电池组的制作方法

专利名称：电池组的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用于诸如圆柱形锂离子二次电池的二次电池的电池组。
背景技术：
近年来，包括移动电话和笔记本式个人计算机在内的越来越多的电子器件已经变 成无线式及便携式电子器件，并且已经陆续开发了薄型化、小型化且轻量化的便携式电子 器件。而且，由于电动工具和车载器械(电动车辆)的器件和功能的多样化使得电力使用 量增大，因此，对作为这些电子器件的能源的电池的高容量化和轻量化的要求提高。因此，作为满足上述要求的二次电池，已经提出了利用锂离子嵌入和脱嵌的锂离 子二次电池(下文也称为锂离子电池)。锂离子电池具有正极和负极。例如，正极是以将使用诸如LiCoA或LiNW2的锂复 合氧化物的正极活性材料层形成在正极集电体上的方式形成的。负极由使用可嵌入和脱嵌 锂的碳材料(例如，石墨或难石墨化的碳材料)的负极活性材料层形成。负极活性材料层形 成在负极集电体上。负极和正极一个层叠在另一个之上，隔膜置于负极和正极之间，并且弯 曲或卷绕而形成电池元件。此种电池元件容纳在金属壳或层压膜中，例如，与通过将锂盐溶 解在非质子有机溶剂中获得的非水电解液一起容纳在金属壳或层压膜中，从而形成电池。锂离子电池被设计成在正常使用条件下确保足够安全。例如，锂离子电池配备有 在电池内部温度增大时限制电流的正温度系数(PTC)元件，以及在内电压增大时切断电池 中电连接的安全阀。而且，由于锂离子电池对过充电和过放电敏感，所以锂离子电池通常形成为电池 单元(battery cell)和保护电路被一体化的电池组。该保护电路具有过充电保护功能、过 放电保护功能和过电流保护功能。下面将简单地描述这些保护功能。现描述过充电保护功能。当对锂离子电池进行充电时，即使在锂离子电池充满电 之后，电池电压仍继续增大。这种过充电状态对锂离子电池可能是危险的。因此，有必要 在充电控制电压等于或小于电池的额定电压(例如，4.2V)的状态下在恒定电压下以恒定 电流执行充电。然而，还存在由充电器的故障或使用不同型号的充电器导致发生过充电的 危险。当电池被过充电并且电池电压等于或大于一定电压值时，该保护电路断开充电控制 FET(场效应晶体管)并中断充电电流。这个功能是过充电保护功能。现描述过放电保护功能。当电池被放电到低于额定放电截止电压并达到电池电压 为例如2V至1. 5V以下的过放电状态时，该电池就可能失效。当电池被放电且电池电压等 于或小于一定电压值时，该保护电路断开放电控制FET并中断放电电流。这个功能是过放 电保护功能。
现说明过电流保护功能。当电池的正端子与负端子之间发生短路时，存在大电流 流动和异常发热产生的危险。当流过等于或大于一定电流值的放电电流时，保护电路断开 放电控制FET并中断放电电流。这个功能是过电流保护功能。过放电保护功能和过电流保 护功能是相似的功能，因为都中断了放电电流。这类锂离子电池必须由正规的制造商制造的充电装置进行充电，以便安全使用电 池并防止诸如电池寿命缩短的问题的发生。例如，一些非正规的充电装置不满足正常的技 术规范，如果使用这种充电装置进行充电，则存在电池被过充电的可能性。另一方面，如果 使用电池组作为电源的电子器件(以下称为应用装置)不是正规的器件，则存在放电电流 太大的可能性。因而，期望应用装置是正规的装置。日本专利第3833679号记载了充电控制方法，在该方法中，在电池组与充电装置 之间执行相互认证之后，当认证失败时，中断充电电流。此外，未审查的日本专利申请公开 第11-164548号记载了在电池组与充电装置之间进行无线通信，电池组的信息被充电装置 获得，而基于如此获得的信息来进行充电。

发明内容
根据日本专利第3833679号中记载的充电控制方法，电池组中的微计算机与充电 装置中的微计算机经由专用通信线路进行双向通信。如上所述，当设置不同于供电端子的 通信端子时，非正规的电池组或非正规的充电装置制造商会直接意识到基于通信端子的存 在来进行认证。因此，通过分析由通信端子控制的微计算机，很可能生产出包括非正规的电 池单元的电池组，该电池单元配备有用于认证的复制的电子电路。此外，设置通信端子导致 组件数目增多和费用增大。日本未审查专利申请公开第11-164548号中记载的执行无线通信的构造由于无 线通信而增大了费用。此外，存在用于无线通信的单元被复制的可能性。另外，电池组通常包括多个单电池，并且期望进行关于每个单电池是否为正规产 品的认证。对于其中一个识别电阻器连接到电池组的构造，难以处理部分单电池被非正规 产品代替的情形。而且，在使用多个电池单元的电池组中，在每个电池的两个端子和检测部 之间设置配线，以检测每个电池单元的电池电压。这会使得电池组中的配线复杂化。当使用多个电池单元时，期望的是，提供未设置用于认证的通信端子的电池组，该 通信端子包括在执行上述认证的电池组中。根据本发明的实施方式，提供了一种电池组，其包括多个单电池，该多个单电池 串联或并联连接在第一线路与第二线路之间，每个单电池都具有电池单元、执行认证处理 的控制电路、连接到控制电路并将系列二进制数据串叠加在电池单元的电池输出上的通信 块、以及由控制电路控制的开关元件。控制电路产生自身的地址。每个单电池的控制电路 将包括该地址的系列二进制数据串经由通信块以及第一线路和第二线路传输到本体，并对 每个单电池进行认证。当认证成功时，接通开关元件，并执行充电或放电，而当认证失败时， 断开开关元件，并禁止充电或放电。优选地，单电池的控制电路进一步控制电池单元的过充电和过放电的保护功能。根据本发明的实施方式，每个单电池经由两条传输电池电压的线路与本体通信。 与使用单独的通信端子和通信线路的构造相比，可以简化构造和减少费用。本体可以与多个单电池单独地进行通信，并确定每个单电池是否是正规产品。


图1是可应用本发明实施方式的圆柱形锂离子电池的实例的截面图；图2是可应用本发明实施方式的圆柱形锂离子电池中的安全装置的组件的透视 图；图3是根据本发明实施方式的圆柱形锂离子电池的正极部的截面图；图4是根据本发明实施方式的圆柱形锂离子电池的正极部的平面图；图5是示出根据本发明实施方式的保护和认证电路的构造的连接图；图6是用于描述保护和认证电路中通信块接收操作的接线图；图7A至图7C是用于描述保护和认证电路中通信块的接收操作的波形图；图8是用于描述保护和认证电路中通信块的传输操作的接线图；图9是用于描述本发明实施方式的控制操作的流程图；图10是用于描述本发明实施方式中充电时的控制操作的流程图；图11是用于描述本发明实施方式中放电时的控制操作的流程图；图12是示出本发明实施方式的构造的方框图；图13A和图1 是用于描述本发明实施方式的传输信号的波形图；图14是示出本发明实施方式的变形例的构造的方框图；以及图15是示出本发明实施方式的控制处理的流程图。
具体实施例方式将描述本发明的实施方式1. 一般的锂离子二次电池的实例2.实施方式3.变形例应当理解，以下描述的本发明的实施方式是本发明优选的具体实例并包括各种优 选的技术限定。然而，本发明的范围不局限于这些实施方式，除非在以下的描述中说明了该 范围限制于此。1. 一般的锂离子二次电池的实例现参考图1来描述可应用于根据本发明实施方式的电池单元的一般的圆柱形锂 离子电池的实例。发电元件10容纳在圆柱形电池壳体20中。发电元件10由带状正极11和带状负极12组成，该正极11和负极12绕中心销15 卷绕，其中隔膜13置于正极与负极之间，隔膜13浸有液状电解质的电解液。正极11具有 这样的结构，其中包括可进行锂(Li)嵌入和脱嵌的正极材料的正极混合物层lib作为正极 活性材料，设置在由例如铝箔形成的正极集电体Ila的两侧(或一侧)上。由铝等制成的 正极引线14附接至正极集电体Ila并从发电元件10引出。负极12具有这样的结构，其中包括可进行锂嵌入和脱嵌的负极材料的负极混合 物层12b作为负极活性材料，设置在由例如铜箔形成的负极集电体12a的两侧(或一侧) 上。由铜制成的负极引线16附接至负极集电体12a并从发电元件10中引出。
隔膜13由多孔膜形成，该多孔膜由诸如合成树脂或陶瓷制成。电解液包括例如诸 如有机溶剂的溶剂和溶解在该溶剂中的电解盐的锂盐。一对绝缘板31和32配置在通过将 正极11和负极12绕中心销15卷绕所形成的发电元件10的端面上。电池壳体20由例如镀镍(Ni)铁(Fe)或不锈钢制成。电池壳体20在一个端面 (负极)侧封闭，而在另一个端面(正极)侧敞开。电池壳体20连接到负极，并制成用作负 极端子。另外，安全机构40和电池盖50通过挤压进电池壳体20的敞开端面而固定其中垫 片60置于电池壳体20与安全机构40和电池盖50之间，从而使电池壳体20密闭。现参考图2描述安全机构40的实例，其中图2是安全机构40的一半的透视图。由 诸如铝的金属材料制成的安全阀41嵌合在由诸如铝的金属材料制成的支撑座42中，绝缘 座43置于安全阀41与支撑座42之间。安全阀41在其底部中心具有朝向发电元件10突 出的突出部41a，且突出部41a插入在支撑座42底部中心形成的开口 4 中。在安全阀41 的外围，设置有法兰部41b以确保电池盖50和安全阀41之间经由置于法兰部41b与电池 盖50之间的PTC元件44的电连接。多个开口 42b作为通气孔形成在支撑座42的侧壁中。 正极引线14被焊接至安全阀41的突出部41a。在安全机构40中，当由于内部短路、外部所施加的加热等引起电池内压增大并达 到预定值时，增大的内压经由支撑座42的开口 42b传送到安全阀41。由于内压使安全阀 41朝向电池盖50变形。结果，缓和了电池内压，但中断了安全阀41与正极引线14之间的 电连接，从而中断电池盖50与发电元件10之间的电连接。电池盖50用作电池的正极端子。如同电池壳体20那样，例如，电池盖50由镀镍 不锈钢制成，在其外围具有法兰部51，并在其上部具有多个切口(notch)。电池盖50的法 兰部51经由置于法兰部51与法兰部41b之间的PTC元件44电连接至安全阀41的法兰部 41b。当温度升高时PTC元件44的电阻值增大，从而PTC元件44防止由大电流引起的异常 发热的发生。例如，以上描述的二次电池的制造如下。首先，将可执行锂嵌入和脱嵌的正极材料、导电剂和粘结剂混合在一起，以制备正 极混合物，并将该正极混合物分散在混合溶剂中，从而获得正极混合物浆料。接着，将正极 混合物浆料涂布在正极集电体Ila上并进行干燥，然后对其进行压缩成型以形成正极混合 物层lib。这样，就形成了正极11。随后，通过超声波焊接、点焊接等将正极引线14连接至 正极集电体11a。将可执行锂嵌入和脱嵌的负极材料和粘结剂混合在一起，以制备负极混合物，并 将该负极混合物分散在混合溶剂中，从而获得负极混合物浆料。接着，将负极混合物浆料涂 布在负极集电体1 上并进行干燥，然后对其进行压缩成型以形成负极混合物层12b。这 样，就形成了负极12。随后，通过超声波焊接、点焊接等将负极引线16连接至负极集电体 12a。另外，将正极11和负极12卷绕多次，从而获得卷绕电极体，其中在正极11与负极 12之间设置有隔膜13。然后，将该卷绕电极体夹在一对绝缘板31和32之间，并被容纳在 电池壳体20中。随后，将正极引线14焊接至安全机构40的安全阀41上，而将负极引线16 焊接至电池壳体20上。而且，通过将电解盐溶解在溶剂中来制备电解液。随后，将电解液注入电池壳体207中，并用电解液浸渍隔膜13。此后，通过将安全机构40和电池盖50挤压到电池壳体20的 敞开部中而将它们固定到该敞开部，其中在电池壳体20与安全机构40和电池盖50之间设 置有垫片60。用这种方式，就完成了锂离子电池的制造。尽管在上述描述中未进行说明，但 实际上，树脂环垫圈装在电池盖50中，且该电池被树脂管完全覆盖。2.实施方式正极侧的结构当将本发明实施方式应用于上述锂离子二次电池时，与本实施方式相关的部分形 成在图3和图4中所示的正极侧上。发电元件和其他组件与参考图1已经描述的一般的圆 柱形锂离子电池的那些相似。安全装置包括由铝或其他金属材料制成的盘状物112、由铝或其他金属材料制成 的板状安全阀114、以及其他部件。安全阀114具有用作开裂阀(cleavage valve)的薄的 部分。附接到正极集电体的正极引线111被焊接至盘状物112。该盘状物112具有在其中 心形成的突出部113作为中断部。用于通风的多个开口形成在盘状物112中。突出部113 与位于突出部113上面的安全阀114接触或焊接至安全阀114。盘状物112的除突出部113 之外的其他部分通过为环状绝缘体的盘状物座(未示出)与安全阀114绝缘。在图1的结构中，PTC元件44配置在安全阀41与电池盖50之间。在这个实施方 式中，如图3中所示，印刷线路板115配置在安全阀114与电池盖116之间。因此，印刷线 路板115的厚度与PTC元件44基本相同是优选的。印刷线路板115是在其中心具有开口 的环状板，并且可在其两侧上形成布线图案。在印刷线路板115的下面上，形成可电连接至安全阀114的图案。由于相对高的 电流流过该图案，因此使该图案与安全阀114在大面积内面接触是优选的。例如，形成环状 导电图案。该导电图案和形成在印刷线路板115的上面上的导电图案的预定部分经由通孔 等而电连接。电池壳体120连接到发电元件的负极集电体，并用作负极端子。安全阀114、印刷 线路板115、以及电池盖116的法兰部挤压到电池壳体120的敞开部中，其中垫片121配置 在这些部件与电池壳体120之间，并使电池120密闭。电池盖116与三个脚部117a、117b和117c形成为一体，所述三个脚部位于从平坦 法兰部朝向位于中央的平坦端子面。这些脚部117a、117b和117c以约120°的角间隔被定 位，且在脚部117a、117b和117c之间形成开口。尽管图中未示出，但树脂环形垫圈装在电 池盖116中，且该电池被树脂管完全覆盖。当在电池壳体120中产生气体且内压增大时，通过盘状物112中的开口向上推动 安全阀114以缓和内压，且突出部113和安全阀114之间的焊接部分脱落，从而中断了发电 元件的正极侧与电池盖116之间的电连接。当内压进一步增大时，安全阀114的自身的薄 的部分被破坏，从而气体通过形成在印刷线路板115的中央的开口 118以及电池盖116的 脚部117a、117b和17c之间的开口而释放到电池的外部。在印刷线路板115上，形成有锂离子电池的保护和认证电路。即，P沟道FET元件 131装配在印刷线路板115上，该P沟道FET元件131用作接通/断开发电元件的正极侧 (安全阀114)与电池单元的正极输出端子(电池盖116)之间的电流通路的开关元件。而 且，向FET元件131供给控制信号的控制电路IC(集成电路)132、串联插入上述电流通路的保险丝133、以及其他电路元件装配在印刷线路板115上，从而形成保护和认证电路。控制电路IC 132包括微计算机，并具有保护功能和认证功能。作为装配在印刷线 路板115上的电路组件中的相对大的组件，FET元件131和控制电路IC 132布置在电池盖 116的脚部117a、117b和17c之间的开口之下，以使FET元件131和控制电路IC 132的上 部不碰到电池盖116(参见图4)。当流动的电流等于或高于预定值，或者温度升高到或超过预定值温度时，保险丝 133熔断。保险丝133的一端连接至FET元件131，其另一端经由导电图案连接(例如，焊 接)至电池盖116的法兰部。包括FET元件131和保险丝133的导电图案具有流过充电电 流和放电电流所需要的尺寸(宽度或体积)。设置了密封FET元件131和保险丝133附近的区域的涂层材料(用交替的长短虚 线表示的)134，和密封控制电路IC 132附近的区域的涂层材料(用交替的长短虚线表示 的)135，其中FET元件131和保险丝133是装配在印刷线路板115上的主要电路组件。可 选择地，印刷线路板115可被完全包覆。形成为电池壳体120的突出部的蝶片(tab) 120a通过焊接等连接至导电图案，该 导电图案连接至控制电路IC 132的接地侧端子。蝶片120a可以是小蝶片，因为与充电电 流或放电电流相比流过控制电路IC 132的电流较小。保护和认证电路图5示出本发明实施方式的保护和认证电路的电路构造。电池单元(发电元件) BT的正极连接到P沟道FET QpI的源极，FET QpI的漏极和P通道FET Qp2的漏极连接在一 起，并且FET 的源极经由保险丝133连接到正侧端子(电池盖116)。FET 是用于充 电控制的FET，充电控制信号Sl经由电阻器从控制电路IC 132供给到FET GlpI的栅极。FET是用于放电控制的FET，放电控制信号S2经由电阻器从控制电路IC 132供给到FET Qp2 的栅极。寄生二极管dl和d2存在于FET的漏极与源极之间。控制电路IC 132的供电端子连接到电池单元BT的正极侧和FET 的源极，而 控制电路132的接地端子(GND)连接到电池单元BT的负极侧。如上所述，这个连接是经由 与电池壳体120形成为一体的碟片120a建立的。进一步地，通信块141连接到控制电路IC 132。通信块141与认证的本体进行双 向通信。本体是充电装置或使用电池组作为电源的应用装置，并包括结构与电池组中的通 信块141相似的通信块。电池组与本体通过用于传输正负电源的两条线路而连接。系列二 进制数据串经由这两条线路进行传送。从控制电路IC 132输出并被发送到本体的信息包 括电池单元BT的端子电压。可使用由EIA(电子工业联盟)标准定义的RS422、RS-485等 作为传输方法。稍后将详细描述通信块141。保护操作当在上述保护和认证电路中电池单元BT的电压达到过充电检测电压，或者电池 单元BT的电压等于或小于过放电检测电压时，控制电路IC 132将控制信号传输到FET的 栅极，从而防止过充电和过放电。此处，当使用锂离子电池时，过充电检测电压可设定为例 如4. 2 士0. 5V，而过放电检测电压可设定为2. 4士0. IV。当电池电压达到过充电检测电压时，通过来自控制电路IC 132的充电控制信号 Sl断开充电控制FET %1，从而无充电电流流过。在充电控制FET 被断开之后，只有经由寄生二极管dl和放电控制FET Qp2发生放电的可能性。当电池电压为过放电检测电压时，通过来自控制电路IC 132的放电控制信号S2 断开放电控制FET %2，从而无放电电流流过。在放电控制FET 被断开之后，只有经由 寄生二极管d2和充电控制FET 发生充电的可能性。而且，当在电池的正端子和负端子 之间发生短路时，将存在高电流流过和异常发热产生的危险性。当流过的放电电流等于或 大于一定电流值时，保护和认证电路通过断开放电控制FET 而将放电电流中断。另外， 当由于FET QpI或Qp2损坏而导致发生高电流流过的异常状态时，保险丝133熔断以确保安 全。如上所述，根据本发明实施方式，每个电池都包括保护和认证电路，这使多个电池 串联或并联连接变得容易。进一步地，没有必要通过将引线引出至电池外部来连接保护和 认证电路。由于P沟道FET用于接通/断开正侧线路，所以可以将保护和认证电路布置在 正侧安全装置上面的空间中并可以消除用于连接的引线长的问题。此外，通过将控制电路 的接地端子连接到作为电池壳体的延伸部分的碟片，可以简化布线图案并防止组件数目的 增加。通信块通信块141包括从线路接收平衡差分输入的接收器142和向该线路发送平衡差 分输出的发生器145。从本体传输的系列二进制数据串被供给到正侧端子(+)和负侧端子 (-)，并作为差分输入经由电容器143和144输入到接收器142。从接收器142获得的系列 二进制数据串被输入到控制电路IC 132。发生器145的差分输出经由电容器143和144被供给到电池组的正侧端子⑴和 负侧端子(-)。从控制电路IC 132输出的系列二进制数据串被供给到发生器145。通过发 生器145输出的系列二进制数据串叠加在从每个输出端子引出的传输线路上。尽管图中没 有示出，反相位使能信号从控制电路IC 132供给到接收器142和发生器145，从而切换接收 器142和发生器145的操作状态(其中接收器142和发生器145连接到传输线路)和非操 作状态(其中接收器142和发生器145与传输线路断开)。设置在本体中并具有相似构造的通信块的操作状态与非操作状态之间的切换，相 对于电池组中的切换操作在相位上是相反的。即，当从本体向电池组传输数据时，本体的发 生器和电池组的接收器142连接到正侧端子和负侧端子。反之，当从电池组向本体传输数 据时，电池组的发生器145和本体的接收器连接到正侧端子和负侧端子。参考图6，将描述其中接收器142处于操作状态的数据接收操作。如图7A中所示， 在正侧端子(Ta)与负侧端子(Tb)之间提供具有电池单元BT电压例如+4V的信号电压Vab 作为偏压，该信号电压具有P-P(峰-峰值)为+3V的振幅。作为通过电容器143和144的 结果，端子Tc和Td之间的电压Vcd具有该偏压被截断截除(cut)的信号波形(图7B)，该 信号波形在中心为0V。图7B中示出的信号波形被输入到接收器142中，而接收器142根据信号波形是正 还是负，将系列二进制数据串Ve (图7C)输出到输出端子(Te)。示出了当接收器142的电 源电压为3V时的该系列二进制数据串的波形。从接收器142输出的该系列二进制数据串 Ve被供给到控制电路IC 132。在发生器145处于操作状态的数据传输操作中，执行与上述数据接收操作相反的处理。将要从控制电路IC 132传输的系列二进制数据串(其是与图7C中波形相似的波 形)供给到图8中表示为Tf的输入端子。发生器145的差分输出(产生于Tc和Td之间 的与图7B相似的电压Vcd)被传输到经由电容器143和144连接到正侧端子和负侧端子的 传输线路。该电压是与产生于Ta和Tb之间的图7A相同的电压Vab。图7B中示出的信号波形被输入到接收器142中，接收器142根据该信号波形是正 还是负，将二进制数据(图7C)输出到输出端子(Te)。示出当接收器142的电源电压为+3V 时的该二进制数据的波形。认证和控制处理通过使用上述通信块141，在电池组与本体(充电装置或应用装置)之间执行双向 通信，执行认证处理，并根据认证结果执行控制处理。以预定的间隔例如1秒的间隔，通过 保护和认证电路中的控制电路IC 132重复进行认证处理。此外，在充电操作和放电操作中 都执行认证处理。作为认证方式，使用相互认证，例如询问/响应方式。相互认证在电池组附接至本 体时执行相互认证。可以通过使用例如检测物理连接存在与否的方法检测电池组是否附接 至本体。在询问/响应方式中，保密信息在电池组和本体之间共享，询问数据首先从本体传 输到电池组。询问数据是临时数据，而且使用随机数字作为询问数据。接收到询问数据的电池组由它的保密信息和该询问数据产生响应数据，并将该响 应数据返回到本体。本体也执行相同的产生处理，并将由此所产生的数据与响应数据进行 比较。当发现该数据与响应数据匹配时，就确认该电池组知悉此保密信息。S卩，附接至本体 的电池组被确定为正规产品。否则，该电池组未通过认证，并被确定为非正规产品。存储该 认证结果。然后，电池组执行认证，而本体被认证。本体由从电池组接收到的询问数据和保密 信息产生响应数据，并将该响应数据返回到电池组。在电池组中对通过相同的产生处理产 生的数据和接收到的响应数据进行比较，基于该数据是否与响应数据匹配执行认证，并存 储认证结果。在这种情况下，电池组确定该本体是否是正规产品。电池组获得的认证结果被返回到本体。在本体中，当两个认证结果都成功时，就确 定相互认证成功，且本体保存相互认证的结果。当该认证失败时，就不允许该本体使用该电 池组。执行认证的电池组将关于被认证的本体的认证结果保存。如稍后将要描述的，当该认 证失败时，禁止对该电池组进行充电或放电。充电或放电仅可以由正规的本体执行，因为非 正规的本体没有通过电池组的认证。上述询问/响应方式的认证方法是认证方法的实例， 也可使用其他的认证方法。例如，也可使用这种方法，根据该方法，单电池和本体具有它们 本身的ID，本体对单电池的ID执行认证，并且单电池对本体的ID执行认证。如图9中所示，当电池组附接至本体(充电装置或应用装置)时，开始进行处理。 在步骤Sl中，测量电压和电流。电池单元两端的电压表示为B+，以及正侧端子与负侧端子 之间的电压表示为EB+。测量这些电压之间的电压差，并基于该电压差计算电流值。在步骤 S2中，测量单元电压。当使用单个单元时，该单元电压等于B+。在步骤S3中，检测电流方向，并基于电流方向判定该操作是充电操作还是放电操 作。当该操作被判定为充电操作时，执行步骤S4(在充电时执行的处理)；当该操作被判定 为放电操作时，执行步骤S5(在放电时执行的处理)。11
在充电时执行的处理将参考图10描述在充电时执行的处理(图9中的步骤S4)。在步骤Sll中，判定 步骤S2中测得的单元电压是否是2. 5V或3. OV以上。为了防止过放电，检查该电池电压是 否等于或大于预定值。如果在步骤Sll中单元电压不是2. 5V或3V以上，则结束该处理。如果在步骤Sll中单元电压是2. 5V或3V以上，则在步骤S12中判定认证是否成 功。上述认证处理是在步骤Sll中该单元电压为2. 5V或3V以上时被执行。可替换地，该 认证处理可在电池组附接至充电装置之后立即执行。如果认证成功，则不执行充电中断操作。如果认证失败，则在步骤S13中设定定时 器，并在步骤S14中判定预定时间例如60秒是否已经过去。该等待时间保证该认证操作确 实被执行。如果没有过去60秒，则处理回到步骤S12。如果判定已过去60秒，则在步骤S15 中执行充电中断操作。也即，断开充电控制FET QpI0在步骤S16中，测量电压B+和EB+。在步骤S17中，对这些电压进行相互比较。如 果B+ < EB+，则判定该电池组连接到充电装置，且该处理回到步骤S16。如果B+ > EB+，则 判定该电池组已从充电装置中取下，且处理进行到步骤S19。在步骤S19中，取消充电中断 操作，并接通充电控制FET。因此使该状态进入充电控制FETQpl和放电控制FET Qp2都接 通的正常状态。在放电时执行的处理将参考图11描述在放电时执行的处理(图9中步骤S5)。在步骤S21中，判定步 骤S2中测得的单元电压是否是4. IV或4. 2V以下。为了防止过放电，检查电池电压是否等 于或小于预定电压。如果在步骤S21中单元电压不是4. IV或4. 2V以下，则结束该处理。如果在步骤S21中单元电压是4. IV或4. 2V以下，则在步骤S22中确定认证是否 成功。上述认证处理是在在步骤S21中该电压为4. IV或4. 2V以下时被执行。可替换的， 该认证处理可在电池组附接至本体之后立即执行。如果认证成功，则不执行放电中断操作。如果认证失败，则在步骤S23中设定定时 器，并在步骤S24中判定预定时间例如60秒是否已经过去。该等待时间可保证该认证操作 确实被执行。如果没有过去60秒，则处理回到步骤S22。如果判定已过去60秒，则在步骤 S25中执行放电中断操作。即，断开放电控制FET Qp20在步骤幻6中，测量电压B+和EB+。在步骤S27中，对这些电压进行相互比较。如 果B+ > EB+或B+≤EB+,则判定放电电流未被中断，且处理回到步骤S26。如果B+ >> EB+,即，如果B+充分大于EB+，则在步骤S28中确认放电电流已被中断，且处理进行到步骤 S29。在步骤幻9中，测量电压B+和EB+。在步骤S30中，对这些电压进行相互比较。如 果B+ >> EB+，则判定电池组连接到本体，且处理回到步骤S29。如果B+ = EB+或B+ > EB+，则在步骤S31中判定电池组已从本体中取下，且处理进行到步骤S32。在步骤S32中， 取消放电中断操作，并接通放电控制FET。因此使该状态进入充电控制FET Qpl和放电控制 FET Qp2都接通的正常状态。具有多个单电池的电池组本发明实施方式是其中多个(例如五个)上述圆柱形锂离子二次电池(单电池) 串联连接的电池组。每个单电池包括图5中所示的保护和认证电路。因此，没有必要将用于测量电压和电流的导线从每个单电池中引出，而这简化了电池组的结构。如图12中所示， 多个单电池8乂1、8乂2、8乂3、8乂4和似5串联连接，从而形成电池组150。在电池组150的正 侧端子和负侧端子处，产生4. 2VX5 = 21V的输出电压。电池组150和本体(充电装置或应用装置)160通过线路L+和L-连接。如上所 述，电池电压和叠加在电池电压上的系列二进制数据串经由线路L+和L-传输到本体160。 本体160的通信块161具有与单电池BXl至B)(5中的每一个中的通信块(参见图5至图8) 相同的构造。即，通信块161具有经由电容器163和164从电池组150接收数据串的接收 器162以及经由电容器163和164向电池组150发送数据串的发生器165。通信块161连接到控制电路IC 166。控制电路IC 166控制本体160与电池组150 之间的通信，并控制本体160与电池组150之间的认证处理。为电池组150的每个单电池 分配地址。例如，分配4位的地址。该地址存储在每个单电池的控制电路IC 132中的非易 失性存储器中。在组装电池组时，识别容纳在同一电池组中的单电池所借助的该地址被写 入单电池的控制电路IC 132中的非易失性存储器中。例如，将地址(0001)分配给单电池BXl，并将地址(0010)、(0011)和(0100)分别 分配给单电池BX2、BX3和BX4。由于用这种方式分配地址，所以可以在经由两条线路L+和 L-的通信中单独地对每个单电池执行双向通信。例如，当控制电路IC 166指定单电池BXl的地址(0001)并将数据传输至电池组 150时，只有单电池BXl产生数据并将所产生的数据传输到本体160的通信块161。如图 13A中所示，从电池组150发送并在其头部具有每个单电池的地址的数据被本体160的通信 块161接收，且图13B中所示的二进制数据串被供给到控制电路IC 166。如上所述，由于单独地执行与电池组150的各单电池的通信，所以也可对每个单 电池执行认证。因此，当单电池BXl至B)(5中的一个为非正规产品时，可以中断充电或放电。如图14中所示，除多个单电池BXl至B)(5之外，在电池组中还可设置通信块171、 控制电路IC 176、充电控制FET Qn3和放电控制FET Qn4。寄生二极管d3和d4存在于FET 的漏极与源极之间。由于充电控制FET Qn3和放电控制FET Qn4设置在单电池的外部，所 以可以使用N沟道FET。本体的构造与图12中所示的实例相同。通信块171执行与电池组中每个单电池的通信，且每个单电池的各自的信息都供 给到控制电路IC 176。控制电路IC 176基于该输入的各自的信息检测每个单电池的过 充电或过放电。当发生过充电时，断开充电控制FET Qn3;当发生过放电时，断开放电控制 FETQn4。在如图14中所示的单个并行电路构造中，每个单电池中的充电控制FET和放电控 制FET都可以省去。然而，在多个并行电路构造中，因为即使一个电路被中断，另一并联电 路还被充电和放电，所以难以省去每个单电池中的充电控制FET和放电控制FET。对具有多个单电池的电池组执行的认证如图15的流程图中所示，对具有多个单电池BXl至B)(5的电池组150执行认证处 理。在步骤S41中，执行单电池BXl和本体160的认证处理。如果认证成功，则处理进行到 步骤S42，并执行单电池BX2和本体160的认证处理。如果认证失败，则在步骤S46中将单 电池BXl中的充电控制FET或放电控制FET断开。然后，结束该处理。如果在步骤S42中 单电池BX2和本体160的认证失败，则在步骤S47中将单电池BX2中的充电控制FET或放 电控制FET断开，并结束该处理。
随后，判定单电池BX3和本体160的认证处理结果(步骤S43)、单电池BX4和本体 160的认证处理结果(步骤S44)、以及单电池B)(5和本体160的认证处理结果(步骤S45)。 如果在认证处理结果中，该认证被判定为失败，则断开相应单电池的控制FET或放电控制 FET (步骤S48、S49和S50)，并结束该处理。3.变形例尽管已经具体描述了本发明的实施方式，但本发明不局限于上述实施方式，且基 于本发明的技术思想可以作出多种更改和变化。例如，每个单电池的保护和认证电路可具 有单独的认证功能，如图14中所示，可在本体中设置单独的保护电路或设置开关元件。例 如，当电池组用作电动工具的电源时，有时难以将大电流的FET结合在电池组中。此外，除 串联连接外，多个单电池的连接还可以并行连接或串行连接。本领域技术人员应当理解，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、 子组合以及替换，只要它们在所附权利要求书或其等价物的范围内。
权利要求
1.一种电池组，包含多个单电池，串联或并联连接在第一线路与第二线路之间，每个所述单电池都包括电池单元、执行认证处理的控制电路、连接至所述控制电路并 将系列二进制数据串叠加在所述电池单元的电池输出上的通信块、以及由所述控制电路控 制的开关元件，其中所述控制电路产生自身的地址，每个单电池的所述控制电路将包括所述地址的系列二进制数据串经由所述通信块及 所述第一线路和所述第二线路传输到本体，对每个单电池执行认证， 当认证成功时，接通所述开关元件，并执行充电或放电，以及 当认证失败时，断开所述开关元件，并禁止充电或放电。
2.根据权利要求1所述的电池组，其中，所述每个单电池的所述控制电路还控制所述 电池单元的过充电保护功能和过放电保护功能。
3.根据权利要求1所述的电池组，还包含这样的控制电路与每个单电池的所述控制 电路进行通信，并控制包括在每个单电池中的所述电池单元的过充电保护功能和过放电保 护功能。
4.根据权利要求1所述的电池组， 其中每个所述单电池还包括具有其一个端面封闭的圆柱形的壳体，所述壳体包含发电元件，由金属材料制成并连 接至所述发电元件的负极侧，安全阀器件，位于所述壳体的另一个端面，并使所述外壳的另一个端面封闭，以及 电池盖，具有多个脚部，由金属材料制成，并且位于所述安全阀器件的上面， 其中，所述安全阀器件具有由金属材料制成的并且由于电池内压的增大而变形的板状 安全阀，以及由于所述安全阀的变形而中断所述发电元件的正极侧与所述电池盖之间的电 连接的中断部，其中，中央具有开口的印刷线路板介于所述安全阀与所述电池盖之间， 其中，所述开关元件由所述印刷线路板上的P沟道FET形成，所述P沟道FET开关所述 安全阀与所述电池盖之间的电流通路，并且其中，所述控制电路的接地侧连接到所述壳体。
5.根据权利要求4所述的电池组，其中，所述壳体的部分上边缘延伸到所述控制电路 的接地侧。
6.根据权利要求4所述的电池组，其中，在对应于所述电池盖的所述脚部之间的开口 的位置处，所述P沟道FET和所述控制电路装配在所述印刷线路板的上表面上。
7.根据权利要求4所述的电池组，其中，保险丝串联插入所述电流通路中并装配在所 述印刷线路板上。
8.根据权利要求7所述的电池组，其中，所述保险丝的一端连接至P沟道FET，而其另 一端经由导电图案连接至所述电池盖的法兰部。
9.根据权利要求4所述的电池组，其中，设置有将装配在所述印刷线路板上的P沟道 FET和保险丝的附近区域密封的涂层材料，以及将所述控制电路附近的区域密封的涂层材 料。
10.根据权利要求4所述的电池组，其中，作为设置在所述单电池中的所述P沟道FET， 设置有用于充电控制的FET和用于放电控制的FET。
11.根据权利要求10所述的电池组，其中所述发电元件的所述正极侧连接至用于充电控制的FET的源极，而用于充电控制的 FET的漏极连接至用于放电控制的FET的漏极，并且用于放电控制的 Τ的源极经由保险丝连接至正侧端子。
12.根据权利要求11所述的电池组，其中所述控制电路经由电阻器向用于充电控制的FET的栅极供给充电控制信号，并且 所述控制电路经由电阻器向用于放电控制的FET的栅极供给放电控制信号。
13.根据权利要求4所述的电池组，其中，所述控制电路的供电端子连接至所述单电池 的正极侧和用于放电控制的FET的源极，且所述控制电路的接地端子连接至所述单电池的 负极侧。
全文摘要
本申请公开了一种电池组，其包括串联或并联连接在第一线路与第二线路之间的单电池，每个单电池都具有电池单元、执行认证处理的控制电路、连接到控制电路并将系列二进制数据串叠加在电池单元的电池输出上的通信块、以及由控制电路控制的开关元件。控制电路产生其地址。每个单电池的控制电路经由通信块及第一线路和第二线路将包括地址的系列二进制数据串传输到本体，以对每个单电池进行认证。当认证成功时，接通开关元件，并执行充电或放电。当认证失败时，断开开关元件，并禁止充电或放电。
文档编号H01M2/20GK102044720SQ20101050219
公开日2011年5月4日 申请日期2010年9月29日 优先权日2009年10月15日
发明者穗刈正树 申请人:索尼公司