用于電池的直接電池單元連接的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于電池的直接電池單元連接的系統(tǒng)和方法。在此公開的用于電池單元的直接電池單元連接的系統(tǒng)和方法的實施例在無保護FET和保護IC的情況下操作，從而使電池單元能夠直接連接到系統(tǒng)，而不犧牲安全性。充電器IC包括開關(guān)調(diào)節(jié)器，其輸出用于通過傳遞器件對電池進行充電。在所公開的直接電池單元連接的系統(tǒng)和方法的示例性實施例中，開關(guān)FET和傳遞器件的組合被用作保護器件，而不是充電和放電FET。在正常操作期間，傳遞器件可以用于使用傳統(tǒng)的電池充電模式對電池進行充電。在故障狀況下，可以適當(dāng)?shù)仳?qū)動開關(guān)FET和傳遞器件，以保護系統(tǒng)。
【專利說明】用于電池的直接電池單元連接的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年7月25日提交的美國臨時專利申請61/675，617的利益，其通過引用合并到此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本公開總體涉及電池，更具體地，涉及電池組保護。
【背景技術(shù)】
[0004]鋰離子(L1-1on)已成為諸如智能手機和筆記本電腦的消費電子設(shè)備的主要可再充電電池化學(xué)成分，并且對于工業(yè)、運輸和電力儲存應(yīng)用來說變得很常用。鋰離子電池化學(xué)成分在許多方面不同于其他可再充電電池化學(xué)成分，例如鎳金屬氫化物[NiMH]、鎳鎘[NiCad]和鉛酸。從技術(shù)角度來看，由于高能量密度，鋰離子技術(shù)已用于整個便攜式設(shè)備家族，例如智能手機。從安全角度來看，高能量密度加上易燃有機物而不是傳統(tǒng)的水電解質(zhì)已產(chǎn)生了諸多保護挑戰(zhàn)。具體挑戰(zhàn)包括含有鋰離子電池單元的電池設(shè)計以及這些電池的存儲和處理。
[0005]單個鋰離子電池單元將具有一安全的電壓范圍，它可以在該電壓范圍上循環(huán)，該電壓范圍由具體的電池單元化學(xué)成分確定。安全的電壓范圍將是如下范圍，在該范圍內(nèi)，電池單元電極不會由于鋰電鍍、銅溶解或其他不希望的反應(yīng)而快速退化。對于大多數(shù)電池單元，顯著高于100%充電狀態(tài)的充電會導(dǎo)致電極的快速放熱退化。充電高于制造商的高電壓規(guī)格被稱為過充電。因為過充電會導(dǎo)致劇烈的熱失控反應(yīng)，因此許多過充電保護設(shè)備被設(shè)計到或包括在鋰離子電池組的電子保護封裝中。
[0006]鋰離子電池(或電池組)是由一個或多個單個電池以及它們關(guān)聯(lián)的保護電子電路制成。通過并聯(lián)連接電池單元，設(shè)計師增加了電池組容量。通過串聯(lián)連接電池單元，增加了電池組電壓。
[0007]通常，能量失效導(dǎo)致熱失控。電池單元熱失控是指由高度氧化的正電極和高度還原的負電極的放熱化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的電池單元的快速自加熱；它可以在幾乎任何化學(xué)成分的電池中發(fā)生。
[0008]如果過熱或過充電，則鋰離子電池可能會遭受熱失控和電池單元破裂。在極端的情況下，這會導(dǎo)致燃燒。深放電可能使電池單元短路，在這種情況下，再充電將會不安全。為了減少這些風(fēng)險，鋰離子電池組包含失效安全電路，當(dāng)電池的電壓在每電池單元3-4.2V的安全范圍之外時，該失效安全電路關(guān)閉電池。當(dāng)長時間存放時，保護電路本身消耗的小電流可能將電池耗盡到其關(guān)閉電壓以下；正常的充電器則不起作用。許多類型的鋰離子電池單元在0°C以下不能安全充電。
[0009]與電池組一起的主要部件是電池管理電路。通常，電池管理模塊(BMU)由充電器和燃料計組成(圖1)。鋰離子電池組本身由鋰離子電池單元、保護IC和保護FET (充電(CHG)和放電(DSG))組成。保護電路占用電池單元內(nèi)的有用空間，增加了額外的失效點，并且當(dāng)被激活時不可逆地禁用電池單元。它們是必需的，因為在使用過程中陽極產(chǎn)生熱量，而陰極可能產(chǎn)生氧氣。這些器件和改進的電極設(shè)計減少/消除了火災(zāi)或爆炸的風(fēng)險。另外，與鎳金屬氫電池相比，這些特征增加了成本，因為鎳金屬氫電池僅需要氫/氧復(fù)合器件(防止由于輕微的過充電而導(dǎo)致的損壞)和備用壓力閥。
[0010]保護IC的功能是，當(dāng)鋰離子電池單元電壓或電流跨過臨界安全閾值時，打開保護開關(guān)并且將鋰離子電池組從系統(tǒng)分離。各種臨界閾值包括在充電期間的過流、在放電期間的過流、在充電期間的過壓、在放電期間的欠壓、在放電期間的短路、溫度過高和反向電流。
[0011]一些系統(tǒng)現(xiàn)在使用非可移除的電池組。然而，一般仍然使用常規(guī)的電池組側(cè)保護。這使得一些電路冗余并且增加了機械限制。保護FET和保護IC對電池組增加了相當(dāng)?shù)某杀尽Ａ硗?，用于保護FET和保護IC的PCB增加了重量、尺寸、組裝時間和測試時間。這些先前的解決方案存在迄今為止未得到解決的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本公開的示例性實施例提供用于電池的直接電池單元連接的系統(tǒng)。簡單地說，在架構(gòu)中，該系統(tǒng)的示例性實施例除了其他之外可以實施如下:電池保護電路，其包括:串聯(lián)配置在充電源和電池之間的電池晶體管，電池晶體管也串聯(lián)配置在負載和電池之間，電池晶體管進一步被配置為在正常狀況期間對電池進行充電，并且被配置為在故障狀況期間保護負載，電池晶體管進一步被配置在容納電池的電池組的外面。
[0013]本公開的實施例也可以視為提供用于電池的直接電池單元連接的方法。在這方面，這種方法的一個實施例除了其他之外可以通過下列步驟進行大致歸納:確定電池組的故障狀況；和用電池組外面的電池晶體管保護電池，晶體管串聯(lián)連接在電池組和充電器之間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的電池保護電路的示例性實施例的系統(tǒng)方框圖。
[0015]圖2是用于電池的直接電池單元連接的系統(tǒng)的示例性實施例的系統(tǒng)方框圖。
[0016]圖3是圖2的系統(tǒng)的示例性實施例的電路圖。
[0017]圖4是圖3的電池晶體管的示例性實施例的電路圖。
[0018]圖5是用于圖4的晶體管的背柵極控制電路的示例性實施例的電路圖。
[0019]圖6是用于電池的直接電池單元連接的方法的流程圖。
[0020]圖7是用于電池的直接電池單元連接的系統(tǒng)的示例性實施例的系統(tǒng)方框圖。
【具體實施方式】
[0021]下面參照附圖更全面地描述本公開的實施例，其中在若干附圖中，類似標(biāo)號表示類似元件，并且其中示出了示例性實施例。然而，權(quán)利要求的實施例可以以不同形式體現(xiàn)，并且不應(yīng)該理解為限于這里陳述的實施例。這里陳述的示例是非限制性示例，并且僅是其他可能示例中的示例。雖然附圖的晶體管被提供為場效應(yīng)晶體管(FET)，但是根據(jù)應(yīng)用，可以使用其他晶體管。此外，雖然附圖中的FET被提供為η溝道FET，但是根據(jù)應(yīng)用，也可以使用P溝道FET。[0022]圖1的電路100提供了現(xiàn)有技術(shù)的示例。電池組120包括電池單元150和印刷電路板(PCB) 160，PCB具有保護IC170、充電晶體管180和放電晶體管190。充電晶體管180和放電晶體管190配接(in line with)電池單元150。電池管理模塊(BMU) 130位于電池組120外部的系統(tǒng)板110上。BMU130包括燃料計和具有電池晶體管140的充電器電路。BMU130的燃料計確定電池組120的剩余壽命，并且充電器對電池組120進行充電。在電池組120內(nèi)部的PCB160和BMU130是分開的。
[0023]圖2提供所公開的用于電池的直接電池單元連接的系統(tǒng)的示例性實施例。電路200包括電池組電池單元220和系統(tǒng)板210。包括BMU230、電池晶體管240和保護功能250的系統(tǒng)板210是在電池單元220 (電池單元220可以體現(xiàn)為具有多個電池單元的電池單元組)的外部。具有保護IC和充電和放電晶體管的PCB已從電池組移除。所公開的系統(tǒng)和方法可以用于任何電池操作的系統(tǒng)和用在具有安全問題的任何電池化學(xué)成分上。電池組側(cè)儀表被放入BMU內(nèi)，在電池組側(cè)儀表中，保護是在電池組本身和電池組的整個PCB部分(保護1C、放電FET和充電FET)上。
[0024]本文公開的用于電池的直接電池單元連接的系統(tǒng)和方法的實施例在無保護FET和保護IC的情況下操作，從而使鋰離子電池單元能夠直接連接到系統(tǒng)(如圖2中提供的)，而不犧牲安全性。如圖3中提供的充電器IC包括開關(guān)調(diào)節(jié)器，其輸出(SYS)用于通過傳遞器件(BATFET )對電池(BAT )進行充電。
[0025]在所公開的直接電池單元連接系統(tǒng)和方法的示例性實施例中，晶體管(開關(guān)和/線性器件)和傳遞器件(BAT FET)的組合被用來作為保護器件，而不是充電和放電FET。在正常操作期間，傳遞器件可以用于使用傳統(tǒng)的鋰離子充電模式對電池進行充電。在故障狀況下，可以適當(dāng)?shù)仳?qū)動晶體管和傳遞器件，以保護系統(tǒng)。表1列出了各種故障狀況，并且比較了在當(dāng)前的解決方案和建議的解決方案中要在各種FET上采取的動作。
[0026]
【權(quán)利要求】
1.一種系統(tǒng)，其包括: 電池保護電路，其包括: 串聯(lián)配置在充電源和電池之間的電池晶體管，所述電池晶體管也串聯(lián)配置在負載和所述電池之間，所述電池晶體管進一步被配置為在正常狀況下對所述電池進行充電，并且被配置為在故障狀況期間保護所述負載，所述電池晶體管進一步被配置在容納所述電池的電池組的外面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述電池晶體管包括兩個η溝道場效應(yīng)晶體管即FET或兩個P溝道FET。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中電池管理模塊被配置為控制所述電池晶體管和至少一個調(diào)節(jié)器晶體管，以保護所述電池，所述至少一個調(diào)節(jié)器晶體管串聯(lián)配置在所述充電源和所述負載之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中 在充電期間的過流狀況下，所述至少一個調(diào)節(jié)器晶體管被關(guān)閉； 在放電期間的過流狀況下，所述電池晶體管被關(guān)閉； 在充電期間的過壓 狀況下，所述至少一個調(diào)節(jié)器晶體管被關(guān)閉； 在放電期間的欠壓狀況下，所述電池晶體管被關(guān)閉； 在放電期間的短路狀況下，所述電池晶體管被關(guān)閉；和 在溫度過高的狀況下，所述至少一個調(diào)節(jié)器晶體管和所述電池晶體管被關(guān)閉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括串聯(lián)配置在所述源和所述至少一個調(diào)節(jié)器晶體管之間的阻塞晶體管，所述阻塞晶體管和所述至少一個調(diào)節(jié)器晶體管被配置為形成一對背對背二極管，以阻止反向電流狀況。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述電池晶體管包括單個η溝道場效應(yīng)晶體管即nFET，所述nFET的背柵極用控制電路驅(qū)動，使得關(guān)聯(lián)的體二極管不被開啟。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述電池晶體管包括以背對背配置方式布置的兩個η溝道場效應(yīng)晶體管即nFET。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路包括至少一個比較器、多個電平移位器和多個開關(guān)，所述比較器、所述多個電平移位器和所述多個開關(guān)被配置為將所述電池電壓和所述系統(tǒng)電壓中的較低者施加到所述nFET的體節(jié)點。
9.一種方法，其包括: 確定電池組的故障狀況；和 用在所述電池組外部的電池晶體管保護電池，所述電池晶體管串聯(lián)連接在所述電池組和充電器之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進一步包括用串聯(lián)連接在負載和輸入源之間的阻塞晶體管阻止反向電流狀況。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述電池晶體管包括η溝道場效應(yīng)晶體管即nFET，并且所述方法進一步包括驅(qū)動所述nFET的背柵極，以防止所述nFET的體二極管開啟O
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，進一步包括用負載電壓和電池電壓中的較低者驅(qū)動所述nFET的背柵極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中在充電期間的過流狀況下，將所述nFET的背柵極連接到所述電池電壓； 在放電期間的過流狀況下，進一步包括將所述體二極管連接到所述負載電壓； 在充電期間的過壓狀況下，進一步包括將所述體二極管連接到所述電池電壓； 在放電期間的欠壓狀況下，進一步包括將所述體二極管連接到所述負載電壓； 在放電期間的短路狀況下，進一步包括將所述體二極管連接到所述負載電壓； 在溫度過高的狀況下，進一步包括將所述體二極管連接到所述負載電壓；和 在反向電路狀況下，進一步包括將所述體二極管連接到所述電池電壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述負載電壓和所述電池電壓中的較低者是通過以下步驟產(chǎn)生的:比 較所述負載電壓和所述電池電壓，并且產(chǎn)生電平移位的信號來驅(qū)動多個晶體管。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進一步包括通過所述電池晶體管對所述電池進行充電。
16.—種系統(tǒng),包括: 電池管理模塊，其包括: 充電器模塊，其包括: 充電器控制器； 至少一個調(diào)節(jié)器晶體管；和 被配置為提供電池故障保護的電池晶體管；和 被配置為提供故障信息給所述充電器模塊的燃料計模塊，所述燃料計模塊包括: 處理模塊； 電壓比較器；和 電流比較器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述電池晶體管包括兩個η溝道場效應(yīng)晶體管即FET或兩個P溝道FET。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中 在充電期間的過流狀況下，所述至少一個調(diào)節(jié)器晶體管和所述電池晶體管被關(guān)閉； 在放電期間的過流狀況下，所述電池晶體管被關(guān)閉； 在充電期間的過壓狀況下，所述至少一個調(diào)節(jié)器晶體管和所述電池晶體管被關(guān)閉； 在放電期間的欠壓狀況下，所述電池晶體管被關(guān)閉； 在放電期間的短路狀況下，所述電池晶體管被關(guān)閉；和 在溫度過高的狀況下，所述至少一個調(diào)節(jié)器晶體管和所述電池晶體管被關(guān)閉。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述電池晶體管包括單個η溝道場效應(yīng)晶體管即nFET，所述nFET的背柵極用控制電路驅(qū)動，使得關(guān)聯(lián)的體二極管不被開啟。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述控制電路包括至少一個比較器、多個電平移位器和多個開關(guān)，所述比較器、所述多個電平移位器和所述多個開關(guān)被配置為將所述電池電壓和所述系統(tǒng)電壓中的較低者施加到所述nFET的體節(jié)點。
【文檔編號】H02J7/00GK103580096SQ201310311285
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月25日
【發(fā)明者】K·卡德沃三世, S·哈勒爾, B·路舒晨 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司