CN1883098A - 电力供给*** - Google Patents

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Abstract

一种电力供给***，其中设有：直流输出供给装置；负荷装置；并联连接在所述直流输出供给装置和所述负荷装置上的后备用的锂离子电池；串联连接在所述锂离子电池上的、供给不依赖于该锂离子电池的充电路径的负荷变动的任意值的充电电流的电流限制电路；将所述锂离子电池从所述直流输出供给装置或负荷装置上断开或者连接到所述直流输出供给装置或负荷装置上的开关；以及控制电路，监视所述充电路径的电压值，进行用以对所述充电电流限制电路设定任意的充电电流值的基准电压的设定，进行所述充电时，当所述充电路径的所述电压超过规定的电压值时控制所述开关。

Description

电力供给***
本申请书主张对2003年11月27日所申请的特别申请书2003-397489号优先权，这里援用其内容。
技术领域
本发明涉及在直流输出供给装置和负荷装置上并联连接后备用锂离子电池所构成的电力供给***。
背景技术
在对通信设备等的负荷装置供给电力的电力供给***上主要使用着作为后备用的密封铅蓄电池。作为对通信设备而言，广泛使用这个密封铅蓄电池的理由是例如有以下所说的***结构上的优点：除了价格便宜之外，还能够通过维持于恒定电压而进行对容量保存所需的维持充电或停电后的恢复充电。
另一方面，近年来，要求电源***的小型化和后备时间的缩短化。对应于这样的要求，用现在所使用的密封铅蓄电池时，由于对大电流放电时的电流值有限制，电池的小型化受到了限制。因而，对电力供给***的小型化也带来了限制。
为了密封铅蓄电池的小型化，使用具有高能量密度，同时也能耐受大电流放电的特征的二次电池是有效的。锂离子电池在具备上述那样特征的同时，具有所谓也适用于密封铅蓄电池那样地恒压充电的特征。因而，通过使用锂离子电池，可以实现可构成小型化、大容量化的电力供给***。
使用锂离子电池时，在给电池充电时连接到充电装置，满充时从充电装置断开，或通过将连接转换至负荷装置供给电力(例如，参照例如日本国特开平4-331425号)。
可是，在向通信设备等进行电力供给的***中，要求无瞬断，在被记载于日本国特开平4-331425号的充电方法中，需完成从作为充电装置的直流输出供给装置及负荷装置上锂离子电池的连接转换或断开，不能实现以无瞬断方式进行电力供给的电力供给***。
另一方面，在图10所示的电力供给***内，仅考虑配置锂离子电池111，但在停电后，从整流器等的直流电力供给装置112对负荷装置113进行电力供给时，锂离子电池111上流过超过电池的容许电流值的电流，往往产生电池的损坏。另外，对于锂离子电池111，从电池的安全的观点出发，必需监视其内部电池单元的电压，在超越上限值的情况下，由于会引起电池容量下降等而需要对电池进行保护。但是，采用这种对策的电力供给***一直以来未能得到实现。
发明的公开
本发明是鉴于上述情况而作的发明，其目的在于，提供防止因过充电而产生的电池的保护或锂离子电池的容量下降，实现了作为不需要锂离子电池的连接转换或断开的经常连接的电力供给***。另一个目的也是提供谋求防止对各个锂离子电池的充电中电池电压的偏差的电力供给***。
为了解决上述的课题，本发明提供设有下列部件的电力供给***，这些部件是：直流输出供给装置；负荷装置；被并联连接在上述直流输出供给装置和上述负荷装置上的后备用锂离子电池；被串联连接在上述锂离子电池上的、供给不依赖于该锂离子电池的充电路径的负荷变动的任意值的充电电流的充电电流限制电路；将上述锂离子电池从上述直流输出供给装置或负荷装置上断开或者连接到上述直流输出供给装置或上述负荷装置上的开关；以及控制电路，监视上述充电路径的电压，设定用以对上述充电电流限制电路设定任意的充电电流值的基准电压，在上述充电时上述充电路径的上述电压超过规定的电压值时控制上述开关。从上述直流输出供给装置或负荷装置上断开，或者连接到上述直流输出供给装置或上述负荷装置上。
另外，对于上述电力供给***，多个上述锂离子电池串联连接，上述电力供给***还设有：被并联连接在上述串联连接的多个锂离子电池的各个锂离子电池上，检测上述各锂离子电池的各自的满充电电压并使上述充电电流旁路的电压调整电路，从而构成旁路。
为了解决上述课题，本发明具有提供设置有下列部件的电力供给***的旁路，这些部件是：直流输出供给装置；负荷装置；并联连接在上述直流输出供给装置和上述负荷装置上的多个串联连接的锂离子电池；串联连接在上述多个锂离子电池上的、供给不依赖于该多个锂离子电池的充电路径的负荷变动的任意的值的充电电流的充电电流限制电路；将上述多个锂离子电池从上述直流输出供给装置或负荷装置上断开或者连接到上述直流输出供给装置或上述负荷装置上的开关；并联连接在上述多个串联连接的锂离子电池的各锂离子电池上检测上述各锂离子电池的各自的满充电电压并使上述充电电流旁路的电压调整电路；以及控制电路，监视上述充电路径的电压值及电流值，用以对上述充电电流限制电路设定任意值的充电电流的基准电压，以及设定对上述电压调整电路的满充电的基准电压的设定，在上述充电时，上述充电路径的上述电压超过规定的电压值时转换上述开关。
依据本发明，被串联连接在锂离子电池上的充电电流限制电路供给不依赖于锂离子电池的充电路径的负荷变动的任意值的充电电流。另外，通过用开关将锂离子电池从直流输出供给装置或负荷装置上断开或者连接到直流输出供给装置或负荷装置上，可以做到不用经常进行转换或断开直流输出供给装置及负荷装置与锂离子电池的连接。另外，将锂离子电池的充电电流限制在任意的电流值上，可以用配合已设置的锂离子电池容量的最佳的充电电流进行恢复充电。
另外，依据本发明，利用被并联连接在被串联连接的多个锂离子电池的各个锂离子电池上的电压调整电路，检测各锂离子电池的满充电电压并将充电电流进行旁路，调整充电时锂离子电池的各个的充电电压的偏差，可以避免过充电，避免由过充电引起的容量下降。
再者，锂离子电池被常时连接在直流输出供给装置及负荷装置上，而在锂离子电池满充电时由于锂离子电池的内部阻抗的变化对各个锂离子电池的充电电压产生偏差的场合，电压调整电路动作，从而将全部的锂离子电池的充电电压调整至均等的充电电压。
附图的简单说明
图1是表示本发明的电力供给***的一实施例的方框图。
图2是表示图1所示的充电电流限制电路的一实施例的图。
图3是表示图1所示的电压调整电路的一实施例的图。
图4是表示锂离子电池的充电时的电力供给状态的图。
图5是表示具有充电电流限制电路的锂离子电池的电力供给状态的图。
图6是表示在充电时，满充电时锂离子电池的电压电流状态的图。
图7是表示图2所示的充电电流限制电路的电路实施例的图。
图8是表示图3所示的电压调整电路的电路实施例的图。
图9是表示本发明的电力供给***的其它实施例的方框图。
图10是表示一例传统电力供给***的的图。
本发明的最佳实施例
下面，参照附图，就本发明的优选实施例进行说明。但是，本发明不受限于以下的各实施例，例如，也可以将这些实施例的构成要素彼此之间作适当的组合。
图1是表示本发明的电力供给***的一实施例的方框图。本发明的电力供给***中，后备用的锂离子电池1并联连接在直流输出供给装置2和负荷装置3上，另外还设有：充电电流限制电路4；多个电压调整电路5；开关6；控制电路7。这里，直流输出供给装置2可以设置多台。
充电电流限制电路4串联连接在锂离子电池1上，在锂离子电池1的充电路径上限制充电电流，使锂离子电池1以不依赖于负荷变动的恒定电流进行充电。
开关6将锂离子电池1从直流输出供给装置2或负荷装置3上断开或者连接到直流输出供给装置2或负荷装置3上。另外，电压调整电路5并联连接在多个串联连接的锂离子电池1的各个锂离子电池上，检测各锂离子电池的满充电电压并具有使充电电流旁路的功能。
控制电路7由微型计算机构成，通过电流计测部8及电压计测部9监视充电路径的电压值及电流值，除了用以对充电电流限制电路4设定任意的充电电流值的基准电压，以及设定对电压调整电路5的满充电的基准电压之外，具有在充电时，充电路径的电压超过规定的电压时转换开关6的功能。
用于上述的锂离子电池1的过充电或过放电的保护用的开关6串联连接在锂离子电池1的充放电路径上。开关6主要用于为保护锂离子电池1的电路切断，当电池电压上升至构成电池的额定电压时，变为“断开”。另外，开关6也可以用于锂离子电池1的过放电保护，放电中，如果任意的锂离子电池1的电压下降至规定的值，则为了保护锂离子电池1，变为“断开”。
作为因过充电而动作的电压，举例如4.5V等，作为因过放电而动作的电压值，举例如3.0V等。由于这些电压随使用的锂离子电池的种类而变化，也可以对使用的锂离子电池设定必需的值。
再者，有关开关6动作后的复位，过充电时的开关6用手动复位，过放电时为自动复位。
还有，直流输出供给装置2也可以由1台构成，而这里作为通信设备的***采用冗余结构。另外，电压调整电路5的基准电压值及充电电流限制电路4的极限电流值用由微型计算机构成的控制电路7来设定。而且，控制电路7还设有计测电力供给***各部位的电压及电流的功能。例如，电流计测部8用分流电阻器等来检测电流，电流计测部8由控制电路7监控。
另外，由于控制电路7可以监视各电池电压，充电时在电池电压超过锂离子电池1的安全范围时检测出这种情况，将设置在锂离子电池1的充放电路径上的开关6设为“断开”。据此，可以确保锂离子电池1的安全性。
按照上述结构，除了可以不将锂离子电池1从直流输出供给装置2及负荷装置3的转换或断开而常时连接之外，还可以将锂离子电池1的充电电流限制在任意电流值上，可以用与已设置的锂离子电池1的容量相配的最佳充电电流进行恢复充电。
另外，串联连接多个锂离子电池1进行充电时，由于锂离子电池1的充电状态的偏差，某个锂离子电池1往往会过早达到满充电状态而使并联连接在各锂离子电池1上的电压调整电路5动作，通过使充电电流旁路来调整在充电时的锂离子电池1上各个充电电压的偏差，从而可以避免过充电状态。
而且，锂离子电池1常时连接在直流输出供给装置2及负荷装置3上，而锂离子电池1在满充电时，由于锂离子电池1的内部阻抗的变化，在各个锂离子电池1的充电电压产生偏差时，电压调整电路5能够动作而将全部的锂离子电池1的充电电压调整至均等的充电电压。
图4用曲线图表示充电时的电力供给***的电力供给状态。从图4知道，直流输出供给装置2在向负荷装置3供给电力的同时，对锂离子电池1进行充电，而由于负荷装置3的电力供给状态变化，向锂离子电池1的充电电流也变动。
作为充电方法，锂离子电池1一般是恒流恒压充电，在锂离子电池1上流过超过所容许电流值的电流，由时间变动后的电流产生的充电会引起锂离子电池1的性能下降。另外，在向负荷装置3的供给电力微弱的情况下，直流输出供给装置2的输出最大电流成为锂离子电池1的充电电流，如果以过大的电流充电锂离子电池1，也会引起锂离子电池1的性能下降。
因此，在本发明中，在锂离子电池1的充电路径上连接充电电流限制电路4，设定任意的充电电流的电流值，即使负荷装置3的电力供给状态变动，也可以做到以恒定的充电电流充电。图5用曲线图表示具有充电电流限制电路的电力供给***的充电时电力供给状态。
如图5所示，即使向负荷装置3的供给电力微弱，充电电流也不会流过超过由充电电流限制电路4所设定的任意电流值。充电电流限制电路4的充电电流可以根据锂离子电池1的状态或容量任意设定。锂离子电池1在放电时可以大电流放电，以标称容量的5～6倍的电流的放电也是可能的(若蓄电池容量是50Ah，则各为250A～300A)，而在充电时，标称容量的0.1～1倍的电流值成为所容许的最大值(若蓄电池容量50Ah时，则各为5A～50A)。因此，上述的充电电流限制电路4的充电电流值根据已设置的锂离子电池1的容量来设定。
图2表示图1所示的充电电流限制电路4的一实施例。充电电流限制电路4由以下部件构成，它们是：误差放大器A 41；将该误差放大器A 41的输出与设定任意的充电电流的基准电压作为输入的误差放大器B 42；例如晶体管等的充电电流控制元件43；例如电阻等的充电电流检测元件44。
在上述的结构中，用充电电流检测元件44检测充电电流，用误差放大器A 41将其值放大至规定的值后，输入至误差放大器B 42以成为任意设定的电流值的基准，通过用其输出控制充电电流控制元件43来达到恒定的电流值。
当然，在锂离子电池1接近满充电状态，充电电流处于任意设定的电流值以下时，充电电流控制元件43不会限制电流。另外，放电时，负荷装置3所需的电流从锂离子电池1放电，而此时的充电电流限制电路4不限制放电电流。放电时，将图2所示的充电电流限制电路4旁路，例如，也可以连接二极管。
再者，一边用充电电流限制电路4限制锂离子电池1的充电电流一边进行充电，而在该充电过种中预测多个锂离子电池1的各自充电状态偏差。作为其一例，图6表示在充电时及满充电时锂离子电池1的电流电压的状态。在这个图中，为了简化，将锂离子电池1用2个电池(A、B)的情况来例示。下面，与图3所示的电压调整电路5的结构一并就该图进行详细说明。
图3表示电压调整电路的一实施例。电压调整电路5由误差放大器C 51和充电电流旁路电路52构成，后者由旁路电流控制元件521和旁路电流限制元件522串联连接而成。
如图6所说明，被并联连接在各锂离子电池1(A、B)上的电压调整电路5检测充电电压，例如，在锂离子电池A先达到满充电状态时，用电压调整电路5内的充电电流旁路电路52使达到满充电的锂离子电池A的充电电流旁路来避免过充电状态。
充电电流旁路电路52由确定旁路电流最大值的旁路电流限制元件522例如电阻等和控制旁路电流的电流值的旁路电流控制元件521例如晶体管构成。这里，如果晶体管完全导通(ON)，则旁路电流流过由电流限制元件522确定的最大电流。另外，如果完全断开(OFF)，则不流过旁路电流。
而且，通过在放大区域(不饱和区域)使用晶体管，晶体管构成与可变电阻相同的状态，这时，可以使旁路电流的值连续地变动。能够连续地使用旁路电流控制元件521意味着，锂离子电池1在接近于满充电的情况下，充电电流变成微弱的电流值，但是微弱的充电电流也可旁路。
旁路电流的量由电压调整电路5控制。亦即，通过将满充电的基准电压与各个锂离子电池1上的充电电压的检测值输入到误差放大器C 51，控制充电电流旁路电路52的电流控制元件521。这样，为了使各个锂离子电池1不达到满充电电压以上的电压，充电电流旁路电路52使充电电流按需要量连续地旁路。
这样一来，即使在多个锂离子电池1的充电电压有偏差时，全部的锂离子电池满充电以前流过达到由充电电流限制电路4设定的充电电流，在全部的锂离子电池1达到满充电以前，电压调整电路5动作，率先达到满充电的锂离子电池A用充电电流旁路电路52使充电电流旁路。
即使在全部的锂离子电池达到满充电时，锂离子电池1也与直流输出供给电路2及负荷装置3连接着。在该状态下，锂离子电池1不进行充电及放电，但由于连接在直流输出供给装置2上，维持在满充电状态。由于电压调整电路5也没有从各个锂离子电池1断开，仍然被连接着，全部的锂离子电池1被以均等的电压维持。
在锂离子电池1被以均等的电压维持的状态，若在各个锂离子电池1上由于某种原因使内部的阻抗发生变动，则充电电压有变成不均等的可能性。这时，通过电压调整电路5动作，使充电电压均等地维持。
如图6所示，若锂离子电池A在满充电状态时内阻变大，则充电电压上升，但是以满充电电压作为基准的电压调整电路5动作，使充电电流旁路电路52动作，将充电电压上升的部分用旁路电流放电。因此，充电电压试图上升的锂离子电池A被维持在满充电电压，各个锂离子电池的充电电压能够维持均等状态。由于锂离子电池1经常是均等的充电电压，即使在向负荷装置3供给电力时，也能够最大限度地利用锂离子电池1的性能。
(实施例1)
图7表示充电电流限制电路4的实施例。在充电电流检测元件44上使用了电阻器R100，在充电电流控制元件43上使用了Q100(FET：场效应晶体管)。Q100根据损耗大小，可用多个并联连接。另外，放电时，将Q100完全置于导通(ON)状态或将Q100置于断开(OFF)状态，通过用Q100具有的寄生二极管D100作为放电路径。
具体地进行说明，由电阻器R100检测出的充电电流被输入至由电阻器R1～R4及误差放大器A41所构成的差动放大器中，被放大至预先规定的值。将其输出通过电阻器R7输入至误差放大器B的反相输入端子。在误差放大器B的非反相输入端子上输入来自控制电路7的、经电阻器R5、R6分压的设定充电电流的基准电压。电阻器R8、R9及电容器C1连接在用以将充电电流的控制置于稳定的误差放大器B41上，其作用是使充电电流的控制变得稳定。误差放大器B的输出通过电阻R10被输入至晶体管Q1的基极。另外，晶体管Q1通过电阻器R11向充电电流控制元件Q100的栅极供给信号，用Q100控制充电电流。电阻器R12及电容器C2被连接在Q100的栅极和源极之间，其作用是使Q100稳定工作。另外，二极管D1是误差放大器B 41的输入保护用二极管。
(实施例2)
图8表示电压调整电路5的实施例。这里，在电压调整电路5内的充电电流旁路电路52中，将电阻器R200用作旁路电流限制元件522，将场效应晶体管Q200用作旁路电流控制元件521。
这里，检测锂离子电池1的电压，将检测到的电压通过电阻器R 15输入到误差放大器C 51的反相输入端子上，将来自控制电路7的基准电压通过电阻器R 13、R 14及电容器C3输入到误差放大器C的非反相输入端子上。这里，误差放大器C 51为使2个输入达到相同值而取出输出信号。输出信号通过电阻器R18输入至晶体管Q2的基极。
晶体管Q2通过电阻器R19向旁路电流控制元件Q200的栅极提供信号来控制旁路电流，控制到锂离子电池的电压与设定的基准电压相同。另外，在误差放大器C上连接用以使控制处于稳定的电阻器R16、R17及电容器C4。再者，二极管D2被用于误差放大器C的输入保护。还有，电阻器R20及电容器C5连接在场效应晶体管Q200的栅极和源极之间，以使Q200稳定工作。
以上的说明中，就假设负荷装置3是通信设备来应用本发明的电力供给***的情况进行了说明，但是在负荷装置3是笔记本型微型计算机(PC)时也同样可以应用。图9表示其结构。
如图9所示，AC适配器90接受来自外部100V商用电源的供给，通过AC/DC变换器91变换成16.4V的直流电压，用DC/DC变换器102产生对应于PC主机100中的CPU等的负荷装置103的电压(5～15V)，供给负荷装置103。
另一方面，由于充电装置92没有设置在PC主机100内，而是设置在AC适配器90内，避免了PC主机100的重量增加。内藏在PC主机100内的锂离子电池101这里是4只串联连接单三电池那样的圆筒状的锂离子电池101(4.1V×4只)，从各自的充电装置92接受充电，对负荷装置103进行电力供给。另外，在锂离子电池101的各个电池上并联连接上述的电压调整电路(未图示)，因而，即使重复充电锂离子电池101也不会被过充电，由于防止了锂离子电池101的容量减少，可以避免由连续使用引起的个人计算机驱动时间的缩短。
如上所述，依据本发明，串联连接在锂离子电池1(101)上的充电电流限制电路4在锂离子电池的充电路径上流过任意值的充电电流，使锂离子电池以不依赖于负荷变动的恒定电流被充电。另外，通过用开关6将锂离子电池1从直流输出供给装置2或负荷装置3上断开，或者连接到直流输出供给装置2或负荷装置3上，可以不用转换或断开常时进行直流输出供给装置2及负荷装置3与锂离子电池1(101)的连接。再者，可以将锂离子电池1(101)的充电电流限制在任意的电流值上，且以配合锂离子电池1(101)的容量的最佳的充电电流进行恢复充电。
另外，依据本发明，采用并联连接在被串联连接的多个锂离子电池1(101)的各个锂离子电池1上的电压调整电路5来检测各锂离子电池1的满充电电压，并通过旁路充电电流，调整充电时锂离子电池1上的各个锂离子电池1的各自的充电电压的偏差，可以避免过充电。再有，锂离子电池1(101)常时连接在直流输出供给装置2及负荷装置3上，而在锂离子电池1(101)满充电时，在由于锂离子电池1(101)的内阻变化对各个锂离子电池1(101)的充电电压产生偏差时电压调整电路5动作，能够将全部锂离子电池1(101)的充电电压调整至均等的充电电压。

Claims (3)

1.一种电力供给装置，其中设有：
直流输出供给装置；
负荷装置；
后备用的锂离子电池，并联连接在所述直流输出供给装置与所述负荷装置上；
充电路径；
充电电流限制电路，串联连接在所述锂离子电池上的、供给不依赖于该锂离子电池的充电路径的负荷变动的任意值的充电电流；
开关，将所述锂离子电池从所述直流输出供给装置或负荷装置上断开或者连接到所述直流输出供给装置或所述负荷装置上；以及
控制电路，监视所述充电路径的电压值，进行用以对所述充电电流限制电路设定任意的充电电流值的基准电压的设定，进行所述充电时，在所述充电路径的所述电压超过规定的电压值时控制所述开关。
2.如权利要求1所述的电力供给***，其中：
所述锂离子电池被多个串联连接；
所述电力供给***还设有电压调整电路，它们并联连接在所述被串联连接的多个所述锂离子电池的各锂离子电池上，检测出所述各锂离子电池各自的满充电电压并使所述充电电流旁路。
3.一种电力供给***，其中设有：
直流输出供给装置；
负荷装置；
多个串联连接的锂离子电池，并联连接在所述直流输出供给装置和所述负荷装置上；
充电电流限制电路，串联连接在所述多个锂离子电池上，供给不依赖于该多个锂离子电池的充电路径的负荷变动的任意值的充电电流；
开关，将所述多个锂离子电池从所述直流输出供给装置或负荷装置上断开或者连接到所述直流输出供给装置或所述负荷装置上；
电压调整电路，并联连接在所述串联连接的多个锂离子电池的各锂离子电池上，检测所述各锂离子电池各自的满充电电压并使所述充电电流旁路；以及
控制电路，监视所述充电路径的电压值及电流值，设定用以对所述充电电流限制电路设定任意值的充电电流的基准电压，以及对所述电压调整电路的满充电基准电压的设定，进行所述充电时，当所述充电路径的所述电压超过规定的电压值时转换所述开关。
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