专利名称：充电电池组及其制造方法
技术领域：
本发明一般涉及充电电池技术，更特别地涉及包含几节充电电池的电池组，即与普通商用电池可互换并含有电池安全装置(BSU)。
背景技术：
与一旦储存的能量用完后必须丢弃的一次性电池(例如汞电池，锰电池，碱性电池和锂电池)不同，充电电池通过从外部电源给耗尽电能的电池再充电能够重新使用，目前充电电池应用广泛。在便携式消费电子装置，例如移动电话，PDA(个人数据助理)，膝上型计算机和数字照相机等对充电电池的需求量日益增加，主要是因为充电电池可以重新使用，并比一次性电池具有更大的容量。
一次性电池是按AAA，AA，C，或D中的一种标准制造，因此与充电电池的标准不同。所以，充电电池难与普通商用电池互换，并必须使用几节一次性电池，以满足便携式电子器具应用所需的电压或电流。另外，即使当使用几节充电电池以获得足够容量以及延长使用时间，面对的一个缺点是对这些充电电池进行充电需要很长的时间。此外，有一种蓄电池组，将便携式电子器具内的多节一次性电池组合在一起，但是未研制出能满足相同标准的充电电池组。结果，与一次性蓄电池组电池不能互换，并相应地用于便携式电子器具的电池寿命短，不可能充电。
发明披露本发明的目的是，通过将多节充电电池构成单个电池组，延长便携式电子器具中电池使用寿命，并通过对电池进行充电重新使用这些电池。
本发明的另一个目的是提供具有更大容量电能的充电电池组，即能方便和快速充电，并能与普通商用电池或一次性电池(干电池)互换。
最后，本发明通过将电池安全装置与充电电池一起构成单体电池组，企图改善电池的可靠性。
本发明构成的电池组具有充电/放电能力，并含有多于两节的单体电池，单体电池含有阴极和阳极。电池组包括充电电极；放电电极；一块含有电池安全装置的电路板，该电池安全装置设计成，当充电电极上的电流过充时，切断到该蓄电池组电池的电流，并当放电电极的输入电压下降到低于某一电压时，中止该电池组放电；阴极连接导体，将充电和放电电极连接到单节电池的阴极端；阳极连接导体，将充电和放电电极连接到单节电池的阳极端；和盖板，所述盖板含有电路板，并将两节或多节各电池、阴极连接导体、阳极连接导体和电路板连接在一起，形成各电池上部有阴极端和其下部有阳极端的一种单个的电池组形式。上述的阴极连接导体和阳极连接导体中的至少一条导体电气上连接到电路板。
按照本发明的一个方面，电池组包括充电电极；放电电极；一块含有电池安全装置的电路板，该电池安全装置设计成，当充电电极上的电流过充电时，切断流过该蓄电池组电池的电流，并当放电电极的输出电压下降到低于某一电压时，中止该电池组放电；阴极连接导体，通过将它们串行连接，将充电电极连接到单节电池的阴极端；阳极连接导体，串联地连接单节电池的阳极端，并经过电路板内电池安全装置，将它们电气上连接到充电电极；一个用于固定电路板的固定盖帽；和盖板，所述盖板将两节或多节各电池、固定盖帽、阴极连接导体、阳极连接导体和电路板连接在一起，形成在各个电池上部含有阴极端而它下部含有阳极端的一种单个的电池组形式。
按照本发明的另一个方面，电池组包括充电电极；放电电极；一块含有电池安全装置的电路板，该电池安全装置设计成，当充电电极上的电流过充电时，切断到该蓄电池组电池的电流，并当放电电极的输出电压下降到低于某一电压时，中止该电池组放电。电池组还含有阴极连接导体，用于将单个充电电池的阴极端电气上连接到充电和放电电极；阳极连接导体，用于将阳极端经过电路板内电池安全装置电气上连接到充电和放电电极；和盖板，所述盖板将两节或多节单个电池、阴极连接导体、阳极连接导体和电路板连接在一起，形成各个电池上部有阴极端和下部有阳极端的一种单个的电池组形式。阴极连接导体包含第一板状连接导体，直接连接到单体电池的阴极端；和第一线状连接导体，安装在第一块绝缘板上并通过延伸到单体电池的阳极端与第一连接导体相连。阳极连接导体既包含第二板状连接导体，直接与单体电池的阳极端连接，又包含第二线状子导体，安装在第二块绝缘板上并通过延伸到阴极端与第二连接导体连接。
本发明中电池安全装置的结构可以是这样一种结构，该结构含有切断开关，连接在电池组和外部电子器具或外部充电装置之间；电压传感器，采样电池组的输出电压；第一电压比较器，当输出电压高于过充电的固定电压时，打开切断开关；第二电压比较器，当输出电压低于固定的过放电压时，打开切断开关。另一种结构可以这样一种结构，该结构含有电路控制器，连接电极，开关和单体电池；过充电检测器，当电池组的电压高于过充电的固定电压时通过电路控制器切断充电开关；过放电检测器，当电池组电压下降到低于过放电的固定电压时，经过电路控制器切断放电开关；过流检测器，当电池组的放电电流超过一个固定值时，切断放电开关；和一个短路检测器。
也可能使用一种恒压电路，该恒压电路维持电池组的一个恒定输出电压，与电池安全装置分开。
附图简述
图1是一张按照本发明第一实施例电池组(100)的分解(break-down)式透视图。
图2a和2b是能用在第一实施例中的顶盖和底盖连接结构的透视图。
图3a和3b是能用在第一实施例中的上电路板的正视图和底视图(baseview)。
图4a和4b是能用在第一实施例中的下电路板的正视图和底视图(baseview)。
图5是一张透视图，示出按照第一实施例电池组内的阴极连接导体，电池和电路板的电气连接结构。
图6是一张透视图，示出按照第一实施例电池组内的第一阳极连接导体，第二阳极连接导体，电池和电路板的电连接结构。
图7a和7b是透视图，描述按照第一实施例电池组的制造过程。
图8是一张按照第二实施例电池组(200)的分解(break-down)式透视图。
图9a是一张按照第二实施例的装配电池组的透视图，该电池组带有所示的放电端。
图9b是一张按照第二实施例的装配电池组的透视图，该电池组带有所示的充电端。
图10是一张在装配单体电池(210a，210b)并将包装标签(290)粘上后的电池组外形的透视图。
图11是一张电路框图，描述第一个电路例子的电池安全装置(350)和恒压电路(360)，这两种装置可以包含在按照第一和第二实施例的电池组内。
图12是一张电路框图，描述第二个电路例子的电池安全装置和恒压电路，这两种装置可以包含在按照第一和第二实施例的电池组内。
图13示出电池组的输出电压特性。
图14示出本发明电池组与传统镍氢电池比较时的输出电压特性。
图15示出电池组的充电电压特性。
图16示出电池组的充电特性。
图17a是一张电池组(600)的外形透视图。
图17b是一张透视图，提供电池组外部形状的另一个例子。
实行本发明的最佳方式利用参考附图来讨论本发明较佳实施例。图中表示的实施例用作解释本发明的结构和效果，并不限定或限制本发明的范畴。图中的结构既不按实际尺寸，也不按实际尺寸准确比例来表示。图中相同的或相应的结构用相同的编号。
第一实施例图1是一张按照本发明第一实施例构成的电池组透视图。电池组(100)含有两节单体电池(10a，10b)以及连接导体，连接导体电气连接这两节单体电池。单体电池(10a，10b)包括镍镉(Ni-CdO)电池，该电池用Ni(OH)2(氢氧化镍)作为阴极，用镉Cd(镉)作为阳极，并用碱性水溶液作为电解液；镍氢电池，用Ni(OH)2作为阴极，金属氢化物(MH)作为阳极，并用碱性水溶液作为电解液；和锂离子(Li-Ion)电池，用碳(C)或石墨作为阳极，LiCoO2(钴酸锂)作为阴极，并用锂盐有机溶液作电解液。然而，合理地应用锂离子电池作为单体电池。锂离子电池比镍镉电池小40-50％，并比镍氢电池小20-30％。虽然锂离子电池重量轻约50％，但具有高能量密度和高输出能力，没有使用例如镉，铅和汞的污染物，并且电池寿命长。使用离子电池的另一个优点是没有记忆效应并且充电时间短。由于这些优点，锂离子电池适合于用作用户的便携式电子装置的电源。虽然图1描述圆柱形的电池(10a，10b)，但也可以使用其他形状。将单体电池(10a，10b)与外面实现电连接的连接导体包括阴极连接导体(20)，第一阳极连接导体(22)，和第二阳极连接导体(24)。下面将讨论电池的电气连接结构(见图5和6)。
单体电池(10a，10b)的阴极端(12a，12b)和阳极端(图6中的14a和14b)每端经过连接导体连接到上面和下面的电路板(50，60)。上电路板(50)有一个放电阴极端和放电阳极端，而下电路板(60)有一个充电阴极端(62a)和一个充电阳极端(62b)。这样，单体电池(10a，10b)的电能经过导体(20，22，24)和放电端(52a，52b)输出到外面，并且这些电池所耗尽的电能能够从外部电源经过充电端(62a，62b)进行再充电。
上电路板(50)由上固定盖帽(30)安装在电池(10a，10b)的上面，而下电路板(60)由下固定盖帽固定在电池(10a，10b)的下面。这儿‘上’和‘下’仅用作纯粹的术语，用于区别图1的顶部和底部，并因此描述为‘上’的部分并不是电池阴极所在的区域。上盖帽(30)包括开口(32)，能容纳上电路板(50)，而下盖帽(40)包含一个开口和一个缺口(45)，各自能分别容纳下电路板和第二阳极连接导体(24)的弯曲部分。
上电路板(50)容纳的上盖帽(30)由上盖(70)固定在电池组(100)的上部，而下电路板(60)容纳的下盖帽(40)由下盖(80)固定在电池组(100)的下部。
将如图2a和2b所示的上盖(70)和下盖(80)结合在一起，以致电池组元件能够形成一个单一体。上盖(70)包含盖主体(72)，在主体上形成的穿孔(74a，74b)，和从主体两侧向下凸出的第一(76)及第二(78)连接脚。另一方面，下盖(80)包括主盖体(82)，穿孔(84a，84b)，和从主体两侧向上凸出的第一(86)及第二(88)连接脚。上盖(70)的穿孔(74a，74b)和下盖(80)的穿孔(84a，84b)分别使上电路板(50)的放电阴极端(52a)，放电阳极端(52b)，和下电路(60)的充电阴极端(62a)，充电阳极端(62b)暴露在外面。
另一方面，在上盖(70)第1连接脚76的末端有一个耦合凸条，插入到在第二连接脚(88)末端形成的小孔内，将上盖(70)和下盖(80)结合在一起。此时，在上盖(70)第2连接脚78末端形成的凸出部分(77)与第一连接脚(86)的内侧接触，而不是直接耦合到下盖(80)的第一连接脚(86)。将上盖(70)第2连接脚(78经接触耦合到下盖第一连接脚(86)的原因是当形成台阶(85)时，防止阴极端和阳极端的反插，如图7g和17a所述的，该台阶在完整装配的电池组一侧中间区域附近，然后将该完整装配电池组插进电子机械或充电装置内。这样的台阶(85)不是本发明所需部分。由此，有可能直接将上盖(70)第2连接脚(78)与下盖(80)的第1连接脚(86)耦合，并由此将它们固定。
图3a和3b描述上电路板(50)的正面和背面，上电路板(50)可用在第一实施例中，印刷板(PCB)可用作电路板(50)。
上电路板(50)的正面有放电阴极端(52a)和放电阳极端(参考图3a)。在电路板(50)背面(50b)形成阴极连接端(55a)和阳极连接端(55b)(参考图3b)。如图3b所述，电路板(50)的背面(50b)有一恒压电路(56)。在电路板(50)的正面(50a)和背面(50b)有导体分布图型，用于将恒压电路(56)电气连接到电极端(52a，52b)，导体分布图用于将电极端(55a，55b)连接到电路和/或阴极端和阳极端(52a，52b)，而电路图型用于构成恒压电路(56)，为了使附图简单，在附图中未示出所有这些部件。
图4a和4b所示的下电路板(60)也能够按与上电路板(50)相同方式形成PCB。电路板(60)的正面(60a)有充电阴极端(62a)，充电阳极端(62b)，P+1端(65a)和P-1端(65b)。另一方面，在电路板(60)的背面(60b)形成B-端(67)，B-端(67)经导线(68)电气连接到安全装置(66)。
图3和4描述的电路板(50，60)的接线端(52a，52b，62a，62b)由金属镍或铜构成，而接线端表面镀金，以减少接线端电阻。这种镀金表面也能够应用到导体端(65a，65b，67)。另一方面，那些技术一般熟练的人员容易理解如图3和4所示的阴极端，阳极端和连接端的排列仅是描述性的，并不偏离本发明范畴，并且接线端位置能加以改变。
图5是一张例图，计划示出按照第一实施例的阴极连接导体(20)，单体电池(10a，10b)，上和下电路板(50，60)，和阴极端(52a，62a)中间的电气连接结构。
阴极连接导体(20)，其形状像十字叉，由金属镍构成，含有上引线(23)，左引线(25)，右引线(27)及下引线(29)，所有引线涂上高导电金属，例如金，然而，引线除外的导体主体能够固定到绝缘带(图7a的‘28’)或镀上绝缘涂层(参考图5)。通过焊接将阴极连接导体(20)的上引线(23)连接到上电路板的阴极连接端(55a)。而左引线(25)经焊接连接到阴极端(12a)，右引线(27)连接到电池10b的阴极端(12b)，并将下引线(29)连接到下电路板(60)的P+1端(65a)。
图6描述第一实施例阳极连接导体(22，24)，单体电池(10a，10b)，上和下电路板(50，60)及阳极端(52b，62b)中间的电连接结构。
通过焊接将第一阳极连接导体(22)，形成一条直线，连接到上电路板(50)的阳极连接端(55b)，并连接到下电路板(60)的P-1端(65b)。另一方面，通过焊接将第二阳极连接导体(24)连接到阳极端(14a，14b)，以与电池(10a，10b)的阳极端串联连接，而它的一端通过焊接连接到下部分电路板(60)的B-端(67)。
按照图5和6所示的电气互连结构，放电(即，输出)阴极电能可以经下列途径供给外面1)、单体电池(10a，10b)的阴极端(12a，12b)；2)、右引线(25)和左引线(27)，及阴极连接导体(20)的上引线(23)；3)、上电路板(50)的恒压电路(56)；和4)、上电路板(50)的放电阴极端(52a)。另一方面，放电阳极电能经过下列途径供给外面1)、单体电池(10a，10b)的阳极端(14a，14b)；2)、第二阳极连接导体(24)；3)、下电路板(60)的B-端(67)；4)、下电路板(60)的安全装置(66)；5)、下电路板(60)的P-1端(65b)；6)、第一阳极连接导体(22)；7)、上电路板(50)的阳极连接端(55b)；和8)、上电路板(50)的放电阳极端(52b)。
如上面参考图5和6所解释的，单体电池(10a，10b)的阴极端连接在阴极端之间，然而阳极端连接在阳极端之间。因此，构成单体电池组的电池(10a，10b)是互相平行地实现电气连接。
另一方面，充电正电源通过下列途径将充电电能供给单体电池(10a，10b)的阴极电极(12a，12b)1)、外部充电电源(图11的‘380’)；2)、下电路板(60)的充电阴极电极(62a)；3)、下电路板(60)的P+1电极(65a)；及4)、阴极连接导体(20)的下，右，和左引线(29，25，27)。充电负电源通过下列途径将充电电能供给单体电池(10a，10b)的阳极电极(14a，14b)1)、外部充电电源；2)、下电路板(60)的充电阳极电极(62b)；3)、下电路板(60)的B-电极(67)；及4)、第二阳极连接导体(24)。当锂离子电池组成电池组时，希望使用恒流和恒压充电器给电池充电。
当本发明的电池组由锂离子电池组成，在充电电能供给电池组时，锂离子从LiCoO2流向阳极晶体。另一方面，当电池组放电时，发生逆反应，锂离子通过漂移进电解液，从阳极的石墨晶格结构流向阴极晶体结构。即，当电池组充电或放电时，锂离子在阴极和阳极之间来回运动。
第一实施例电池组的装配过程参考图7a到7f阐明按照本发明执行例构成的电池组(100)的装配过程。
如图7a所示，通过焊接将阴极连接导体(20)连接到下电路板(60)的P+1端(65a)，第一阳极连接导体(22)连接到P-1端(65b)，及第二阳极连接导体(24)连接到B-1端(67)。阴极连接导体(20)的十字形体，不包括引线的末端部分，固定到绝缘带(28)或绝缘涂层。为什么不同于阳极连接导体(22，24)，仅阴极连接导体(20)经绝缘处理的原因是单体电池(10a，10b)表面本身用作接地导体，即为阳极，因此必需防止阴极连接导体(20)与电池表面导电。
如图7b所示，通过焊接将第二阳极连接导体(24)连接到单体电池(10a，10b)的阳极端(14a，14b)，单体电池(10a，10b)通过粘结带(15)或粘合剂互相连接。然后安装下固定盖帽(40)(箭头A)，并将下电路板(60)插进下固定盖帽(40，箭头B)。开口(42)可容纳下电路板(60)，并使第二阳极连接导体(24)沿缺口(45)弯曲。
如图7c所示，使阴极连接导体(20)和第一阳极连接导体(22)弯曲，并固定到电池(10a，10b)主实体侧的中间，与下盖帽(40)结合，然后将它们插进阳极端侧的下盖帽(80)。
如图7d所示，通过焊接将阴极连接导体(20)的右和左引线(25，27)连接到电池(10a，10b)的阴极端(12a，12b)，下盖帽(80)固定在电池(10a，10b)上。
如图7e所示，将上盖帽(30)安装在阴极端侧(12a，12b)，阴极连接导体(20)的右和左引线(25，27)连接到阴极端(12a，12b)。在按上面所阐明的(参考图5)，通过焊接将阴极连接导体(20)的上引线(23)连接到阴极连接端(55a)，以及如上面所阐明的(参考图6)，通过焊接将第一阳极连接导体(22)连接到上电路板(50)的阳极连接端(55a)之后，将上电路板(50)安装在上盖帽(30)上。包含上电路板(50)的电路部分，贮藏在上盖帽(30)的开口(32)内。
如图7f所描述的，按上所阐明的(参考图2a和2b)，通过将上盖(70)安装在电池阴极侧上，将上盖(70)和下盖(80)结合在一起，在电池阴极侧，已经安装了上盖帽(30)和电路板(50)。
如图7g所示，为了完全屏蔽电池主体，电池主体已由上盖和下盖(70，80)结合为一个实体，将包装标签贴在主体上。在这时，可以按这样一种方式制作包装标签(90)，不是将包装标签贴到台阶(85)上，让台阶(85)暴露在外面。完全装配好的电池组经过一系列电气性能测试和可靠性测试以及肉眼检查。
按这种方式内部构成的本发明电池组可以具有不同的外部结构。例如，电池组可以是与图17a所述兼容的CRV3或具有如图17b所述的六面体形状。电池组的这些外部结构类似于下面第二实施例电池组。
第二实施例图8是一张按照第二实施例电池组(200)的分解式透视图。
单体电池(210a，210b)的阴极端和阳极端分别连接在阴极端中间和阳极端中间，因此互相连接排成一行的单体电池构成电池组(200)。这些单体电池是由板形连接导体(212)和线形子导体(216)实行电气连接的。子导体(216)连接到连接导体(212)，以便在电池组(200)上面和下面部分两侧上形成的阴极和阳极输出端，然而延长的子导体(216)每根位于电池组(200)相对侧面，以致在电池组(200)每侧形成不同的电极。一块绝缘板放置在连接导体(212)和子导体(216)之间，以防止连接导体(212)和子导体(216)的电气短路。
例如，如图8所示，通过焊接将在上电路板(220)上形成的放电阴极端(222)连接到第一子导体(216a)，并因此经过第一连接导体(212a)电气连接到阴极端(即，在图8中单体电池下侧形成的电池接线端)。这里，安排在第一绝缘板(214a)上面的第一子连接导体(216a)没有连接到在电池(210a，210b)的阳极端(即，在图8中单体电池上侧形成的电池接线端)。另一方面，通过焊接，上电路板(220a)的放电阳极端(224)连接到第二连接导体(212b)，因此电气连接到电池的阳极端。为了实现放电阳极端(224)和第二连接导体(212b)之间的连接，第一绝缘板(214a)含有一个穿孔(217)。上电路板220a安放于上盖(230a)，并由上盖固定。上盖(230a)具有相应于一组电池的形状，并包含能固定电路板(220a)的空间。在上盖(230a)上形成的两个穿孔(234)使放电阴极端(222)和放电阳极端暴露在外面。
另一方面，经过下电路板(220b)与第二子导体(216b)连接的充电阳极端(232)，经过第二连接导体(212b)连接到电池(210a，210b)的阳极端。经过下电路板(220b)和第一连接导体(212a)使充电阴极端(234)与电池阴极端连接。为了实现充电阴极端(234)和第一连接导体(212a)之间的电气连接，第二绝缘板(214b)含有一个穿孔(215)。下电路板(220b)存放于下盖(230b)，并由下盖固定。
图9a和9b分别示出按照第二实施例构成的电池放电端和充电端。图10描述由单体电池(210a，210b)装配成的电池组形状，电池组上贴有包装标签(290)。
如图9所示，在电池组(200)上面和下面部分的两侧形成阳极和阴极端，这些接线端包含经过穿孔暴露在外面的放电端(222，224)和按凸出形式暴露在外面的充电端(232，234)。至于这些接线端的形状和外部凸出结构，对那些技术一般熟练的人员很清楚，有可能与图9所示的相反，按相对结构，同样的暴露结构，或同样的凸出结构来安排充电端和放电端。
电路板(22)或只含有电池安全装置，或含有电池安全装置和放电恒压电路。一般，希望在电路板(220a)上含有形成的恒压电路，该恒压装置安装在放电端一侧；并在电路板(220b)上形成的电池安全装置，该电池安全装置安装在充电端一侧。当过电流充电到电池(210a，210b)时，安全装置用于从外面切断电流。当充电到电池(210a，210b)的电流过放电给外面时，它也用于防止进一步放电。当通过给电池组(22)提供电压，对电池进行充电时，从外部充电器(图11的‘380’)施加的电流经电池安全装置流进电池组(200)。当给电池组(200)充电的电流放电(输出)到外部电子器具(例如图11的‘370’)时，充给电池(210a，210b)的电流经过安全装置施加到放电恒压电路。正是经过该恒压电路，经转换为恒定设置电压的电压施加到外部电子器具上。
第一个电路例子图11是电路框图，示出电池安全装置(350)和恒压电路(360)，这两种装置和电路可以包含在按照第一和第二实施例构成的电池组内。
电池安全装置(350)包含电压检测器(352)；第一比较器(354)；第二比较器(356)，和切断开关(358)。电池安全装置用于消除电池容量下降问题，在由外部充电器(380)给电池组(100，200)施加电流对电池组进行充电过程中，即使在完成充电后，当从充电器连续地施加电流时，就会产生电池容量下降问题。例如，当锂离子电池充电超过4.5伏时，电池内的电解液分解为气体，会增大电池内部压力，并使安全边沿(safety edge)起作用，以减少这种压力。电解液泄漏随着这种机构而产生。因此，必须确信锂离子电池不能充电超过某一电压(例如，4.2伏)。
在本发明中，当电池组供以电能，并充电到额定容量时，电池安全装置(350)的电压检测器(352)检测这种充电，并识别由第一比较器(354)检测的电压值。如果电压检测器(352)识别的电压值高于标准的固定电压值，第一比较器(354)给切断开关(358)发信号，以使它处于一种中断状态。一旦切断开关处于这种状态，充电器(380)不再给电池组供以电能，由此防止电池组的过充电。
另一方面，当锂离子电池充电低于某一电压时，铜开始溶解进电解液，并因此使电池容量变小。在本发明中，在充电给电池组的电能经过安全装置(350)和放电恒压电路(360)，施加到外部电子器具过程中，当电池组放电到低于某一固定电压时，电池安全装置的电压检测器(352)检测电池输出电压，并将该输出电压值加到第二比较器(356)。第二比较器(356)将由电压比较器(352)提供的电压值与标准的固定电压值进行比较，将信号加到切断开关(358)，如果电池输出电压低于标准电压值，接通中断状态下的开关(358)。这种过放电安全装置保护电池免于放电低于例如2.7伏。
在图11，放电恒压电路(360)控制电池组的输出电压，以将输出电压维持在外部电子器具所需的一个预定电压。当锂电池构成电池组时，电池的充电电压在3伏-4.2伏范围内，并因此，在电能提供给外部电子器具的情况下，电路(360)控制输出电压，以确信从电池组给外部电子器具施加一个固定电压。这里，由连接到电池组的外部电子器具的工作电压确定从电池组产生的固定电压。因此，从恒压电路(360)产生的‘固定电压’可以是特殊的DC电压或曲线形电压，该电压依据时间在一段固定范围内减少(例如，3.2伏-2.0伏)，虽然参考附图11将恒压电路(360)描述为包含在电池组内，依据所用的电子器类型，恒定电路也可在电子器具内构成。因此在这种情况中，放电恒压电路不是安装在电池组内。此外，关于图11中的电路元件，有可能将电池安全装置(350)和恒压电路(360)组合为‘单芯片’作为一片IC器件，并因此安装在电路板内。在这种情况，最好将单芯片器件组合在COB(板上芯片)配置内。
第二个电路例子图12是按照其他电路实施例的电池安全装置(400)电路框图。电池安全装置能包含在第一和第二实施例电池组内。
按照这个实施例构成的电池安全装置(400)包含过充电检测器(410)，过放电检测器(420)，过流检测器(430)，短路检测器(440)，充电器检测器(450)，控制器，放电开关(S1；470)，和充电开关(S2；480)。
安装在电池组内的两节电池(10a/210a，10b/210b)经过控制器(460)和开关(470，480)成一排连接到阴极端(OUT+，P+1，P+端)和阳极端(OUT-，P-1，P-端)。如果电池组电压低于ODV(过放电检测电压)或高于OCV(过充电检测电压)以及电压检测脚电压在CDV(充电检测电压)和OCV(过流检测压电)范围内，所述电池的性能是在正常状态。在这样的性能正常状态，控制器(460)依据充电器检测器检测到充电器的连接与否，打开和切断S1开关(470)或S2开关(480)，由此引起电池组的充电或放电。
当电池组电压超过OCV一段固定时间(例如，0.4-2秒)，而电池组按正常性能状态加以充电进，则过充电检测器(410)通过控制器(460)切断充电开关。如果电池组电压下降到低于OCV，过充电检测器(410)通过控制器(460)将电池组重新恢复到正常性能状态。另一方面，如果电池组电压低ODV一段固定时间(例如，0.04-600秒)，而电池组按正常性能状态在放电，过放电检测器(420)通过控制器(460)切断放电开关(470)。当电池组电压高于ODV，恢复电池组的正常状态。
如果放电电流超过某一标准值(例如，如果电压检测脚电压超过OCV)，而电池组按正常状态放电，过流检测器(430)通过控制器(460)切断放电开关(470)。当阴极和阳极端发生短路时也会发生这种拦截，并是由短路检测器(440)检测的。当该检测器发生这样的检测时，控制器(460)进行工作，并切断开关。
当锂离子电池构成电池组时，控制充电电流以使包含在电池组内的单体电池电压能够达到4.2伏。以0.1CmA和1.5CmA电流范围内的恒定电流对锂离子电池充电，并然后它们的电压逐渐地下降，最后达到零，并因此防止电池的过放电。
能够用各种方式实现具有上面结构电池安全装置(400)的详细的内部电路组成部分。例如，由日本精工株式会社仪器(SeiKo instruments)销售的一片S-8421系列的IC可以用作上面内部电路元件。关于电池安全装置，如上面参考图11所解释的，最好使用按COB形状包装的单片模块。另外，放电恒压电路(360)可以连同电池安全装置(400)一起设置在电池组内。
电气特性图13到15描述按照本发明构成的电池组放电和充电特性。
在图13的输出电压特性图中，特性曲线(510)表示包含在电池组内的单体电池(锂离子电池)的输出电压特性。另一方面，标准曲线(515)表示按照本发明构成的电池组的输出电压，而曲线525表示传统镍氢电池的输出电压。特性曲线(530)描述电池的输出电压。如图13所示，本发明，通过以恒定速率减少单体电池的输出电压(曲线510)，引起产生恒定电压并能连续地产生正常电压约2小时20分钟。
在图14的输出电压特性图中，特性曲线(535)表示4.29瓦时容量电池组的输出电压。另一方面，特性曲线540表示传统结构的镍氢电池输出电压和4.32瓦时容量，然而特性曲线550描述一次性电池的输出电压。标准线560表示照相机运转电压，2.3伏，照相机的平均电负载为0.6安。如图14特性曲线540所示，传统镍氢电池具有较低输出电压。由于这个原因，如果过电流消耗，它的输出电压能立即下降到低于标准线(图14的圆A)，它引起瞬时的过负载(例如，照相机闪光灯闪亮时)。在这种情况，会产生照相机电源供电中断现象。然而，本发明电池组能将输出电压维持在比标准电压高的某一数值。这样，即使存在瞬时电负载过载，不会产生照相机电源供电中断现象。换句话说，虽然镍氢电池的额定容量为4.32瓦时，此高于本发明的额定容量(4.29瓦时)，电池组的消耗寿命(即，本发明)实际上变长，因为当用在例如照相机的电子器具时，电池组具有比传统电池(图14中圆B)具有更少的不可使用的剩余容量。
图15描述按照本发明构成的电池组的充电电压特性曲线。如图15所示，当施加充电电流时，电池组的充电电压立刻升到标准输出电压，并然后维持该标准值。
图16是一张按照本发明构成的电池组的充电特性图。在图16中，曲线570，572，574和576分别表示电池以1.5CmA(2700mA)，1.0CmA(1800mA)，0.7CmA(1260mA)，和0.5CmA(900mA)充电的电池电压特性曲线。这里，1.0CmA意指在一小时内电池容量总共充电或放电的电流量。图16中点特性曲线580，582，584，和586表示蓄电池组电池分别以1.5CmA(2700mA)，1.0CmA(1800mA)，0.7cmA(1260mA)，和0.5CmA(900mA)充电的充电电流特性曲线。如这些曲线所示，当锂离子电池充电某一段时间，并且它们的电压达到固定电流时，它们的充电电流减少并最后下降到零，由此防止电池的过放电。另一方面，当以1CmA电压电流充电时，本发明锂离子电池组仅需约80分钟就能有充电到90％处理能力(process capacity)。
可靠性测试结果在2003年3月17日-2003年3月27日对10个试样电池组进行跌落，振动，耐久性，高温和低温的可靠性测试，样本电池组具有3.2伏+/-0.05伏的标准输出电压和900mA的最大标准充电电流，其结果如表2到表7中所示。
测试试样
跌落(冲击)测试结果(在重500克+/-25克的电池组从1.3米高跌落后进行测量)
振动测试结果(施加幅度为1毫米，频率为20Hz-60Hz波)
耐久性测试(重复200次完全充电和放电到900mA后，测量耗尽电压的时间)
高温和低温的运行测试(将一个适配器连接到电池组输入端，并将一个负载连接到输入端，在温度为70度摄氏和负20度摄氏环境中放置72小时后进行测量)
高温高湿度耐久性测试(在温度为70度摄氏，湿度为60％的环境中放置72小时，然后在室温下放置24小时后进行测量)
低温耐久性测试(在温度为负30摄氏度的环境中放置72小时，然后在室温下放置24小时后进行测量)
如上一系列可靠性测试中所示，本发明电池组具有杰出使用寿命时间特性和耐久性，并证明即使在残酷条件下也是可靠的。
工业适用性如上所述，本发明通过将多节充电电池构成单体电池组能够对电子器具延长电池的使用时间，并可重新使用。此外，本发明电池组可与普通商用电池互换，并可快速及轻易地充电。
另外，本发明电池组具有内部的电池安全装置，该电池安全装置设计成当在充电电极上的电流过充时，切断到蓄电池组电池的电流，而当放电电极的输出电压下降到低于某一电压时，中止电池组放电，由此改善电池的可靠性。
权利要求
1.一种充电电池组，包含至少两节单体电池，每节所述单体电池含有阴极端和阳极端，其特征在于，所述充电电池组包含充电电极和放电电极；一块电路板，在所述电路板上安装有一个电池安全装置，当充电电极上的电流过充时，所述安全装置切断所述电流，并当所述放电电极输出电压下降到低于某一电压时，中止所述电池组的所述放电；阴极连接导体，将所述充电和放电电极连接到所述单体电池的所述阴极端；阳极连接导体，将所述充电和放电电极连接到所述单体电池的所述阳极端；盖板，所述盖板含有一块电路板，并在形成阴极端的各电池上部中和形成阳极端的各电池下部中，将所述各电池、所述阴极连接导体、所述阳极连接导体和所述电路板连接成一个单个的电池组；及所述阴极连接导体和所述阳极连接导体中至少一根导体电气连接到所述电路板。
2.按照权利要求1所述的电池组，其特征在于，所述阴极连接导体是十字形连接导体，穿过单体电池的阴极端和阳极端，及所述阳极连接导体包含所述第二阳极连接导体，直接连接到所述单体电池的所述阳极端；和所述第一阳极连接导体，是十字形连接导体，穿过所述阴极端和阳极端。
3.按照权利要求1所述的电池组，其特征在于，所述阴极连接导体包含第一板形连接导体，直接连接到一节单体电池的所述阴极端；及第一线形子导体，在延伸到一节单体电池的所述阳极端前，将所述第一线形子导体安装到所述第一绝缘板，并连接到所述第一板形连接导体，及所述阳极连接导体包含第二板形连接导体，直接连接到一节单体电池的所述阳极端；及第二线形子导体，在延伸到所述阴极端之前，将所述第二线形子导体安装到所述第二绝缘板，并连接到所述第二板形连接导体。
4.按照权利要求1所述的电池组，其特征在于，所述电池安全装置包含切断开关，连接在所述电池组和所述外部电子器具或外部充电装置之间；电压传感器，用于检测所述电池组的输出电压；第一电压比较器，用于当所述输出电压高于过充的固定电压时，打开所述切断开关；及第二电压比较器，用于当所述电压低于过放电的固定电压时，打开所述切断开关。
5.按照权利要求1所述的电池组，其特征在于，所述电池安全装置包含过充电检测器，过放电检测器，过流检测器，短路检测器，充电比较器，放电开关，充电开关和电路控制器；所述电路控制器连接在所述电池组电极，开关，和单体电池之间，如果电池组的所述电压达到高于所述过充电检测电压阀值，所述过充电检测器经控制器切断所述充电开关，如果电池组的所述电压达到低于所述放电检测电压阀值，所述过放电检测器经控制器切断所述放电开关，及如果所述电池组的放电电流超过一个标准值，所述过流检测器和所述短路检测器切断所述充电开关。
6.按照权利要求4或6所述的电池组，其特征在于，进一步包含恒压电路，用于控制所述单体电池的输出电压。
7.一种充电电池组，包含至少两节单体电池，每节单体电池含有阴极端和阳极端，其特征在于，所述充电电池组包含充电电极和放电电极；一块电路板，含有一个电池安全装置，当在所述充电电极上的电流过充时，切断到所述蓄电池组电池的所述电流，并当所述放电电极的所述输出电压下降到低于某一电压时，中止所述电池组的所述放电；阴极连接导体，通过串行连接，将所述充电电极电连接到一节单体电池的所述阴极端；阳极连接导体，串行连接所述阳极端，并经过所述电路板内的所述电池安全装置，将它们电连接到所述充电和放电电极；固定盖帽，固定所述电路板；及盖板，所述盖板将所述各电池、所述固定盖帽、所述阴极连接导体、所述阳极连接导体和所述电路板，在上部具有阴极端而下部具有阳极端的各电池中，连接成一个单个的电池组形式。
8.一种充电电池组，包含至少两节单体电池，每节电池含有阴极端和阳极端，其特征在于，所述充电电池组包含充电电极和放电电极；一块电路板，含有电池安全装置，当在所述放电电极上的所述电流过充时，切断到所述蓄电池组电池的所述电流，并当所述放电电极的所述输出电压下降到低于某一电压时，中止所述电池组的所述放电；阴极连接导体，用于将一节单体电池的所述阴极端电连接到所述充电和放电电极，所述阴极连接导体包含第一板形连接导体，直接连接到单体电池的所述阴极端；和第一线状导体，在延伸到单体电池的所述阳极端之前，将所述第一线形导体安装到所述第一绝缘板，并连接到所述第一板形连接导体；阳极连接导体，用于经过所述电路板内的所述电池安全装置，将所述阳极端电连接到所述充电和放电电极，所述阳极连接导体既包含所述第二板形连接导体，直接连接到单体电池的所述阳极端，又包含所述第二线形补充导体在延伸到所述阴极端之前，将所述第二线形补充导体安装到所述第二绝缘板，并连接到所述第二板形连接导体；及盖板，所述盖板将所述各电池、所述固定盖帽、所述阴极连接导体、所述阳极连接导体和所述电路板，在所述各电池具有阴极端的上部中和具有阳极端的下部中，连接成一种单个的电池组形式。
9.按照权利要求7或8所述的电池组，其特征在于，所述电池安全装置包含切断开关，连接在所述电池组和外部电子器具或外部充电装置之间；电压传感器，采样所述电池组的所述输出电压；第一电压比较器，当所述输出电压高于过充电的固定阀值电压时，打开所述切断开关；及第二电压比较器，当所述电压低于过放电的固定阀值电压时，打开所述切断开关。
10.按照权利要求9所述的电池组，其特征在于，所述切断开关包含充电开关和放电开关，而所述电池安全装置另外包含过流检测器以及短路检测器，当所述放电电压变成高于所述固定标准值时，所述电池安全装置切断所述放电开关。
11.制造含有至少两节单体电池的充电电池组的方法，所述电池每节带有阴极端和阳极端，其特征在于，所述方法包含步骤用粘结材料将单体电池结合在一起；制备电路板，所述电路板含有电池安全装置，当所述充电电极上的所述电流过充电时，切断到所述蓄电池组电池的所述电流，并当所述放电电极的所述输出电压下降到低于某一电压时，中止所述电池组的所述放电；将阴极连接导体和阳极连接导体结合到所述电路板，所述阴极连接导体将所述单体电池的阴极端电连接到所述充电电极，而所述阳极连接导体将所述单体电池的所述阳极端电连接到所述充电电极；及安装盖板，在所述各电池具有阴极端的上部中和具有阳极端的下部中，将所述各电池、所述阴极连接导体、所述阳极连接导体和所述电路板连接成一种单个的电池组形式。
全文摘要
能与普通商用电池互换的充电电池组含有电池安全装置；至少两节带有阴极和阳极的单体电池；和一块电路板，含有电池安全装置，所述电池安全装置设计成当充电电极上的电流过充电时，切断到蓄电池组电池的电流，并当放电电极的输出电压下降到低于某一电压时，中止电池组的放电。阴极连接导体将充电和放电电极连接到单体电池的阴极端，而阳极连接导体将充电和放电电极连接到单体电池的阳极端。盖板，所述盖板含有电路板，在各电池的上部和下部中，将各个电池、阴极连接导体、阳极连接导体和电路板连接成一种单个的电池组形式。阴极连接导体和阳极连接导体中的至少一种导体电气连接到电路板。本发明的电池组例如可由锂离子电池构成，并用在例如数字照相机的电子器件中。
文档编号H01M10/42GK1507670SQ03800215
公开日2004年6月23日 申请日期2003年5月9日 优先权日2002年5月9日
发明者李圣勋 申请人:莫比电力有限公司