CN102055221A - 电池组 - Google Patents

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Abstract

提供了电池组电路。在一个实施例中，本发明涉及一种电池组，包括：可再充电电池，包括耦接在公共端子的第一电池端子和第二电池端子；放电控制开关，耦接在第一电池端子和第一放电端子之间；充电控制开关，耦接在第一放电端子和第一充电端子之间，其中，电池组被配置以将电流供应到耦接在第一放电端子和公共端子之间的负载；和处理电路，被配置以通过控制放电控制开关和充电控制开关来对电池充电和放电。

Description

电池组
本申请要求于2009年11月3日提交到美国专利商标局的第61/257,789号美国临时申请以及2010年9月22日提交到美国专利商标局的第12/888,179号美国专利申请的优先权，该申请完全公开于此以资参考。
技术领域
本发明实施例涉及电池组，更具体地讲，涉及对电池组充电和放电。
背景技术
与原电池不同，可再充电电池是可充电和可放电的，并且广泛地使用在高端电子装置(例如，蜂窝式电话、笔记本计算机或摄像机)中。此外，可再充电电池还被用作用于电动车辆(例如，踏板车或汽车)的电池。对于大功率应用，多个可再充电电池单元被一起组装在电池组中。传统充电和放电电路被用于对电池组充电和放电。然而，传统充电和放大电路具有限制。
发明内容
本发明的多方面涉及电池组电路。在一个实施例中，本发明涉及电池组包括：可再充电电池，包括耦接到公共端子的第一电池端子和第二电池端子；放电控制开关，耦接在第一电池端子和第一放电端子之间；充电控制开关，耦接在第一放电端子和第一充电端子之间，其中，电池组被配置以将电流提供到耦接在第一放电端子和公共端子之间的负载；处理电路，被配置以通过控制放电控制开关和充电控制开关来对电池充电和放电。
在另一实施例中，本发明涉及一种对电池组的可再充电电池充电和放电的方法，该方法包括：在对电池充电的同时，接通充电控制开关以对电池充电，充电控制开关耦接在第一充电端子和第一放电端子之间，放电控制开关耦接在电池的第一电池端子和第一放电端子之间，其中，充电电流流过充电控制开关和放电控制开关；在对电池放电的同时，接通放电控制开关并断开充电控制开关以对电池放电，其中，放电电流不流过充电控制开关。
在另一实施例中，本发明涉及一种对电池组的可再充电电池放电的方法，该方法包括：断开充电控制开关，其中，充电控制开关耦接在充电装置和放电控制开关之间，放电控制开关耦接在电池的第一电池端子；接通放电控制开关；其中，电池被配置以对耦接在第一放电端子和电池的第二电池端子的负载供电，其中，第一放电端子位于充电控制开关和放电控制开关之间。
附图说明
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和其他方面将变得清楚和更易于理解，其中：
图1是传统电池组的电路图；
图2是示出根据本发明实施例的电池组、负载和充电装置之间的连接关系的电池组的电路图；
图3是示出根据本发明另一实施例的电池组、负载和充电装置之间的连接关系的电池组的电路图；
图4是示出根据本发明另一实施例的电池组、负载和充电装置之间的连接关系的电池组的电路图；
图5是示出根据本发明另一实施例的对电池组充电的处理的流程图；
图6是示出根据本发明另一实施例的对电池组放电的处理的流程图。
具体实施方式
现在将详细参照实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的部件。在这点上，本实施例可具有不同的形式，并且不应解释为受这里阐述的描述的限制。因此，下面仅通过参照附图描述这些实施例以解释本发明的各方面。
图1是传统电池组100的电路图。参照图1，一般电池组100包括可充电电池单元130和保护电路。电池组100被安装在外部***(未显示)，例如，便携式个人计算机(PC，例如笔记本计算机)中，并且对电池单元130充电和放电。
电池组100包括电池单元130、并联到电池单元130的外部充电端子P+和放电端子P-和保护电路，保护电路包括充电元件140和放电元件150、模拟前端(AFE)集成电路(IC)120和微计算机110，其中，充电元件140和放电元件150串联到形成在电池单元130和外部充电和放电端子P+和P-之间的高电流路径(HCP)，模拟前端(AFE)集成电路(IC)120和微计算机110并联到电池单元130、充电元件140和放电元件150。
如图1所示，一般电池组100具有单个充电和放电路径。一般电池组100具有负载170和充电装置180连接到外部充电和放电端子P+和P-的结构。更详细地，在放电操作期间，在电池单元130中，电池组100经由充电元件140和放电元件150将电源供应到端子P+和P-，例如用作外部***的负载的移动电话或笔记本计算机。在充电操作期间，电池组100经由端子P+和P-通过使用放电元件150和充电元件140或在直接连接到充电装置180的同时来执行充电。在这种情况下，经由外部充电端子和放电端子P+和P-之一执行充电或放电，从而可采用简单的机械配置来容易地执行充电或放电。在便携式电子装置(例如，移动电话和笔记本计算机)中在充电电流和放电电流之间存在小的差别。因此，用于充电元件的场效应晶体管(FET)可具有等于或类似于用于放电元件150的FET的容许电流(例如，电流额定值)，并且其价格差也不大。
然而，在电子移动体(例如，电动自行车、电动踏板车、电动轮椅和电动推车)的情况下，在充电电流和放电电流之间存在显著差别。例如，在电动自行车的情况下，充电电流大约是1.5到大约2.0安，放电电流是10安(平均)和20安(最大)。在这种情况下，在充电电流和放电电流之间存在大的差别。此外，在电动踏板车的情况下，放电电流是30安(平均)和80安(最大)，因此在放电电流和充电电流之间存在较大差别。因此，当具有单个充电和放电路径的电池组被使用时，如在现有技术中，用于充电的FET必须具有类似于用于放电的FET的额定值的高容许电流额定值。
图2是示出根据本发明实施例的电池组200、负载270和充电装置280之间的连接关系的电池组200的电路图。参照图2，根据本实施例的电池组200包括微计算机210、电池单元230、充电元件240、放电元件250、放电端子290、充电端子291以及充电和放电端子292(例如，公共端子)。此外，电池组200还包括经由放电端子290以及充电和放电端子292连接到电池组200的负载270。充电装置280经由充电端子291以及充电和放电端子292连接到电池组200。
尽管未显示，但是电池组200可还包括：电流检测器，串联到形成在电池单元230和放电端子290之间并且连接到微计算机210的HCP；温度检测器，检测电池单元230的温度；自保护控制器，根据微计算机210或外部***(未显示)产生的控制信号烧断位于HCP中的保险丝。当确定电池单元230处于过度充电状态或过度放电状态时，微计算机210断开充电元件240和放电元件250或者烧断保险丝以防止电池单元230的过度充电或过度放电。此外，微计算机210可包括用于与外部***通信的***管理总线(SMBUS)。
电池单元230是可被充电和放电的次级电池单元。在图2中，B+和B-表示电池单元230的高电流端子，例如电池单元230的电源端子。电池单元230将关于电池单元230的各种信息(例如电池单元230的温度和充电电压)提供给微计算机210。
放电元件250连接在电池单元230和放电端子290之间。放电元件250执行对电池单元230的放电的切换功能，并且当电池单元230被过度放电时，根据由微计算机210产生的控制信号放电元件250被断开时防止过度放电。放电元件250可包括FET。然而，放电元件250可以是执行不同类型的切换功能的电子元件。通过此配置，当负载270连接到放电端子290以及充电和放电端子292时，由电池单元230、放电元件250、放电端子290和负载270来形成从电池单元230到负载270的放电路径，并且电流沿该放电路径从电池组200提供。因此，充电元件240不被包括在放电路径上，从而充电元件240可以是具有比放电元件250的电流额定值低的电流额定值的切换元件。换句话说，甚至当比较大的放电电流流到负载270时，也可以不考虑放电电流的幅度来实施该充电元件240。
充电元件240连接在放电端子290和充电端子291之间。充电元件240执行对电池单元230充电的切换功能，并且当电池单元230被过度充电时，根据微计算机210产生的控制信号电池单元230被断开时防止过度充电。与放电元件250相同，充电元件240可包括FET。然而，充电元件240可以是执行不同类型的切换功能的电子元件。通过此配置，当充电装置280连接到充电端子291以及充电和放电端子292时，由充电装置280、充电端子291、充电元件240、放电端子290、放电元件250和电池单元230来形成从充电装置280到电池单元230的充电路径。
微计算机210控制放电元件250和充电元件240执行电池组200的充电和放电功能，并且从而防止过度充电和过度放电。当负载270连接到放电端子290以及充电和放电端子292时，微计算机210可使放电元件250导通以对电池单元230放电。此外，当充电装置280连接到充电端子291以及充电和放电端子292时，微计算机210可使充电元件240和放电元件250导通以对电池单元230充电。此外，当微计算机210测量电池单元230的电压，并且确定发生对负载270的过度放电时，微计算机210可断开放电元件250以防止过度放电。此外，当微计算机210确定发生来自充电装置280的过度充电时，微计算机210可断开充电元件240以防止过度充电。
基于电池组200、负载270和充电装置280的配置，当在负载270(例如电子移动体)中充电电流和放电电流存在大的差别时，在放电操作期间，放电电流不流过充电元件240。在这种情况下，充电元件240可以是切换元件，该切换元件不需要像放电元件250的电流额定值那样的高的电流额定值。
此外，在图2中，放电元件250和充电元件240沿HCP被定位在电池单元230的正极侧。然而，放电元件250和充电元件240也可沿HCP被定位在电池单元230的负极侧。
图3是示出根据本发明另一实施例的电池组300、负载370和充电装置380的连接关系的电池组300的电路图。参照图3，根据本实施例的电池组300包括微计算机310、AFE IC 320、电池单元330、充电元件340、放电元件350、放电端子390、充电端子391以及充电和放电元件392。电池组300还包括负载370和充电装置380，负载经由放电端子390以及充电和放电端子392连接到电池组300，充电装置380经由充电端子391以及充电和放电端子392连接到电池组300。图2和图3的差别在于：电池组300包括AFE IC320以及充电FET FET1和放电FET FET2，AFE IC 320控制放电元件350和充电元件340并且从电池单元330检测电压，充电FET FET1和放电FET FET2分别构成充电元件340和放电元件350。
当充电装置380经由充电端子391以及充电和放电端子392连接到电池组300时，AFE IC 320将充电元件340的充电FET FET1设置为处于开启状态，并将放电元件350的放电FET FET2设置为处于开启状态，从而电池单元330可被充电。类似地，当负载370经由放电端子390以及充电和放电端子392连接到电池组300时，AFE IC 320将放电元件350的放电FET FET2设置为处于开启状态，从而电池组330可被放电。AFE IC 320根据由微计算机310产生的控制信号控制用于充电元件340的充电FET FET1和用于放电元件350的放电FET FET2的切换操作。
如以上参照图2所述，连接到电池组300的负载370可以是放电电流大于充电电流的负载，并且可以是电子移动体(例如电动自行车或电动踏板车)。因此，充电FET FET1并不位于放电路径上。因此，比较大的电流(例如，几安的电流)没有通过充电FET FET1。因此，充电FET FET1可以是具有低电流额定值的FET。例如，放电FET FET2可以是具有20安的容许电流(例如，电流额定值)的FET，充电FET FET1可以是具有2安的容许电流(例如，电流额定值)的FET。
充电FET FET1(例如，充电元件340)的源极和漏极被定位与放电FET FET2(例如，放电元件350)的源极和漏极相反。更具体的，充电FET FET1(例如充电元件340)的源极耦接到放电FET FET2(例如，放电元件350)的源极。使用此配置，充电FET FET1(例如，充电元件340)被配置以限制从充电装置380到电池单元330的电流流动。另一方面，放电FET FET2(例如，放电元件350)被配置以限制从电池单元330到负载370的电流流动。这里，根据AFE IC320的控制信号(例如，高电平或低电平的开关控制信号)来启动或关闭FETFET1和FET2。
AFE IC 320连接到电池单元330、充电元件340和放电元件350，并且串联在电池单元330和微计算机310之间。AFE IC 320检测电池单元330的电压，将检测的电压发送给微计算机310，并且根据由微计算机310提供的控制信号来控制充电FET FET1和放电FET FET2的切换操作。
更详细地，当充电装置380经由充电端子391和放电端子392连接到电池组300时，AFE IC 320将充电FET FET1(例如，充电元件340)设置为处于开启状态，并将放电FET FET2(例如，放电元件350)设置为处于开启状态，从而电池单元330可被充电。类似地，当负载370经由放电端子390以及充电和放电端子392连接到电池组300时，AFE IC 320输出用于将放电FETFET2(例如，放电元件350)设置为处于开启状态的控制信号，从而电池单元330可被放电。
微计算机310是串联在AFE IC 320和外部***之间的IC。微计算机310经由AFE IC 320控制充电元件340和放电元件350以防止电池单元330的过度充电、过度放电和过电流。换句话说，微计算机310将经由AFE IC 320接收的电池单元330的电压与处于在微计算机310中设置的级别电压(例如，预选电压)进行比较，将根据比较结果产生的控制信号输出到AFE IC 320，并且如果必要的话，断开充电元件340和放电元件350，从而防止电池单元330的过度充电、过度放电和过电流。
当微计算机310确定电池单元330处于过度放电状态时，其将根据这种确定的结果产生的控制信号输出到AFE IC 320，从而断开放电FET FET2(例如放电元件350)，并且从电池单元330到负载370的任何放电可被防止。尽管未显示，电池组300可还包括与放电FET FET2(例如，放电元件350)并联的寄生二极管，从而甚至当放电FET FET2(例如，放电元件350)被断开时，电池单元330的充电功能也可被执行。
图4是示出根据本发明另一实施例的电池组400、负载470和充电装置480之间的连接关系的电池组400的电路图。参照图4，电池组400包括微计算机410、AFE IC 420、电池单元430、充电元件440、放电元件450、电流限制元件460、放电端子490、充电端子491以及充电和放电端子492。此外，电池组400经由放电端子490以及充电和放电端子492耦接到负载470。电池组400还经由充电端子491以及充电和放电端子492耦接到充电装置480。图3和图4中示出的实施例之间的主要差别在于：电池组400还包括位于放电端子490和充电元件440之间的电流限制元件460。因此，这里将不提供与图3的电池组300相同部分的结构和功能的描述，并且现在将仅描述电流限制元件460。
电流限制元件460连接在放电端子490和充电元件440之间。这里，当负载470连接到放电端子490以及充电和放电端子492，并且放电电流从电池单元430流向负载470时，电流限制元件460断开流向充电元件440的任何放电电流。电流限制元件460可以是二极管或开关。
在电流限制元件460是二极管的情况下，电流限制元件460连接在放电端子490和充电元件440之间，并且可断开流向充电元件440的放电电流。因此，二极管断开流向充电元件440的放电电流，同时允许充电电流经由放电元件450流向电池单元430。
在电流限制元件460是开关的情况下，如上所述，电流限制元件460连接在放电端子490和充电元件440之间。电流限制元件460根据由AFE IC 420提供的控制信号被启动或断开。当负载470连接到放电端子490以及充电和放电端子492，并且放电电流从电池430流向负载470时，开关被断开，并且断开流向充电元件440的放电电流。然而，在充电操作期间，开关被接通，并且允许充电电流通过充电元件440和放电元件450流向电池单元430。这里，开关可以是FET或者是执行切换功能的任何合适的电子元件。
在图4中，放电路径包括电池单元430、放电元件450、放电端子490和负载470，充电路径包括充电装置480、充电端子491、充电元件440、电流限制元件460、放电端子490、放电元件450和电池单元430。与对图2和图3描述的实施例类似，与通常必须对于较大放电电流进行额定的放电元件450不同，充电元件440可以是不具有高电流额定值同时在放电操作期间安全地防止放电电流流过充电元件440的开关元件。
图5和图6是分别示出根据本发明其他实施例的对电池组充电的处理和对电池组放电的处理的流程图。参照图5，在块500中，充电装置连接到电池组的充电端子。在块502和504中，充电元件和放电元件被开启。充电路径包括充电装置、充电端子、充电元件、放电端子、放电元件和电池单元。可选地，电流限制元件可位于充电元件和放电端子之间。这里，电流限制元件不断开充电电流，而是允许充电电流流过电池单元。在充电操作期间流过充电元件和放电元件的充电电流与相应的放电电流相比相对较小。因此，充电元件的容许电流(例如，电流额定值)没必要高，并且充电元件可被实施为与充电装置的充电电流的幅度对应。在块506中，电池单元被充电。
参照图6，在块600，负载连接到电池组的放电端子。放电端子被配置为与图5中的充电端子不同。换句话说，为了将充电路径和放电路径彼此分离，负载经由附加放电端子连接到电池组。
在块602和604中，放电元件被开启，并且电池单元被放电。放电路径包括电池单元、放电元件、放电端子和负载。因此，当负载需要相对大的输出电流(例如，当电动自行车上坡时需要的最大电流)时，输出电流可无需通过充电元件而被供应到负载。在几个实施例中，为了安全地防止在放电操作期间放电电流流过充电元件，电流限制元件可位于充电元件和放电端子之间。电流限制元件可以是二极管或开关，并且防止在放电操作期间放电电流经由放电端子流过充电元件。
如上所述，根据本发明的几个实施例，电池组包括附加放电元件以将充电路径和放电路径彼此分离。因此，当电流供应到需要相对大的输出电流的负载时，大电流没有流过充电元件，从而充电元件的可允许的电流(电流额定值)可被减小。此外，可在放电电流不通过充电元件的情况下执行放电操作，从而电池组的输出效率可被提高，并且散热量可被降低。
此外，充电和放电电路可被实现，从而可在不分离电池组的情况下执行充电操作。
尽管已经结合特定示例性实施例描述了本发明，但是将理解，本发明不限于所公开的实施例，相反，本发明意欲覆盖包括在权利要求及其等同物的精神和范围内的各种修改和等同安排。

Claims (19)

1.一种电池组，包括：
可再充电电池，包括耦接到公共端子的第一电池端子和第二电池端子；
放电控制开关，耦接在第一电池端子和第一放电端子之间；
充电控制开关，耦接在第一放电端子和第一充电端子之间，其中，电池组被配置以将电流提供到耦接在第一放电端子和公共端子之间的负载；
处理电路，被配置以通过控制放电控制开关和充电控制开关来对电池充电和放电。
2.如权利要求1所述的电池组，还包括：电流限制元件，耦接在第一放电端子和充电控制开关之间。
3.如权利要求2所述的电池组，其中，电流限制元件包括二极管。
4.如权利要求2所述的电池组，其中，电流限制元件包括由处理电路控制的开关。
5.如权利要求1所述的电池组，其中，充电控制开关和放电控制开关包括场效应晶体管。
6.如权利要求1所述的电池组，其中，充电控制开关的电流额定值小于放电控制开关的电流额定值。
7.如权利要求1所述的电池组，其中，处理电路被配置以：
在充电的同时，接通充电控制开关和放电控制开关；
在放电的同时，接通放电控制开关并断开充电控制开关。
8.如权利要求7所述的电池组，其中，在放电的同时，放电电流不流过充电控制开关。
9.如权利要求7所述的电池组，其中，在充电的同时，充电电流流过充电控制开关和放电控制开关。
10.如权利要求7所述的电池组：
其中，在放电的同时，放电电流不流过充电控制开关，
其中，在充电的同时，充电电流流过充电控制开关和放电控制开关，
其中，放电电流大于充电电流。
11.如权利要求1所述的电池组，其中，处理电路包括耦接到处理器的模拟前端电路，其中，模拟前端电路被配置以：
测量电池的电压；
通过基于来自处理器的至少一个控制信号控制放电控制开关和充电控制开关来对电池充电和放电。
12.一种对电池组的可再充电电池充电和放电的方法，该方法包括：
在对电池充电的同时，接通充电控制开关和放电控制开关以对电池充电，充电控制开关耦接在第一充电端子和第一放电端子之间，放电控制开关耦接在电池的第一电池端子和第一放电端子之间，其中，充电电流流过充电控制开关和放电控制开关；
在对电池放电的同时，接通放电控制开关并断开充电控制开关以对电池放电，其中，放电电流不流过充电控制开关。
13.如权利要求12所述的方法，其中，电流限制元件耦接在第一放电端子和充电控制开关之间。
14.如权利要求13所述的方法，其中，电流限制元件包括二极管。
15.如权利要求13所述的方法，其中，电流限制元件包括开关。
16.如权利要求12所述的方法，其中，充电控制开关和放电控制开关包括场效应晶体管。
17.如权利要求12所述的方法，其中，充电控制开关的电流额定值小于放电控制开关的电流额定值。
18.如权利要求12所述的方法，其中，还包括：测量电池中的电压，其中，接通充电控制开关以及接通放电控制开关基于测量的电压。
19.一种对电池组的可再充电电池放电的方法，该方法包括：
断开充电控制开关，其中，充电控制开关耦接在充电装置和放电控制开关之间，放电控制开关耦接在电池的第一电池端子；
接通放电控制开关；
其中，电池被配置以对耦接在第一放电端子和电池的第二电池端子的负载供电，
其中，第一放电端子位于充电控制开关和放电控制开关之间。
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