组成了电池的端电压，它比用来驱动元件22的供电电压要高，以便用第二电压转换装置60将其调整到适当的电平。或者是在仅仅使用一个电池单元-例如锂电池单元-并且其端电压能够用来直接驱动元件22的情况下，可以用比上述情况简单得多的方式来实现电压转换装置60。
例如，可以用一个具有控制电路的晶体管电路来构成电压转换装置60。受到控制电路控制的晶体管电路在对电池单元充电的过程中具有一定的但是很小的电压降。当控制电路检测到满充电状态时，将晶体管电路切换到使电压降增大的状态，由无线电话接收到的供电电压就会形成图5所示的特性电压降。
本发明的原理就是从电池组向电气装置(例如无线电话)发送充电状态信息，从而在两者之间提供了一种标准的接口，本发明也可以用于在装置和电池组之间仅有两个连接点的情况，即使是需要对图示和说明的技术方案进行某些修改，仍然属于本领域技术人员的知识范围。
因此，本发明仅仅是通过示意性的实施例来说明的，在附加的权利要求书所限定的保护范围之内还可以对本发明进行各种各样的修改。
权利要求
1.用于便携式电气装置(20)的一种电池组(40)包括一或多个电池单元(41a，41b)以及与装置形成电气连接的端子，其特征是用来从装置(20)接收充电电流的第一端子(43)，用来向装置提供供电电流的第二端子(44)，用来构成装置和电池组共同的零线或是地线的第三端子(45)，设在第一端子(43)和上述电池单元(41a，41b)之间的第一电压转换装置(50)，以及设在第二端子(44)和上述电池单元之间的第二电压转换装置(60)。
2.按照权利要求1的电池组，其特征是第一电压转换装置(50)包括控制装置(51，59)，用于从装置(20)接收充电控制的电信号，并且根据它来控制提供给上述电池单元(41a，41b)的充电电流或是充电电压的幅值。
3.按照权利要求1或2之一的电池组，其特征是第二电压转换装置(60)包括控制装置(61)，用于产生代表充电信息的电信号，上述信号通过第二端子(44)被发送给装置(20)。
4.按照权利要求3的电池组，其特征是第二电压转换装置(60)中的上述控制装置(61)被用来产生电信号，其电压-时间特性至少能部分反映出与该电池组中的电池单元(41a，41b)不同的另一种类型的电池单元的特性。
5.按照权利要求3或是4的电池组，其特征是，当电池单元(41a，41b)至少是接近达到满充电状态时，第二电压转换装置(60)中的控制装置(61)被用来产生具有负电压导数的电信号。
6.按照权利要求3-5之一的电池组，其特征是第二电压转换装置(60)中的控制装置(61)被用来对电信号进行调幅，调制的幅值是电池单元(41a，41b)的瞬时充电状态的函数。
7.按照权利要求3-6之一的电池组，其特征是第二电压转换装置(60)中的控制装置(61)被用来在电信号中产生短脉冲，各个脉冲的大小是电池单元(41a，41b)的瞬时充电状态的函数。
8.按照权利要求3-7之一的电池组，其特征是第二电压转换装置(60)中的控制装置(61)被用来对电信号进行调频，上述频率调制是电池单元(41a，41b)的瞬时充电状态的函数。
9.按照前述任何一项权利要求的电池组，其特征是将一个安全装置(42)分别布置在电池单元(41a，41b)与第一和第二端子(43，44)之间。
10.按照前述任何一项权利要求的电池组，其特征是设有一个第三端子(45)，在电池组与该装置脱离时用来维持与装置的电连接，直至该装置与第一和第二端子(43，44)之间的电连接分别被中断时为止。
11.一种用于蜂窝移动通信的无线电话包括一个第一端子(23)，用来连接到前述任何一项权利要求的电池组(40)中的第一端子(43)；一个第二端子(24)，用来连接电池组的第二端子(44)；以及一个第三端子(25)，用来连接电池组的第三端子(45)。
12.为用于便携式电气装置(20)的电池组(40)中的一或多个电池单元(41a，41b)充电的一种方法，其特征是从装置(20)向电池组(40)同时提供充电电流/电压和充电控制信息，以及从电池组(40)向装置(20)同时提供供电电流/电压和关于电池单元(41a，41b)的瞬时充电状态的信息。
13.按照权利要求12的方法，其特征是通过第一对端子(23，43)同时传送充电电流/电压和充电控制信息，并且通过第二对端子(24，44)同时传送供电电流/电压和关于电池单元(41a，41b)的瞬时充电状态的信息。
14.按照权利要求12或13的方法，其特征是将充电状态信息作为叠加在充电电流/电压上的一个电信号进行传送。
15.按照权利要求12-14之一的方法，其特征是对充电电流/电压进行调制，让其电压-时间特性至少能部分反映出与该电池组中的电池单元(41a，41b)不同的另一种类型的电池单元的特性。
全文摘要
便携式电气装置(20)的电池组(40)具有一个或是一个以上的电池单元(41a,41b)和连接到装置上的电气端子。电池组(40)包括用来从装置(20)接收充电电流的第一端子(43),用来向装置(20)提供电流的第二端子(44),以及用来形成装置和电池组共同的零线或是地线的第三端子(45)。电池组另外还包括布置在第一端子(43)和电池单元(41a,41b)之间的第一电压转换装置(50)以及布置在第二端子(44)和电池组之间的第二电压转换装置(60)。
文档编号H02J7/00GK1244305SQ9719993
公开日2000年2月9日 申请日期1997年11月11日 优先权日1996年11月20日
发明者J·默克, B·弗雷恩哈根 申请人:艾利森电话股份有限公司