跟踪并存档电池性能数据的系统和方法

跟踪并存档电池性能数据的系统和方法
【专利摘要】描述一种智能可充电电池组，其具有用于监测并控制电池组的充电和放电的电池管理系统。所述电池管理系统包括存储器用于存储与所述电池的操作相关的数据，并且所述电池管理系统还被配置为将所述与电池的操作相关的数据传输到其他处理器进行分析。
【专利说明】 跟踪并存档电池性能数据的系统和方法
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求于2011年8月10日提出申请的美国临时专利申请N0.61/522，204和于2011年4月28日提出申请的美国临时专利申请N0.61/480，286的优先权利益。
[0003]本申请关联以下申请:序列号为—，标题为〃Latch Mechanism For BatteryRetention",于—提出申请的美国申请；序列号为—，标题为"Battery ManagementSystem With MOSFET Boost System〃，于—提出申请的美国申请；序列号为—，标题为"System and Method For Automatic Detection Of Battery Insertion〃，于 _ 提出申请的美国申请；序列号为—，标题为〃Battery Management System For Control Of LithiumPower Cells〃，于—提出申请的美国申请；序列号为—，标题为〃Viral Distribution ofData, Operating Parameters and Software Using A Battery As A Carrier〃，于—提出申请的美国申请；以上申请的全部内容包括在此处以供参考。
【技术领域】
[0004]本发明涉及一种向设备供电的电池组。更具体地，本发明涉及一种具有存储与电池的性能相关的数据的存储器的电池组和电池管理系统。内部和外部处理器都可以访问存储器用于检索并分析数据。
【背景技术】
[0005]心肺复苏(CPR)是一种知名的且有价值的急救方法，用于抢救遭受心脏骤停的人。CPR要求反复按压胸部以挤压心脏和胸腔带动血液流经身体。人工呼吸，如嘴对嘴呼吸或通气袋-面罩设备，用于向肺供应空气。当急救者有效地进行人工胸部按压时，在身体里流动的血流量约为正常血流量的25%到30%。然而，即使是经验丰富的医护人员也不能维持长时间的充足的胸部按压。参见 Hightower 等人，Decay In Quality Of Chest CompressionsOver Time, Ann.Emerg.Med.第26卷,第3期,第300页。因此，CRP常常不能成功地维持或者使病人复苏。然而，如果能够保持充足的胸部按压，则心脏骤停的受害者可以长时间维持。偶尔报道CPR效果(45到90分钟)被延长，且受害者最终获救于冠状动脉搭桥手术。参见 Tovar 等人，Successful Myocardial Revascularization and Neurologic Recovery,Texas Heart J.271 第 22 卷(1995)。
[0006]为了提供更好的血流量并加强旁观者努力复苏的效果，提出了各种用于执行CPR的医疗设备。在这种设备的一个变化中，在病人胸部周围放置一个皮带，且自动胸部按压设备拉紧皮带以实现胸部按压。参见我们自己的专利，Mollenauer等人，Resuscitationdevice having a motor driven belt to constrict/compress the chest,美国专利N0.6，142，962(2000 年 11 月 7 日);Bystrom 等人，Resuscitation and alert system,美国专利 N0.6，090，056 (2000 年 7 月 18 日);Sherman 等人,Modular CPR assist device,美国专利 N0.6，066，106(2000 年 5 月 23 日)；以及 Shennan 等人，Modular CPR assist device,美国专利N0.6,398,745 (2002年6月4日)；以及我们在2001年5月25日提出申请的序列号为N0.09/866，377的申请，2002年7月10日提出申请的序列号为N0.10/192，771的申请和在2010年3月17日提出申请的申请序列号为N0.12/726，262的申请，该申请描述使用皮带按压病人胸部的胸部按压设备。所有这些专利或申请的内容包括在此处以供参考。
[0007]由于急救期间分秒必争，CPR设备应当使用简单且便于快速部署在病人身上。我们自己的设备易于快速部署并且能够显著增加病人的生存机会。
[0008]这种设备的一个重要的方面是需要体积小、功能强大且稳定的电源为设备供电。CPR至少执行30分钟并不寻常。因此，电源必须能够向驱动按压设备的电机供应至少该时间长度的充足的能量。另外，电源的重量必须是相对较轻的，以便提高胸部按压设备的可移动性，然而设备必须在没有显著的电压或电流下降的情况下延长供应功率的时间段以保证在治疗期间连续进行按压。
[0009]现有的电池通常不能存储与电池的所有使用历史和性能相关的数据或信息。这种数据将会是有用的，因为它允许分析电池的性能并可能提供与充电和放电周期、电池的位置以及电池出现各种问题或故障的频率相关的趋势信息。
[0010]当这种电池结合设备(如通常被急救者(如消防部门或紧急医疗技术人员)使用的机械CPR设备)使用时，，电池往往要在使用者之间交换。在这种情况下，当发生紧急事件时分配到一个消防局或救护组的电池可能被另一个消防局或救护组不经意地取走。通常，以前的电池缺少感测其位置的能力，因此在电池需要更新或调回维护或替换时不能跟踪到电池的位置。
[0011]可以想象，一般在这种紧急情况下，电池不能粗率地处理。然而直到现在电池还是缺乏感测与粗率处理相关的参数的能力，并且因此不能记录未来的分析来确定粗率处理影响电池的寿命和性能的程度。
[0012]即使电池能够感测并记录上述的事件类型，通常电池不能轻易地将存储在其存储器中的数据传输到计算机、服务器或其他处理器进行分析。如果电池存储器存在，最好是仅在电池返回维护或替换时查询。
[0013]现在需要的，且至今无法提供的，是一种轻量稳定的，并具有存储各种有利于分析电池的性能、位置和寿命的事件记录的存储器的智能电池组。这种存储器能够通过外部系统(如服务器、或者通过其他计算机或处理器)从包括在电池内部的通信系统查询，或经局域网或广域网，因特拉网或因特网查询。这种可访问的存储器允许跟踪电池的位置，在电池需要更新或替换时尤其有利。本发明满足这些，以及其他需求。

【发明内容】

[0014]在一个最一般的方面，本发明提供一种能够在较长的时间段提供高功率和电流发动设备的高性能电池组。另外，电池组包括电池管理系统监测并控制电池操作的所有方面，包括电池的充电和放电。电池管理系统也能够记录在电池组充电和放电期间发生的事件，并传输这些事件供随后分析。电池管理系统也能够通过增强或改进的操作参数进行更新，并且能够管理各种电池化学从而提供向前和向后的兼容性。
[0015]在进一步的方面，本发明的电池管理系统包括一个或多个处理器用于监测并控制电池管理系统的各个功能。在另一方面，一个或多个处理器可被配置为与内部和/或外部存储器或设备通信以提供电池组在其寿命过程中发生的事件的存储。在又一方面，处理器不仅可被配置为与内部或外部存储介质或设备通信，还可被配置为经网络与其他处理器、存储介质或设备、或者甚至其他电池或电池充电器通信。网络是有线的或无线的。
[0016]在另一方面，本发明的电池管理系统包括可以存储与电池的性能相关的数据和信息的存储器。在一个可选的方面，电池管理系统也可包括定位系统，例如，基于全球卫星定位(GPS)技术的系统，并且存储器可被配置为存储与电池的位置相关的数据和信息。
[0017]在另一方面，电池可包括传感器，如加速计用于感测电池在使用，存储和运输期间的处理，并且存储器被配置为存储与电池的处理相关的信息以便可以检索并分析此信息和数据。
[0018]在进一步的方面，本发明包括具有用作载体，向其他电池或由电池供电的设备提供病毒式的、或快速的分布数据、运行参数和/或软件更新的存储器的电池。在一方面，电池从电池充电器的存储器中获取更新的数据、运行参数和/或软件更新，该电池充电器用于对已经放电的电池进行充电。在另一方面，充好电的电池携带更新的数据、运行参数和/或软件到达一台使用电池供电的设备，并且一旦连接到设备会向设备的存储器和/或处理器提供更新的数据、运行参数和软件的分布。在又一方面，电池检查充电器的存储器或充电电路，或设备的存储器或放电电路来在电池和设备中确定与数据，运行参数和/或软件相关的日期，提供更新的数据、操作参数和/或软件到设备或者从设备中检索最新的数据、运行参数和/或软件来更新电池的存储器和/或进一步将更新的数据、运行参数和/或软件分配到其他电池或设备。
[0019]而在另一方面，本发明包括向设备供电的电池组，该电池组包括具有正端和负端的可充电电池；用于监测与可充电电池的操作相关的参数的传感器；用于存储与可充电电池相关的数据的存储器，以及与传感器和存储器电通信的处理器，该处理器被配置为接收来自传感器的信号并在存储器中存储从传感器的信号中提取的与可充电电池的操作相关的数据，处理器还被配置为从存储器中检索存储的数据并将存储的数据传输到电池组外部的处理器。在一个可选的方面，存储器是事件存档。
[0020]在一个可选的方面，电池外部的处理器是位于电池充电器中的处理器。在另一方面，处理器还被配置为与由电池组供电的设备中的处理器通信，并且其中由电池组供电的设备中的处理器将与电池组供电的设备的操作参数相关的信息传输到处理器用于在存储器中存储。在又一方面，与可充电电池的操作相关的数据包括与可充电电池的操作相关的历史数据。且在又一方面，与可充电电池的操作相关的数据包括运行时间数据。
[0021]在另一方面，与可充电电池的操作相关的数据包括选自以下成分的数据:电池充电或放电的次数，最高或最低寿命负载测试电压，最高或最低寿命负载测试电流，最高或最低寿命负载测试功率，最大寿命峰值充电温度，温度传感器ID，最低寿命峰值充电温度，最高寿命峰值放电温度，寿命满充电周期计数，寿命状态周期计数，寿命低功率计数，寿命唤醒计数，寿命重设计数，寿命总故障计数，寿命电池欠压故障计数，寿命过电流故障计数和最后状态周期时间。
[0022]而在另一方面，数据包括与可充电电池的识别相关的数据，且在一个可选方面，与可充电电池的识别相关的数据是序列号。在另一方面，与可充电电池的操作相关的数据包括存储在存储器中识别数据并记录数据的时间的时间戳。
[0023]在另一方面，位于充电器中的处理器经编程请求可充电电池的处理器将存储在存储器中的数据传输到充电器中的处理器，并且其中充电器中的处理器在存储器中存储与充电器内的处理器相关的接收的数据。而在另一方面，位于充电器中的处理器被配置为将存储在与充电器中的处理器相关的存储器中存储的数据从充电器传输到远程服务器。
[0024]在进一步的方面，电池组进一步包括:用于从电池组中的接收器接收的信号确定电池组的位置的电路；并且其中处理器存储存储器中的电池组位置。在另一方面，处理器在存储器中存储由电池组供电的设备的位置。
[0025]而在另一方面，传感器是加速计，并且处理器被配置为确定与电池组承受的力相关的数据，还被配置为在存储器中存储与电池组承受的力相关的数据。在另一方面，处理器被配置为从存储器中检索存储的数据响应从电池组外部的处理器接收的数据的请求。而在另一方面，处理器被配置为从存储器中检索存储的数据并将存储的数据传输到电池组外部的处理器以响应于处理器感测的事件发生，该事件导致处理器执行编程命令代码。
[0026]在另一方面，本发明包括一种向设备供电的电池组，其包括:具有正端和负端的可充电电池；与可充电电池电通信的电池管理系统，包括:用于监测与所述可充电电池的操作相关的性能参数的传感器，用于存储与所述可充电电池的操作相关的数据的存储器，以及与传感器和存储器电通信的处理器，处理器被配置为接收来自传感器的信号并将从传感器的信号提取的与可充电电池的操作相关的数据存储在存储器中，处理器还被配置为从存储器中检索存储的数据响应从电池组外部的处理器接收数据的请求。
[0027]本发明的其他特征和优势将从以下详细描述中显而易见，结合以示例的形式示出本发明的特征的附图。
【专利附图】

【附图说明】
[0028]图1示出通过使用机械胸部按压设备对病人实施胸部按压的方法。
[0029]图2是图1的机械胸部按压设备的透视图，示出设备的底部和前侧。
[0030]图3是图1的机械胸部按压设备的透视图，示出底部和拆除的后盖板。
[0031 ]图4A是依照本发明的电池组的透视图，示出部署在电池组前侧的电池闩锁。
[0032]图4B是图4A的电池组的透视图，示出部署在电池组后侧的连接器，指示灯和按钮。
[0033]图5是示出本发明的一个电池组实施例的各个组件的分解透视图。
[0034]图6是依照本发明的原理的电池管理系统实施例的示意图。
[0035]图7是依照本发明的原理检索存储在电池的事件存档中的信息的系统实施例的示意图。
[0036]图8是使用本发明的电池实施例作为载体的病毒传播数据，信息和/或软件程序或命令的示意图。
【具体实施方式】
[0037]本发明的各个实施例旨在提供可再充电的电池用于向移动设备，尤其是医疗设备供电。本发明的实施例在电池需要在可预见时间段提供较大的电流量时尤其有利。另外，本发明的实施例包括电池管理系统控制电池操作的所有方面，也包括存储器存储在电池使用寿命期间发生的与其相关的事件。另外，电池管理系统的实施例包括使用不同电池化学的电池适应能力，并且也能够通过通信端口进行更新。
[0038]尽管本发明的各个实施例参照机械按压设备进行描述，本领域技术人员应该清楚地理解这些实施例不限制于为这样的设备供电。实际上，这种用途仅仅是示范性的，并且依照本发明的各个实施例的电池可以用于为任意设备供电，尤其是医疗设备，其中电池的功能满足设备的设计要求。
[0039]当依照本发明的各个实施例的电池在机械按压设备中使用时，电池必须能够在足够长的时间向机械按压设备供电以便不仅可以在场地治疗病人，也可以在将病人从场地运输到护理中心的期间治疗病人。然而经验表明，决定电池在治疗期间的电流消耗的因素是病人的体积和重量。因此，治疗体积大于普通病人的病人导致更大的电池电流消耗。
[0040]例如，研究表明影响电池向机械按压设备供电的电流消耗量的因素是胸深，胸宽，胸圆长。其他研究观察到普通成年男性人类的平均胸深是9.4英寸，平均胸宽是12.2英寸及平均胸周长是 39.7 英寸。参见 Young, JW, RF Chandler, CC Snow, KM Robinette, GFZehner, MS Lofberg, Anthropometric and Mass Distribution Characteristicsof the Adult Female,美国联邦航空局民用航空医学研究所，Okalhoma city, 0K,报告号 FAA-AM-83-16,1983 年；Anthropometry and Mass Distribution for HumanAnalogues:第一卷:Military Male Aviators,报告号 N0.USAFSAM-TR-88-6,1988年 3 月；Haslegrave, CM, "Characterizing the anthropometric extremes of thepopulation", Ergonomics,第 29 卷第 2 款，第 281-301 页，1986 年；Diffrient, N, ARTilley, JC Bardagy, Human Scale 1/2/3, The MIT Press, Cambridge, MA, 1974 ；以及PeopleSize Pro Software, Open Ergonomics Ltd., 34Bakewell Road, Loughborough, Leicestershire, LE115QY, United Kingdom,以上内容包括在此处以供参考。能够为平均体积的病人维持所述机械按压设备的操作至少30分钟以及为大于平均体积的病人维持至少20分钟操作的电池是有益的。
[0041]现在详细地参考附图，其中相同的参考数字表示几个图中相同的或对应的元素，图1中示出胸部按压皮带扣在病人I身上。胸部按压设备2借助皮带3实施按压，皮带3具有右边皮带部分3R和左边皮带部分3L。胸部按压设备2包括皮带传动台4和按压皮带盒5 (其含有皮带)。皮带传动台4包括:机架6供(病人在上边休息)、拉紧皮带的设备、部署在机架上的处理器和使用者界面。皮带包括拉肩带18和19以及位于皮带两端的宽负载分配部分16和17。拉紧皮带的设备包括连接到驱动轴的电机，皮带在使用时缠绕在驱动轴上并拉紧。如在这里示出的，胸部按压设备的设计允许轻量电-机胸部按压设备。完全组装的胸部按压设备仅重29磅，并且因此可以长距离手提。设备自身的重量约为22.0到23.0磅，在本发明的至少一个实施例中，电池的重量在2到5.0磅之间，优选约为3磅。皮带盒约重0.8磅，固定病人的肩带约重1.6磅。
[0042]图2示出从上方观察到的胸部按压设备的后侧23。在图2的透视图中，平均体积的病人臀部和大腿后侧将会延伸穿过下面的减震物40。设备构造在坚固的槽钢41周围，槽钢41相对机架是横向的。槽钢支撑设备承受按压期间产生的力。槽钢也充当连接皮带盒的结构。
[0043]槽钢41形成一个槽延伸穿过设备的横向宽度。在按压期间，皮带部署在槽内并沿着槽前进。皮带连接到跨越槽的驱动轴42。[0044]图3示出胸部按压设备2的内部组件。电动机79可操作经过离合器80和齿轮箱81提供扭转力到驱动轴42。制动器82连接到电动机的上侧，可操作停止驱动轴的运动。制动毂直接连接到电动机的转轴。
[0045]电动机79和制动器82由处理器单元83、电动机控制器84和配电控制器控制，以上全部安装在前盖板60的内部。处理器单元包括计算机处理器、非易失性存储设备和显示器。
[0046]处理器单元提供有用于控制电源控制器和电动机控制器的软件。处理器单元、电源控制器和电动机控制器在一起组成一个能够精确控制电动机的操作的控制系统。因此，可以自动并精确地控制按压不同体积的病人的时间和力度。
[0047]图2和3还示出靠近病人头部的电池仓121的位置。电池组和电池仓的位置和设计允许快速更换电池。除非电池组完全并正确地插入仓中，在仓的后部的弹簧将电池组推出。位于电池组一端的闩锁使得在电池组插入电池仓时电池仓121中的接收件能够在电池仓内托住电池组。凹陷部分120指示弹簧在电池仓121内的位置。位于电池仓尾端的塑料架122固定凹陷部分。
[0048]图4A和4B是电池组200的透视图，分别示出电池组的前侧和后侧205和210。电池组的前侧205朝外并且在电池组插入电池仓121 (图3)时可以被使用者看见。如图4A所示，前侧205包括闩锁215使得电池仓121内的接收件能够在电池仓内托住电池组200。图4A中也示出一对部署在电池组前端的顶侧的凸台217。这些凸台配合闩锁，通过防止电池顶部在电池插入期间向上滑出，推动闩锁与电池闩锁接收件或电池仓边缘正确地咬合，确保电池正确地固定在电池仓中。
[0049]如图4B所示，电池组的后侧210包括接头220，其连接电池仓121内的连接器从而使得机械按压设备的控制器或处理器能够与电池组200进行电通信。该连接器不仅允许从电池组流出的电流向机械按压设备提供电力，还在电池组和控制机械按压设备操作的处理器或计算机之间提供数据流、编程指令和其他信息，如电池充电状态、放电率、放电持续时间等。类似地，连接器220可被配置为连接到电池充电器内的连接器以便对电池组的电池进行充电，也可以在充电器和电池组之间提供数据流、软件程序或指令和/或其他信息。还可以设想连接器220可用于将电池组连接到通信网络，这将允许在电池组和同样连接到网络的其他计算机、服务器、处理器或设备之间流动信息。应当理解，网络可以是有线网络，如艾瑟网或者可以是无线网络。网络可以是本地网络或者是广域网，如WLAN或因特网。
[0050]状态指示灯225 (例如可以是一个或多个发光二极管(LED)或类似的设备)同样布置在电池组200的后端210提供例如电池组充电/放电状态的视觉指示、会影响电池组的操作的任何存在的故障或者其他对电池的使用者有用的信息。也包括按钮230 ;按钮230，例如，可用于启动电池组重设。或者，按钮230可用于启动诊断测试，其结果通过状态指示灯225指示。在其他实施例中，按下按钮230可以启动电池组内的处理器的其他动能，包括但不限制于，例如确定电池的剩余容量，通过使用状态指示灯225显示故障代码等。
[0051 ] 图5是电池组200的分解透视图。在该分解图中的电池组200是图4A和4B的倒置。电池组具有底部外壳234和顶部外壳232。具有电池円锁236、杠杆支座238和杠杆闩锁240的电池闩锁组件安装在电池组插入电池仓时朝外的一侧，并通过底部和顶部外壳固定。杠杆闩锁240具有翼241，其插入在电池闩锁236表面形成的凹槽或槽中，并且杠杆支座238安装在底部外壳上从而在外壳中可枢转地托住杠杆R锁240。压缩弹簧254布置在电池闩锁236的底端和顶部外壳232之间。凸出部分255部署在电池闩锁238的顶端，并且配置成穿过槽251，槽251延伸穿过底部外壳234的厚度。通过这种方式，电池闩锁236可以由使用者操作使凸起部分255咬合或脱离机械按压设备内的闩锁接收件从而将电池组插入电池仓和从电池仓121释放。
[0052]部署在电池组的后端210的是电池输入板242，其安装连接器220、指示灯225和按钮230(图4B)。使用一个或多个螺钉250将输入板256安装在底部外壳232。也可使用一个或多个螺钉256将输入板固定到顶部外壳252。在有些实施例中，防水垫片262可用于防止液体流入电池组内。另外，标签260可用于向使用者提供与指示灯225提供的各种指不相关的?目息。 [0053]安装处理器、存储器和电路的电池管理板244用于管理电池的各种操作(将在下文详细描述)，使用螺钉或其他紧固件258将电池管理板244安装在电池组件246上。电池组件246包括一个或多个电池248。电池248可以是利用各种电池化学的电池，如镍金属氢化物、氢化锂、锂离子等。电池管理板244和电池组件246也可包括一对飞溅防板266安装在电池组件246的左侧和右侧防止单独的电池248的端子与组件的其他部分意外接触，因此提供阻止电池短路的防板。
[0054]电池组200也包括至少一个部署在顶部外壳中的排气孔264，如图所示，其允许保持电池组的通风，防止在电池组充电或放电期间电池248产生的潜在易燃或爆炸性气体的累积。尽管示出部署在顶部外壳中，本领域技术人员将会理解排气孔可以部署在电池组的任意壁面或侧面。排气孔264可以是延伸穿过电池组的壁面或侧面的简单的孔。或者，排气孔264可包括过滤设备265，如网屏或疏水膜以防止颗粒或液体或水分流入电池组。这种排气孔的一个额外的优势是在电池组的内部和外部提供均衡的气压，如在电池组运输到更高或更低的海拔时实现。
[0055]上述机械按压设备的操作需要稳定的电源。要求设备在紧急的情况下使用30分钟或更久为病人提供复苏是不寻常的。机械按压设备的电动机的扭转力和功率需求在进行按压期间需要达到最大值为70安培的电流。如果不能通过电池向控制按压的电动机供应充足的电流，则电压降低并且电动机不能产生充足的扭转力确保完成按压病人的胸部。
[0056]本发明的
【发明者】意识到当电池在恒定的功率消耗运行时确保更久的和稳定的电池操作的关键是具有非常低的内部总电阻。已经发现的这种在需要高功率的设备中有用的电池化学是使用锂离子化学的电池，如在注册的Α123系统中的可用模型ANR26650M1ANR26650M1-B 芯锂离子电池。
[0057]图6是示出依照本发明的一个电池组300实施例的示意图。电池组300包括11个锂离子化学电池，如上述的模型ANR26650M1ANR26650M1-B芯锂离子电池。每个电池提供
3.3伏的电压，并且11个电池串联提供36.3伏的总电压。使用这种电池，可以制造依照本发明的原理的一个电池组实施例，重约3磅。观察表明这种电提供1550瓦到2000瓦的功率，并且优选地提供1800瓦的最大功率。这样便提供预期的重量功率比。另外，已发现该实施例能够供应略小于100瓦/时的能量。尽管在这个示范性实施例中使用11个电池，根据将要充电的设备的需求可以使用更多或更少的电池。
[0058]为了提供按压设备的电动机操作所需的电流量，
【发明者】发现将电池组的内部电阻减到最小是相当重要的。因此，使用的锂离子(L1-1on)电池应该具有较低的内部DC电阻，优选每个电池低于15毫欧，并且更优选地低于12.5毫欧。
[0059]尽管锂离子电池能够提供在延长的时间段操作机械按压设备所需的电压和电流，必须小心电池的充电阶段和放电阶段以确保电池在其预期寿命内工作。众所周知锂电子电池不应该过充电，也不应该过放电。因此，本发明的各个实施例包括同时监测并控制电池的放电和再充电周期的能力。这些实施例将在下文详细描述。
[0060]如前面的描述，11个锂离子电池310通过主电源总线320串联。总线320同时具有正极侧和负极或接地侧，这是典型的DC电路。总线320通过接口 330将电池提供的直流电提供到负载(此例中的机械按压设备)。如图6所示，接口 330是具有7个连接针脚的针连接器。或者可以使用插座，或者针脚与插座的组合，使用多于或少于7个针脚或插座。
[0061]总线320的正极侧连接到接口 330的针脚7。类似地，总线320的负极侧连接到接口 330的针脚6。针脚1-5用于传输电池组监测和控制中的各种信号，也传输到供电的设备，使得在电池组和供电设备之间能够交换信息和控制信号。在下文中将对包括这些特征的本发明的各个示范性实施例进行详细地描述。
[0062]再次回到图6，总线320的正极侧包括保险丝342，保护电路不受到过流情况。保险丝342可以是，例如，一个30安培的保险丝。在这种情况下，保险丝342持续经过大于30安培的电流导致保险丝断开，总线320产生的电路断路并且电流停止从电池流出。尽管未示出，也有保险丝熔断检测电路来监测保险丝，并且，如果保险丝熔断，向组控制器提供保险丝熔断的信号。组控制器然后提供指示电池不可用的信号。这种信号，例如，可以是LED颜色变化，或者一些其他状态指示灯激活或去激活。或者，组控制可以向电池供电的设备提供信号，然后设备向使用者提供电池没有准备好投入使用的指示。
[0063]主总线320的正极侧也包括一些η-沟道场效应晶体管(n_FET) 340,350和360。这些n-FET提供电路的开关和控制。使用n-FET是因为它们提供电阻非常低的开关，符合将电池的内部总电阻减到最小的设计要求。n-FET另一个独特的性能是它们能够进行高电流负载，不会导致损坏，也不会产生过量的热量。已发现的适合用在本发明的各个实施例中的n-FET的一个示例是Dig1-Key公司提供的模型IRLS3036。
[0064]在典型的设计中，p-FET设备可用作开关放置在主总线的高压侧。然而，P-FET的电阻是n-FET设备的电阻的两倍或多倍。因此，为了处理和n-FET设备一样的电流，将需要数个并联的P-FET设备。另外，数个p-FET的使用也需要使用散热器驱散p-FET导通时产生的热量。这在电池组的有限空间内是不利的。
[0065]类似地，n-FET设备通常用在主总线的低压侧，打开或关闭总线中的电流。然而，在这种情况下使用n-FET会断开电池的接地，导致电路中产生噪声并干涉电池管理系统电路的各个元件之间的通信。因此，本发明将n-FET开关放置在主线的高压侧，这样便提供有效的主线开关而避免在使用P-FET时产生过量的热量。将n-FET开关放置在主线的高压侧也会消除电路接地断开的问题。
[0066]在一些实施例中，一个或多个电阻器，如电阻器370和380，可插入主总线电路的负极侧或低压侧。这些电阻器提供与主总线抽头连接的功能以便监控流经电路的电流的各个方面。例如，在一个实施例中，电阻器370跨电池平衡输入和一级保护电路(将在下文中详细讨论)的输入线而连接。电阻器370的普通值是，例如，2.5毫欧。[0067]在另一个实施例中，电阻器380可以跨充电状态监测器(也称作“气体压力计”)而连接。在这个实施例中，电阻器380的值可以是，例如，5毫欧。
[0068]每个电池310在充电和放电期间都是单独监控的，从而分别控制充电率和放电率。在一个示范性实施例中，如图6所示，单独的电池接通线路390连接到每个电池和电池监控和平衡电路400。
[0069]一级保护
[0070]在充电期间，独立监控每个电池的电压以防止电池过充电。在一个示范性实施例中，微芯片上的监控系统(例如可以是电池组保护和监控集成电路(IC) 410，如02Micro的0Z890)用于控制各个电池的充电。在这种设置中，电池监控线路390提供正信号到IC410的代表引脚输入。例如，使用IC410的输入线BCl监控电池1，并因此前进到电池11，由IC410的输入线BCll监控。
[0071]如果IC410的控制电路检测出电池中的不平衡，则IC410在对应的外部放流控制线路CBl-CBll提供信号。如图6所示，当对应的外部放流控制线路CBl-CBll的信号施加至IJn-FET420的栅极时，允许电流通过n-FET420的源极和漏极，然后经过电阻器430，导致绕过电池并且暂停电池充电。从图6可以看出，每个电池有其专用的电阻器和n-FET组合与IC410电通信用于监控每个电池并防止每个单独的电池过充电。
[0072]电池平衡和一级保护IC410也可用在一些实施例中监控电池组的总电压。例如，当所有电池都达到其最大电压时，IC410可以发动低信号到n-FET350的栅极断开n-FET350的源极和漏极之间的沟道，并因此断开主总线电路320。这样导致充电电流停止经过电池，并因此暂停充电过程。
[0073]类似地，IC410监控在电池放电期间电池两端的电压。当电池两端的电压下降到小于阈值水平(例如21伏)时，IC410将线路450的信号驱动为低信号，反过来断开干扰主总线电路的n-FET360。这会防止电池由于去除太多电荷受到损坏，导致电池寿命减短。
[0074]IC410也可包括并控制温度测量性能，该性能设计成监控电池组和/或单独的电池的温度以防止过热。在这个实施例中，使用一个或多个热敏电阻460提供温度信号到连接IC410的线路470。如果IC410确定电池的温度不是太高也不是太低，则IC410驱动n-FET350或360或两者均为低电平，打开主总线320并隔离电池组。应当注意，尽管为了清晰起见仅示出单独的线路470，线路470包括对应数量的导体来监控所有用在与IC410通信的温度监控电路中的热敏电阻的功能。
[0075]IC410可通过在线路480提供故障信号然后用于点亮LED490，来额外提供故障状态的视觉指示。这种由一级保护电路感测的故障状态的视觉信号指示电池组由IC410呈现出非功能性，并且需要修复或维持电池组。
[0076]二级保护
[0077]本发明的一些实施例也可包括针对灾难性故障或过电压保护的二级保护。通过多个设计成监控电池组的电压和/或经过主总线的电流的电路并在超过电流或电压的一定阈值时采取措施可以提供这种二级保护。在一个实施例中，通过集成电路500，例如，02Micro的0Z8800来提供这种保护。本领域技术人员将会理解,根据电池组中使用的电池数量，需要多于I个IC500。例如，0Z8800 二级电池保护集成电路可监控3到7个单独的电池。因此，当使用11个电池时需要2个0Z8800。[0078]IC500通过监控线路312监控每个电池的电压。在一些实施例中，采用时间延迟提供临时过电压状态。当由于电压未回落到可接受范围导致超过时间阈值时，IC500通过故障线路510发送低信号到n-FET340以断开n_FET340。每个电池由类似的电路监控。
[0079]从图6中可以明显看出上述n-FET处于正常断开状态，除非向n_FET的栅极施加正电压。因此，导致栅极电压减小到低于n-FET的阈值以下的水平的任何故障都会引起n-FET断开，因此提供电池和电池管理电路的额外保护。
[0080]气体压力计
[0081]本发明的另一个实施例包括“气体压力计”功能，监控电池组中剩余的可用电量。这种气体压力计功能可以使用经设计成执行不同的任务(如根据电池的使用时间、放电率和温度计算可用的剩余电池容量和待机状态)的集成电路来提供。这种电路也可确定从接近满充电到接近满放电的放电循环过程中的真正电池容量。
[0082]图6示出这种气体压力计电路600的一个示例。使用集成电路610 GBTexasInstruments公司的bq2060A)实现电池组的监控。IC610与外部EEPR0M620协同工作。EEPR0M620存储IC610的配置信息、如电池中使用的化学、电池的自放电率、各种率补偿因素、测量校准、以及电池设计电压和容量。所有的这些设置都可以改变从而允许系统在各种电池类型中使用。另外，IC610可通过后侧总线电路630与中央处理器和存储器通信。如此，可使用来自中央处理器的控制信号将IC610和EEPR0M620配置成适应不同类型的电池，其中电池由系统内的其他电路检测并识别，或者由使用者手动识别。在可选实施例中，IC610也可配合组控制器增加气体压力计在低电流消耗状态下的报告精度，其中使用对应的嵌入到控制组控制器和气体压力计的操作的软件中的来执行实施该功能需要的算法。
[0083]通常，通过结合使用IC610和IC800来实施气体压力计功能，以便通过监控电池中输入或移出的电荷量确定满充电的电池容量和任意时刻的剩余容量。另外，IC610跨电阻器380进行检测同时测量电池电压、电池温度和电流。在有些实施例中，IC610也可估量电池的自放电率，同时监控电池的低压阈值。如上所述，IC610通过监控电阻器380两端的电压测量电池的充电量和放电量，其中电阻器380位于(一系列连接的电池中的)第一电池310的负极端和电池组的负极端之间。通过这个测量的电压可以确定可用电池电荷并校正环境和操作状态的测量。
[0084]IC610也可测量电池组的温度从而实施上述估量和调整。在一个实施例中，热敏电阻640与电池组的一个电池或多个电池相邻安装，安装方式是使得能够测量电池组的一个电池或多个电池的温度。IC610在测量电池温度的同时，通过向线路660提供对应的信号将n-FET650的栅极驱动为高电平以便将偏置电压源连接到热敏电阻640。一旦测量结束，IC610将n-FET650的栅极驱动为低电平，断开n_FET并因此使热敏电阻640从偏压源断开。
[0085]IC610可以在每次电池充电时重设以便所报告的电池剩余电荷量是精确的。电池组监控电路或组控制器800 (在下文中更详细地描述)通过重设线路670提供信号将n-FET680的栅极驱动为高电平。这样导致电流经过n_FET680，导致重设信号被提供到IC610从而从新设置IC610的电池容量计数器。
[0086]在另一个实施例中，IC610包括封闭/解封功能，防止未经授权地访问存储在IC610或EEPR0M620中的参数。组控制器800可以通过线路680发送信号将n_FET690的栅极驱动为高电平，其闭合n-FET690允许在IC610与EEPR0M630之间流动指令和数据。这种数据可包括，例如，更新的校准信息等。在可选实施例中，可以仅使用来自组控制器的软件指令来控制IC610和EEPR0M630之间的数据流，以便控制IC610和EPR0M630而不需要使用η---Τ690。
[0087]鉬控制器
[0088]在本发明的另一个实施例中，电池管理系统包括组控制器800，其充当电池管理系统实施的各个功能的整体监控器。通常组控制器800是集成电路，尽管可以使用实施相同功能的分立电路，取决于电池组内的可用空间量。
[0089]例如，组控制器800可以是低或超低功率微控制器,如TexasInstruments公司的MSP430F2418混合信号控制器。这种控制器可包括存储器，如随机存取存储器或闪存，从而提供快速且高效地执行电池管理系统的各个功能。组控制器800也包括通过一条或多条通信总线(如后侧总线630和前侧总线810)与外围设备、电路或存储器通信的性能。通信总线通常使用通信协议，例如I2C总线(Philips公司的商标)或系统管理总线(SMBus)。在下文中对SMBus更详细地描述。
[0090]相应的软件指令用于对组控制器800的功能编程。这种软件包括配置通信协议接口的指令，例如，SMBus接口。该软件也可配置组控制器来监控关键电池组参数，通过通信线路810，820, 822，后侧总线830，前侧总线810和检测线路824，以及其他未示出的通信线路或将在以后添加的线路实施所述监控。
[0091]相应编程之后，组控制器800也和一个或多个存储设备(例如事件档案EEPR0M900)进行通信。这种档案具有，例如，尽管不限制于此，64千字节的存储器，可用于存储在电池组的充电和放电周期中发生的各种事件的历史，例如总充电量、总放电能量、电池温度、任何发生的故障或者其他与独立电池和/或用于管理并控制电池的操作各种电路相关的信息。
[0092]组控制器800也可通过编程从而与存储器和/或处理器通信，例如，EEPR0M1000。在图6示出的示范性实施例中，EEPR0M1000位于由电池组供电的机械按压设备中，或者纳入电池组并且被配置为可以通过由电池供电的设备访问。在这个示例中，组控制器800通过前侧总线810与机械按压设备中的EEPR0M1000和/或处理器通信，所述前侧总线810通过连接器330访问机械按压设备中的相似总线。如此,在电池组和由电池组供电的设备之间建立双向通信连接允许在电池组和所供电的设备之间交换信息。例如，更新的操作参数或指令(包括更新的软件)在电池组与所供电的设备进行通信时可以从所供电的设备加载到电池组。类似地，包含在事件档案EEPR0M900中的信息可以传输到EEPR0M1000，或者任意其他配置用于通过后侧总线810从电池组中存在的任意存储器通信的存储器(如便携式存储设备)。
[0093]应当理解这种通信性能也允许电池和由电池供电的设备旁边的其他设备通信。例如,通常电池组从所供电的设备中取出进行再充电。当电池组连接到电池充电器时，电池充电器可用于从电池组的存储器检索信息，和/或通过前侧总线810发送更新后的数据、信息、编程指令或软件至所述电池。这种通信过程通常使用通信协议中规定的各种握手和通信对话来管理以便实现通信(例如SMBus协议)，所述通信在充电器或其他设备中的处理器与电池组的组控制器800之间交换。在有些实施例中，电池插入所供电的设备中时也可以进行涓流充电，其中所充电的设备也连接到外部电源。[0094]本发明的另一些实施例可包括在电池组插入电池充电器或所供电的设备(例如机械按压设备)时的识别性能(由组控制器800管理)。例如，组控制器800可被配置为使用相应的软件和/或硬件指令提供信号到IC410和IC500从而提供高信号到n-FET340，350和360的栅极闭合这些开关并因此仅在检测电路1100通过线路824发送相应的信号到组控制器800指示电池组正确安装在所供电的设备中时在连接器330的正和负引脚提供全电池电压。
[0095]在一个实施例中，组控制器800监控连接到机械开关或连锁的线路，当电池正确插入充电器或所供电的设备中时机械开关或连锁被强制关闭。在另一个实施例中，组控制器800监控连接到电池连接器的一个或多个引脚的信号线。当通过这条信号线接收相应的信号时，组控制器800确定电池正确地插入充电器或所供电的设备中，并提供高信号到上述n-FET340，350和360的栅极。该实施例在组控制器800经编程以便仅当接收到特殊信号时响应特别有利，确保电池插入特定类型或者将充电器或所供电的设备设计成在向n-FET340, 350和360的栅极提供高信号之前容纳电池。
[0096]这些实施例在阻止所述连接器330正负两端之间意外短路导致电池的放电方面是具有优势。已知存储在电池组的电池中的能量，这样的放电可能是灾难性的。因此，在这个实施例中，电池组的连接器330的正负端之间没有电压，除非电池组正确安装在被配置为提供相应的信号检测电路1100的设备中，因此在电池组未连接充电器或所供电的设备(如上述机械按压设备)时提供了安全的电池组处理、存储和运输。
[0097]组控制器800也可经编程提供密码访问，允许改变存储在EEPR0M900和620中的设置和参数，并在发生故障时提供相应的信号驱动LED490。也可包括额外的性能(配置为使用相应的软件和/或硬件指令)向电池管理系统提供额外的功能。例如，这类功能可包括驱动显示器指示电池中的总剩余电量等。对可纳入组控制器800的各种性能的一个更全面的描述(尤其当组控制器是MSP430F2418 (或这种控制器系列的其他元件)时)包含在 Texas Instruments 公司的一篇标题为〃MSP430F241x, MSP430F261x Mixed SignalMicrocontroller//SLAS541F-2007年6月-2009年10月修订的文献中，以上内容包括在此处以供参考。
[0098]智能总线通信
[0099]显然，包含在本发明的各个实施例中的各处理器和集成电路以及逻辑系统由于可以通过前侧总线320和后侧总线630相互通信，使得它们能够作为一个统一的系统运作。在有些实施例中，使用系统管理总线(SMBus)说明书实施通过这些总线进行的通信。SMBus是双线接口，通过该接口在其他电路中的各种系统组件芯片(如IC410、IC610、二级保护系统500、事件档案900、EEPR0M1000和组控制器800)可以相互通信且与系统的剩余部分通信。与SMBus说明书相关的进一步的信息包含在“SystemManagement Bus (SMBus)Specification Version2.0”，SBS Implementers Forum, 2000 年 8 月 3 日，以上内容包括在此处以供参考。
[0100]升压电路
[0101]
【发明者】观察到，在本发明的有些实施例中，驱动n-FET闭合所需的电压超过电池组的可用电压。例如，使用偏置电压为10伏的n-FET，n-FET需要的偏置电压加上电池电压的驱动电压以便充分驱动n-FET从而允许相应的电压经过n-FET对电池充电或放电。因此，包括升压电路以便将供应到n-FET的栅极的电压升高从而驱动n-FET以便传导电池供应的电流。
[0102]本领域技术人员将会理解在本发明中使用n-FET导致需要复杂的电路，如升压电路。这种复杂性可以通过使用P-FET消除。然而，经发现使用p-FET是不利的，因为由一个单独的n-FET处理的电流将需要数个p-FET处理。另外，使用多个p_FET产生的热量需要额外的一个或多个散热器来驱散，这需要在紧凑型电池中具有更多可用空间。另外，众所周知p-FET的电阻至少是n-FET电阻的两倍，这会增加电池组的整体内部电阻。
[0103]存档存储器
[0104]再次回到图6，组控制器800与事件存档EEPR0M900通信。在一个实施例中，事件存档EEPR0M900是非易失性存储设备(如闪存)，具有例如64kb的存储容量。如前面的描述，组控制器800可在事件存档900中存储与电池组的使用、操作和性能有关的数据和信息用于随后检索和分析。
[0105]表I是与组控制器800在电池的寿命过程中感测或收集，然后在事件存档900中存储的与电池长期历史记录相关的数据或信息的示范性列表。应当理解尽管示出某些字段，仅根据系统的设计要求可以使用其他数据字段。
[0106]表I
[0107]
【权利要求】
1.一种向设备供电的电池组，其包括: 可充电电池，其具有正极端和负极端； 传感器，其用于监测与所述可充电电池的操作相关的参数； 存储器，其用于存储与所述可充电电池的操作相关的数据，以及 与所述传感器和存储器电通信的处理器，所述处理器被配置为接收来自所述传感器的信号并在所述存储器中存储从来自所述传感器的所述信号中提取的与所述可充电电池的操作相关的所述数据，所述处理器还被配置为从所述存储器中检索所述存储的数据并将所述存储的数据传输到所述电池组外部的处理器。
2.根据权利要求1所述的电池组，其中所述存储器是事件存档。
3.根据权利要求1所述的电池组，其中所述电池外部的处理器是位于电池充电器中的处理器。
4.根据权利要求1所述的电池组，其中所述处理器还被配置为与由所述电池组供电的设备中的处理器通信，并且其中由所述电池组供电的所述设备中的处理器将与由所述电池组供电的所述设备的操作参数相关的信息传输到所述处理器用于在所述存储器中存储。
5.根据权利要求1所述的电池组，其中与所述可充电电池的所述操作相关的所述数据包括与所述可充电电池的所述操作相关的历史数据。
6.根据权利要求1所述的电池组，其中与所述可充电电池的所述操作相关的所述数据包括运行时间数据。
7.根据权利要求1所述`的电池组，其中与所述可充电电池的所述操作相关的所述数据包括选自以下各项组成的组的数据:电池充电或放电的次数、最高或最低寿命负载测试电压、最高或最低寿命负载测试电流、最高或最低寿命负载测试功率、最高寿命峰值充电温度、温度传感器ID、最低寿命峰值充电温度、最高寿命峰值放电温度、寿命满充电周期计数、寿命状态周期计数、寿命低功率计数、寿命唤醒计数、寿命重设计数、寿命总故障计数、寿命电池欠压故障计数、寿命过电流故障计数和最后状态周期时间。
8.根据权利要求1所述的电池组，其中所述数据包括与所述可充电电池的标识相关的数据。
9.根据权利要求8所述的电池组，其中与所述可充电电池的标识相关的所述数据是序列号。
10.根据权利要求1所述的电池组，其中与所述可充电电池的操作相关的所述数据包括时间戳以便识别数据和将所述数据存储到所述存储器的时间。
11.根据权利要求3所述的电池组，其中位于所述充电器中的所述处理器经编程请求所述可充电电池的所述处理器将存储在所述存储器中的所述数据传输到所述充电器中的所述处理器，并且其中所述充电器中的所述处理器将所述接收到的数据存储在与所述充电器内的所述处理器相关联的存储器中。
12.根据权利要求11所述的电池组，其中位于所述充电器中的所述处理器被配置为将存储在与所述充电器中的所述处理器相关联的所述存储器中的所述数据从所述充电器传输到远程服务器。
13.根据权利要求1所述的电池组，其进一步包括: 用于从所述电池组中的接收器接收的定位信号确定所述电池组的位置的电路；并且其中所述处理器将所述电池组的所述位置存储到所述存储器中。
14.根据权利要求13所述的电池组，其中所述处理器在所述存储器中存储由所述电池组供电的设备的位置。
15.根据权利要求1所述的电池组，其中所述传感器是加速计，并且所述处理器被配置为确定与所述电池组承受的力相关的数据，并且还被配置为在所述存储器中存储与所述电池组承受的所述力相关的所述数据。
16.根据权利要求1所述的电池组，其中响应于从所述电池组外部的处理器接收的数据的请求，所述处理器被配置为从存储器中检索所述存储的数据。
17.根据权利要求1所述的电池组，其中，响应于由所述处理器感应的导致所述处理器执行编程命令代码的事件的发生，所述处理器被配置为从存储器中检索所述存储的数据并将所述存储的数据传输到所述电池组外部的处理器。
18.一种向设备供电的电池组，其包括: 可充电电池，其具有正极端和负极端； 与所述可充电电池电通信的电池管理系统，其包括: 传感器，其用于监测与所述可充电电池的操作相关的性能参数， 存储器，其用于存储与所述可充电电池的操作相关的数据，以及 与所述传感器和存储器电通信的处理器，所述处理器被配置为接收来自所述传感器的信号并将从来自所述传感器的所述信号提取的与所述可充电电池的操作相关的所述数据存储在所述存储器中，所述处理器还被配置为响应于从所述电池组外部的处理器接收的数据的请求，从所述存储器中检索所`述存储的数据。
【文档编号】H02J7/04GK103797681SQ201280031060
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2012年4月27日 优先权日:2011年4月28日
【发明者】肖恩·伊普, 大卫·马克 申请人:佐尔循环公司