具有mosfet升压系统的电池管理系统的制作方法

具有mosfet升压系统的电池管理系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于驱动n-沟道MOSFET供电设备的栅极的升压转换器。所述升压转换器包括监测电路和快速启动电路，以在需要驱动所述MOSFET时快速地使所述升压转换器在线。
【专利说明】具有MOSFET升压系统的电池管理系统
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求于2011年8月10日提交的美国临时专利申请第61/522，196号和于2011年4月28日提交的美国专利申请第61/480，286号的优先权。
[0003]本申请与以下申请:序列号为_、标题为“Battery Management System For
Control of Lithium Power Cells (用于锂动力电池控制的管理系统)”、于_提交的
美国申请；序列号为_、标题为“Latch Mechanism For Battery Retention (用于电
池保持的闩锁机构)”、于_提交的美国申请；序列号为_、标题为“System and
Method For Automatic Detection Of Battery Insertion(用于电池插入的自动检测系统
及方法)”、于_提交的美国申请；序列号为_、标题为“System and Method For
Tracking And Archiving Battery Performance Data(用于追踪和存档电池性能数据的系
统及方法)”、于_提交的美国申请；序列号为_、标题为“Viral Distribution
of Data, Operating Parameters and Software Using A Battery As A Carrier (使用电
池作为载体的数据病毒传播、操作参数及软件)”、于_提交的美国申请；通过引用方
式将以上申请整体包含在此以供参考。
【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，本发明涉及一种电池组和电池管理系统，用于管理电池组的充电和放电从而使得在使用时可从设备获得的功率量最大并且使得以延长电池使用寿命的方式给电池再充电。电池组包括使用η-沟道场效应晶体管(也称作η-MOSFET)来控制从电池流出的电流，且该电池组需要电压升压以完全开启。
【背景技术】
[0005]心肺复苏(CPR)是一种公知的且有价值的急救方法，用于使遭受心脏骤停的人复苏。CPR要求反复按压胸部以挤压心脏和胸腔从而泵送血液流过身体。人工呼吸，例如嘴对嘴呼吸或袋式面罩设备，用于向肺供应空气。当施救者有效地进行人工胸部按压时，在身体里的血流量约为正常血流量的25%到30%。然而，即使是经验丰富的护理人员也不能维持长时间的充足的胸部按压。请见作者为Hightower等人的Decay In Quality Of ChestCompressions Over Time (过长时间胸部按压效果衰退),发表在Ann.Emerg.Med.(急救医疗年鉴)第26期，第300页(1995年9月)。因此，CRP不能常常成功地维持或者复苏病人。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维持更长的时间。偶尔也有延长的(45到90分钟)CPR效果被报道，且受害者最终获救于冠状动脉搭桥手术。参见Tovar等人的，Successful Myocardial Revascularization and Neurologic Recovery (成功的心肌血管再造及神经康复)，Texas Heart J (德州心脏期刊)第22期第271页(1995)。
[0006]为了提供更好的血流量并提高旁边的人在复苏努力方面的效果，多种用于执行CPR的医疗设备已经被提出。在这些设备的一个变型中，带状件被环绕病人胸部周围放置，并且自动胸部按压设备收紧带状件以实现胸部按压。我们自己的专利=Mollenauer等人的Resuscitation device having a motor driven belt to constrict/compress the chest(具有马达驱动带以紧缩/按压胸部的复苏装置)，美国专利第6，142，962号(2000年11月7日);Bystrom等人的Resuscitation and alert system (复苏与警报系统)，美国专利第6，090，056 号(2000 年 7 月 18 日)；Sherman 等人的 Modular CPR assist device (模块化CPR救助装置)，美国专利第6，066，106号(2000年5月23日);以及Sherman等人的ModularCPR assist device (模块化CPR救助装置)，美国专利第6，398，745号(2002年6月4日)；以及我们在2001年5月25日提交的序列号为第09/866，377号的申请，我们在2002年7月10日提交的序列号为第10/192，771号的申请和我们在2010年3月17日提交的申请序列号为第12/726，262号的申请，这些申请描述使用带状件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通过引用方式被整体包含于此以供参考。
[0007]由于急救期间分秒必争，任何CPR设备都应当易于使用且便于快速布置在病人身上。我们自己的设备易于快速布置并且能够显著增加病人生存的机会。
[0008]这种设备的一个重要的方面是需要小巧，能量大且可靠的电源为设备供电。CPR至少执行30分钟并不是不常见的。因此，电源必须能够在至少该时间长度内向驱动按压设备的电机供应充足的能量。另外，电源的重量必须是相对重量轻的，以便提高胸部按压设备的便携性，然而设备也必须在没有显著的电压或电流下降的情况下在延长的时间段供应它的电力以保证在治疗期间按压的稳定性。
[0009]已设计出多种途径来提供用于驱动按压设备所需的高电流动力型电池。由于已经使用了更有效的电池设计和化学成分，谨慎地管理电池的充电和放电的需求被提出。为了满足这个需求，已设计出复杂的电池管理电路，包括使用处理器、存储器，以及其他组件。所有这些组件都需要安装在电池外壳的范围内，电池外壳被设计成用在待供电设备中。
[0010]为了防止电池端子的意外短路，已提出了一种方法，S卩，除非电池正确地插入待供电的设备、充电器，或其他授权的设备，否则都将电池与端子电隔离。这种隔离需要使用一些通过电池管理软件和硬件进行控制的类型的开关。
[0011]适合这种应用的一种电子开关是场效应晶体管，或者M0SFET。在典型的设计中，P-FET设备将被作为开关使用并且会放置在主总线的高侧从而将电池与端子隔离。然而，P-FET设备的电阻是n-FET设备的电阻的两倍或更多倍。因此，为了处理与n_FET设备处理的相同电流，将需要多个并联的P-FET。另外，多个p-FET的使用也需要使用散热器以消散P-FET导通时产生的热量。这在电池组内空间有限的情况下是不利的。
[0012]N-沟道FET，或n-FET是这种设计的更好选择，因为它们能够处理所需要的电流量。然而，一个问题是，驱动n-FET闭合所需的电压超过了电池组的可用电压。例如，在使用要求偏置电压为10伏的n-FET时，为了充分地驱动n-FET以允许适当的电压通过n_FET从而对电池充电或放电,该n-FET需要的驱动电压是偏置电压再加上电池电压。
[0013]需要的，并且迄今无法获得的是，用于向n-FET提供充足的栅极驱动电压的可靠升压电路，其中n-FET是由处理器控制的，该处理器监测n-FET的需求并通过使升压电路能够控制n-FET的导电状态而对该需求起反应。这种电路也需要是快速的和有耐力的，并且需要最少数量的组件以使得安装在电池外壳的范围内。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中，本发明提供一种能够在较长的时间段可靠地提供高功率和电流以给设备供电的高性能电池组。另外，该电池组包括监测并控制电池操作(包括电池的充电和放电)的所有方面的电池管理系统。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，并传输这些事件以供随后分析。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，并且能够管理多种电池化学成分从而提供向前和向后的兼容性。
[0015]在另一方面中，本发明的电池管理系统包括电路，该电路被构造成用于升高提供的电压以驱动一个或更多n-FET设备的栅极至完全导通从而允许最大的电流量流过n-FET设备。
[0016]在又一方面中，本发明的电池管理系统也可以包括电路，该电路构造成，除非电池组插入充电器中或待由电池供电的设备中，否则该电路都隔离电池组的端子。这种隔离使得当电池未插入充电器中或未插入待由电池供电的设备中时，电池端子零跨接电压，因此防止端子意外短路，意外短路会导致灾难性的电池放电而且有可能对装备或用户造成危害。
[0017]在又一方面中，本发明的电池管理系统可包括用于控制电池管理系统的多个功能的一个或多个处理器。在又一方面中，所述一个或多个处理器可被配置成与内部和/或外部存储器存储或设备通信以用于存储电池组的充电、放电和存储期间发生的事件。在又一方面，处理器不仅可以被配置成与内部或外部存储介质或设备通信，还可以被配置成通过网络与其他处理器、存储介质或设备、或者甚至与其他电池或电池充电器通信。网络可以是有线的或者无线的。
[0018]在又一个方面中，本发明包括用于驱动高侧η-沟道MOSFET的升压系统，该升压系统包括:升压转换器，构造成用于向η-沟道MOSFET的栅极提供升压电压；升压转换器电源，用于向升压转换器提供第一电流以给升压转换器供电；第二升压转换器电源，用于向升压转换器提供第二电流，第二电流大于第一电流，第二升压转换器电源操作选定的时间段以开启升压转化器直到升压转换器的输出达到选定的电压等级。
[0019]又一方面包括用于监测升压转换器的输出的电压监测电路。另一可选方面包括开关，所述开关被布置在升压转换器和η-沟道MOSFET的栅极之间，当电压监测电路确定升压转换器的输出超过选定的阈值并且稳定时，该开关对来自电压监测电路的信号起反应以向η-沟道MOSFET的栅极提供电压。在一个可选的方面中，第一电流是约2毫安。在另一个可选的方面中，第二电流是约30毫安。
[0020]在又一个方面中，第二升压转换器电源包括RC计时电路，该RC计时电路在选定的时间段提供来自第二升压转换器电源的电流。在一个可选的方面中，第二升压转换器电源包括下拉电阻、开关，以及RC计时电路，且下拉电阻连接至第一升压转换器电源的输出。
[0021]本发明的又一方面包括升压启动开关，该升压启动开关对来自处理器的信号起反应以启动第一和第二升压转换器电源。在又一方面中，电压监测电路包括用于监测电路中的滞后的装置。
[0022]在又一个方面中，本发明包括利用根据上述多种方面的升压系统的紧凑型高功率电池。
[0023]在一个可选的方面中，电池的重量小于或等于3磅。在又一方面中，电池的重量能量比在0.06磅/瓦时到0.03磅/瓦时的范围内。在又一方面中，重量能量比约为0.0357磅/瓦时。
[0024]在又一个实施方式中，电池的重量功率比在0.002磅/瓦到0.0015磅/瓦的范围内。在又一方面中，电池的重量功率比约为0.00167磅/瓦。
[0025]本发明的其他特征和优势将从以下结合附图的详细描述中变得显而易见，附图以实例的形式图示出了本发明的特征。
【专利附图】

【附图说明】
[0026]图1图示出了通过使用机械胸部按压设备对病人实施胸部按压的方法。
[0027]图2是图1的机械胸部按压设备的透视图，示出了设备的底侧和前侧。
[0028]图3是图1的机械胸部按压设备的透视图，示出了底部和后盖板被移除。
[0029]图4A是根据本发明的电池组的透视图，示出了布置在电池组前侧的电池闩锁。
[0030]图4B是图4A的电池组的透视图，示出了布置在电池组后侧的连接器、指示器和按钮。
[0031]图5是示出了本发明的电池组的实施方式的多种组件的分解透视图。
[0032]图6是根据本发明的原理的电池管理系统的实施方式的示意图。
[0033]图7是根据本发明的原理的MOSFET升压电路的实施方式的示意图。
[0034]图8是根据本发明的原理的MOSFET升压电路的另一实施方式的示意图。
【具体实施方式】
[0035]本发明的多种实施方式旨在提供用于向移动设备(尤其是医疗设备)供电的可再充电电池。在电池需要在可预见时间段内提供较大的电流量时本发明的实施方式是尤其有利的。另外，本发明的实施方式包括控制电池操作的所有方面的电池管理系统，也包括存储器，在该存储器中存储了与电池相关的、在电池使用寿命期间发生的事件。另外，电池管理系统的实施方式包括与使用不同电池化学成分的电池适应的能力，并且也能够通过通信端口被更新。
[0036]虽然本发明的多个实施方式是参照机械按压设备进行描述的，但本领域技术人员将立即理解到这些实施方式不局限于只向这样的设备供电。实际上，所述用途仅仅是示范性的，并且根据本发明的多个实施方式的电池可以用于为任意设备供电，尤其是为医疗设备供电，其中设备的设计要求通过这样的电池的性能被满足。
[0037]当根据本发明的多个实施方式的电池与机械按压设备一起使用时，电池必须能够在足够长的时间内向机械按压设备供电，从而不仅可以在发病现场治疗病人，而且还可以在将病人从发病现场运输到护理中心的期间治疗病人。然而经验已经表明，病人的体型和重量是决定电池在治疗期间的电流消耗的因素。因此，治疗体型大于普通病人的病人会引起更大的电池电流消耗。
[0038]例如，研究已发现，胸深度、胸宽度和胸周长是影响向机械按压设备供电的电池的电流消耗量的因素。其他研究已观察到普通成年男性人类的平均胸深度是9.4英寸、平均胸宽度是12.2英寸及平均胸周长是39.7英寸。参见Young, JW，RF Chandler, CCSnow, KM Robinette, GF Zehnerj MS Lofberg，Anthropometric and Mass DistributionCharacteristics of the Adult Female (成年女性的人体测量特性与质量分布特性)，FAA Civil Aeromedical Institute (美国联邦航空局民用航空医学研究所)，Okalhomacity (俄克拉荷马城)，OK,报告号 FAA-AM-83-16,1983 年；Anthropometry and MassDistribution for Human Analogues (用于模拟人的人体测量学和质量分布):第一卷:Military Male Aviators (军事男性飞行员)，报告号第 USAFSAM-TR-88-6 号，1988 年 3 月；Haslegrave, CM, "Characterizing the anthropometric extremes of the population(描述人口的人体测量极限)〃，Ergonomics (人机工程学)，29: 2，第281-301页，1986年；Diffrient, N, AR Tilley, JC Bardagy, Human Scale (人的比例)1/2/3, The MIT Press (MIT出版社)，Cambridge (剑桥)，MA, 1974 年；以及 PeopleSize Pro Software (人体尺寸专业软件)，Open Ergonomics Ltd.(人机工程学公开公司)，34Bakewell Road, Loughborough, Leicestershire, LE115QY, United Kingdom (英国，LE115QY,莱斯特郡，拉夫堡，Bakewell 路34号)，以上内容通过引用被全部包含在此以供参考。有利地，对于普通体型病人来说电池能够保持机械按压设备的操作至少30分钟，而对于体型大于普通体型的病人能够保持机械按压设备的操作至少20分钟。
[0039]现在详细地参考附图，其中相同的数字标号在几个图中表示相似的或相同的元件，图1中示出了胸部按压带适配在病人I身上。胸部按压设备2借助带3实施按压，所述带具有右边带部分3R和左边带部分3L。胸部按压设备2包括带驱动台4和按压带盒5(其包含带)。带驱动台4包括机架6供病人在上面休息，紧固带的装置、处理器和用户界面被布置在机架上。带包括拉带18和19以及位于带两端处的宽负载分配部件16和17。紧固带的装置包括附接至驱动卷轴的马达，在使用时带围绕着该驱动卷轴缠绕并且绷紧。如在这里示出的，胸部按压设备的设计允许获得轻量的机电胸部按压设备。完全组装的胸部按压设备仅重29磅，并且因此可以长距离的手提。设备自身的重量约为22.0至23.0磅，在本发明的至少一个实施方式中，具有的电池重量在2至5.0磅之间，优选地约为3磅。带盒约重0.8磅，用于固定病人的带约重1.6磅。
[0040]图2示出了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，普通体型的病人臀部和大腿后侧将会延伸穿过下面的缓冲器40。设备构造在坚固的槽钢41周围，槽钢41相对机架是横向定向的。槽钢支撑设备承受按压期间产生的力。槽钢也充当着带盒可附接至其上的结构。
[0041]槽钢41形成了延伸穿过设备的横向宽度的槽。在按压期间，带布置在槽内并沿着槽移动。带被附接至跨越槽的驱动卷轴42。
[0042]图3示出了胸部按压设备2的内部组件。电动机79可被操作以通过离合器80和齿轮箱81提供扭矩到驱动卷轴42。附接到电动机上侧的制动器82可被操作以制动驱动卷轴的运动。制动毂被直接连接到电动机的转子轴。
[0043]电动机79和制动器82被处理器单元83、电动机控制器84和配电控制器控制，三者全部安装在前盖板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。
[0044]处理器单元具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了能够精确控制电动机的操作的控制系统。因此，对于不同体型的病人来说，可以自动并精确地控制按压的时间和力度。
[0045]图2和3还示出了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。除非电池组完全地并正确地插入仓中，否则仓的后部中的弹簧会将电池组推出。在电池组被插入电池仓时，位于电池组一端上的闩锁与电池仓121中的接收件接合以将电池组保持在电池仓内。凹陷部分120指示电池仓121内的弹簧的位置。位于电池仓端部的塑料架122加强了凹陷部分。
[0046]图4A和4B是电池组200的透视图，分别示出了电池组的前侧和后侧205，210。在电池组插入电池仓121时，电池组的前侧205朝外并且对用户是可见的(图3)。如图4A中所示，前侧205包括闩锁215，闩锁与电池仓121内的接收件接合以将电池组200保持在电池仓内。在图4A中还示出了布置在电池组前端的顶侧上的一对凸片217。这些凸片与闩锁配合以通过防止电池顶部在电池插入期间向上拱，来确保电池被正确地固定在电池仓中，迫使闩锁与电池闩锁接收件或电池仓的边缘正确地接合。
[0047]如图4B中所示，电池组的后侧210包括连接器220，连接器连接至电池仓121内的连接器以使得机械按压设备的控制器或处理器与电池组200能够电通信。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，它还在电池组和处理器或控制机械按压设备操作的计算机之间提供数据流、编程指令和其他信息，比如电池充电状态、放电率、放电前的持续时间等。类似地，连接器220可被配置以连接到电池充电器内的连接器因而对电池组的电池充电，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。还可以设想到的是连接器220可用于将电池组连接到通信网络，该通信网络将允许在电池组和同样连接到网络的其他计算机、服务器、处理器或设备之间信息的流动。应当理解的是，网络可以是有线网络，如以太网(Ethernet)，或者网络可以是无线网络。网络可以是本地网络，或者网络可以是广域网，如WLAN或因特网(Internet)。
[0048]状态指示器225 (例如可以是一个或多个发光二极管(LED)或类似的设备)也布置在电池组200的后端210上以提供可视指示，可视指示为例如电池组的充电/放电状态、任何会影响电池组操作的故障的出现、或者其他可能对电池的用户有用的信息。也包括按钮230 ;按钮230例如可用于启动电池组的重置。可选的，按钮230可用于启动诊断测试，诊断测试的结果通过状态指示器225指示。在其他实施方式中，按下按钮230可以启动处理器在电池组内的其他功能，包括，例如但不限于，确定电池的剩余容量、通过使用状态指示器225显示故障代码等。
[0049]图5是电池组200的分解透视图。该分解图中的电池组200相对于图4A和4B的视图反转。电池组具有底部外壳234和顶部外壳232。具有电池闩锁236、杆支座238及杆闩锁240的电池闩锁组件安装在当电池组插入电池仓时电池组的朝外的一侧处，电池闩锁组件被底部外壳和顶部外壳固定在位。杆R锁240具有翼241,翼241被插入在形成于电池闩锁236面上的凹槽或槽中，并且杆支座238安装在底部外壳上以将杆闩锁240枢轴地保持在外壳中。压缩弹簧254布置在电池闩锁236的底端和顶部外壳232之间。凸起部分255布置在电池闩锁238的顶端，并构造成突出穿过槽251，所述槽延伸穿过底部外壳234的厚度。以这种方式，电池闩锁236可以由被用户操作以使凸起部分255与位于机械按压设备内的闩锁接收件接合或脱离从而将电池组插入电池仓或者将电池组从电池仓121释放以移除电池组。
[0050]电池输入板242布置在电池组的后端210处，连接器220、指示器225和按钮230被安装至电池输入板242 (图4B)。使用一个或多个螺钉250将输入板256安装至底部外壳232。也可使用一个或多个螺钉256将输入板紧固至顶部外壳252。在有些实施方式中，防水垫片262可用于抵御液体侵入电池组内部。另外，标签260可用于向用户提供与指示器225提供的多种指不有关的彳目息。
[0051]使用螺钉或其他紧固件258将电池管理板244安装至电池组件246，处理器、存储器和用于管理电池的多种操作的电路(将在下文详细描述)被安装至电池管理板244。电池组件246包括一个或多个电池248。电池248可以是利用多种电池化学成分(例如镍金属氢化物、氢化锂、锂离子等)的电池。电池管理板244和电池组件246也可包括安装在电池组件246左侧和右侧上的一对防干扰板266，以保护每个电池248的端子免于与组件的其他部分意外接触，因此提供了阻止电池短路的防护。
[0052]电池组200也包括布置在顶部外壳中的至少一个排气孔264，如图所示，以允许电池组的排气，防止在电池组充电或放电期间由电池248产生的潜在易燃或爆炸性气体的聚集。尽管示出为布置在顶部外壳中，本领域技术人员将会理解的是排气孔可以被布置为穿过电池组的任意壁或侧面。排气孔264可以是延伸穿过电池组的壁或侧面的单个孔。或者，排气孔264可包括过滤装置265，如筛子或疏水膜，以防止颗粒或流体或湿气入侵电池组内部。这种排气孔的额外的优点是，该一个或多个排气孔在电池组的内部和外部之间提供了压力的平衡，比如这会出现在电池组运输到更高或更低的海拔时。
[0053]操作上述机械按压设备需要稳定的电源。在紧急的情况下给病人提供复苏救治，要求设备使用30分钟或更久不是不常见的。机械按压设备的电动机的扭矩和功率需求在进行按压期间需要高达70安培的峰值电流。如果不能通过电池向控制按压的电动机供应充足的电流，则电压会降低并且电动机可能不能够产生充足的扭矩以确保完成病人的胸部的按压。
[0054]本发明的
【发明者】已经意识到当电池在恒定功率消耗条件下时，确保更久和稳定的电池操作的关键是具有非常低的内部总电阻。已经发现在需要高功率的设备中是有用的这样一种电池化学成分是使用锂离子化学成分的电池，如在A123系统公司中可获得的ANR26650M1型或ANR26650M1-B型锂离子电池。
[0055]图6是示出了根据本发明的电池组300的一个实施方式的示意图。电池组300包括11个锂离子化学电池，如上述的ANR26650M1型或ANR26650M1-B型锂离子电池。每个电池提供3.3伏的电压，并且11个电池串联连接以提供36.3伏的总电压。使用这种电池，可以制造出根据本发明的原理的电池组的一种实施方式，该电池组重约3磅。观察已表明这种电池提供1550瓦至2000瓦的功率，并且优选地提供1800瓦的峰值功率。这提供了预期的重量功率比。另外，还发现了能够供应略小于100瓦/时的能量的实施方式。尽管在这个示范性实施方式中使用了 11个电池，但根据待供电的设备的需求可以使用更多或更少的电池。
[0056]为了提供操作按压设备的电动机所需的电流量，
【发明者】已发现使电池组的内部电阻最小化是相当重要的。因此，使用的锂离子(L1-离子)电池应该具有较低的内部DC (直流)电阻，优选地每个电池低于15毫欧，并且更优选地低于12.5毫欧。
[0057]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，但在电池的再充电阶段和放电阶段期间必须小心以确保电池在其预期寿命内继续工作。众所周知锂离子电池不应该被过充电，也不应该被过放电。因此，本发明的多个实施方式包括检测并控制电池的放电及再充电循环的能力。这些实施方式将在下文详细描述。
[0058]如前所述，11个锂离子电池310通过主电源总线320串联。总线320具有正极侧和负极侧或接地侧，对于DC电路这是典型的。总线320通过接口 330将电池提供的直流电传递至负载(在此实例中，为机械按压设备)。如在图6中所示，接口 330是具有7个连接插针的针连接器。可选地，可以使用插口，或者插针与插口的组合，使用多于或少于7个插针或插口。
[0059]总线320的正极侧连接至接口 330的插针7。类似地，总线320的负极侧连接至接口 330的插针6。接口的插针1-5用于传输涉及电池组检测和控制的多种信号，也传输至待供电的设备，使得在电池组和待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多个示范性实施方式进行详细地描述。
[0060]再次回到图6，总线320的正极侧包括保险丝342以保护电路免受过流的情况。保险丝342可以是，例如，30安培的保险丝。在这种情况下，大于30安培的持续电流流过保险丝342将导致保险丝开路，使总线320产生的电路断路并且停止电流从电池的流出。尽管未示出，也存在有监测保险丝的熔断丝检测电路，并且，如果保险丝已熔断，熔断丝检测电路会向组控制器提供保险丝熔断的信号。电池组控制器然后提供指示电池不适合使用的信号。该信号例如可以是LED颜色的变化，或者一些其他状态指示器的激活或去激活。可选地，电池组控制可以向由电池供电的装备提供信号，然后电池组控制可以向用户提供电池未准备好投入使用的指示。
[0061]主总线320的正极侧也包括多个η-沟道场效应晶体管(n_FET) 340,350和360。这些n-FET提供电路的切换和控制。使用n-FET是因为它们提供了电阻非常低的开关，符合使得电池的内部总电阻最小化的设计要求。n-FET另一个独特的性能是它们能够传导高电流负载，而不会损坏且也不会产生过多的热量。已发现的适合用在本发明的多种实施方式中的n-FET的一个实例是可从Dig1-Key公司获得的IRLS3036型。
[0062]在典型的设计中，p-FET设备可用作开关并且可被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更多倍。因此，为了处理和n_FET设备一样的电流，将需要多个并联的P-FET。另外，多个p-FET的使用也需要使用散热器以消散p-FET导通时产生的热量。这在电池组内空间有限的情况下是不利的。
[0063]类似地，n-FET设备会典型地用在主总线的低压侧，用于接通或断开总线中的电流。然而，在这种情况下使用n-FET会断开电池的接地，这导致电路中的噪声并干涉电池管理系统电路的多个元件之间的通信。因此，本发明已将n-FET开关放置在主线的高压侧，这提供了有效的主线开关而不会产生在使用P-FET时可能产生的过多热量。将n-FET放置在主线的高压侧也消除了电路接地断开的问题。
[0064]在一些实施方式中，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)。这些电阻器提供分接主总线的能力以监控流经电路的电流的多个方面。例如，在一个实施方式中，电阻器370跨接了电池平衡和初级保护电路的输入线路，将在下文详细描述。电阻器370的典型值是，例如，2.5毫欧。
[0065]在另一个实施方式中，电阻器380可以跨接充电状态监测器，也称作“气体压力计”。在这个实施方式中，电阻器380的值可以是，例如，5毫欧。
[0066]在充电和放电期间每个电池310都是被单独监控的，从而分别地控制充电和放电的速率。在一个示范性实施方式中，如在图6中所示，独立的电池分接线390连接到每个电池及电池监控和平衡电路400。
_7] 初级保护
[0068]在充电期间，独立监控每个电池的电压以防止电池的过充电。在一个示范性实施方式中，在微芯片上的监控系统可以是，例如，电池组保护和监控集成电路(IC)410，如可从02Micro获得的0Z890，该监控系统用于控制多个电池的充电。在这种设置中，电池监控线路390提供正信号到IC410的代表性插针输入端。例如，使用IC410的输入线路BCl监控电池I，并如此类推直至电池11，使用IC410的输入线路BCll监控电池11。
[0069]如果IC410的控制电路检测出电池中的不平衡，则IC410在适当的外部泄放控制线路CBl-CBll上提供信号。如在图6中所示，当适当的外部泄放控制线路CBl-CBll上的信号被施加到n-FET420的栅极时，允许电流穿过n_FET420的源极和漏极，然后穿过电阻器430，这导致电流旁流过电池并且暂停电池的充电。从图6可以看出，每个电池有其专用的电阻器和n-FET的组合，与IC410电通信以用于监控每个电池并防止每个单独的电池过充电。
[0070]在一些实施方式中，电池平衡和初级保护IC410也可用于监控电池组的总电压。例如，当所有电池都达到它们的最大电压时，IC410可以发出低信号到n-FET350的栅极以打开n-FET350的源极和漏极之间的通道，并因此打开主总线电路320。这样导致充电电流停止通过电池，并因此暂停充电过程。
[0071]类似地，在电池放电期间，IC410监控电池的跨接电压。当电池的跨接电压下降到小于阈值水平(例如，21伏)时，IC410将线路450的信号驱动为较低的，这反过来闭合n-FET360，这中断了主总线电路。这会防止由于去除了电池中的太多电荷而导致的电池损坏,去除太多电荷会导致减短电池寿命。
[0072]IC410也可包括并控制温度测量性能，该性能被设计成监控电池组和/或单独的电池的温度以防止过热。在这个实施方式中，使用一个或多个热敏电阻460以沿线路470给IC410提供温度信号。如果IC410确定电池的温度太高或者太低，则IC410可将n_FET350和360之一或两者都驱动为较低的，打开主总线320并隔离电池组。应当理解的是，尽管为了清晰仅示出单独的线路470，但是线路470包括适当数量的导体以监控温度监控电路中使用的与IC410通信的所有热敏电阻的功能。
[0073]IC410可通过在线路480提供故障信号(然后该被故障信号用于使得LED490点亮)，来额外提供故障状态的可视指示。这种由初级保护电路感测的故障状态的视觉信号表明了电池组已通过IC410呈现出非功能性，并且表明需要修复或维护电池组。
[0074]次级保护
[0075]本发明的一些实施方式也可包括针对灾难性故障或过电压保护的次级保护。这样的次级保护可以由多个电路提供，所述电路被设计成监控电池组的电压和/或经过主总线的电流，并设计成在超过电流或电压的一定阈值时会采取措施。在一个实施方式中，这种保护可由集成电路500，例如，可从02Micro获得的0Z8800提供。本领域技术人员将会理解的是，根据电池组中使用的电池数量，需要多于I个的IC500。例如，0Z8800次级电池保护集成电路可监控3至7个单独的电池。因此，当使用11个电池时需要2个0Z8800。
[0076]IC500通过监控线路312来监控每个电池的电压。在一些实施方式中，可采用时间延迟，这允许存在临时过电压状态。在由于电压未回落到可接受范围而导致超过时间阈值的情况下，IC500通过故障线路510发送低信号到n-FET340以关闭n_FET340。每个电池都由类似的电路监控。
[0077]从图6中可以明显看出，除非向每个n-FET的栅极施加正电压，否则上述n-FET均处于正常闭合状态。因此，导致电压减小到低于栅极处的n-FET的阈值水平的任何故障都会引起n-FET打开，因此提供对电池和电池管理电路的额外保护。
[0078]气体压力计
[0079]本发明的另一个实施方式包括“气体压力计”功能，该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由经设计成执行不同的任务(如根据电池的使用时间、放电速率和温度计算用于使用状态和用于待机状态的剩余电池容量)的集成电路来提供。这种电路也可确定在从接近满充电状态到接近完全放电状态的放电循环过程中的真实电池容量。
[0080]图6示出这种气体压力计电路600的一个实例。使用集成电路610(如可从TexasInstruments公司的获取的bq2060A)以实现电池组的监控。IC610与外部EEPR0M620协同工作。EEPR0M620为IC610存储配置信息，如电池中使用的化学成分、电池的自放电速率、多种速率补偿因素、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使用多种电池类型。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，这些电池由系统内的其他电路检测并识别，或者由用户手动识别。在可选实施方式中，IC610也可与电池组控制器配合以使用嵌入到软件中的适当控制指令来增加气体压力计在低电流消耗状态下的报告精度，所述控制指令控制电池组控制器和气体压力计的操作的中以执行实施该功能需要的算法。
[0081]通常，通过IC610与IC800的结合使用来实施气体压力计功能，以通过监控输入到电池中或从电池移出的电荷量来及时地确定满充电的电池容量和在任意点的剩余容量。另夕卜，当跨接电阻器380进行检测时，IC610测量电池电压、电池温度和电流。在有些实施方式中，IC610也可估计电池的自放电速率，并且也监控电池的低压阈值。如上所述，IC610通过监控跨接电阻器380的电压而测量电池的充电量和放电量，其中所述电阻器位于(串联连接的电池中的)第一电池310的负极端子和电池组的负极端子之间。通过这个测得的电压及根据环境和操作状态校正测量，可以确定可用电池电荷。
[0082]IC610也可测量电池组的温度从而实施上述估计和调节。在一个实施方式中，热敏电阻640以够测量电池组的一个电池或多个电池的温度的方式与电池组的所述一个电池或多个电池相邻安装。在测量所述一个电池或多个电池温度的同时，IC610通过用线路660提供适当的信号将n-FET650的栅极驱动为高，从而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，打开n_FET并因此使热敏电阻640从偏压源断开。
[0083]在每次电池充电时IC610可被重置，以使得所报告的电池中的剩余电荷量是精确的。电池组管理电路或电池组控制器800 (在下文中更详细地描述)用重置线路670提供信号以将n-FET680的栅极驱动为高。这样导致电流通过n_FET680，使得重置信号被提供给IC610从而重置IC610的电池容量计数器。[0084]在另一个实施方式中，IC610可包括密封/解封功能，该功能防止未经授权地访问存储在IC610或EEPR0M620中的参数。电池组控制器800可以用线路680发送信号将n-FET690的栅极驱动为高，该操作闭合了 n_FET690从而允许指令和数据在IC610与EEPR0M630之间流动。该数据可包括，例如，更新了的校准信息等。在可选实施方式中，仅使用来自电池组控制器的软件指令来控制IC610和EEPR0M630，而不需要控制n_FET690，就可控制IC610和EEPR0M630之间的数据流动。
[0085]电池鉬控制器
[0086]在本发明的另一个实施方式中，电池管理系统包括电池组控制器800，电池组控制器充当由电池管理系统实施的多个功能的整体管理器。取决于在电池组界限内的可用空间量，电池组控制器800典型地是集成电路，尽管可以使用实施相同功能的分立电路。
[0087]例如，电池组控制器800可以是低或超低功率微控制器，如可从TexasInstruments公司获取的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以提供电池管理系统的多个功能的快速且高效地执行。电池组控制器800还具有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。通信总线典型地使用如I2C总线(Philips公司的商标)或系统管理总线(SMBus)的通信协议。在下文中对SMBus更详细地描述。
[0088]适当的软件指令用于对电池组控制器800的功能编程。这种软件包括配置通信协议接口(例如，SMBus接口)的指令。该软件也可配置电池组控制器以监控关键电池组参数，该软件通过通信线路810、820、822、后侧总线630、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获得这些参数。
[0089]当适当地编程之后，电池组控制器800也和一个或多个存储设备，例如事件档案库EEPR0M900通信。这种档案库具有，尽管例如，但不限制于此，64千字节(64K)的存储器，可用于存储电池组的充电和放电周期中发生的多种事件的历史，例如总充电量、卸放的能量总量、电池温度、任何发生的故障，或者与独立电池和/或用于管理和控制电池的操作所采用的多种电路相关的其他信息。
[0090]电池组控制器800也可通过编程与存储器和/或处理器通信，例如，EEPR0M1000。在图6示出的示范性实施方式中，EEPR0M1000可以位于由电池组供电的机械按压设备中，或者它可以被纳入电池组并且被配置成可以通过由电池供电的设备访问。在这个实例中，电池组控制器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，前侧总线通过连接器330接触机械按压设备中的相似总线。如此，在电池组与由电池组供电的设备之间建立双向通信连接以允许在电池组与被供电的设备之间交换信息。例如，在电池组与被供电的设备进行通信时，更新的操作参数或指令(包括更新的软件)可以从被供电的设备加载到电池组。类似地，包含在事件档案库EEPR0M900中的信息可从电池组中存在的任意存储器传输到EEPR0M1000，或者传输到构造成通过后侧总线810通信的任意其他存储器(如便携式存储设备)。
[0091]应当理解的是，这种通信能力也允许电池与除将要由电池供电的设备以外的其他设备通信。例如，典型地，电池组将与被供电的设备分离以进行再充电。当电池组连接到电池充电器时，电池充电器可用于通过前侧总线810从电池组的一个或多个存储器中得到信息，和/或将更新后的数据、信息、编程指令或软件传输至电池。这种通信过程将典型地使用用于通讯的通信协议(例如SMBus协议)中阐述的能够在位于充电器中或其他设备中的处理器与电池组的电池组控制器800之间进行交换的多种信息交换和通信对话来管理。在有些实施方式中，当电池插入待供电的设备中时也可以进行涓流充电，其中被充电的设备也连接到外部电源。
[0092]本发明的又一些实施方式可包括如下能力:在电池组插入电池充电器或插入待供电的设备(例如机械按压设备)时，由电池组控制器800管理的识别能力。例如，电池组控制器800可被配置成使用适当的软件和/或硬件指令以提供信号到IC410和IC500从而提供高信号到n-FET340、350和360的栅极以关闭这些开关，并因此仅当检测电路1100通过线路824发送适当的信号(该信号指示电池组正确安装在待供电的设备中)到电池组控制器800中时，才在连接器330的正极插针和负极插针处提供全电池电压。
[0093]在一个实施方式中，电池组控制器800监控连接到机械开关或联锁的线路，当电池正确插入充电器或待供电的设备中时所述机械开关或联锁被强制关闭。在另一个实施方式中，电池组控制器800监控连接到电池连接器的一个或多个插针的信号线。当通过该信号线接收到适当的信号时，电池组控制器800确定电池已正确地插入充电器或待供电的设备中，并且电池组控制器800提供高信号到上述n-FET340、350和360的栅极。该实施方式特别有利，因为电池组控制器800可编程为仅当接收到特殊信号时才进行响应，确保在向n-FET340、350和360的栅极提供高信号之前，电池已插入到被设计成容纳电池的特定类型或者构成的充电器或待供电的设备中。
[0094]这些实施方式是有利的，因为在连接器330的正极和负极端子之间发生意外短路的情况下阻止了电池的放电。根据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，在这个实施方式中，在电池组未连接至充电器或待供电的设备(如上述机械按压设备)时，除非电池组正确安装在构造成提供适当的信号至检测电路1100的设备中，否则电池组的连接器330的正极和负极端子之间没有电压，因此提供了电池组安全的处理、存储和运输。
[0095]电池组控制器800也可被编程以提供密码访问以允许改变存储在EEPR0M900和620中的设置和参数，并在发生故障时提供适当的信号来驱动LED490。也可包括额外的性能，被配置成使用适当的软件和/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能指示电池中的总剩余电量等的显示器。在可从Texas Instruments公司获取的一篇标题为 “MSP430F241x，MSP430F261x Mixed Signal Microcontroller(MSP430F241x、MSP430F261x 型混合信号微控制器)”、SLAS541F_2007 年 6 月-2009 年 12 月修订的文献中，给出了可纳入组控制器800 (尤其当组控制器800是MSP430F2418 (或这种控制器系列的其他成员)时)中的多种性能的更全面的描述，以上内容通过引用被全部包括在此以供参考。
[0096]智能总线通信
[0097]显然，包含在本发明的多个实施方式中的多种处理器和集成电路以及逻辑系统，由于它们可以通过前侧总线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行。在有些实施方式中，使用系统管理总线(SMBus)规范执行通过这些总线进行的通信。SMBus是双线接口，通过双线接口，在其它电路之中，多种系统组件芯片，如IC410、IC610、次级保护系统500、事件档案库900、EEPR0M1000和电池组控制器800可以相互通信并且可与系统的其余部分通信。与SMBus规范相关的进一步的信息包含在“SystemManagement Bus (SMBus) Specification Version2.0(系统管理总线(SMBus)规范 2.0 版)，，，SBS Implementers Forum (SBS工具论坛)，2000年8月3日，以上内容通过引用被全部包括在此以供参考。
[0098]升压电路
[0099]
【发明者】已观察到，在本发明的有些实施方式中，驱动n-FET闭合所需的电压超过了电池组的可用电压。例如，在使用要求偏置电压为10伏的n-FET时，为了充分地驱动n-FET以允许适当的电压通过n-FET从而对电池充电或放电，该n_FET需要的驱动电压是偏置电压再加上电池电压。因此，包括电压升高电路以升高供应到n-FET的栅极的电压从而驱动n-FET传导电池供应的电流。
[0100]本领域技术人员将会理解的是，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，发现使用p-FET是不利的，因为将需要多个P-FET来处理能够由一个单独的n-FET处理的相同电流。另外，使用多个p_FET产生的热量可能需要额外一个或多个散热器来消散，这需要在紧凑型电池中具有比可用空间更大的空间。此外，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。
[0101]图7是被设计为向n-FET340、350和360 (图6)的栅极提供升压电压以开启n_FET使得它们传导电流的电路的实施方式的示意图。图7的升压电路包括多个功能模块，这些功能模块被设计为实施特定的功能以保证当需要给n-FET340、350和360供电时，可获得适当的电压。
[0102]升压准备检测模块监测来自升压供给模块的可用电压并在需要驱动n-FET340、350和360时提供信号到p-FET Q102的栅极以开启Q102。例如，Q102是如可从InfineonTechnologies (英飞凌科技)获取的BSS84PW型的p-沟道设备。升压准备检测电路监测由升压电源产生的电压等级并且仅当线路VBST上的电压等级稳定地超过预定阈值时才提供信号到Q102。在一个实施方式中，该阈值在46-49伏的范围内。
[0103]通过由137，000欧姆的电阻器R105和3.01兆欧的电阻器R106提供的电压分压器，由IC U102提供1.207伏的参考电压，所述IC U102为具有可调滞后的电压检测器，例如可从 Texas Instruments Incorporated (德州仪器公司)获取的 TPS3806I33 型。
[0104]IC U103是用于驱动n-FET340、350和360所需的电压升压的升压转换器。用作U103的一个合适的集成电路的实例是可从Maxim Integrated Products (美信集成产品公司)获取的MAX1605EUT-T型。通过VbComm向U103的插针2提供5伏的电压。该电压也被提供给网络B+F。VbCom (精密并联稳压器,如可从Maxim Integrated Products获取的MAX6330LUR+T型)也用作供给U106的电压输入。U106的输出被反馈至U102，U102控制电路的滞后以稳定电压。
[0105]由158，000欧姆的电阻器R161和2.0兆欧的电阻器R162提供的电压分压器辅助U103确定期望的电压。U102对R106的跨接电压进行采样，使用R105和R104以控制滞后。U102检查以查看电压是否在范围内，例如，17伏。这样的意思是所检测到的电压，17伏，是超过VbComm的17伏，VbComm典型地在小于电池电压或栅极源电压5伏的范围内。例如，对于满充电的电池，VbComm将在31-32伏的范围内。[0106]当U102感测到电压超过VbComm至少17伏时，U102的输出，插针I，切换并升高，驱动 n-FET QlOl 的栅极，一个实例是可从 Fairchild Semiconductor Corporation (飞兆半导体公司)获取的2N7002W型。当QlOl的栅极驱动为高时，电流流到Q102的栅极，Q102然后被开启以允许电流流到线路VBSW，线路VBSW驱动n-FET340、350和360的栅极。
[0107]电压VbComm通过使用电流吸收器模块将电压从电池电压拉低5伏，而从电池电压产生而来。电流吸收器模块通常由用环绕参考电压的闭合环路连接至双极型晶体管的运算放大器组成。在图10中图示出的电路中，参考电压2V500被1.0兆欧的电阻器町65和1.0兆欧的电阻器R169分压，以提供1.25伏的参考电压，该参考电压被提供到运算放大器U104的正极输入。例如，U104是运算放大器,如，可从Microchip Technology Inc.(微芯科技公司)获取的TC1035ECHT型。U104的输出通过10.0千欧姆电阻器R174驱动Q117的栅极，开启Q117并且拉低它的采集器以生成跨接电阻器R163的精确的1.25V电压。当跨接R163的电压上升到精确的1.25伏，环路闭合并且仍04开始调节电压以保持它在精确的
1.25伏。使用欧姆定律，可以发现的是这样会提供受控制的2毫安电流到升压供应模块的输入，一旦电路的电容器满充电，这对于给升压电路供电是足够的。
[0108]再次参考升压供应模块，升压供应的一个问题是在全功率运行升压供应之前需要对电容器充电。因此，图7的电路包括升压快速启动模块(vboost kick start module)以向升压供应提供额外的电流从而启动供应。当升压启动了信号时，该信号可以是源自初级保护电路处理器410 (图6)的充电信号CHG和放电信号DCHG两者中的一个，开启Q118，(双沟道n-FET设备，如可从Diodes Incorporated获取的2N7002DW型)，然后开启Q119(可用P-沟道M0SFET，例如，可从Diodes Incorporated获取的BSS84W型)以向U104的插针5供应高信号。这个高信号开启U104，U104的输出通过Ql 17被反馈从而从Ql 17的插针3向外提供2毫安的电流。
[0109]然而，有时即使在处理器410 (图6)要求充电或放电时，电池组控制器800可能需要覆盖CHG或DCHG信号，例如当电池组未插入电池充电器或待供电设备中时。在这种情况下，电池组控制器800通过二极管D116在线路/SHDN上提供信号以保持通向U104的那条输入线路为低的，从而使得升压供应不被开启。当该/SHDN线路上升到高时，U104开启升压供应。
[0110]可选地，电池组控制器800可以通过FET覆盖线路827发送信号到IC410。该信号控制IC410以防止IC410发送CHG或DCHG信号到Q118，因此确保通向U104的输入线路保持为低使得升压供应不被开启。
[0111]然而，当升压供应首先开启时，存在大量的负载，直到电路的电容器满充电。这个问题可以通过下面两者之一解决:启动升压供应并且保持其离线直到其可满运行，或者升压供应可以用增加的电流量补偿以加快启动过程直到升压供应正确地运行。
[0112]电阻器R102在电路中电流吸收器模块连接在Q117的插针3的相同点处拉动电平(pulls)。当CHG或DCHG信号开启Q118和Q119时(在线路/SHDN上不存在覆盖信号)，电流和电压流过电阻器R171和电容器C131到达Q103的栅极(n_FET，如可从FairchildSemiconductor Corporation (飞兆半导体公司)获取的2N7002W型)。这个电流开启Q103并且允许约30毫安的电流流过下拉电阻R102直到升压供应从而快速对该模块的电容器充电。C131和R171形成RC计时电路，该计时电路控制被供应的升压启动电流的持续时间。在这个实施方式中，C131是1.0/10伏的电容器且R171是10，000欧姆的电阻器。当C131满充电时，流过线路的电流停止，关闭Q103的栅极，Q103继而不再允许电流流过R102，并且在线路上从Ql 17的插针3流动到升压供应的电流回到2毫安。
[0113]图8阐明本发明的另一个实施方式的示范性电路。在这个实施方式中，运算放大器 U104 用可从 DigiKey Corporation (DigiKey 公司)获取的 MCP604T_I/ot 代替。使用这种型号的运算法放大器，电路被如图所示的改变，去除了多个组件。如从图8b中可以看到的，当升压开启了信号时，其中该信号可以是源自初级保护电路处理器410 (图6)的充电信号CHG和放电信号DCHG两者中的一个，开启Q118，然后开启Q119，高信号供应到U104的插针5。该高信号开启U104，U104的输出通过Q117供应。在这个实施方式中，在Q117的插针3处供应的电流是2.5毫安。注意，在这个实施方式中没有/SHDN线路，并且不需要组件D116, R166 和 R167。
[0114]图8a图示了本发明的这个实施方式的电路的额外变化。如图所示，Q102用可从DigiKey Corporation (DigiKey 公司)获取的 ZxmplOA13ft 型二极管替代。另外，R108 的值变为510千欧，C124是10伏的电容器，并且IOOOpF的电容器Cl 19加入到电路中。
[0115]上述电路的多种实施方式是有利的，因为它们允许使用n-FET功率晶体管来控制电池组的电流的流进和流出，同时保持电池组的内部电阻尽可能的低。对本领域技术人员显而易见的是，以这种方式使用n-FET，当提供所需的功率容量的同时，也需要复杂的电路来供电或控制。然而，如先前所述的，该n-FET的这种使用是，单个的n-FET能够被用来控制大的电流量，否则该电流量将需要多个P-FET设备以实现相同的目的。P-FET也会需要较大的散热器消散它们产生的热量。所有的这些因素导致电路将在电池组中需要更大的空间，超出了典型地可用空间。因此，所描述本发明的多种实施方式折衷了对于尺寸和功率处理容量的电路复杂度，同时也最小化了电池内部电阻以提供更有效的电池充电和放电，同时也提供其他的有利的功能和安全机制来保护电池、被供电的设备，以及系统的用户。
[0116]在上面讨论的本发明的多种实施方式中，提供了电阻器、电容器和其他组件的具体值。但是，本领域技术人员将立即地理解的是，例如，可以使用电阻值和电容值的其它组合来实现电路设计者的目的，并且是在本发明预期的范围之内的。
[0117]尽管已经图示了并且已说明了本发明的几个具体形式，显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的前提下本发明可作出多种修改。
【权利要求】
1.一种用于驱动高侧η-沟道MOSFET的升压系统，包括: 升压转换器，构造成用于向η-沟道MOSFET的栅极提供升压电压； 升压转换器电源，用于向所述升压转换器提供第一电流以给所述升压转换器供电；第二升压转换器电源，用于向所述升压转换器提供第二电流，所述第二电流大于所述第一电流，所述第二升压转换器电源在选定的时间段操作以启动所述升压转换器直到所述升压转换器的输出达到选定的电压等级。
2.根据权利要求1所述的升压系统，进一步包括用于监测所述升压转换器的输出的电压监测电路。
3.根据权利要求2所述的升压系统，进一步包括布置在所述升压转换器与所述η-沟道MOSFET的栅极之间的开关，所述开关对来自所述电压监测电路的信号起反应，以在所述电压监测电路确定所述升压转换器的输出超过选定的阈值并且稳定时向所述η-沟道MOSFET的栅极提供电压。
4.根据权利要求1所述的升压系统，其中，所述第一电流约为2毫安。
5.根据权利要求1所述的升压系统，其中，所述第二电流约为30毫安。
6.根据权利要求1所述的升压系统，其中，所述第二升压转换器电源包括RC计时电路，所述计时电路从所述第二升压转换器电源提供选定的时间段的电流。
7.根据权利要求1所述的升压系统，其中，所述第二升压转换器电源包括下拉电阻器、开关，以及RC计时电路，其中所述下拉电阻器连接至所述第一升压转换器电源的输出。
8.根据权利要求1所述的升压系统，进一步包括升压启动开关，所述升压启动开关对来自处理器的信号起反应以接通所述第一升压转换器电源和所述第二升压转换器电源。
9.根据权利要求2所述的升压系统，其中，所述电压监测电路包括用于监测所述电路中的滞后的装置。
10.根据权利要求1所述的升压系统，其中所述第一电流约为2.5毫安。
11.一种利用权利要求1所述的升压系统的紧凑型高功率电池。
12.根据权利要求11所述的紧凑型高功率电池，其中，所述电池具有小于或等于3磅的重量。
13.根据权利要求11所述的紧凑型高功率电池，其中，所述电池具有0.06磅/瓦时至0.03磅/瓦时范围内的重量能量比。
14.根据权利要求13所述的紧凑型高功率电池，其中，所述重量能量比约为0.0357磅/瓦时。
15.根据权利要求11所述的紧凑型高功率电池，其中，所述电池具有0.002磅/瓦至0.0015磅/瓦范围内的重量功率比。
16.根据权利要求11所述的紧凑型高功率电池，其中，所述电池具有约为0.00167磅/瓦的重量功率比。
【文档编号】H02J7/04GK103828180SQ201280031686
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年4月27日 优先权日:2011年4月28日
【发明者】戴维·迪姆 申请人:佐尔循环公司