蓄电池状态监视电路和蓄电池装置的制作方法

专利名称：蓄电池状态监视电路和蓄电池装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及蓄电池装置和蓄电池状态监视电路，它们中的每一个能够计算诸如锂离子蓄电池等蓄电池的剩余功率。
至于传统的蓄电池状态监视电路，已知有其电路图如图2所示的装置。例如，题为“蓄电池组、蓄电池充电器、充电系统和充电方法”的日本公开特许公报平09-312172就公开了这样一种电路。该公报涉及被称为智能蓄电池系统的蓄电池装置。
用在这种智能蓄电池系统中的每一个锂离子蓄电池不具有像Ni-Cd蓄电池那样的自保护功能，因而为此需要过充电保护电路。因此，其中既设置检测蓄电池电压用的蓄电池电压监视电路4A，又设置停止从外部充电用的开关装置12A。
蓄电池装置22A在作为信息处理装置的微型计算机6A处，接收信号A3A和A4A，它们分别从电压监视电路3A和蓄电池电压监视电路4A输出，以监视蓄电池7A，8A，9A和10A的蓄电池电压、充电电流和放电电流。然后，微型计算机6A利用此信息(蓄电池电压、充电电流和放电电流)，计算蓄电池7A，8A，9A和10A的剩余功率，还控制开关装置12A和13A的通/断，作为限流装置来控制蓄电池7A，8A，9A和10A的充、放电。
以这种方式配置的蓄电池装置22A通过微型计算机6A进行蓄电池7A，8A，9A和10A剩余功率的显示和停止其充电。输出电压A3A和A4A分别从电流监视电路3A和蓄电池电压监视电路4A输入微型计算机6A，后者根据这样输入的电压A3A和A4A计算蓄电池7A，8A，9A和10A的放电电流和蓄电池电压，以便计算该蓄电池的剩余功率。另外，由于微型计算机6A根据该蓄电池的状态(一般说来，过充电、过放电和过流)进行开关装置12A和13A的通断控制，所以，微型计算机6A本身承担了蓄电池装置22A中保护功能(过充电保护、过放电保护和过流保护)的可靠性。
蓄电池电压监视电路4A把蓄电池7A，8A，9A和10A各自的电压转换成每一个都能够被微型计算机6A读出的电压，以输出所得的电压。例如，图6中示出传统电压监视电路的配置的实例。蓄电池电压监视电路4A是一个包括转换开关33A、蓄电池电压放大器34A等的电路。然后，转换开关33A一个接一个地选择与蓄电池7A，8A，9A和10A相关的蓄电池电压，而蓄电池电压监视电路34A把这样选出的蓄电池电压转换成微型计算机6A容易读出的电压，以便以电压A4A的形式输出到一根信号线。于是，选择哪一个蓄电池是根据由微型计算机6A控制的控制信号B4A确定的，使得蓄电池的电压依次地输出到一根信号线上。在这种连接中，就控制信号B4A而论，尽管图6中只示出一根线，但可以理解为多个信号的组合。另外，图6中所示的转换开关电路33A的开关电路是示意表示的，因而只要能一个接一个地输出蓄电池电压，任何开关电路均可应用。
但是，由于在图6所示的传统的蓄电池电压监视电路4A中，蓄电池7A，8A，9A和10A各自输出线上的蓄电池电压是一个接一个地依次地输出到微型计算机6A的，所以需要以下性能。
首先，要有大量的开关用于转换开关电路33A，因而要有大量的信号图像，据此控制这些开关。其次，当蓄电池7A，8A，9A和10A串联时，为了输出各自的电压值，蓄电池电压监视放大器34A必须是差动放大器，还必须具有至少等于或高于蓄电池7A，8A，9A和10A总电压的耐压，还能输出或消除依输入电压电平而产生的偏移电压。
如上所述，产生了一个问题，由于传统的蓄电池电压监视电路必须具有许多性能，所以电路配置变得复杂，并且由于为此还需要高的耐压技术，所以电路面积增大，因而电路的制造成本上升。
有鉴于此，本发明是为了解决上述与先有技术相关的问题而作出的，因而本发明的一个目的是以简单的电路配置构造蓄电池电压监视电路，用简单的方法监视蓄电池电压，以便廉价地提供蓄电池状态监视电路和蓄电池组。
为了达到上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种分压式蓄电池电压监视电路来代替传统的蓄电池电压监视电路，这种电压监视电路能够把多个串联的蓄电池的总电压和每一种连接的电压分成各个任意电压值，以便输出所得的电压值。分压式蓄电池电压监视电路是用简单的电路配置实现的，而且还小型化。此外，还采用一种蓄电池电压监视方法，利用微型计算机作为蓄电池状态监视电路的一个组件，根据蓄电池电压分压电压值的组合计算蓄电池电压。
参照附图阅读对本发明最佳实施例的以下描述，本发明的上述和其它的目的及优点将变得更加清晰。附图中

图1是方框图，部分画成电路图，表示按照本发明的蓄电池状态监视电路一个实施例的配置和使用该电路的蓄电池组；图2是方框图，部分画成电路图，表示传统的蓄电池状态监视电路的配置，及采用此电路的蓄电池装置；图3是电路图，表示用于蓄电池状态监视电路中的分压式蓄电池电压监视电路一个实施例的配置和采用本发明的这种电路的蓄电池装置；图4是电路图，表示用于蓄电池状态监视电路中的分压式蓄电池电压监视电路另一个实施例的配置和采用本发明的这种电路的蓄电池装置；图5是电路图，表示用于蓄电池状态监视电路中的分压式蓄电池电压监视电路再一个实施例的配置和采用本发明的这种电路的蓄电池装置；图6是电路图，表示用于传统的蓄电池监视电路中的蓄电池电压监视电路的配置和采用此电路的蓄电池装置；以及图7是示意图，表示本发明的另一个实施例的配置。
现将参照附图详细地描述本发明的最佳实施例。
图1是方框图，部分画成电路图，表示按照本发明的蓄电池状态监视电路一个实施例的配置和采用此电路的蓄电池组。下面将参照图1详细地描述本发明的这个实施例。
蓄电池装置是指多个彼此串联或并联的蓄电池(例如，锂离子蓄电池)中设置的蓄电池状态监视电路和控制充、放电用的开关装置。在图1所示的实例中，4个蓄电池7，8，9和10彼此串联，蓄电池10的负极连接到检测电阻11。另外，检测电阻11连接到蓄电池装置22的负端子17。此外，蓄电池7的正极连接到开关装置13，后者包括FET(场效应晶体管)等。
开关装置12和开关装置13彼此串联，另外，开关装置12与蓄电池装置22的正端子15串联。开关装置12和13都用来控制来自蓄电池充电器21的电荷的充电和来自蓄电池7，8，9和10的电荷的放电。当打算抑制对蓄电池7，8，9和10中的每一个的充电时，可以断开开关装置12。另一方面，当打算抑制从蓄电池7，8，9和10中的每一个的放电时，可以断开开关装置13。开关装置12和13都还可以连接在蓄电池10的负极和检测电阻11之间。同时，开关装置的类型(N沟道或P沟道)必须根据电路配置适当地改变。类似地，检测电阻11也可以连接到蓄电池装置22的正端子15一侧。
蓄电池状态监视电路14包括调整器1、电压检测电路2、电流监视电路3、分压式蓄电池电压监视电路4、控制电路5、微型计算机6等。
调整器1以这样的方式起作用，使得即使输入电压E3波动，任何时候输出电压E4也都变得恒定(例如，3.3V或5V)。此外，调整器1输出的通/断可以根据控制信号B1控制。
电压检测电路2连接到调整器1的输出端。电压检测电路2，例如，由图1的矩形虚线所包围的，包括比较器和基准电压，当输入到其上的电压达到某个设定值时，改变其输出电压。在图1中，在调整器1的输出电压E4变得等于或低于某个设定值(复位检测电压)时，电压检测电路2的输出RS从高变低。当出现这种输出变化时，微型计算机6停止工作，从而有可能预先防止微型计算机6误动作。一般说来，这样一种控制方法称为“复位法”。微型计算机的复位检测电压指的是微型计算机不误动作(失控)的最低工作电压，而且一般说来，在具有5V输入的微型计算机的情况下，复位检测电压约为4.6V左右。
电流监视电路3把检测电阻11中流过的充电电流和放电电流在其两端引起的电压放大成微型计算机6能够读出的电压，以便将这样放大的电压送到控制电路5。由于一般说来检测电阻11的电阻值小到十分之几欧姆，所以，电流监视电路3把检测电阻两端出现的电压放大几十到几千倍，以便把这样放大的电压提供给控制电路5。
控制电路5具有“切换电源电压的功能”、“与微型计算机通信的功能和控制电路块的功能”、“切换模拟信号的功能”和“数据复位功能”。控制电路5的“切换电源电压的功能”指的是将蓄电池充电器的电压E1和蓄电池的总蓄电池电压E2彼此加以比较，以便把其中较高的电压输出到E3，E3本身是调整器1的电源电压。控制电路5的“与微型计算机通信的功能和控制电路块的功能”指的是把从微型计算机6输出的串行数据DA转换成电路块用的控制信号B1，B2，B3，F1和F2。另外，控制电路5的“切换模拟信号的功能”指的是依次地选择和处理图1所示的电流监视电路3的输出信号A3和多个蓄电池电压监视电路4的输出信号A4，以便以模拟信号AN形式将这样选择和处理的输出信号送到微型计算机6的功能。
模拟信号AN的输出根据来自微型计算机6的信号TK和DA选择充电电流、放电电流或蓄电池电压中的任何一个。控制电路5的“数据复位的功能”指的是为了控制充、放电而根据信号RS切断开关装置12和13，以抑制充、放电的功能，信号RS是在调整器1的输出电压E4变得低于微型计算机6的复位检测电压时发生变化的。
微型计算机6指的是具有监视蓄电池电压、蓄电池7，8，9和10的充电电流和放电电流的功能和根据这些信息计算蓄电池7，8，9和10的剩余功率的功能的计算机。微型计算机6具有A/D(模数转换)和算术运算的功能、通信功能等，并把指令信号TK和DA送到控制电路5，以便依次地以控制电路5的模拟信号AN的形式从电流监视电路3和多个蓄电池电压监视电路4选择和输出模拟信号A3和A4。然后，在模拟信号AN在微型计算机6中进行A/D转换之后，微型计算机6对充电电流和放电电流进行累积，以便在考虑到蓄电池电压的情况下计算蓄电池的剩余功率。
另外，微型计算机6监视蓄电池电压和蓄电池7，8，9和10的放电电流，以便根据该电压和蓄电池的放电电流控制开关装置12和13的通/断，从而保护蓄电池装置22。
由于微型计算机承担了蓄电池装置22中的保护功能(过充电保护、过放电保护和过流保护)的可靠性，所以，若微型计算机6停止工作或微型计算机6发生故障无法工作，则蓄电池装置22在最坏的情况下可能爆炸。于是，为了即使在微型计算机6停止工作或微型计算机6发生故障时蓄电池装置22仍日安全，当电源电压低得使微型计算机6停止工作或微型计算机6的电源电压从低电压上升时，(例如，当电源电压从电源电压一度已经低于复位检测电压的状态复原时，当微型计算机6的电源电压从0V左右上升时)，电压检测电路2使开关装置12和13复位，将开关装置12和13断开，在此状态下，接上蓄电池充电器21使得微型计算机6的电源电压E4变得高到等于或高于微型计算机6正常工作的电压之后，指令信号从微型计算机6送到控制电路5，以便分别接通开关装置12和13。
这样，例如，由于开关装置12和13保持断开、除非微型计算机6送出接通开关装置12和13的指令信号，所以，即使微型计算机6的运转已经停止或微型计算机6发生故障、使得无法对微型计算机进行控制，情况也是既不进行充电，又不进行放电，除非微型计算机送出使开关装置12和13接通的指令信号。因此，即使微型计算机6的运转停止或者微型计算机6发生故障，蓄电池装置22的安全仍旧得到保证。
另外，当微型计算机6从复位状态复原时，由于在开关装置12和13首先断开、然后微型计算机6完美地、稳定地运行之后，开关装置12和13两者都接通，所以，无法测量的充电电流和放电电流消失，因而蓄电池剩余功率的计算精度得以提高。
微型计算机6发出信号B4，后者用来通过控制电路5为分压式蓄电池电压监视电路4选择任意多个蓄电池。响应向其发来的信号B4，分压式蓄电池电压监视电路4通过各电阻将已经选择的任意多个蓄电池的总电压值分成预定的电压值，以便监视所得的各预定电压值，然后通过控制电路5以间接蓄电池电压A4的形式把所得的电压值送到微型计算机6。接着，微型计算机6根据各间接蓄电池电压A4的组合计算蓄电池电压。
图3是一个电路图，表示按照本发明的用于蓄电池状态监视电路的分压式蓄电池电压监视电路一个实施例的配置和采用此电路的蓄电池装置。
图3所示的分压式蓄电池电压监视电路4包括切换电路33，后者又具有彼此串联的分压电阻3301，3302，3303和3304。然后，开关3311，3312，3313和3314以这样的方式连接，即，这些分压电阻和蓄电池7，8，9和10显示一对一的对应关系。
例如，当假定蓄电池7，8，9和10的电压值分别为V1，V2，V3和V4，而且分压电阻3301，3302，3303和3304的电阻值分别为R1，R2，R3和R4时，例如，当只有3314接通时，A4输出电压VA4由表达式(1)表达。
VA4＝V4.....(1)接着，当只有开关3313接通时，A4输出电压VA4由表达式(2)表达。
VA4＝R4(V3+V4)/(R3+R4)......(2)
接着，当只有开关3312接通时，A4输出电压VA4由表达式(3)表达。
VA4＝R4(V2+V3+V4)/(R2+R3+R4)......(3)接着，当只有开关3311接通时，A4输出电压VA4由表达式(4)表达。
VA4＝R4(V1+V2+V3+V4)/(R1+R2+R3+R4)......(4)现在，由于R1至R4的电阻比值是随意设定的，因而是已知的，所以，通过把表达式(1)代入表达式(2)，即可算出电压值V3。类似地，通过把表达式(2)代入表达式(3)，再把表达式(3)代入表达式(4)即可分别计算出电压值V2和V1。
上述蓄电池电压V1至V4的计算可以简单地在本来就包括在蓄电池状态监视电路中的微型计算机6上进行。就是说，根本不必增加任何新电路，也不必增加任何附属组件，只要改变微型计算机6的计算处理方法，即使如同本发明那样输出蓄电池电压的间接信息，也可以用与先有技术类似的方法得知蓄电池电压。
此外，把图6所示的传统的蓄电池电压监视电路和图3中所示的按照本发明的分压式蓄电池电压监视电路4A加以比较即可明白，本发明的分压式蓄电池电压监视电路4的电路配置大大简化。
首先，把本发明的切换电路33与传统的切换电路33A加以比较即可明白，电路配置简化了，开关的数目也减少了。这也有助于简化控制电路和控制开关的信号图像。
其次，由于要输出各个电压值，传统的蓄电池电压监视电路34A有这样的要求，即放大器34A必须是差动放大器，并且至少能承受等于或高于蓄电池7A，8A，9A和10A的总电压，还要能够输出和抵销依输入电压电平而定而产生的偏移电压，而在本发明中，蓄电池电压监视放大器34A本身已变得不必要了。结果，复杂的电路和高电压承受技术都成为不必要了，因而制造成本得以降低，
图4是一个电路图，表示用于本发明的蓄电池状态监视电路的分压式蓄电池电压监视电路的另一个实施例的配置，和采用此电路的蓄电池装置。
在图4中，分压式蓄电池电压监视电路具有加在图3的配置上的电压跟随电路34。这种配置在希望降低信号A4的输出阻抗的情况下是有效的。其它作用与图3所示电路的相似。由于电压跟随电路的配置简单，并且，若切换电路33的分压电阻比值设置适当，则还可以在低电压承受技术的基础上构成，所以，与传统的蓄电池电压监视放大器34A相比电路面积可以减小。
图5是一个电路图，表示用于本发明的蓄电池状态监视电路中的分压式蓄电池电压监视电路再一个实施例的配置，和采用此电路的蓄电池装置。
在图5中，不用图4所示的切换电路33中所设置的分压电阻3301，3302，3303，3304，而用电阻值彼此相等的分压电阻3309。结果，蓄电池电压的计算方法可以简化。
例如，只有开关3314接通时，A4输出电压VA4由表达式(5)表达。
VA4＝V4.....(5)接着，当只有开关3313接通时，A4输出电压VA4由表达式(6)表达。
VA4＝R4(V3+V4)/(R3+R4)＝(V3+V4)/2......(6)接着，当只有开关3312接通时，A4输出电压VA4由表达式(7)表达。
VA4＝R4(V2+V3+V4)/(R2+R3+R4)＝(V2+V3+V4)/3......(7)接着，当只有开关3311接通时，A4输出电压VA4由表达式(8)表达。
VA4＝R4(V1+V2+V3+V4)/(R1+R2+R3+R4)＝(V1+V2V3+V4)/4......(8)由上述表达式(8)，图5所示的分压式蓄电池电压监视电路4被看作是是输出蓄电池电压的平均值，换句话说，分压式蓄电池电压监视电路4就是平均蓄电池电压监视电路。这时，电压跟随电路34可以履行相当于大约一个蓄电池的耐压。例如，当蓄电池的电压最大为4.5V时，传统的蓄电池电压监视电路34A要求18V耐压技术，而本发明的电压跟随电路34可以只要求4.5V的耐压技术。结果，在本发明中，电路可以做得小。
在采用上述分压式蓄电池电压监视电路4的本发明中，由于电路配置大大简化并且变小，所以制造成本得以降低，蓄电池状态监视电路和蓄电池装置也可以低价提供。
另一方面，甚至当蓄电池性能和控制电路性能都提高、使得蓄电池电压的耗散减小因而没有必要知道每一个蓄电池电压时，也可以方便地应用本发明。例如，若一种应用只要用蓄电池平均电压进行简单控制就够了，则微型计算机6的计算处理方法变为只用本发明的表达式(8)。
即使微型计算机6与其它电路块集成在一起(单片集成)，使得微型计算机6和其它电路块难以区分，在把监视蓄电池电压、充电电流和放电电流的功能以及根据这些信息计算蓄电池的剩余功率的功能可看作是微型计算机的情况下，本发明仍然是适用的。
图7是本发明的另一个实施例。在图7中，蓄电池装置22包括在作为电子装置的笔记本式个人计算机中作为电源。蓄电池装置22具有包括在其中的蓄电池状态监视电路14。
对于目前装在许多笔记本式个人计算机中的锂离子蓄电池，已有人指出，由于锂的强反应，存在诸如着火或爆炸的危险性，就是说，笔记本式个人计算机的安全在很大程度上取决于蓄电池装置的安全。于是，若打算提高笔记本式个人计算机的安全，提高蓄电池状态监视电路和蓄电池装置的安全就极其重要。另一方面，近年来降价竞争激烈的情况下迫切需要以低价安全地提供蓄电池装置。现在，由于如上所述本发明的蓄电池状态监视电路和蓄电池装置可以低成本制造，所以，这种蓄电池状态监视电路和蓄电池装置就最适合用作笔记本式个人计算机的蓄电池。因此，本发明还适用于其中装有蓄电池装置的笔记本式个人计算机。
另外，由于本发明在微型计算机选择范围宽方面有优越性，所以，蓄电池剩余功率的计算功能可以由笔记本式个人计算机进行。在这一方面，应该明白，本发明的蓄电池装置和其中装有该蓄电池装置的电子装置有密切的联系，因而本发明的应用范围宽。
应该明白，图7中所示的笔记本式个人计算机只是一个例子，因而由于同样理由，本发明也可以应用于笔记本式个人计算机以外的任何电子装置。
如上所述，按照本发明的蓄电池状态监视电路和蓄电池装置采用其中提供分压式蓄电池电压监视电路的蓄电池电压监视方法，该分压式蓄电池电压监视电路能够把多个彼此串联的蓄电池的总电压分压，并把连接中的每一个的电压分别分成任意电压值，以便输出所得的电压值，而蓄电池电压是利用作为蓄电池状态监视电路一个组成元件的微型计算机根据分压后的蓄电池电压值计算的。因此，电路配置简化，电路变小，以低价提供蓄电池状态监视电路和蓄电池装置成为可能。
尽管已经参照最佳实施例具体地显示和描述了本发明，但是对于本专业的技术人员来说，显然，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以作出各种各样的变换和修改。因此，本发明的范围只由后附的权利要求书限定。
权利要求
1.一种蓄电池状态监视电路，它可以控制限流装置，以便调节每一个都是可充电和可放电的蓄电池的电流，并且监视所述蓄电池的电压或电流，或它们两者，其中，在所述蓄电池状态监视电路中至少设有一个分压式蓄电池电压监视电路，后者能够把彼此串联的多个蓄电池的总电压和每一个连接点的电压分别分成各个任意的电压值，以便监视所得的电压值。
2.按照权利要求1的蓄电池状态监视电路，其特征在于所述分压式蓄电池电压监视电路能够监视与所选的蓄电池的数目对应的蓄电池平均电压值。
3.一种蓄电池装置，其中每一个蓄电池都是可充电和可放电的，在作为外部端子的正端子和负端子之间设置有限流装置，用来调整所述蓄电池的电流；和蓄电池状态监视电路，后者可以控制所述限流装置，并能监视所述蓄电池的电压或电流，或它们两者，其中，所述蓄电池状态监视电路是权利要求1中所定义的所述蓄电池状态监视电路。
4.一种蓄电池装置，其中每一个蓄电池都是可充电和可放电的，在作为外部端子的正端子和负端子之间设置有限流装置，用来调整所述蓄电池的电流；和蓄电池状态监视电路，它可以控制所述限流装置，并能监视所述蓄电池的电压或电流，或它们两者，其中，所述蓄电池状态监视电路是权利要求2中所定义的所述蓄电池状态监视电路。
5.一种配备有权利要求3中所定义的蓄电池装置的电子装置。
6.一种配备有权利要求4中所定义的蓄电池装置的电子装置。
全文摘要
本发明提供一种具有分压式蓄电池电压监视电路的蓄电池状态监视电路和采用此电路的蓄电池装置。采用一种其中设置有分压式蓄电池电压监视电路的配置,以便能够输出多个蓄电池的总电压的分压后的电压值。结果,切换电路中用的开关数目减少了,高耐压的差动放大电路也成为不必要了。于是,便有可能以简单的电路监视蓄电池的电池电压。
文档编号H02J7/10GK1270431SQ0010647
公开日2000年10月18日 申请日期2000年4月7日 优先权日1999年4月8日
发明者樱井敦司 申请人:精工电子有限公司