CN1543008A - 具有剩余电池功率计算功能的电池组 - Google Patents

Abstract

提供了一种具有便宜、高性能的N沟道MOS晶体管的智能电池组。对智能电池组的剩余电池功率检测电路和电子装置之间的通信如此实施电平偏移，以便偏移的电平与电子装置的信号电平相匹配。

Description

具有剩余电池功率计算功能的电池组

技术领域

本发明涉及一种具有剩余电池功率计算功能的电池组(在下文中称为智能电池组)，这种电池降低了成本并提高了性能。

背景技术

现有技术中的智能电池组在高压侧使用P沟道MOS晶体管(例如：参见JP2002-151163A，第3-6页，图1)。这可以从图5的电路图中看出，该图阐明了传统的智能电池组。图5中的电路具有正侧端子11、负侧端子12、和用于与电子装置通信的端子13和14。虽然图5中的电池组具有两个通信端子，但是也可以改为仅仅提供一个通信端子。端子11到14被连接到电子装置或充电器。智能电池组包括二次电池10、用于保护二次电池10的保护电路1、用于计算二次电池10剩余电容量的电路2、用于电流检测的电阻器3、P沟道MOS晶体管4和5、及其它元件。

保护电路1根据二次电池10的状态控制P沟道MOS晶体管4和5的导通/截止。例如：当二次电池10处于过量放电状态时，保护电路1将P沟道MOS晶体管4截止从而禁止放电，反之，当二次电池10处于过度充电状态时，保护电路1将P沟道MOS晶体管5截止从而停止充电。在锂离子二次电池的情况下，在电池组中通常包括保护电路来作为提高安全水平的措施。

用于计算二次电池10的剩余电容量的电路2监视二次电池的电压，还监视电流检测电阻3的每一端上的电位来测量充电电流、放电电流等。测量结果通过通信端子13和14被传输给电子装置(基于电子装置的请求)。

电池组根据GND(接地)基准与电子装置通信，换句话说，根据端子12的电位作为基准(在下文中，GND基准意味着使用端子12的电位作为基准)。

在此讨论，如果在低压侧使用N沟道MOS晶体管，那么二次电池低压侧的电势就作为用于计算电池组的二次电池剩余电容量的电路的基准电位，并且与电子装置的GND基准电位不匹配。因此，电池组和电子装置不能互相通信。

当传统的智能电池组使用电子装置的低电位作为基准与电子装置进行通信时，电池组高压侧的晶体管肯定是P沟道MOS晶体管，但是由于P沟道晶体管与N沟道MOS晶体管相比通常具有较差的迁移率和特性而使其成为了问题。

发明内容

本发明用来解决现有技术中的问题，并且因此本发明的目的是提供一种在低压侧使用N沟道MOS晶体管的智能电池组，其具有比使用P沟道MOS晶体管的智能电池组更优越的性能。

根据本发明，提供了一种具有剩余电池功率计算功能的电池组，包括：连接在正侧端子和负侧端子之间的二次电池；用于保护二次电池免于过度充电和过量放电的保护电路；使用负侧端子作为基准来计算二次电池的剩余电容量的电路；和为了保护二次电池，基于从保护电路接收到的信号，用于控制二次电池的充电和放电的N沟道MOS晶体管。电池组进一步包括电平转移电路，提供该电平转移电路是为了将负极侧端子的电位相对于二次电池的负极侧电势进行电平移动。

附图说明

在附图中：

图1是根据本发明实施例1的智能电池组的说明图；

图2是示出了在本发明的智能电池组中使用的电平转移电路的一个范例的图；

图3A和3B是阐明电平转移电路的工作的图；

图4是示出了在本发明的智能电池组中使用的电平转移电路的另一个范例的图；和

图5是传统的智能电池组的说明图。

具体实施方式

为了使在低压侧使用N沟道MOS晶体管的智能电池组能够与电子装置进行通信，用于计算二次电池剩余电容量的电路的通信端子的电压电平被设置成等于电子装置的电压电平。

本发明的实施例在下面参考附图来说明。图1示出了根据本发明实施例1的智能电池组。如同现有技术一样，智能电池组具有负侧端子12、用于与电子装置通信的端子13和14、用于电流检测的电阻器3、和二次电池10。

虽然现有技术在高压侧使用P沟道MOS晶体管，但是本发明在低压侧采用N沟道MOS晶体管24和25。

用于保护二次电池10的保护电路21具有与现有技术中的保护电路相似的功能，并且根据二次电池10的状态控制N沟道MOS晶体管24和25的导通/截止。例如：当二次电池10处于过量放电状态时，保护电路21将N沟道MOS晶体管24截止从而禁止放电，反之，当二次电池10处于过度充电状态时，保护电路21将N沟道MOS晶体管25截止从而停止充电。

N沟道MOS晶体管具有更高的迁移率，并且因此与P沟道MOS晶体管相比能够更容易地减小导通电阻。MOS晶体管的导通电阻Ron是栅极-源极电压的函数。当栅极-源极电压给定为Vgs并且MOS晶体管的阈值电压给定为Vt时，MOS晶体管处于不饱和状态下的导通电阻Ron与(Vgs-Vt)的倒数成比例。因此，在电池电压足够高从而能够令人满意地提供较高的MOS晶体管的栅极-源极电压的情况下，很容易减小MOS晶体管的导通电阻。另一方面，当电池仅仅具有少量的串联连接的电池时(在1个串联电池的情况下)，电池电压较低(如果是锂离子二次电池为2.5V到4.5V，)，并且不能为MOS晶体管提供足够的栅极-源极电压Vgs。这种情况得益于使用N沟道晶体管替代了P沟道晶体管，这是因为N沟道晶体管更容易减小MOS晶体管的导通电阻。

MOS晶体管24和25在电流路径中，并且为了减小在MOS晶体管24和25中的功率损耗，导通电阻Ron应该较小。

如在现有技术中一样，用于计算二次电池10的剩余电容量的电路22具有监视二次电池10的电压的功能，还具有监视电流检测电阻器3的每一端的电位从而测量充电电流、放电电流等的功能。测量结果通过通信端子13和14被传输给电子装置(基于电子装置的请求)。

当N沟道MOS晶体管开关24和25设置在低压侧的情况下，电子装置使用智能电池组的端子12的电位作为基准与智能电池组通信。另一方面，剩余二次电池功率计算电路22以二次电池10的负侧电势作为基准工作。这意味着将N沟道MOS晶体管24和25中的一个截止使得电子装置的基准电位和智能电池组的基准电位互不相同，并且因此使得电子装置和智能电池组之间不能通信。

本发明通过给剩余二次电池功率计算电路22增加用于将端子12的电位偏向二次电池10的负侧电势的电路来应对这个问题。在图2中示出了这个电平转移电路。端子A被连接到图1中的端子11，端子C被连接到图1中的端子12，以及端子B被连接到图1中的用于与电子装置通信的端子13和14中的一个。端子D被连接到图1中二次电池10的负侧。因此，来自剩余二次电池功率计算电路22的信号被输入到晶体管41的栅极和倒向器40。将被反向的信号输入到晶体管42的栅极。晶体管43的栅极电压与端子B的电压变化相同，以便当端子B的电压是“高”电平时，栅极电压变为“高”电平，该“高”电平具有端子A的电位，并且当端子B的电压是“低”电平时，栅极电压变为“低”电平，该“低”电平具有端子C的电位。

当栅极和源极之间的电压差大于晶体管43的阈值电压时，晶体管43导通，然后，倒向器40的输入电平变成“高”电平，该“高”电平具有端子A的电位，以便倒向器40的输出成为“低”电平，该“低”电平具有端子D的电位。另一方面，当栅极和源极之间的电压差小于晶体管43的阈值电压时，晶体管43截止，以便倒向器40的输入电平变成“低”电平并且其输出变成“高”电平，该“高”电平具有端子A的电位。图3A和3B示出了如上述连接的电平转移电路的信号波形的范例。

在图3A和3B中，水平轴表示时间，垂直轴3A表示端子13和14的电压，以及纵轴3B表示图2的OUT的电压。垂直轴3A的端子13和14的低电压电平被设置成端子12的电位V12。垂直轴3B的低电压电平被设置成二次电池10的低电平电位V10B，反之，垂直轴3B的高电压电平被设置成端子11的电位V11。

这使得在低压侧具有N沟道MOS晶体管的智能电池组能够与电子装置进行通信。

可以采用如图4中所示的电平转移电路将信号由智能电池组传输给电子装置。在图4中，端子A被连接到图1中的端子11，端子C被连接到图1中的端子12，端子B被连接到图1中的端子13或14，并且端子D被连接到图1中二次电池10的负侧。在图2的情况下，具有端子11和端子12之间的电压电平的输入信号偏向具有端子11和二次电池低压侧之间的电压电平的输出信号。在图4的情况下，具有端子11和二次电池低压侧之间的电压电平的输入信号偏向具有端子11和端子12之间的电压电平的输出信号。

就是说，在图4中，当倒向器30的输入电压是“高”电平时，倒向器30的输出电压变成“低”电平，由此，晶体管32导通，然后倒向器31的输入电压变成“高”电平并且其输出电压变成“低”电平，该“低”电平具有端子C的电位。另一方面，当倒向器30的输入电压是“低”电平时，其输出电压变成“高”电平，然后，晶体管32截止，倒向器31的输入变成“低”电平，其输出变成“高”电平，该“高”电平具有端子A的电位。这样，信号能够从用于计算二次电池剩余电容量的电路传输给电子装置。

图1中的剩余二次电池功率计算电路22可以具有、或不具有内置的微型计算机。在剩余二次电池功率计算电路22具有微型计算机的情况下，根据测得的电池电压以及根据充电电流和放电电流，将微型计算机编程来计算剩余电池功率。计算结果被发送到电子装置。电子装置使用接收到的数据来显示剩余电池功率。但是，具有内置式微型计算机的电池组成本高。

在图1中的剩余二次电池功率计算电路22不具有内置的微型计算机的情况下，电子装置中的微型计算机被编程来计算剩余电池功率。在这种情况下，图1中的剩余二次电池功率计算电路22仅仅测量电池电压、充电电流和放电电流，以及将测量数据传输给电子装置的微型计算机。根据接收到的数据，电子装置的微型计算机计算用于显示的剩余电池功率。

这样，智能电池组无需在其内引入微型计算机并且电池组的成本能够被降低。

本发明的智能电池组能够使用便宜且性能好的N沟道MOS晶体管作为低压侧开关。因此，本发明能够提供便宜、性能好的智能电池组。

Claims (4)

1.一种具有剩余电池功率计算功能的电池组，包含：

一个二次电池，连接在正侧端子和负侧端子之间；

一个保护电路，用于保护二次电池避免过度充电和过量放电；

一个电路，将负侧端子作为基准来计算二次电池的剩余电容量而工作；

一个N沟道MOS晶体管，用于基于从所述保护电路接收的信号，控制二次电池的充电和放电，以保护二次电池；和

一个电平转移电路，提供负侧端子的电位相对于二次电池的负极侧电势的电平偏移。

2.根据权利要求1的具有剩余电池功率计算功能的电池组，其中，用于计算二次电池剩余电容量的电路监视二次电池的充电电流和放电电流，从而将监视的结果传输到电池组外部的微型计算机，并接收微型计算机计算出来的剩余电池功率的数据。

3.根据权利要求1或2的具有剩余电池功率计算功能的电池组，其中，二次电池是锂离子二次电池。

4.根据权利要求1或2的具有剩余电池功率计算功能的电池组，其中，二次电池是多个锂离子二次电池。

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