CN103580096A - 用于电池的直接电池单元连接的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电池的直接电池单元连接的***和方法。在此公开的用于电池单元的直接电池单元连接的***和方法的实施例在无保护FET和保护IC的情况下操作，从而使电池单元能够直接连接到***，而不牺牲安全性。充电器IC包括开关调节器，其输出用于通过传递器件对电池进行充电。在所公开的直接电池单元连接的***和方法的示例性实施例中，开关FET和传递器件的组合被用作保护器件，而不是充电和放电FET。在正常操作期间，传递器件可以用于使用传统的电池充电模式对电池进行充电。在故障状况下，可以适当地驱动开关FET和传递器件，以保护***。

Description

用于电池的直接电池单元连接的***和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年7月25日提交的美国临时专利申请61/675,617的利益，其通过引用合并到此。
技术领域
本公开总体涉及电池，更具体地，涉及电池组保护。
背景技术
锂离子（Li-ion）已成为诸如智能手机和笔记本电脑的消费电子设备的主要可再充电电池化学成分，并且对于工业、运输和电力储存应用来说变得很常用。锂离子电池化学成分在许多方面不同于其他可再充电电池化学成分，例如镍金属氢化物[NiMH]、镍镉[NiCad]和铅酸。从技术角度来看，由于高能量密度，锂离子技术已用于整个便携式设备家族，例如智能手机。从安全角度来看，高能量密度加上易燃有机物而不是传统的水电解质已产生了诸多保护挑战。具体挑战包括含有锂离子电池单元的电池设计以及这些电池的存储和处理。
单个锂离子电池单元将具有一安全的电压范围，它可以在该电压范围上循环，该电压范围由具体的电池单元化学成分确定。安全的电压范围将是如下范围，在该范围内，电池单元电极不会由于锂电镀、铜溶解或其他不希望的反应而快速退化。对于大多数电池单元，显著高于100%充电状态的充电会导致电极的快速放热退化。充电高于制造商的高电压规格被称为过充电。因为过充电会导致剧烈的热失控反应，因此许多过充电保护设备被设计到或包括在锂离子电池组的电子保护封装中。
锂离子电池（或电池组）是由一个或多个单个电池以及它们关联的保护电子电路制成。通过并联连接电池单元，设计师增加了电池组容量。通过串联连接电池单元，增加了电池组电压。
通常，能量失效导致热失控。电池单元热失控是指由高度氧化的正电极和高度还原的负电极的放热化学反应导致的电池单元的快速自加热；它可以在几乎任何化学成分的电池中发生。
如果过热或过充电，则锂离子电池可能会遭受热失控和电池单元破裂。在极端的情况下，这会导致燃烧。深放电可能使电池单元短路，在这种情况下，再充电将会不安全。为了减少这些风险，锂离子电池组包含失效安全电路，当电池的电压在每电池单元3-4.2V的安全范围之外时，该失效安全电路关闭电池。当长时间存放时，保护电路本身消耗的小电流可能将电池耗尽到其关闭电压以下；正常的充电器则不起作用。许多类型的锂离子电池单元在0℃以下不能安全充电。
与电池组一起的主要部件是电池管理电路。通常，电池管理模块（BMU）由充电器和燃料计组成（图1）。锂离子电池组本身由锂离子电池单元、保护IC和保护FET（充电（CHG）和放电（DSG））组成。保护电路占用电池单元内的有用空间，增加了额外的失效点，并且当被激活时不可逆地禁用电池单元。它们是必需的，因为在使用过程中阳极产生热量，而阴极可能产生氧气。这些器件和改进的电极设计减少/消除了火灾或***的风险。另外，与镍金属氢电池相比，这些特征增加了成本，因为镍金属氢电池仅需要氢/氧复合器件（防止由于轻微的过充电而导致的损坏）和备用压力阀。
保护IC的功能是，当锂离子电池单元电压或电流跨过临界安全阈值时，打开保护开关并且将锂离子电池组从***分离。各种临界阈值包括在充电期间的过流、在放电期间的过流、在充电期间的过压、在放电期间的欠压、在放电期间的短路、温度过高和反向电流。
一些***现在使用非可移除的电池组。然而，一般仍然使用常规的电池组侧保护。这使得一些电路冗余并且增加了机械限制。保护FET和保护IC对电池组增加了相当的成本。另外，用于保护FET和保护IC的PCB增加了重量、尺寸、组装时间和测试时间。这些先前的解决方案存在迄今为止未得到解决的需求。
发明内容
本公开的示例性实施例提供用于电池的直接电池单元连接的***。简单地说，在架构中，该***的示例性实施例除了其他之外可以实施如下：电池保护电路，其包括：串联配置在充电源和电池之间的电池晶体管，电池晶体管也串联配置在负载和电池之间，电池晶体管进一步被配置为在正常状况期间对电池进行充电，并且被配置为在故障状况期间保护负载，电池晶体管进一步被配置在容纳电池的电池组的外面。
本公开的实施例也可以视为提供用于电池的直接电池单元连接的方法。在这方面，这种方法的一个实施例除了其他之外可以通过下列步骤进行大致归纳：确定电池组的故障状况；和用电池组外面的电池晶体管保护电池，晶体管串联连接在电池组和充电器之间。
附图说明
图1是现有技术的电池保护电路的示例性实施例的***方框图。
图2是用于电池的直接电池单元连接的***的示例性实施例的***方框图。
图3是图2的***的示例性实施例的电路图。
图4是图3的电池晶体管的示例性实施例的电路图。
图5是用于图4的晶体管的背栅极控制电路的示例性实施例的电路图。
图6是用于电池的直接电池单元连接的方法的流程图。
图7是用于电池的直接电池单元连接的***的示例性实施例的***方框图。
具体实施方式
下面参照附图更全面地描述本公开的实施例，其中在若干附图中，类似标号表示类似元件，并且其中示出了示例性实施例。然而，权利要求的实施例可以以不同形式体现，并且不应该理解为限于这里陈述的实施例。这里陈述的示例是非限制性示例，并且仅是其他可能示例中的示例。虽然附图的晶体管被提供为场效应晶体管（FET），但是根据应用，可以使用其他晶体管。此外，虽然附图中的FET被提供为n沟道FET，但是根据应用，也可以使用p沟道FET。
图1的电路100提供了现有技术的示例。电池组120包括电池单元150和印刷电路板（PCB）160，PCB具有保护IC170、充电晶体管180和放电晶体管190。充电晶体管180和放电晶体管190配接（in line with）电池单元150。电池管理模块（BMU）130位于电池组120外部的***板110上。BMU130包括燃料计和具有电池晶体管140的充电器电路。BMU130的燃料计确定电池组120的剩余寿命，并且充电器对电池组120进行充电。在电池组120内部的PCB160和BMU130是分开的。
图2提供所公开的用于电池的直接电池单元连接的***的示例性实施例。电路200包括电池组电池单元220和***板210。包括BMU230、电池晶体管240和保护功能250的***板210是在电池单元220（电池单元220可以体现为具有多个电池单元的电池单元组）的外部。具有保护IC和充电和放电晶体管的PCB已从电池组移除。所公开的***和方法可以用于任何电池操作的***和用在具有安全问题的任何电池化学成分上。电池组侧仪表被放入BMU内，在电池组侧仪表中，保护是在电池组本身和电池组的整个PCB部分（保护IC、放电FET和充电FET）上。
本文公开的用于电池的直接电池单元连接的***和方法的实施例在无保护FET和保护IC的情况下操作，从而使锂离子电池单元能够直接连接到***（如图2中提供的），而不牺牲安全性。如图3中提供的充电器IC包括开关调节器，其输出（SYS）用于通过传递器件（BATFET）对电池（BAT）进行充电。
在所公开的直接电池单元连接***和方法的示例性实施例中，晶体管（开关和/线性器件）和传递器件（BAT FET）的组合被用来作为保护器件，而不是充电和放电FET。在正常操作期间，传递器件可以用于使用传统的锂离子充电模式对电池进行充电。在故障状况下，可以适当地驱动晶体管和传递器件，以保护***。表1列出了各种故障状况，并且比较了在当前的解决方案和建议的解决方案中要在各种FET上采取的动作。
Figure BDA00003554125600051
表1
通过从电池组移除电路，可以减少电池组成本，因为移除了印刷电路板（PCB）、保护IC和保护FET。也可以大大减小电池组重量。可以减小电池组尺寸。因为在电池组中没有PCB，所以可以重新整形电池组。可以减小充电/放电路径的串联电阻。可以增加***效率，因为去除了保护FET和接触电阻上的功率耗损。可以减少保护FET和接触电阻上产生的热量，从而增加电池寿命。可以在已经具有保护器的***中针对安全阈值实现全冗余保护。对于已经具有保护器的***，可以实现二级保护。
在保护存在于电池组的各应用中，电池管理模块安全阈值可以被设置得高于电池组中的保护器，从而使充电期间的过流（OCC）和过压（OV）故障状况期间的效率增加。在传统的保护器中，在OCC和OV期间，允许通过传递器件的体二极管从电池放电，这由于二极管的电阻较高和二极管上的电压损耗而导致效率低。在公开的***和方法的示例性实施例中，BAT FET可以被开启，这减小了电阻和电压降。
图3提供电池管理模块电路300的示例性实施例，电池管理模块电路300包括输入源310、充电器电路305、燃料计320、电池组330和负载315。充电器电路305包括充电器控制器315、阻塞晶体管325、开关晶体管335和340以及传递器件或电池晶体管345。燃料计320的示例性实施例包括处理单元355、电流比较器350和电压比较器360。输入源310（例如壁式电源（wall wart））通过阻塞晶体管325、开关晶体管335和电池晶体管345对电池组330进行充电。
为了保护***免受各种安全状况（例如表1中列出的那些），所公开的用于电池的直接电池单元连接***的示例性实施例针对传递器件使用单个nFET（如图4中提供的）以及特殊控制电路。特殊电路可以驱动nFET的背栅极，使得体二极管不开启。图5提供了这种电路的一个实施方式的示例性实施例。
表2提供了各种故障情况下体二极管的连接的示例性实施例。
Figure BDA00003554125600061
表2
图4提供了电池晶体管410（例如隔离的nFET）的原理图，电池晶体管410的栅极、漏极、源极和体端分别连接到充电器控制480、***电压端子（SYS）450、电池端子（BAT）460和背栅极输出端（VBODY）470。二极管D1420和D2430是nFET所固有的。
对于每种情况，从故障状况的恢复可能不同。在充电期间的过流故障状况下，体二极管节点470连接到电池端子460，其中D1420被反向偏置并且D2430以零（0）伏关闭。当过流状况停止时，电池晶体管410被开启，作为恢复的一部分，以允许充电。体二极管继续连接到电池端子460。在放电期间的过流故障状况下，体二极管节点470连接到***电压端子450，其中D1420以零（0）伏关闭并且D2430被反向偏置。当过流放电情况被去除时，最终调节***电压。***电压一经调节，***中的最低电位就变为电池电压。体二极管节点470现在连接到电池，并且可以完成正常充电和放电。
在充电期间的过压故障状况下，体二极管节点470连接到电池电压460，其中D1420被反向偏置并且D2430以零（0）伏关闭。为了恢复，电池晶体管410被关闭。如果充电器连接到节点480，则开关FET直接对负载供电。
在放电期间的欠压故障状况下，体二极管节点470连接到***电压端子450，其中D1420以零（0）伏关闭并且D2430被反向偏置。为了恢复，***寻找在节点480处的充电器连接。然后***电压将上升并且开始对电池进行充电。
在放电期间的短路故障状况下，体二极管节点470连接到***电压端子450，其中D1420以零（0）伏关闭并且D2430被反向偏置。为了恢复，断开电池端子460并且监测***电压端子450。一旦去除外部负载，就可以重新连接电池。如果有必要，可以编程该器件，以在将电池连接到负载之前等待充电器连接。
在温度过高故障状况下，体二极管节点470在故障期间连接到***电压端子450，其中D1420以零（0）伏关闭并且D2430被反向偏置。为了恢复，对温度进行监测。当温度下降时，体二极管节点470连接到电池端子460，以恢复正常操作。
在反向电流故障状况下（其中电池的端子被反向），阻塞FET连同开关调节器的高侧FET执行反向电流阻断功能。体二极管节点470在正常操作下连接到电池端子460。在恢复周期期间，正常操作没有变化。
现在参考图5，为了防止体二极管开启，背栅极控制电路500将nFET的VBODY节点578驱动到***和电池电压的较低值。这是通过使用比较器510首先比较电池电压和***电压以产生逻辑信号来完成的。比较器510的电源可以从内部调节的电压轨产生。
逻辑信号的输出可以用于驱动开关550和560，以将***电压或电池电压连接到VBODY节点。开关560和580可以用于防止开关550和590的体二极管开启。开关550和560形成一对背对背二极管。电平移位器520、530和540可以用于将逻辑信号转换到适当的电位，以驱动开关。表3中提供了用于背栅极控制电路500的示例性实施例的真值表。
Figure BDA00003554125600081
表3
图6提供了用于电池的直接电池单元连接的方法的示例性实施例的流程图600。在方框610中，确定电池组的故障状况。在方框620中，用电池组外部的电池晶体管保护电池组，电池晶体管串联连接在电池组和负载之间。
图7提供具有电池管理模块电路700的用于电池的直接电池单元连接***的替代实施例，电池管理模块电路700包括输入源710、充电器电路705、燃料计720、电池组730和负载715。充电器电路705包括充电器控制器715、调节器晶体管725和传递器件或电池晶体管745。燃料计720的示例性实施例包括处理单元755、电流比较器750和电压比较器760。输入源710（例如壁式电源）通过调节器晶体管725和电池晶体管745对电池组730进行充电。在示例性实施例中，调节器晶体管725包括带有或不带有反向阻塞FET的开关FET。在替代性实施例中，调节器晶体管725包括带有或不带有反向阻塞FET的线性晶体管。在示例性实施例中，电池晶体管745包括带有背栅极控制的单个FET。在替代性实施例中，电池晶体管745包括背对背配置的两个FET。
虽然已经详细描述了本发明，但应当理解的是，在不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行各种改变、替换和变更。

Claims (20)

1.一种***，其包括：
电池保护电路，其包括：
串联配置在充电源和电池之间的电池晶体管，所述电池晶体管也串联配置在负载和所述电池之间，所述电池晶体管进一步被配置为在正常状况下对所述电池进行充电，并且被配置为在故障状况期间保护所述负载，所述电池晶体管进一步被配置在容纳所述电池的电池组的外面。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述电池晶体管包括两个n沟道场效应晶体管即FET或两个p沟道FET。
3.根据权利要求1所述的***，其中电池管理模块被配置为控制所述电池晶体管和至少一个调节器晶体管，以保护所述电池，所述至少一个调节器晶体管串联配置在所述充电源和所述负载之间。
4.根据权利要求3所述的***，其中
在充电期间的过流状况下，所述至少一个调节器晶体管被关闭；
在放电期间的过流状况下，所述电池晶体管被关闭；
在充电期间的过压状况下，所述至少一个调节器晶体管被关闭；
在放电期间的欠压状况下，所述电池晶体管被关闭；
在放电期间的短路状况下，所述电池晶体管被关闭；和
在温度过高的状况下，所述至少一个调节器晶体管和所述电池晶体管被关闭。
5.根据权利要求1所述的***，进一步包括串联配置在所述源和所述至少一个调节器晶体管之间的阻塞晶体管，所述阻塞晶体管和所述至少一个调节器晶体管被配置为形成一对背对背二极管，以阻止反向电流状况。
6.根据权利要求1所述的***，其中所述电池晶体管包括单个n沟道场效应晶体管即nFET，所述nFET的背栅极用控制电路驱动，使得关联的体二极管不被开启。
7.根据权利要求1所述的***，其中所述电池晶体管包括以背对背配置方式布置的两个n沟道场效应晶体管即nFET。
8.根据权利要求5所述的***，其中所述控制电路包括至少一个比较器、多个电平移位器和多个开关，所述比较器、所述多个电平移位器和所述多个开关被配置为将所述电池电压和所述***电压中的较低者施加到所述nFET的体节点。
9.一种方法，其包括：
确定电池组的故障状况；和
用在所述电池组外部的电池晶体管保护电池，所述电池晶体管串联连接在所述电池组和充电器之间。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括用串联连接在负载和输入源之间的阻塞晶体管阻止反向电流状况。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述电池晶体管包括n沟道场效应晶体管即nFET，并且所述方法进一步包括驱动所述nFET的背栅极，以防止所述nFET的体二极管开启。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括用负载电压和电池电压中的较低者驱动所述nFET的背栅极。
13.根据权利要求12所述的方法，其中在充电期间的过流状况下，将所述nFET的背栅极连接到所述电池电压；
在放电期间的过流状况下，进一步包括将所述体二极管连接到所述负载电压；
在充电期间的过压状况下，进一步包括将所述体二极管连接到所述电池电压；
在放电期间的欠压状况下，进一步包括将所述体二极管连接到所述负载电压；
在放电期间的短路状况下，进一步包括将所述体二极管连接到所述负载电压；
在温度过高的状况下，进一步包括将所述体二极管连接到所述负载电压；和
在反向电路状况下，进一步包括将所述体二极管连接到所述电池电压。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述负载电压和所述电池电压中的较低者是通过以下步骤产生的：比较所述负载电压和所述电池电压，并且产生电平移位的信号来驱动多个晶体管。
15.根据权利要求9所述的方法，进一步包括通过所述电池晶体管对所述电池进行充电。
16.一种***，包括：
电池管理模块，其包括：
充电器模块，其包括：
充电器控制器；
至少一个调节器晶体管；和
被配置为提供电池故障保护的电池晶体管；和
被配置为提供故障信息给所述充电器模块的燃料计模块，所述燃料计模块包括：
处理模块；
电压比较器；和
电流比较器。
17.根据权利要求16所述的***，其中所述电池晶体管包括两个n沟道场效应晶体管即FET或两个p沟道FET。
18.根据权利要求16所述的***，其中
在充电期间的过流状况下，所述至少一个调节器晶体管和所述电池晶体管被关闭；
在放电期间的过流状况下，所述电池晶体管被关闭；
在充电期间的过压状况下，所述至少一个调节器晶体管和所述电池晶体管被关闭；
在放电期间的欠压状况下，所述电池晶体管被关闭；
在放电期间的短路状况下，所述电池晶体管被关闭；和
在温度过高的状况下，所述至少一个调节器晶体管和所述电池晶体管被关闭。
19.根据权利要求16所述的***，其中所述电池晶体管包括单个n沟道场效应晶体管即nFET，所述nFET的背栅极用控制电路驱动，使得关联的体二极管不被开启。
20.根据权利要求19所述的***，其中所述控制电路包括至少一个比较器、多个电平移位器和多个开关，所述比较器、所述多个电平移位器和所述多个开关被配置为将所述电池电压和所述***电压中的较低者施加到所述nFET的体节点。
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