电池组、电池保护处理装置及其启动控制方法

专利名称：电池组、电池保护处理装置及其启动控制方法
技术领域：
本发明涉及一种集成有处理电路的二次电池的电池组，一种用于进行保护处理的 保护处理装置以及一种电池保护处理装置的启动控制方法，所述处理电路进行包括防止在 二次电池中发生异常的处理。
背景技术：
近年来，市场上的便携式的电子装置例如数码摄相机的数量有了提高。安装在这 些电子装置上的二次电池的性能非常重要。这种二次电池包括锂离子电池。特别，如果锂_离子二次电池过充电，锂离子在负极上析出为金属锂。已知在最坏 情况下，电池冒烟、点燃、或者爆炸。如果电池过量放电，电极间会受到少量短路或容量降 低。当正负电极短路时，还已知过电流的流动会引起非正常发热。为了防止过充电、过放 电、短路(过电流)，锂离子二次电池通常带有监控这些异常状态的保护功能和防止异常状 态的开关。图IA和IB是示出在锂离子二次电池中发生放电和过电流时电压和电流变化的图表。图IA和IB示出用于家用数码摄相机和数码相机的锂离子电池单元的例子。满充 电的电压假定为4. 2V，过放电检测电压假定为3. 0V。图IA示出在2W功耗的放电期间电池 单元电压的变化。如图IA所示，所述电池单元电压从满充电状态开始在大约90分钟以后 降到过放电检测电压。如果释放了放电负载，所述电池单元电压暂时升高，但是其后由于自 放电而逐渐地下降。如果所述电池长时间不用，所述电池单元电压会降低到0V。当正负电 极短路时，所述电池单元电压立即会降低到大约IV，如图IB所示。这时，流过大约15A的过 电流。另一方面，日益为使用二次电池作为电源的上述便携式电子装置提供剩余电池容 量显示功能。如图IA所示，特别是在锂离子二次电池中，除了紧接在放电前后之外，电池单 元电压逐渐地并线性地降低。因此，仅使用电池单元电压不能精确地检测剩余电池组容量。 通过使用充电和放电电流、电池单元温度等等的累加值可以精确地计算有用的剩余使用寿 命。为了实现这种剩余电池容量显示功能，具有市售的在相同组件中包括二次电池和诸如 微控制器的电路的电池组。图2示出传统电池组的内部结构例子。在图2中的传统电池组包括含锂离子二次电池的电池单元1 ；用于充放电控制的 保护开关SWll和SW12，每个保护开关包括根据所述结构在源极和漏极之间等效地包含二 极管的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)；用于电流检测的电阻器Rs ；电池保护 电路110 ；微控制器120 ；用于微控制器运行的时钟振荡器130 ；用于检测电池单元1的温度
3的热敏电阻140 ；和用于与带有所述电池组的电子装置建立通信的通信I/F(接口)150。在所述电池组中，每个保护开关SWll和SW12包含FET和二极管。保护开关SWll 可以切断放电电流。保护开关SW12可以切断充电电流。因此，当电池单元1充电时，充电 器连接到正极端子Ebl和负极端子Eb2。而且，保护开关SW12接通。正极端子Ebl和负极 端子Eb2可以连接到用作放电负载的装置。这样的话，接通保护开关SWll可以给所述装置 提供电源。电池保护电路110还与各种电路集成在一起用于给微控制器提供电源。微控制器120是用于计算显示电池单元1的剩余容量所需的信息并根据从电池保 护电路110提供的电源运行的电路。为了稳定的运行，所述电池保护电路110控制启动定 时。微控制器120根据等效于充放电电流和电池保护电路110提供的电池单元电压的数字 化值以及热敏电阻140检测的温度值、在软件控制下计算必要的信息。微控制器通过通信 I/F 150和控制端子4将信息传输给安装有所述电池组的电子装置。因而可以显示所述电 子设备体内电池的剩余容量。然而，如上所述，所述二次电池的电池单元电压随情况而急剧变化。另一方面，微 控制器系统是在电源电压稳定地提供给微控制器的前提下设计的。为此，如图2所示，传统 的电池组使用独立于微控制器的另一电路来提供保护功能，其监控二次电池的异常例如过 充电、过放电和过电流。有这种电路的例子，主要包括专门的电压比较器作为主要部件来完 成所述电池单元的保护功能(例如，参看日本专利No. 3136677 (第
段到
段， 图 1))。图3简略地描绘出传统电池组的电池单元状态。如图3所示，例如，当电池单元1的电压从3. 0变到4. 25V时，传统的电池组保持正 常状态。在这种状态下，如果连接了，保护开关SWll和SW12两者都接通，从而使能对放电 负载提供电源和充电器的充电操作。当电池单元1的电压超过4. 25V时，出现过充电状态。 保护开关SW12切断，从而截断充电。当电池单元1的电压低于3. OV并高于或等于2. 50V 时，发生过放电状态。保护开关SWll切断，从而截断放电。然而，在这种状态下，继续给微 控制器120提供电源，保持微控制器120运行。当电池单元1的电压变得低于2. 50V时，停止所有放电，以防电池单元1的容量降 低。因此，微控制器120停止运行。其后，从充电器端子施加的电压开始对电池单元1充电。 当电压超出特定值时，微控制器120开始运行。电流检测电阻器Rs用来检测放电电流。当放电电流超过3. OA时，发生过电流状 态。保护开关SWll切断，以便阻止放电。这些状态同样停止微控制器120等的运行。释放 放电负载自动地恢复正常状态。如上所述，传统电池组是与用于锂离子二次电池的保护电路和用于计算剩余电池 组容量的显示的微控制器独立地安装的。最近，相形之下，从小型化、减少元件数目和减少 零件费的观点来看，希望主要使用微控制器来完成上述保护电路的功能并将大部分电路集 成在单个半导体电路板上。然而，如上所述，二次电池电压随着状况变化而不稳定。不稳定地给微控制器本身 提供电源电压。主要在微控制器的软件控制下已经难以监控二次电池的异常状态。如果微 控制器实现部分保护功能，主要通过专用硬件例如电压比较器来完成。微控制器被用作那 个硬件的补充功能。
当微控制器主要执行对二次电池的保护功能时，重要的是尽量节省微控制器本身 的功耗并给微控制器稳定地提供电源。电池组可以根据施加给所连接设备的负载大小使用多个串联连接的电池单元。这 样的话，必须为每个电池单元分别地确定过充电和过放电状态。然而，当如上所述仅仅用电 压比较器用来检测电池单元电压时，必须提供包含与串联连接的电池单元同样多的电压比 较器的保护电路，从而引起增加设计成本和扩大安装空间的问题。

发明内容
在考虑上述内容的情况下进行本发明。因此，本发明的目的是提供一种电池组，主 要使用软件控制来稳定地执行二次电池保护功能并减少电路安装空间以及部件花费。本发明的另一个目的是提供一种电池保护处理装置，主要使用软件控制来稳定地 执行二次电池保护功能并减少电路安装空间以及部件花费。本发明还有另一个目的就是提供一种控制方法，该方法能够使得电池保护处理装 置主要使用软件控制以稳定地完成二次电池保护功能和减少电路安装空间和部件花费。根据本发明的一个方面，提供一种电池组，所述电池组由与通过控制二次电池的 至少放电或充电来执行包括保护处理的处理的处理电路集成的二次电池组成，所述电池组 包括外部电源端，用于供应外部电压以对所述二次电池充电；电源装置，用于通过选择在 二次电池的正和负电极之间的电压或在外部电源端之间的电压中的一个来向所述处理电 路供应电源；其中，当所述二次电池是过放电状态时，所述电源装置选择在外部电源端之间 的电压，且当在外部电源端之间的电压超过开始保护处理的最低电压时生成检测信号；以 及处理电路根据来自所述电源装置的检测信号来开始初始化处理。根据本发明的另一方面，提供一种电池保护处理装置，用于执行保护二次电池的 处理，该装置包括处理电路，通过控制二次电池的至少放电或充电来执行包括保护处理的 处理；电源装置，用于通过选择在二次电池的正和负电极之间的电压或在用于供应外部电 压以对二次电池充电的外部电源端之间的电压中的一个来向所述处理电路供应电源；其 中，当被供应给处理电路的电压超过预定启动_使能电压时所述电源装置生成检测信号， 并将该检测信号通知给处理电路；以及处理电路根据来自所述电源装置的检测信号来开始 初始化处理。根据本发明的另一方面，提供一种用于电池保护处理装置的启动控制方法，该电 池保护处理装置通过控制二次电池的至少放电或充电来执行保护二次电池的处理，该方法 包括当二次电池是过放电状态时，通过选择在用于供应外部电压以对二次电池充电的外 部电源端之间的电压来供应电源；当被供应给处理电路的电压超过预定启动_使能电压 时，生成检测信号；根据所述检测信号来进行初始化处理；在二次电池的正和负电极之间 的电压超过预定电压之后，请求将电源从在外部电源端之间的电压切换到在二次电池的正 和负电极之间的电压；供应在二次电池的正和负电极之间的电压，而不是在外部电源端之 间的电压。为了解决上述问题，本发明提供一种电池组，所述电池组由与执行包括防止二次 电池中发生故障的处理的处理电路集成的二次电池组成，该电池组包括放电电流切断装 置，其用于选择性地切断二次电池中的放电电流；充电电流切断装置，其用于选择性地切断
5二次电池中的充电电流；保护处理装置，其用于至少根据二次电池的正极和负极之间的电 极间电压控制放电电流切断装置和充电电流切断装置的操作；以及启动使能电压检测装 置，其用于当提供给保护处理装置的电源电压达到启动保护处理装置的最小值时产生检测 信号，其中保护处理装置根据来自启动使能电压检测装置的检测信号的检测执行初始化处理。在这种电池组中，保护处理装置至少根据二次电池的正负电极之间的电极间电压 控制放电电流切断装置和充电电流切断装置的运行。例如，当判断出二次电池处于过充电 状态时，充电电流切断装置切断充电电流。当判断出二次电池处于过放电状态时，放电电流 切断装置切断放电电流。照这样，保护了二次电池防止异常状态，例如过充电和过放电状 态。根据启动使能电压检测装置检测的信号，当提供给保护处理装置的电源电压达到启动 保护处理装置的最低电压的时刻对保护处理装置进行初始化处理。因此，保护处理装置根 据从二次电池提供的电源电压的降低停止运行。之后，当电源电压上升到足以能启动时，保 护处理装置启动。启动的同时初始化保护处理装置以稳定运行状态。而且，还可以提供稳定的驱动电压检测装置，用于当保护处理装置的电源电压达 到高于最低电压且低于或等于稳定驱动保护处理装置的电压的特定电压时产生检测信号。 在完成初始化处理之后，根据从稳定驱动电压检测装置对检测信号的检测，保护处理装置 可以配置用于放电电流切断装置和充电电流切断装置的运行控制所需的阈值电压。照这 样，电源电压上升到比上述最低电压高很多，然后更可靠地进行二次电池保护处理所需的 数据设置以启动保护处理。而且，本发明提供一种用于电池保护处理装置的启动控制方法，该装置根据二次 电池的正极和负极之间的电压，通过控制放电电流切断电路以选择性地切断二次电池的放 电电流和充电电流切断电路以选择性地切断二次电池的充电电流的操作，执行保护二次电 池防止发生异常的处理，该方法包括当提供给电池保护处理装置的电源电压达到启动电 池保护处理装置的最小电压时，执行电池保护处理装置的初始化处理。当提供给电池保护处理装置的电源电压达到启动电池保护处理装置的最低电压 的时刻，用于电池保护处理装置的启动控制方法进行装置的初始化处理。因此，随着从二次 电池提供的电源电压的降低，电池保护处理装置停止运行。之后，当电源电压上升到足以能 够启动时，保护处理装置启动。启动的同时初始化电池保护处理装置以稳定运行状态。而且，最好，配置放电电流切断电路和充电电流切断电路的运行控制所需的阈值 电压并在电源电压达到高于最低电压且低于或等于稳定驱动保护处理装置的电压的特定 电压时启动二次电池的保护处理。照这样，电源电压上升到比上述最低电压高很多，然后更 可靠地进行二次电池保护处理所需的数据设置以启动保护处理。根据本发明的电池组，当电源电压上升到足以能够启动时，用于进行二次电池的 保护处理的保护处理装置启动。启动的同时初始化保护处理装置以稳定运行状态。因此， 可以提供软件控制以稳定地进行二次电池承受大电压变化的保护处理。这使得可以更可靠 地保护二次电池、减少电路安装面积和生产成本、以及容易地实现高精度的保护处理。而且，当用于保护处理装置的电源电压达到高于启动保护处理装置的最低电压和 低于或等于稳定地驱动保护处理装置的电压的特定电压时，提供用于产生检测信号的稳定 驱动电压检测装置。完成初始化处理之后，根据来自稳定驱动电压检测装置的检测信号的检测，保护处理装置可以配置用于放电电流切断装置和充电电流切断装置运行控制所需的 阈值电压。在这种情况下，电源电压上升到比上述最低电压高很多时，启动了二次电池保护 处理。这使得可以更可靠地进行保护处理。根据用于本发明的电池保护处理装置的启动控制方法，当电源电压上升到足以能 够启动时，电池保护处理装置启动。启动的同时初始化电池保护处理装置以稳定运行状态。 因此，可以提供软件控制以稳定地进行二次电池承受大的电压变化的保护处理。使得可以 更可靠地保护二次电池、减少电池保护处理装置的电路安装面积和生产成本，以及容易地 执行高精度的保护处理。而且，可以配置放电电流切断电路和充电电流切断电路的运行控制所需的阈值电 压并当提供给电池保护处理装置的电源电压达到高于启动该装置的最低电压和低于或等 于稳定地驱动该装置的电压的特定电压时启动二次电池保护处理。在这种情况下，在电源 电压上升到比上述的最低电压高很多时，启动了二次电池保护处理。使得可以更可靠地进 行保护处理。


图IA和IB给出了显示在锂离子二次电池中发生放电和过电流时电压和电流变化 的曲线图；图2示出传统电池组的内部结构例子；图3简略地描绘出传统电池组的电池单元状态；图4示出根据本发明实施例的电池组的内部结构例子；图5是示出集成的处理电路的内部结构例子的方框图；图6是示出在充电期间电池单元电压变化的曲线图；图7A到7C示出复位电路的输出信号、以及电池单元和微控制器的电源电压之间 的关系；图8A和8B示意地示出在微控制器启动和稳定运行期间提供的电源的路径；图9是示出启动后瞬间微控制器处理的流程图；图10示出电池单元电压的状态变化；图11详细示出状态变化控制的流程；图12示出过电流检测电路的内部结构例子；图13是示出摄像机运行期间消费电流变化的曲线图；图14示出燃料表(fuel gauge)的内部结构例子。图15说明微控制器的运行方式的变化；图16是示出微控制器处理的整个流程的流程图；图17是示出微控制器的电池保护处理的流程图；图18是示出微控制器的剩余电池容量计算处理的流程图；和图19显示使用多个串联连接的电池单元的电池组的内部结构例子。
具体实施例方式将参考附图进一步详细说明本发明的实施例。
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图4示出根据本发明实施例的电池组的内部结构例子。根据本发明的电池组是二次电池和电路的集成组件，所述电路执行处理功能以显 示二次电池的剩余容量和保护功能以防二次电池的异常状态。所述实施例使用一种锂离子 二次电池，所述锂离子二次电池具有放电电压相对平缓并线性降低的这种放电特性。例如， 使用这种二次电池使得可以精确地检测剩余电池容量并且根据可利用的剩余时间进行显示。图4中的电池组具有包括锂离子二次电池的电池单元1 ；在相同半导体基板上 形成的集成处理电路2，以控制上述用于显示剩余电池容量的处理功能和保护功能的运行； 用于放电控制和充电控制的保护开关SWl和SW2 ；电流检测电阻器Rs ；稳定输出电压的电 容器Cl ；设定阈值的电阻器Rthl和Rth2 ；和检测电池单元1的温度的热敏电阻3。在所述电池组中，保护开关SWl和SW2各自包含MOSFET，所述MOSFET根据结构在 源极和漏极之间等效地包含二极管。所述保护开关SWl和SW2分别可以切断放电电流和充 电电流。当电池单元1充电时，充电器连接到正极端子Ebl和负极端子Eb2，并且保护开关 SW2接通。当作为放电负载的设备连接到正极端子Ebl和负极端子Eb2时，如果保护开关 Sffl接通，就可以给设备供电。从两点即电源端子CPinl和CPin2供电给集成处理电路2，所述电源端子CPinl和 CPin2可以在集成处理电路2中有选择地使用。电源端子CPinl连接到电池单元1的正极 侧并提供电池单元1的电压(此后称为单元电压)给集成处理电路2。所述电源端子CPin2 连接在保护开关SWl和SW2之间。正如随后将说明的，在单元电压极低时，电源端子CPin2 可以从充电器提供电压来运行集成处理电路2。可以分别根据输出端子DIS和CHG的输出 电压选择保护开关SWl和SW2的运行。集成处理电路2进一步包括各种输入/输出端子。输入端子ADCin连接到电池单 元1的正极侧。输入端子CSP和CSN连接到电阻器Rs的两端。输入端子HVIN连接在正极 端子Ebl和保护开关SW2之间。输入/输出端子UART用于与安装有电池组的设备通信并 通过控制端子4连接到设备的通信端子。输出端子VAA输出3. 4V的参考电压(集成处理 电路2的工作电压)。来自输出端子VAA的参考电压被电阻器Rthl和Rth2分压并施加给 输入端子0DI。输出端子THRM输出用于热敏电阻3的控制信号。来自热敏电阻3的输出信 号提供给输入端子ΑΙΝΟ。图5是显示集成的处理电路2的内部结构例子的方框图；如图5所示，集成处理电路2大致地包括电源电路10、过电流检测电路20和微控 制器30。电源电路10进一步包括充电泵(charge pump)电路11和线性调节器12，以给 微控制器30提供驱动电压；以及复位电路13和14以复位微控制器30。充电泵电路11选择从电源端子CPinl和CPin2之一提供的电压并使所述电压提 高1.5倍或两倍。线性调节器12稳定充电泵电路11提高的输入电压到3. 4V。来自线性调 节器12的输出电压作为驱动电压提供给微控制器30。所述输出电压从输出端子VAA输出 并同样提供给复位电路13和14。复位电路13和14各自具有比较器，从而将来自线性调节器12的输出电压与参考 电压比较。根据比较器的比较结果，复位电路13和14改变通电(power-on)复位信号(此 后称为信号P0R)和断电报警信号(power fail warning signal)(此后称为信号PFW)的输出值，从而控制微控制器30的启动运行。在线性调节器12输出大于或等于启动微控制 器30所需的最小电压(在所述实施例中是2. 7V)的电压时，复位电路13配置信号POR为 L电平。在线性调节器12输出大于或等于稳定地运行微控制器30所需的最小电压(在本 实施例中是3. 0V)的电压时，复位电路14配置信号PFW为L电平。来自复位电路13和14 的输出信号输入到检测微控制器30的复位定时的复位端子(未显示)。过电流检测电路20检测来自输入端子CSN和ODI之间的电压的电流值。当检测 到过电流时，过电流检测电路20通过中断的方式通知这些给微控制器30(CPU31)。进一步 地，过电流检测电路20控制保护开关SWl和SW2并进行运行以保护电池单元1。之后将参 考图12说明过电流检测电路20的内部结构。微控制器30配置成通过数据总线43使下述部件互相连接CPU (中央处理器)31 ； 程序存储器32 ；R0M(只读存储器)33 ；RAM(随机存取存储器)34 ；EEPROM(电可擦除可编 程只读存储器)35 ；定时器36 ；监控计时器37 ；AD转换器38 ；燃料表39 ； I/O 口 40 ；通信 I/F(接口)41 ；和FET驱动器42。微控制器30包含时钟振荡器44a和44b，产生不同频率 (32kHz和6MHz)的指令时钟来运行各个程序块。CPU 31读取并执行程序存储器32和EEPR0M35中储存的程序以控制微控制器30 的所有运行。程序存储器32是非易失存储器介质并事先储存程序来运行微控制器30的 各个部分。ROM 33事先储存CPU 31执行程序所需的数据等。RAM34包括例如SRAM(静态 RAM)，并暂时储存部分CPU 31执行的部分程序和程序执行过程所需的数据。而且，微控制 器30具有EEPR0M35作为非易失存储器。ΕΕΗ 0Μ35不仅能够储存CPU 31执行的软件和配 置数据，而且如果需要还可以重写它们。定时器36测量微控制器30各个部分所需的时间。监控计时器37根据定时器36 测量的时间来监控CPU 31执行的命令。当确定系统异常地终止时，监控计时器37自动地 复位微控制器30。所述AD转换器38将来自输入端子ADCin、ΑΙΝΟ、HVIN和PCKP的信号转换成数字 信号并将它们提供给CPU 31。如此，微控制器30可以获得信息，例如电池单元1的充电和 放电电压和温度、存在或不存在将连接的充电器以及存在或不存在将施加的充电电压。燃料表39是一种电路，根据输入端子CSP和CSN之间的电压计算流入电池单元1 的电流量并累积电流值。累积的电流值输出到CPU 31并用来计算电池单元1的剩余容量。 之后将参考图14说明燃料表39的内部结构。所述I/O 口 40用于对各种输入/输出端子的数据输入或输出。例如，I/O 口 40从 CPU 31输出控制信号到输出端子THRM来控制热敏电阻3的运行。通信I/F41是用于与安 装有电池组的设备通信的接口电路。通信I/F41主要接收所需信息来显示电池单元1的剩 余容量并传输所述信息到所述设备。FET驱动器42是驱动电路，控制用于放电和充电控制的保护开关SWl和SW2的运 行。所述FET驱动器42根据来自CPU 31和过电流检测电路20的控制信号运行。在集成处理电路2中，微控制器30进行显示电池单元1的剩余容量的处理。而且， 主要在微控制器30的控制下执行电池单元1的保护功能。具体而言，微控制器30使用诸 如AD转换器38获得的电压和温度的信息来检测电池单元1的过充电和过放电状态。微控 制器30控制用于充电和放电的保护开关SWl和SW2等，从而保护电池单元1以防这些异常
为了执行保护功能，微控制器30需要没有故障地稳定运行。然而，在正常工作期 间，微控制器30适时地使用电池单元1的输出电压作为电源。电池单元1的输出电压随状 况而急剧变化。很难稳定地运行微控制器30。为了解决这些问题来稳定地运行微控制器 30，本发明根据来自电源电路10中复位电路13和14的输出信号控制微控制器30的启动 运行。而且，本发明根据电池单元1的状态选择作为从电池单元1和连接到电池组的充电 器提供的电源的电压。如此，诸如电源电路10等的外围电路和微控制器30成为单个芯片。[微控制器的启动控制]以下描述在稳定地运行微控制器30的前提下启动时的控制运行。对于微控制器30需要确保稳定的运行，因为它控制对电池单元1的保护功能。然 而，二次电池可能会受到由于自放电引起的电池电压显著下降和由于过电流引起的短路。 这种电压降低能会引起从电源电路10提供给微控制器30的电压低于微控制器30的工作 电压(在本实施例中是3. 4V)。这样的话，微控制器30不能稳定地运行。如果电池单元1 长时间不能用，电池电压可能会减少到0V。这样的话，电池单元1不能在微控制器30的控 制下充电。为了稳定地运行微控制器30，例如，可以进一步降低微控制器30的最小的工作电 压到更小的值(例如，1.8V)。所述方法可以降低引起微控制器30不稳定运行的可能性。然 而，所述方法不能解决微控制器30的不稳定状态，也不能确保保护功能的稳定运行。因此， 需要设计微控制器30使得在电池单元1长期不用和电池电压近似为OV的情况下总是可以 稳定地运行保护功能。以下通过假设电池电压变为OV的情况说明实施例的例子。当电池电压降低到停 止微控制器30 (关闭状态)时提供类似的控制。图6是显示在充电期间电池单元1电压变化的曲线图。当对电池单元1充电时，充电器连接到正极端子Eb 1和负极端子Eb2。图6不仅 示出了从OV开始充电时单元电压的变化，而且示出了来自充电器的输出电流值的变化。当电池电压极低时，例如0V，电池单元1可能会恶化或可能会在电极间之间发生 少量短路，引起可靠性和安全性的问题。考虑到这些，如图6所示，通常的做法是就在充电 启动之后的给定时间周期内，立即使从充电器提供的充电电流设为低至大约50到100mA。 因为这样施加起始充电电流，所以电池电压逐渐地升高。在给定时间周期之后，所述充电器 转入正常运行并输出680mA的恒定电流。根据5小时容量测量，用于本实施例的锂离子二 次电池单元显示680mAh的放电容量。以IC(680mA)的恒定电流对所述单元充电。当单元 电压达到4. 25V时，即，用于过充电检测的电压，保护开关SW2切断(或从充电器提供输出 控制)，以使其后的单元电压保持在4. 25V。根据本实施例，微控制器30提供有3. 4V的电源电压。电池单元1提供有4. 2V的 满充电电压和3. OV的放电终止电压。因此，所述放电终止电压低于微控制器30的电源电 压。电池单元1的放电电压需要升压并提供给微控制器30。为此，电源电路10带有充电泵 电路11和线性调节器12。即，输入到充电泵电路11的电压升高到两倍或1.5倍。所述电 压在线性调节器12中调节到3. 4V。此外，必须提供定时以稳定地启动和运行微控制器30。为此，提供复位电路13和
1014以使用比较器，从而将来自线性调节器12的输出电压与参考电压比较。图7A到7C示出复位电路13和14的输出信号、以及电池单元1和微控制器30的 电源电压中的关系。充电器连接到正极端子Ebl和负极端子Eb2以启动充电。如图6所示，充电器提 供50到IOOmA的初始充电电流。因此，如图7A所示，单元电压逐渐地升高。例如，当单元 电压达到1.2V时，电源电路10启动。这时，充电泵电路11提高输入电压两倍。如图7B所 示，给微控制器30提供2.4V(定时T41)的电压。配置电源电路10，以便在提供给微控制器30的电压达到启动微控制器30所需的 最小电压Vpor(2. 7V)或达到略低于最小电压的电压时启动。在启动充电后，由于电池单元 1的触点之间的短路或单元内部的少量短路可能会使单元电压不稳定地升高。考虑到这些， 配置连接到线性调节器12输出端的电容器Cl的容量，以补偿电压波动并稳定输出电压。当来自电源电路10的输出电压没达到电压Vpor时，来自复位电路13和14两者 的信号POR和PFW都达到H电平，如图7C所示。当来自电源电路10的输出电压其后达到 电压Vpor时，来自复位电路13的信号POR达到L电平(定时T42)。所述定时用来为微控 制器30提供复位定时。当提供的电源电压达到电压Vpor附近时，微控制器30启动。因为 施加的电压不足，微控制器30可能会继续不稳定地运行，结果不规律地工作。为了解决这 些问题，微控制器30的系统在信号POR达到L电平时的定时处复位。因而可以可靠地稳定 微控制器30随后的运行。在上述定时T42中，例如，为了保护处理，所述系统配置成只初始化CPU31中的寄 存器或RAM 34，而不初始化电池单元1。当单元电压进一步上升时，提供给微控制器30的 电压达到Vpfw (3. 0V)，S卩，稳定地运行微控制器30的最小电压。在这时候，来自复位电路 14的信号PFW达到L电平(定时T43)。确定微控制器30能够正常工作。系统开始读取保 护电池单元1的配置值。保护功能启动运行。如上所述，直到提供给微控制器30的电源电压达到足以启动的值时，微控制器30 才启动。就在启动之后微控制器30就自动地初始化。另外，直到电源电压达到使能稳定的 运行的值时，微控制器30才启动电池单元1的保护处理。这个控制防止了微控制器30在 不稳定状态中启动，从而不规律地工作和不正确地运行保护功能。而且，通过使用最小的模 拟电路例如复位电路13和14来执行这种控制。所述电路可以容易和微控制器30集成在 相同半导体基板上。当单元电压设定为OV或类似状态时，电源端子CPinl提供的电压不能启动微控制 器30。然而，启动充电后，充电器稳定地提供它的输出。当单元电压小于或等于在上述集 成处理电路2中的特定值(例如2. 2V)时，所述系统使用充电器的输出电压，即，电源端子 CPin2提供的电压，启动微控制器30。图8A和8B示意地示出在微控制器30启动和稳定的运行期间提供的电源的路径；图8A示出当在单元电压设定为2. 2V或更小开始充电时的供电路径。在这时候， 微控制器30处于无效(断开)状态。保护开关SWl和SW2两个都接通。当选择电源端子 CPin2用于输入到充电泵电路11时，可以给微控制器30提供电源并启动。微控制器30启动后，需要时间周期直到电源电压在某种程度上稳定。在这个周 期，微控制器30以充电器提供的电压工作。CPU31根据来自AD转换器38的输出信号执行
11处理以检测单元电压达到特定值(本实施例中是2.5V)。在这时候，选择电源端子CPinl 用于输入到充电泵电路11。如图8B所示，给充电泵电路11提供来自电池单元1的输出电 压。这个电压产生用于微控制器30的电源电压。如此，当启动后运行变稳时，选择电源端 子CPinl用于输入到充电泵电路11。如果除去充电器，可以连续地从电池单元1给微控制 器30提供电源。检测电压用来提供定时以选择用于输入到充电泵电路11的电源端子CPinl。对于 微控制器30来说，希望将检测电压设定为高于单元电压(在实施例中是2. 5V)来判定电池 单元1处于过放电状态(将说明)。这使得可以稳定地运行微控制器30。图9是示出就在启动之后瞬间微控制器30的处理的流程图。当来自复位电路13的信号POR在步骤S601达到L电平时，处理进行步骤S602。 在步骤S602，微控制器30开始初始化CPU 31中的寄存器和RAM 34。在这时候，系统仅仅 执行微控制器30启动后所需的最少的处理并且不启动电池单元1的保护处理。在步骤S603，所述处理检测来自复位电路14的信号PFW的电平。当信号PFW达到 所述L电平时，CPU 31为微控制器30执行正常处理，例如保护电池单元1并计算剩余电池 容量。所述程序执行以下初始处理。在步骤S604，所述处理对监控计时器37的配置值清零。微控制器30中包含的监 控计时器37具有保护微控制器30防止不稳定运行的功能。在随着电源电压升高而启动期 间，不会对微控制器30进行初始设定，也不会对监控计时器37进行初始设定。需要防止这 个状态，以主要通过使用微控制器30本身来实现电池单元1的保护功能。就在微控制器30 启动之后瞬间，微控制器30的稳定的运行对监控计时器37的配置值例如时间间隔清零以 确定不稳定运行并使能监控计时器37是有效的。当将初始配置值清零时，监控计时器37 传输启动信号到CPU31，从而通知监控计时器37启动了。在步骤S605，当信号PFW在步骤S603达到L电平时，允许定时器36从所述定时开 始计数300毫秒的时间间隔。在这个周期，微控制器30被迫进入等待状态。在这个步骤， 如图7B所示，提供给微控制器30的电源电压可以在启动后进一步升高。微控制器30需要 通过尽可能增加电源电压而稳定地运行。为此，微控制器30处于对于微控制器30的指令 时钟频率来说足够长的等待状态。然后，执行以下处理。在步骤S606，所述处理反映分配给有效软件的各种配置值，以启动执行保护处理， 以防电池单元1的异常状态，例如过充电和过放电。被反映的配置值包括例如电池单元1 的电压和温度以检测异常状态，例如过充电和过放电。根据输入到AD转换器38的值检测 这些状态。在步骤S607，所述处理初始化为微控制器30内部，例如CPU 31，配置的寄存器值。在其本身的控制下，微控制器30执行电池单元1的保护功能。通过使用非易失存 储器(在本实施例中的EEPR0M35)可以自由改变用于保护功能的各种配置值。各个制造的 微控制器30可以具有不同的特征。非易失存储器可以储存反映相应于每个微控制器30的 各种配置值的校正值的值。同样可以使用储存的值运行微控制器30。此外，正如随后将说 明的，微控制器30会由于降低的单元电压而停止。考虑到这些，就在微控制器30停止(例 如当单元电压变为低于特定电压时)之前的瞬间，非易失存储器储存重新启动之后处理所 需的各种配置值。在重新启动之后，可以读取储存的配置值用于处理。
然而，需要一段时间来读取储存在非易失存储器中的配置值并将它们反映在CPU 31的运行上。这对于在启动之后立即稳定地运行保护功能的目的是不合适的。为了解决所 述问题，允许CPU 31在微控制器30启动之后立即使用有效软件中预置的配置值运行。艮口， 这个阶段使用的配置值预存储在程序存储器32中。随着程序存储器32中的软件执行的进 程将这些值读入CPU 31。在给定定时之后，CPU 31重读储存在非易失存储器用于运行的配 置值。在这种控制下，在启动之后立即可以连续地和稳定地运行保护功能。此外，可以改善 各个值的自由度和给它提供通用性。例如，储存在非易失存储器中的配置值可以在微控制器30的电源电压达到特定 值时的定时中反映。即，在步骤S608，根据AD转换器38检测的单元电压，判断提供给微 控制器30的电源电压是否大于或等于2. 5V。如果所述结果是肯定的，所述处理进行步骤 S609。在步骤S609，所述处理初始化改变配置值所需的寄存器。在步骤S610，所述处理反 映从EEPROM 35读取的配置值并继续对电池单元1的保护处理。其后，微控制器30转换为 正常运行状态。在步骤S611，所述处理选择电源端子CPinl用于输入到电池单元1供电的 充电泵电路11。以上处理使得即使单元电压降低到太小而无法驱动微控制器30时也可以可靠和 稳定地启动和运行微控制器30并精确地运行保护功能。[电池单元的状态变化控制]以下详细说明微控制器30怎样控制对电池单元1的保护功能。保护功能使得AD 转换器检测单元电压值并跟踪状态。微控制器30主要在软件控制下稳定地执行适合于所 述状态的处理。图10说明了根据单元电压的状态变化。图10按时序示出从电池单元1为满充电时从起点开始随着单元电压变化的状态。 二次电池要求单元电压在正常使用期间应所述处于特定范围内，从而不缩短寿命、降低容 量或恶化电池本身的质量。建议单元电压在3. 0和4. 2V之间的范围内使用锂离子二次电 池。就单元电压而言，将过充电和过放电状态定义为超过和低于大约相应于以上单元电压 范围的正常运行状态。过充电状态表示过高的单元电压。过放电状态表示不足的单元电压。例如，如图10所示，在正常运行状态下，电池单元1是满充电的。正常运行状态允 许充电器进一步充电也允许由于与放电负载的连接而放电。即，在微控制器30控制下接通 保护开关SWl和SW2。当放电使得单元电压从所述状态开始小于或等于特定值时，过放电状 态对终止任何放电都是有效的，从而保护电池单元1。保护开关SWl断开。因为微控制器30本身通过单元电压作为电源来运行，因此进一步降低了终止微 控制器30运行的单元电压。在这时候，所述状态改变为断开状态以停止微控制器30。如上所述，连接充电器使单元电压升高到某种程度以启动微控制器30。启动后，所 述状态变为过放电状态。就在启动之后，进行启动处理状态以立即执行如参考图9说明的 启动处理。在这种状态下，仅仅允许充电来分别断开和接通保护开关SWl和SW2。电源设定 到充电器侧(即，电源端子CPin2)。当充电使得单元电压大于或等于特定值时，电源转换到 电源端子CPinl。电池单元1用作电源。当单元电压进一步超过特定值时，重新开始正常状 态。同样接通保护开关SWl以允许充电和放电。电池单元1满充电后，进一步地继续充电使所述状态变化到过充电状态。保护开
13关SW2切断，以便只允许放电。当放电使得单元电压小于或等于特定值时，过充电状态变为 正常状态。在上述状态变化中，充分考虑了电池单元1的特征来配置确定状态变化的单元电 压值。因此，可能需要根据改变状态的方向来使用不同的阈值。因为在软件控制下执行相 应于状态变化的处理，因此可以容易精调阈值，而无需使用复杂的电路。除了以上状态，所述状态可以转换为其中电极之间或单元中短路引起过高放电电 流的过电流状态。过电流检测电路20确定过电流状态的变化。微控制器30控制从此状态 的恢复。图11详细示出状态变化控制的流程；参考图11，以下说明在状态变化期间单元电 压和放电电流的特定阈值以及必需的处理。(1)检测过充电状态和恢复微控制器30的CPU 31经由AD转换器38检测的单元电压Vcell确定电池单元1 的过充电状态。如图11所示，当单元电压Vcell达到4. 25V时检测到过充电状态。FET驱 动器42改变要输出到输出端子CHG的控制电压以断开保护开关SW2。这将强制地停止对电 池单元1充电。在所述处理的同时，CPU 31将变化到过充电状态写进EEPROM 35中作为状态变化 记录。例如，在对电池单元1的剩余电池容量计算处理期间，可以根据电池单元1中的错误 现象或检测故障使用所述记录校正计算值。当单元电压Vcell变为低于4. 15V时，微控制器30检测从过充电状态到正常状态 的变化。保护开关SW2恢复到接通状态。相同的检测电压可以用于到过充电状态的变化和 到正常运行状态的恢复。当到过充电状态的变化切断保护开关SW2时，单元电压Vcell立 即降低到检测到正常运行状态的变化。这重新开始充电。所述单元电压Vcell又升高而改 变到过充电状态，造成在过充电和正常运行状态之间反复变化的不规则摆动状况。为了防 止种状况，用于恢复到正常运行状态的检测电压设定为低于在变化期间的检测电压，参考 4. 2V，S卩，锂离子二次电池的满充电电压。根据上述处理，微控制器30可以精确地检测过充电状态的发生并停止充电操作。 可以可靠地防止电池单元1电极上离子离析或冒烟和点燃的这种情况，因此确保安全。同 样可以检测连接到电池组的充电器中的故障。上述说明中，仅仅根据单元电压Vcell检测状态变化。此外，通过使用关于电池单 元1的温度信息检测状态变化可以进一步提高安全性。通过热敏电阻3检测并从AD转换 器38获得温度信息。例如，当温度信息值超过60°C时不允许充电。换句话说，最好在温度 信息值超过60°C时使阈值电压降低大约0. IV从而检测过充电。(2)检测过放电状态和恢复当单元电压Vcell变为低于2. 6V时，检测从正常运行状态到过放电状态的变化。 所述检测断开保护开关SWl以切断放电电流。像上述变化到过充电状态一样，变化到过放 电状态写到EEPROM 35作为记录。锂离子二次电池使用设定为3. OV的放电终止电压。当设备使用电池单元1作为 电源来运行时，可以配置所述设备，以便根据放电终止电压的检测来停止运行。微控制器30 使用所述检测电压来检测过放电状态。如果所述检测电压设定为等于放电终止电压，停止
14运行连接的装置的定时相应于断开保护开关SWl的定时。不能正常地完成停止运行设备的 处理，会引起错误。为了解决这个问题，过放电状态检测电压设定为略低于放电终止电压。 设备正常地停止运行后，断开保护开关SWl以切断放电电流。当所述状态改变到过放电状态时，单元电压Vcell会进一步地降低，从而引起变 到断开状态，这使微控制器30停止运行。考虑到这个，EEPROM 35在变到过放电状态的定 时储存之后微控制器30重新启动所需的信息。这种信息包括例如暂时储存在微控制器30 的RAM 34中的值。CPU 31在微控制器30重新启动后稳定地给微控制器30提供电源电压 时的定时，CPU 31读取存储的信息。所述信息能被用于运行(相应于图9中的步骤S610)。另一方面，当检测单元电压Vcell变为高于2. 65V并且充电器用于处理中的充电 而连接时，确定从过放电状态到正常运行状态的变化。众所周知锂离子二次电池在停止放 电后立即会暂时升高单元电压。因此，如果检测电压使用相同值来检测从正常运行状态到 过放电状态的变化和检测恢复到正常运行状态，可能会引起在这些状态之间反复变化的不 规则的摆动情况。为了可靠地防止发生不规则的摆动，变到过放电状态和恢复到正常运行 状态之间需要一段时间。为此，检测恢复到正常运行状态的检测电压设定为略高于检测过 放电状态的检测电压。此外，所述状态直到充电启动才恢复到正常运行状态。为了检测充电启动，CPU31通过AD转换器38从输入端子PCKP获得信号电平和输 入端子HVIN处的电压值以用于判断。输入端子PCKP用来检测充电器连接。输入端子HVIN 连接到正极端子Ebl。根据以上处理，微控制器30可以精确地检测过放电状态的发生和停止放电操作。 这使得可以可靠地防止电极内部的少量短路和容量降低。此外，可以确保安全和防止电池 单元1的寿命缩短。(3)检测断开状态和恢复当单元电压Vcell从过放电状态进一步降低时，微控制器30不能运行。切断过放 电状态中的放电电流。因此，单元电压Vcell由于微控制器30和电源电路10的功耗而慢 慢地降低。为了防止电池单元1进一步放电，在单元电压Vcell变为小于2. 2V时，微控制 器30转换为断开状态以停止运行。在这种状态下，微控制器30因为单元电压Vcell降低而不能使用电池单元1启 动。需要选择电源端子CPin2用于输入到充电泵电路11，从而在下次启动时从充电器供电。如图9所示，随着提供给微控制器30的电压升高，根据复位电路13和14提供的 复位定时和启动处理初始化定时，所述断开状态恢复到过放电状态。就在启动之后，微控制 器30立即使用来自作为电源的充电器的电压来运行。当电压稳定到某种程度时，例如，当 单元电压Vcell超过2. 5V时，选择电源端子CPinl用于输入到充电泵电路11。所述状态完 全恢复到过放电状态。以上处理可以最小化电池单元1中的电源降低。微控制器30可以在启动充电后 正常地启动。可以稳定地启动对电池单元1的保护处理。(4)检测过电流状态和恢复如果电池单元1的触点短路，会流过过高的放电电流，导致电池单元1异常变热。 为了防止这个问题，电阻器Rs用来检测放电电流。当发生过电流时，保护开关SWl断开以 切断放电电流。
过电流检测电路20用来检测过电流和控制保护开关SW1。过电流检测电路20是 作为专用硬件提供的，与微控制器30无关。原因是在发生短路时需要快速、稳定的转换到 保护开关SW1。假如微控制器30在软件控制下检测发生短路引起的过电流。在发生短路后 在微控制器30中发生中断。微控制器30的指令时钟运行。根据微控制器30就在启动中断 处理之前的指令状态，提供控制以断开保护开关SWl的时间改变并会引起较大的延迟。因 此，保护开关SWl需要独立于微控制器30中的指令状态进行运行。正如之后将说明的，启动充电触发器从过电流状态恢复。当过充电状态改变到过 电流状态时，保护开关SW2同样接通以使能充电。在变化到过电流状态后，可以象断开保护 开关SWl的控制一样，通过过电流检测电路20直接提供接通保护开关SW2的控制，或者也 可以通过CPU 31的处理来提供接通保护开关SW2的控制。图12示出过电流检测电路20的内部结构例子。如图12所示，过电流检测电路20包括比较器21、数字延迟电路22、闭锁电路23和 “与”门电路24。比较器21的输入端子分别连接到输入端子ODI和CSN。在输入端子之间 的电压大于或等于特定值时，比较器21设定输出信号为H电平。在这个例子中，指明3. 4A 的阈值来检测过电流状态的变化。配置电阻器Rthl和Rth2的阻抗值，以便能够在比较器 21中对3. 4A的阈值电流进行电压比较。数字延迟电路22延迟来自比较器21的输出信号长达5毫秒之久。当输入信号在 从H电平的上升定时开始的5毫秒内转变为L电平时，数字延迟电路22复位输出信号。如 此，阻止数字延迟电路22检测5毫秒或更短时间内的瞬间过电流。闭锁电路23根据来自时钟振荡器44a或44b的时钟信号闭锁来自数字延迟电路 22的输出。闭锁的信号提供给FET驱动器42。当这个信号达到H电平时，保护开关SWl被 迫断开。闭锁信号通过“与”门进一步提供给CPU 31，在“与”门处，在其他输入端子输入时 钟信号。这个信号中断CPU 31。过电流检测电路20可以根据比较器21的过电流检测迅速地断开保护开关SWl，与 微控制器30的指令状态无关。这可以提高保护电池单元1的效果。电子设备例如摄像机(video camera)和数码相机(digtial still camera)使用 电机驱动透镜和带动磁带。众所周知驱动电机随时会产生非常大的冲击电流。在使用闪光 灯时也同样会发生类似的冲击电流。利用比较器21可以迅速的检测过电流。然而，发生冲 击电流可能会不正确地被认为是发生过电流，从而断开保护开关SW1。为了避免这种情况， 使用数字延迟电路22以防检测5毫秒或更短时间内的瞬间过电流。这可以防止由于冲击 电流引起的故障和确保保护功能的稳定运行。检测过电流使得过电流检测电路20中断微控制器30。当检测中断发生时，微控制 器30的中央处理器31在寄存器(这个例子中的RAM 34)中写出指示发生过电流的状态， 以储存异常状态。发生中断后，CPU 31能够从寄存器读取配置值来识别过电流发生。这使 得可以在微控制器30的控制下从过电流状态开始顺利地执行后来的恢复处理。读取的配 置值记录在EEPROM 35中作为记录，并可以用于故障检测。如果反复出现过电流，例如，可 以确定大放电电流用于连接到所述电池组的设备或者电池单元1极有可能短路的了。现在回到图11，以下更详细地说明从过电流状态的恢复处理。一种从过电流状态恢复到正常运行状态的可能方法是检测用于自动恢复而释放放电负载。然而，考虑电池组放在口袋中并且诸如钥匙的金属与电极接触引起短路时的情 况。在此情况下，金属和电极会反复接触和分离，从而引起称为链短路的故障。如果使用上 述恢复方法，电池单元1会重复过电流状态和正常运行状态，从而引起非正常发热。当发生 过电流时，单元电压变得低于微控制器30的工作电压。如果重复这个情况，微控制器30不 稳定地运行。鉴于上述情况，配置使得只有在如图11执行充电时才发生从过电流状态恢复。 即，在来自输入端子PCKP和HVIN的检测信号检测到充电器的连接和充电电压的施加时，提 供控制使过电流状态恢复到正常运行状态。在检测到过电流之后长时间不发生充电。在这种情况下，在单元电压Vcell变得 小于2. 2V时，提供控制以停止微控制器30的运行。在根据如上所述本发明实施例的电池组中，电池单元1的保护功能包括在过充电 状态中的充电电流切断控制和在过放电状态中的放电电流切断控制。在微控制器30控制 下可以稳定地执行这些控制运行。此外，过电流检测电路20检测过电流状态和在这个状态 中提供放电电流切断控制。所述过电流检测电路20的运行与微控制器30提供的控制运行 无关。因此，可以可靠地执行保护运行以防过电流。如此，微控制器30的软件控制主要用于执行电池单元1的保护功能，因此减小了 电路尺寸并降低了生产成本。此外，可以容易精密调校用于检测异常状态的阈值电压。这 些优点使得可以相应于电池单元1的特征非常精确地控制。[电池单元保护处理和剩余容量计算处理的基于微控制器的最佳化]如上所述，通过根据单元电压检测检测过充电和过放电状态来执行对电池单元1 的保护功能。所述保护功能根据放电电流检测进一步检测过电流状态以提供对相应于各个 状态的充电电流和放电电流的切断控制。对于微控制器30的处理，CPU 31通过AD转换器 38获得单元电压值。CPU 31确定正常运行状态、过充电状态和过放电状态。最好根据这些 状态，CPU 31通过FET驱动器42控制保护开关SWl和SW2的运行。最好不仅通过AD转换 器38获得单元电压，而且获得关于热敏电阻3检测的电池单元1的温度的信息。所述温度 信息同样可以用来控制保护开关SWl和SW2的运行，进行保护以防异常发热。在这些处理期间，微控制器30的CPU 31在给定间隔内从AD转换器38读取关于 电池单元1的电压和温度的信息。所述CPU 31根据这些值执行处理。例如，考虑设备连接 到电池组并从电池单元1供电的情况。为了安全地保护电池单元1，希望使用尽可能短的间 隔来从AD转换器38读取电池单元1的电压或温度。另一方面，微控制器30不仅如上所述保护电池单元1，而且计算电池单元1的剩余 容量并通过与所述设备的通信给所述设备传输计算的信息。这些处理使得安装在所述设备 上的显示器可以显示电池单元1的剩余容量和可利用的剩余时间。为了象上述保护处理一样执行剩余电池容量计算处理，CPU 31需要通过AD转换 器38获得电池单元1的电压、充电和放电电流、放电终止电压(实际上通过过放电状态中 的检测电压近似)和温度。剩余电池容量计算处理进一步地需要连接装置消耗的功率(电 流)和所述设备唯一给定的放电终止电压(最小的工作电压)。剩余电池容量计算处理通 过通信I/F 41传输根据这些信息单元计算的值到所述设备。所述所述设备使用电池单元1来运行相对长的时期，例如超过一小时。例如，可以在摄像机(video camera)上连续大约10小时摄像或在数码相机上连续大约1小时摄像。因此， 例如，最好以1分钟或5到10分钟的间隔更新剩余电池容量的显示。这可以完全满足用户 要求的显示精确度。因此，剩余电池容量计算处理不必在保护处理所需的那么短的时间内将计算值传 输到所述设备。在极端的情况下，仅仅在需要所述处理时才需要执行剩余电池容量计算处 理和传输计算值到所述设备的处理。考虑到这些，本实施例通过例如利用来自所述设备的 通信对微控制器30发出外部中断来执行这些处理。在这时候，从AD转换器38获得信息。 配置外部中断的间隔比保护处理的执行间隔更长，以稳定运行和降低功耗。计算剩余电池容量需要检测设备运行或放电消耗的功率(或电流)。为了如上所 述在给定时间间隔内执行剩余电池容量计算处理，必须能在给定时间间隔内读取检测的功 耗值。以下描述检测功耗所需的信息。图13是示出摄像机运行期间消耗电流变化的曲 线图。图13举例说明使用电机驱动磁带的摄像机消耗的电流变化。所述摄像机是连接 到所述电池组的设备的例子。如图13所示，在定时TlOl接通摄像机。内部电路在定时T102 启动运行。然后，在定时T103初始化电机。驱动电机产生冲击电流从而瞬间地大大增加消 耗电流。在定时T104开始在磁带上记录时，也驱动电机产生冲击电流和增加消耗电流。如此，当摄像机运行时，消耗电流在短期内急剧变化。例如，在驱动透镜或使用闪 光灯时，数码相机同样由于产生冲击电流而受到消耗电流的急剧变化。然而，重要的是测量 设备的平均消耗电流，不是短期的电流变化，从而可以非常精确地计算剩余电池容量。照惯例，为了检测平均消耗电流，利用与电池单元串联地插入的电阻器将电流转 变为电压。通过AD转换器检测电压波形。进行执行计算来平均检测值。然而，这种方法使 微控制器的平均运行的处理复杂化。非常精确的运行需要提高处理的频率或提高存储器的 大小来储存检测值。另一个可利用的方法是在AD转换器的输入端提供滤波器和利用这个 滤波器测量平均值。然而，这个方法需要安装面积来安装相对大的外部部件并提高了生产 成本。相形之下，本实施例在微控制器30中提供燃料表39检测平均消耗电流。这个有 利于通过微控制器30检测消耗电流的处理。图14示出燃料表39的内部结构例子。如图14所示，燃料表39包括差动放大器39a，其输入端子连接到电流检测电阻 器Rs的两端；连接在差动放大器39a的输出端子和反相输入端子之间的电容器Cint ；串联 地插入在电阻器Rs的电池单元侧和差动放大器39a的反相输入端子之间的电阻器Rint ； 比较器39b和39c，其输入是来自差动放大器39a的输出和参考电压Vref ；以及分别连接到 比较器39b和39c的输出的充电计数器39d和放电计数器39e。燃料表39使用电阻器Rs以检测作为电压的消耗电流。将到差动放大器39a的输 入反相并通过电容器Cint反馈。在这个结构中，差动放大器39a用作输入电压的积分器。 来自差动放大器39a的输出被输入到比较器39b的正相输入端子和比较器39c的反相输入 端子。参考电压Vref被输入到比较器39b的反相输入端子和比较器39c的正相输入端子。 如此，分别具有反向极性的比较器39b和39c执行比较运行。当充电电流流动时，来自差动放大器39a的输入电压会超过参考电压。在这种情况下，比较器39b复位输入电压并输出脉冲信号。当差动放大器39a的输入电压增大时，比 较器39b的输出频率提高。充电计数器39d在给定时间间隔内对比较器39b的输出脉冲计 数。这个运行测量所述期间内流过电阻器R s的充电电流的累积值(电荷)。同样地，当放 电电流流动时，来自差动放大器39a的输入电压可能小于参考电压。在这种情况下，比较器 39c复位输入电压并输出脉冲信号。放电计数器39e在给定时间间隔内对比较器39c的输 出脉冲计数。这个运行测量流过电阻器Rs的放电电流的累积值。利用这个燃料表39，微控制器30在给定时间间隔内读取充电计数器39d和放电计 数器39e的计数值，分别用于换算成消耗功率和电池单元1中充电的功率。可以执行剩余 电池容量计算处理。燃料表39输出消耗功率或充电功率的平均值。可以大大地降低CPU 31用于显示剩余电池容量的处理负载。此外，可以以如图14所示的简单电路结构实现燃料 表39，使得可以减少电路安装面积、功耗和生产成本。这对于在微控制器30上对电池单元 1稳定地实现保护功能和剩余容量计算功能是有利的。例如，当电池单元1的电压缓慢降低时，延长累积电流所需的单位时间是有利的。 这使得可以精确地检测每单位时间的消耗电流和改善显示剩余电池容量的精确度。然而， 较大地延长更新在设备上显示的剩余电池容量的定时是不利的。因此，希望为CPU 31配置 一种间隔来从燃料表39获得消耗电流值，同时考虑到测量消耗电流的精确度和剩余电池 容量显示的便利性之间的平衡。大约2秒的间隔对给便携设备(例如数字视频照相机和数 码相机)提供电源是合适的。当给所述设备提供电源时，CPU 31可以在2秒的间隔内根据 中断处理执行剩余电池容量计算处理和传输计算值到所述设备的处理。CPU 31可以在更短 的间隔内对电池单元1执行保护处理。如果通电的设备没有连接或断开，电池单元1的功耗非常小，以及单元电压缓慢 降低。在这种情况下，不必象给设备提供电源那么频繁地确定过充电或过放电状态。如果 从AD转换器38读取电压和温度的间隔设定为比微控制器30的指令时钟频率长足够多，就 可以确保安全。通常，需要几毫秒的时间周期来通过AD转换器38获得关于电池单元1的电压和 温度的信息和确定过充电或过放电状态。当所述设备不连接或连接了并断开时，本实施例 允许CPU 31以节能模式对电池单元1执行保护处理，大大地降低了功率消耗。所述节能模 式使得可以以和剩余电池容量计算处理同样的方式在2秒的间隔内执行保护处理。图15举例说明微控制器30运行方式的变化。在图15中，当通电的所述设备连接到所述电池组并接通时，微控制器30处于"有 效(active)模式"作为它的运行方式。当所述设备断开或不连接时，微控制器30处于" 节能模式"作为它的运行方式。所述有效模式以6MHz的高频时钟使能运行。节能模式以 32kHz的低频时钟使能运行，从而进一步改善功耗效果。所述有效模式大致地被分成"可通信状态"和"不可通信状态"。可通信状态在 设备和微控制器30之间进行通信，并且根据定时器36的时钟，起到对应于每2秒的中断的 效果。换句话说，可通信状态响应来自连接设备的中断起到效果。当发生通信中断时，CPU 31读取来自AD转换器38和燃料表39的信息。CPU 31相应于过电流、过充电和正常运行 状态中的每一个提供控制以接通或断开保护开关SWl和SW2。CPU 31计算显示剩余电池容 量所需的信息并通过通信I/F 41传输所述信息到所述设备。当已经传输信息并终止了与
19所述设备的通信时，所述状态改变到不可通信状态。在不可通信状态中，CPU 31在定时器36定时的0.2秒的间隔内从AD转换器38读 取信息。CPU 31提供相应于识别的状态的控制以接通或断开保护开关SWl和SW2。在这时 候，CPU 31不执行从燃料表39读取信息的处理。在有效模式中，在0. 2秒的周期内执行对电池单元1的保护处理。在2秒的周期 内相应于通信中断执行剩余电池容量计算处理。这些控制运行可以总是稳定地执行保护处 理以防单元电压的变化。此外，变得可以以降低的功耗和充分的精确度为改进的电池提供 重要的处理，例如和设备的通信以及计算显示剩余电池容量所需的信息。有效模式使得可以在给定周期内执行对电池单元1的保护处理和剩余电池容量 计算处理。希望将这个周期设定为仅执行保护处理的周期的偶数倍。如果这些周期具有奇 数倍的关系，就牺牲了微控制器30的控制稳定性。偶数倍的关系可以通过保持稳定性来简 化控制。在定时器36计时的2秒钟过去后发生通信中断时，不可通信状态变为可通信状 态。当2秒过去后没有发生通信中断时，所述状态变为睡眠状态。在睡眠模式中，微控制器 30在2秒的周期内从AD转换器38和燃料表39读取信息。微控制器30根据识别的状态提 供控制以接通或断开保护开关SWl和SW2并计算剩余容量显示所需的信息。计算值例如储 存在EEPR0M35中，用于每个计算处理，并且被新的计算值更新。当发生通信中断时，通信中 断使能有效模式并将不可通信状态变为可通信状态。如上所述，微控制器30控制有效模式和节能模式之间的转变。为此，微控制器30 在给定间隔内通过检测是否发生同设备的通信来确定是否连接了设备或连接的设备是否 接通了。即，在给定时间周期内没有发生同设备的通信时，微控制器30呈现电池单元1的 放电负载的降低并允许以节能模式运行。所述节能模式延长间隔来执行对电池单元1的保护处理，从而延长AD转换器38 停止运行的时间。如此，可以大大地节省功耗。即使当微控制器30以节能模式运行时，过电流检测电路20也总是检测过电流。如 果检测到过电流，根据状态控制保护开关SWl和SW2。在这时候，微控制器30中断。例如， 当检测中断时，微控制器30暂时从睡眠状态恢复以设置RAM 34中的过电流状态。即使当电池组不给设备提供电源时，除了微控制器30对电池单元1的保护处理， 过电流检测电路20也需要总是运转。因此，降低微控制器30的功耗对于为电池单元1提 供稳定的保护功能是非常重要的。尤其，为了确保对电池单元1的保护功能的稳定运行，给微控制器30提供监控计 时器37。监控计时器37总是监控执行保护处理的定时。如果没有在给定的2秒或更长时 间内执行保护处理，监控计时器37就呈现微控制器30的不稳定运行并复位它。因此，各个 运行方式在每个保护处理的终止复位监控计时器37的计数值(即，根据单元电压的状态确 定和相应于所述状态的保护开关SWl和SW2的控制)。如此，可以总是避免微控制器30本 身的不稳定运行并对电池单元1正常地运行保护功能。[重新启动后微控制器的全部处理]参考流程图，以下描述包括电池单元1的保护和剩余电池容量计算的微控制器30 的全部处理流程。
图16是示出微控制器30处理的全部流程的流程图。在步骤S1301，单元电压升高以提高提供给微控制器30的电源电压。当电源电压 达到特定值时，微控制器30根据来自电源电路10的定时的信号来启动。在启动之后的处 理相应于在图9中所示的处理，省略其说明。在步骤S1302，定时器36开始计数时间。2秒过去后，所述处理进行步骤S1303。在步骤S1303，CPU 31确定在2秒的计数期间是否发生通信中断。如果没有中断 发生，所述处理进行步骤S1304。如果发生了中断，所述处理进行步骤S1307。所述处理以节能模式执行步骤S1304到S1306。在步骤S1304，所述处理执行子例 程，即，对电池单元1的保护处理(此后称为电池保护处理)。根据单元电压检测结果，所述 子例程确定电池单元1中是否发生异常状态。所述子例程根据状态控制充电和放电。之后 将参考图17说明这个子例程。在步骤S1305，所述处理执行用于剩余电池容量检测的子例程。所述子例程计算显 示要连通的设备中剩余电池容量所需的信息。之后将参考图18说明这个子例程。在步骤S1306，所述处理复位监控计时器37的计数值。所述处理回到步骤S1302 来确定在2秒期间是否发生了另一个通信中断。如果在2秒期间发生了通信中断，所述处理以有效模式执行。在步骤S1307，象步 骤S1304那样执行电池保护处理。在步骤S1308，象步骤S1305那样执行剩余电池容量计算处理。在步骤S1309，所述处理通过通信I/F 41给设备传输剩余容量显示所需的信息， 例如在步骤S1308计算的值。这个信息包括例如电池单元1的当前电压和温度、从累积电 流值计算的累积剩余放电电流和功耗，以及电池单元1特定的温度系数。在步骤S1310，所述处理复位监控计时器37的计数值。在步骤S1311，所述处理根据定时器36的计数确定是否在发生通信中断(相应于 步骤S1303)之后已经过去0.2秒的间隔。如果那周期已经过去，所述处理进行步骤S1312。在步骤S1312，所述处理确定是否发生通信中断之后已经过去2秒的间隔。如果不 是，所述处理进行步骤S1313。如果2秒的间隔已经过去，所述处理回到步骤S1303来确定 是否发生通信中断。在步骤S1313，象步骤S1304和S1307那样执行电池保护处理。在0. 2秒的间隔内 执行电池保护处理。另一方面，在2秒的间隔内执行步骤S1308的剩余电池容量计算处理。尽管没有显示，但是过电流检测电路20总是检测电池单元1中的过电流，与微控 制器30的运行无关。检测过电流时，过电流检测电路20分别断开和接通保护开关SWl和 Sff20此外，过电流检测电路20由于过电流的发生而中断微控制器30。根据流程图，在微控制器30中，如果需要，CPU 31在处理期间从过电流检测电路 20监控中断。当检测过电流引起的中断时，CPU 31重写RAM 34中储存的表示状态模式的 信息(安全模式)，从而表示过电流状态。图17是示出通过微控制器30进行的电池保护处理(相应于图16中的步骤S 1304、S1307 和 S1313)的流程图。CPU 31首先读取RAM 34中储存的安全模式以识别当前保护状态(相应于步骤 S1401、S1407、S1415 和 S1419)。
如果过放电状态目前在步骤S1401生效，所述处理进行步骤S1402。在步骤S1402，所述处理从AD转换器38读取单元电压(Vcell)。如果单元电压低 于2. 2V，处理进行步骤S1403，否则进行步骤S1404。在步骤S1403，所述处理呈现单元电压极低并断开微控制器30本身。在步骤S1404，所述处理不仅从AD转换器38读取单元电压，而且读取表示充电器 是否连通和是否施加充电电压的信息。如果单元电压高于2. 65V并启动充电，则所述处理 进行步骤S1405，否则终止所述子例程。在步骤S1405，所述处理给FET驱动器42传输控制信号以接通保护开关SW1。在 这时候，保护开关SW2接通。在步骤S1406，所述处理在RAM 34中重写安全模式，从而表示正常运行并终止子 例程。在步骤S1407，如果目前根据读取的安全模式执行正常运行状态，所述处理进行步 骤 S1408。在步骤S1408，如果从AD转换器38读取的单元电压低于2. 6V，所述处理进行步骤 S1409，否则进行步骤S1412。在步骤S1409，所述处理给FET驱动器42传输控制信号以断开保护开关SW1。在 这时候，保护开关SW2接通。在步骤S1410，所述处理在RAM 34中重写安全模式，从而表示过放电状态。其后，单元电压可以进一步降低，从而断开微控制器30。为了给步骤S1411的情况 作准备，所述处理将在RAM 34等中储存的配置值复制到EEPR0M35用于保存。这个配置值 和目前的工作状态有关。然后，所述子例程终止。在步骤S1412，如果单元电压高于4. 25V，所述处理进行步骤S1413，否则终止所述 子例程。在步骤S1413，保护开关SW2切断。在步骤S1414，所述处理在RAM 34中重写安全模式，从而表示过充电状态，然后终 止子例程。在步骤S1415，如果目前根据读取的安全模式执行过充电状态，所述处理进行步骤 S1416。在步骤S1416，如果从AD转换器38读取的单元电压低于4. 15V，则所述处理进行 步骤S1417，否则终止子例程。在步骤S1417，所述处理接通保护开关SW2。在步骤S1418，所述处理在RAM 34中重写安全模式，从而表示正常运行状态并终 止子例程。如果在步骤S1415确定过充电状态目前没有起效，所述处理确定过电流状态目前 应当起效，并且然后进行步骤S1419。在步骤S1419，如果从AD转换器38读取的单元电压低于2. 2V，所述处理进行步骤 S1420，否则进行步骤S1421。在步骤S1420，所述处理断开微控制器30本身。在步骤S1421，所述处理从AD转换器38读取表示充电器是否连通和是否施加充电
22电压的信息。如果启动充电，所述处理进行步骤S1422，否则终止所述子例程。在步骤S1422，所述处理接通保护开关SWl。在步骤S1423，所述处理在RAM 34中重写安全模式，从而表示正常运行并终止所 述子例程。以上处理在微控制器30的软件控制下执行相应于当前的单元电压执行充电和放 电控制并从过电流状态恢复。当重写安全模式时，最好EEPROM 35中记录状态变化。图18是示出通过微控制器30进行的剩余电池容量计算处理(相应于图16中步 骤S1305和S1308)的流程图。在步骤S1501，所述处理根据来自AD转换器38的输出信号读取电池单元1的温度。在步骤S1502，所述处理根据来自AD转换器38的输出信号读取电池单元1的电压。在步骤S1503，所述处理从燃料表39读取充电和放电电流的累积值。在步骤S1504，所述处理根据来自AD转换器38的输出信号确定存在或不存在充电 器的充电操作。在步骤S1505，所述处理根据在步骤S1501到S1504中获得的信息计算显示设备中 的剩余电池容量所需的信息。在这个步骤中，例如，所述处理根据从燃料表39获得的累积 电流值计算累积剩余放电电流量和功耗。在步骤S1506，所述处理在EEPROM 35中储存所述计算值。例如，所述处理同样储 存检测的电池单元1的电压和温度。在步骤S1507，所述处理对充电计数器39d和放电计数器39e中的计数值清零，然 后终止所述子例程。给定时间周期内执行图18中的上述处理，从而非常精确地监控剩余电池容量。[串联连接电池单元的电路结构]已经描述了利用单个电池单元。实际上，根据连接设备上的负载程度可以使用多 个串联的电池单元。在此情况下，必须为每个电池单元确定过充电或过放电状态。鉴于这 个，以下提供关于电路结构和运行的补充说明。图19示出使用多个串联的电池单元的电池组的内部结构例子。图19和4中彼此 对应的元件用相同的附图标记表示，而且为简单起见省略其详细说明。需要分别为每个串联的电池单元检测单元电压。为此，必须为AD转换器提供相应 于电池单元数目的输入通路。图19示出串联的两个电池组Ia和Ib的例子。分别提供两个 输入端子ADCinl和ADCin2来检测电池组Ia和Ib的各个正极上的电压。微控制器中的AD 转换器具有差分输入端，配置差分输入端(differential inputs)来检测输入端子ADCinl 与ADCin2之间的差值和输入端子ADCin2与安装电位(installation potential)之间的 差值。如此，微控制器的CPU可以分别获得电池单元Ia和Ib的单元电压。参考图16，仅仅需要为每个串联连接的电池单元执行步骤S1304和S1307时的电 池保护处理。然而，考虑到安全性，即使在正常运行状态期间单个电池单元表示过放电状态 也需要切断充电电流。例如，如果至少一个电池单元的单元电压在图17中的步骤S1408中 变得低于2. 6V，所述处理就需要进行步骤S1409来改变状态到过放电状态。在步骤S1404，直到所有电池单元的单元电压变得高于2. 65V所述状态才能恢复到正常运行状态。同样地，甚至当单个电池单元表示过充电状态时也需要切断放电电流。例如，如果 至少一个电池单元的单元电压在图17中的步骤S1412中变得高于4. 25V，所述处理就需要 进行步骤S1413来改变状态到过充电状态。在步骤S1416，直到所有电池单元的单元电压变 得低于4. 15V所述状态才能恢复到正常运行状态。如上所述，在微控制器的软件控制下确定过充电或过放电状态。通过根据程序模 块的循环部分容易地修改软件，本实施例就可以用于多个串联的电池单元。这个使得可以 压缩设计成本和电路尺寸，而不需要按照惯例根据电池单元数目提供附加线路。另一方面，最好起初就安装适应于串联的电池单元的软件。然后，直到指定数量的 电池单元都可以使用相同软件来执行对所有电池组的保护处理。例如，通过假设输入端子 ADCinl和ADCin2处的电压相同，如图19所示适用于两个串联的电池单元的软件可以用于 单个电池单元。可以不改变软件来执行保护处理。
权利要求
一种电池组，所述电池组由与通过控制二次电池的至少放电或充电来执行包括保护处理的处理的处理电路集成的二次电池组成，所述电池组包括外部电源端，用于供应外部电压以对所述二次电池充电；电源装置，用于通过选择在二次电池的正和负电极之间的电压或在外部电源端之间的电压中的一个来向所述处理电路供应电源；其中，当所述二次电池是过放电状态时，所述电源装置选择在外部电源端之间的电压，且当在外部电源端之间的电压超过开始保护处理的最低电压时生成检测信号；以及处理电路根据来自所述电源装置的检测信号来开始初始化处理。
2.根据权利要求1的电池组，其中，所述处理电路在供应在外部电源端之间的电压的 同时进行初始化处理，且控制所述电源装置以在二次电池的正和负电极之间的电压超过预 定电压之后通过选择在二次电池的正和负电极之间的电压来供应电源。
3.根据权利要求2所述的电池组，其中，所述处理电路包括检测在二次电池的正和负 电极之间的电压的功能。
4.根据权利要求3的电池组，其中，所述电源装置通过当在二次电池的正和负电极之 间的电压低于用于开始关闭处理电路的关闭处理的预定电压时选择外部电源端之间的电 压来供应电源。
5.一种电池保护处理装置，用于执行保护二次电池的处理，该装置包括处理电路，通过控制二次电池的至少放电或充电来执行包括保护处理的处理； 电源装置，用于通过选择在二次电池的正和负电极之间的电压或在用于供应外部电压 以对二次电池充电的外部电源端之间的电压中的一个来向所述处理电路供应电源；其中，当被供应给处理电路的电压超过预定启动_使能电压时所述电源装置生成检测 信号，并将该检测信号通知给处理电路；以及处理电路根据来自所述电源装置的检测信号来开始初始化处理。
6.一种用于电池保护处理装置的启动控制方法，该电池保护处理装置通过控制二次电 池的至少放电或充电来执行保护二次电池的处理，该方法包括当二次电池是过放电状态时，通过选择在用于供应外部电压以对二次电池充电的外部 电源端之间的电压来供应电源；当被供应给处理电路的电压超过预定启动-使能电压时，生成检测信号； 根据所述检测信号来进行初始化处理；在二次电池的正和负电极之间的电压超过预定电压之后，请求将电源从在外部电源端 之间的电压切换到在二次电池的正和负电极之间的电压；供应在二次电池的正和负电极之间的电压，而不是在外部电源端之间的电压。
全文摘要
本发明的目的是提供一种在软件控制下稳定地执行二次电池的保护功能并减少电路安装面积和部件成本的电池组。该电池组具有用于选择性地切断二次电池的放电电流和充电电流的放电电流切断装置和充电电流切断装置。该电池组具有保护处理装置，其用于根据二次电池的正和负电极之间的电极间电压控制放电电流切断装置和充电电流切断装置的运行。在提供给保护处理装置的电源电压达到启动保护处理装置的最低电压Vpor的时刻(T42)，所述电池组为保护处理装置执行初始化处理。此外，在电源电压达到高于最低电压Vpor且小于或等于稳定驱动电压的时刻(T43)，该电池组配置运行控制放电电流切断装置和充电电流切断装置所需的阈值电压以启动保护处理。
文档编号H02H7/18GK101917035SQ20101024326
公开日2010年12月15日 申请日期2004年11月15日 优先权日2003年11月14日
发明者中道龙二, 佐藤秀幸, 土谷之雄, 绳和泰 申请人:索尼株式会社;美信日本有限公司