CN1797896B - 电池组、充电控制方法和应用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有蓄电池和控制该蓄电池充电与放电的电路的电池组。该电池组具有计算机和充电控制部分。该计算机与放置在充电装置中的另一个计算机相互通信，并认证该充电装置。当成功地认证充电装置时，由计算机控制的充电控制部分向蓄电池提供充电电流，当没有成功地认证充电装置时，关闭充电电流。

Description

电池组、充电控制方法和应用装置
技术领域
本发明涉及一种电池组和充电控制方法，当充电装置不是未经授权的充电装置时，该方法允许电池组认证该充电装置并防止该充电装置对电池组充电。
背景技术
由于例如锂离子电池的蓄电池具有尺寸小、重量轻、能量密度高和高输出等特性，因此，它被广泛地用于诸如数码相机、蜂窝式电话、便携式个人电脑等的应用装置的电源。这种锂离子电池需要由被授权的制造厂商所制造的充电装置来充电，以确保电池的安全使用并防止电池寿命的缩短。例如，未经授权的充电装置可能不能满足必要的技术规范。如果用这种未经授权的充电装置来对电池充电，就可能会使该电池充电过度。
下面的专利文献1说明了相关的技术资料，其中电池组和应用装置相互认证，以防止使用未经授权的电池组。
[专利文献1]日本专利特开出版No.2004-147408。
发明内容
在专利文献1中所说明的相关的技术资料中，被放置在作为应用装置的可携式摄像机中的微型计算机和被放置在电池组中的微型计算机相互认证。根据认证结果来接通或关断可携式摄像机的电源线。在专利文献1中所说明的相关的技术资料中，禁止可携式摄像机使用假冒(forged)的电池组，所述假冒的电池组不太可能满足可携式摄像机的技术规范。换句话说，专利文献1中所说明的相关的技术资料并不意欲防止由未经授权的充电装置来对经授权的电池组进行充电。
鉴于上述，期望提供一种电池组、充电控制方法及应用装置，以允许防止由未经授权的充电装置来对电池组充电。
根据本发明的实施例，提供了具有蓄电池的电池组。该电池组具有计算机和充电控制部分。所述计算机与放置在充电装置中的另一个计算机相互通信，并认证此充电装置。当成功地认证了所述充电装置时，由计算机控制的充电控制部分向蓄电池提供充电电流，当没有成功地认证充电装置时，切断充电电流，其中，所述电池组根据充电装置中的保密信息来认证充电装置，并且其中，当所述电池组与所述充电装置分离时，取消充电电流的关断状态。
根据本发明的实施例，提供了一种电池组的充电控制方法，该电池组具有蓄电池和控制该蓄电池充电与放电的电路。通过通信认证此充电装置。当成功地认证了充电装置时，将充电电流提供给蓄电池，当没有成功地认证充电装置时，切断充电电流，其中，所述电池组根据充电装置中的保密信息来认证充电装置，并且其中，当所述电池组与所述充电装置分离时，取消充电电流的关断状态。
根据本发明的实施例，提供了一种应用装置，其中将作为电源的电池组附接到此装置上。该应用装置具有第二计算机。该第二计算机与放置在电池组中的第一计算机相互通信，并认证此应用装置。当用与应用装置相连的AC适配器的电力来对电池组充电时，第一计算机控制电池组的充电，以便当成功地认证了应用装置时，将充电电流加到蓄电池上，并在当没有成功地认证应用装置时，切断充电电流，其中，所述电池组根据应用装置中的保密信息来认证应用装置，并且其中，当所述电池组与所述应用装置分离时，取消充电电流的关断状态。
根据本发明的实施例，由于防止了由未经授权的充电装置对电池组充电，所以能够改善电池组的安全性。此外，还能防止由于使用了未经授权的充电装置而导致的电池组性能的变坏，诸如缩短电池的寿命。这样，就能改善电池组的可靠性。此外，还能够将对电池组有害的未经授权的充电装置排除在市场之外。
如附图所示，通过对本发明的最佳模式的实施例的如下详细描述，本发明的上述和其他目的、特性和优点将会变得更加清楚。
附图说明
参照附图，通过下面的详细描述，本发明将变得更加易懂，其中相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1是示意图，示出了根据本发明的实施例的电池组的电路；
图2A和图2B是框图，示出了电池组和充电装置的结构的认证方法；
图3是流程图，说明了在电池组的微型计算机的控制下所执行的充电控制方法；以及
图4A、图4B、图4C和图4D是示意图，说明了根据本发明的实施例的便携式游戏机的例子。
具体实施方式
以下，将参照附图来说明本发明的若干实施例。图1示出了根据本发明的实施例的电池组。在图1中，附图标记1表示例如锂离子电池的蓄电池。电池组具有正(+)端子2、负(-)端子3和通信端子4。
蓄电池1的阳极(positive electrode)与正(+)端子2相连。蓄电池1的阴极(negative electrode)通过限流装置5、电流检测电阻6、放电控制场效应晶体管(FET)7a的漏极和源极、以及充电控制FET 8a的漏极和源极而与负(-)端子3相连。限流装置5可以是例如正温度系数(PTC)的装置。当温度上升时，限流装置5的电阻增加，并限制流过的电流。寄生二极管7b和8b分别被放置在FET 7a的漏极和源极之间以及FET 8a的漏极和源极之间。
从保护电路9分别向放电控制FET 7a的栅极和充电控制FET 8a的栅极提供控制信号D0和C0。在常规的充电和放电操作中，由于控制信号D0和C0的信号电平较高，因而能够接通FET 7a和7b。保护电路9具有三个功能：即过度充电保护功能、过度放电保护功能和过电流保护功能。下面，将简要地说明这些保护功能。
首先，将说明过度充电保护功能。当对蓄电池1进行充电时，在蓄电池1被完全充电后，电池电压继续升高。当蓄电池1被过度充电时，它可能变得比较危险。这样，就需要在恒定的电压下用恒定的电流对蓄电池1充电。充电控制电压需要是额定电压或低于电池电压的电压(例如，4.2伏)。然而，如果充电装置失效或者使用了未经授权的充电装置，则可能会对蓄电池1过度充电。当蓄电池1被过度充电且电池电压变为预定值或比预定值更高时，保护电路9的输出C0的信号电平由高电平变成低电平，从而使得充电控制FET 8a被关断，并切断充电电流。这个功能就是过度充电保护功能。当关断充电控制FET 8a时，只能通过放电控制FET 7a和寄生二极管8b来使蓄电池1放电。
下面，将说明过度放电保护功能。当蓄电池1被放电并且电池电压下降到额定放电停止电压或更低的时候，例如，2伏到1.5伏，蓄电池1就可能失效。当电池电压降到预定值或更低的时候，保护电路9的输出D0的信号电平就从高电平变到低电平，从而使得放电控制FET 7a被关断，并切断放电电流。这个功能就是过度放电保护功能。当放电控制FET 7a被关断的时候，只能通过充电控制FET 8a和寄生二极管7b来对蓄电池1充电。
下面，将要说明过电流保护功能。当蓄电池1的正(+)端子和负(-)端子短路时，在蓄电池1内流过大电流，这可能会引起它不正常地发热。如果流过的放电电流超过了预定值，则保护电路9的输出D0的信号电平就从高电平变到低电平，从而使得放电控制FET 7a被关断，并切断放电电流。这个功能就是过电流保护功能。
附图标记10表示被放置在电池组中的微型计算机。电流测量部分11检测在电流检测电阻6中流过的电流。电压测量部分12测量电池电压。温度测量部分13用例如热敏电阻的温度检测装置测量蓄电池1的温度。将所述测量值输入到微型计算机10中。
作为非易失性存储器的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)14与微型计算机10相连。在微型计算机10和EEPROM 14之间连接有数据输入线、数据输出线、时钟提供线和芯片选择线。微型计算机10用电流测量值、电压测量值和温度测量值来计算剩余容量信息。EEPROM 14存储所测量到的值和为取得剩余容量而所必需的数据，例如，表示电池电压和剩余电量的关系的表、所得到的剩余容量信息等。该非易失性存储器可以是除了EEPROM之外的具有备份电源的随机存取存储器(RAM)。
例如，可用电压法和累积法来检测蓄电池的剩余容量，在电压法中，通过测量电池电压来检测蓄电池的剩余容量，在累积法中，通过测量蓄电池的电压和电流并将二者相乘而获得蓄电池的剩余容量。
当通过电压法来检测蓄电池的剩余容量时，从测量电池单元(cell)的端电压开始。根据蓄电池的电压和电池容量的相互关系(剩余容量比)来计算剩余容量。这样，当锂离子电池的电池电压为4.2伏/电池单元时，确定为被充分充电。当电池电压为2.4伏/电池单元时，确定为被过度充电。结果，可以容易地测量蓄电池的剩余容量。
检测蓄电池的剩余容量的累积法可以被分为电流累积法和功率累积法，在电流累积法中，测量蓄电池的电流，并按照预定的时间间隔进行累积。在功率累积法中，测量蓄电池的电压和电流，将两者相乘而得到功率，并按预定的时间间隔累积此功率。在任何一种方法中，都可以得到蓄电池的放电电流或放电功率。根据蓄电池的放电电流或放电功率与可用电流或可用功率之比，得到蓄电池的剩余容量。这样，就能够恒定地得到蓄电池的剩余容量而不会受电池电压波动的影响。
当通过将累积法和电压法结合而检测电池容量时，能够改善所得到的电池容量的精确度。当蓄电池的电流低于预设值时，可以使用电压法。相反，当蓄电池的电流高于预设值时，可以使用电流累积法。当通过有选择地使用这些方法来测量电池容量时，能够改进电池容量的计算精确度。还提出了另一种检测方法，在此方法中，根据蓄电池的剩余容量比来对由累积法和电压法检测到的剩余容量比进行加权，并将结果相加，然后检测最后的剩余容量比。根据此实施例，能够使用这些方法中的任何一种。
具体地说，就剩余容量信息而言，要计算剩余容量(mAh)、剩余容量比(％)和剩余可用时间(分钟)。从微型计算机10向与电池组相连的应用装置中的微型计算机发送剩余容量信息。应用装置侧在诸如液晶显示器的显示部分上显示所接收到的剩余容量信息。
根据本发明的实施例，使用通信端子4以允许微型计算机相互通信。通过与通信端子4相连的一条信号线来传输时分复用的发送信号和接收信号。输入/输出部分15被放置在微型计算机10和通信端子4之间。输入/输出部分15例如将发送信号Tx和接收信号Rx分离开来，并调节这些信号的电平。作为替换，也可以配置独立的发送端和接收端。
此外，电池组具有调整器16，它用第二电池1的电压来产生例如2.5伏的预定的调整电压。将调整器16所产生的电压作为电源电压提供给微型计算机10、电流测量部分11、温度测量部分13、EEPROM 14和输入/输出部分15。
将从保护电路9而向放电控制FET 7a的栅极提供的控制信号D0作为开/关控制信号提供给调整器16。换句话说，检测电池组过度放电的可能性。关断放电控制FET 7a的控制信号关闭调整器16。当关闭调整器16时，调整器16的输出电压变为零，使得使用调整器16的输出电压作为电源电压的诸如微型计算机10的电路停止工作。该电池组的电路防止蓄电池1被过度放电。
根据本发明的实施例配置了充电关断晶体管17。将充电关断晶体管17的集电器和充电控制FET 8b的栅极连接起来。将充电关断晶体管17的发射极和FET 8b的源极连接起来。从微型计算机10上向充电关断晶体管17的基极提供充电关断信号Ps。
微型计算机10和充电装置的微型计算机相互认证。根据认证的结果，微型计算机10产生充电关断信号Ps。当微型计算机10尚未成功地认证充电装置的微型计算机时，充电关断信号Ps打开充电关断晶体管17，从而使得充电控制FET 8a的栅极和源极短路。结果，充电控制FET 8a被关断，使得切断充电电流。
下面，将参照图2A和图2B来说明根据本发明的实施例的将电池组和充电装置连接的例子。图2A示出了连接到充电装置30上的电池组20的结构的例子，其中，所述充电装置30对市电(commercial power)进行整流并产生充电电力。在图2A中，充电装置30具有整流电路和充电电路(未示出)。电池组20具有如图1所示的相同的结构。在此情况下，充电装置30对电池组20的蓄电池进行充电。此外，充电装置30的微型计算机31与电池组20的微型计算机10进行通信，以相互认证。
在图2B中，将电池组20配置在应用装置40上。用AC适配器32对电池组20的蓄电池进行充电。在图2B所示的结构中，应用装置40和AC适配器32构成了充电装置。AC适配器32对市电进行整流，并将经整流的电力提供给应用装置40。放置在应用装置40中的调整器41为电池组20的蓄电池产生充电电力。在此结构中，电池组20的微型计算机10与应用装置40的微型计算机42进行通信，以相互认证。作为如图2A所示的结构的修改方案，可将AC适配器32于托架连接，且该AC适配器32可对放在托架中的应用装置40的电池组20的蓄电池充电。此外，如图2A所示，可将由充电装置30充电的电池组20附接到应用装置40上。
电池组20的微型计算机10和充电装置30的微型计算机31或应用装置40的微型计算机42根据例如呼叫和应答系统而相互认证。当将电池组20附接到充电装置30或应用装置40上时，它们相互认证。
微型计算机31通过读取电池组20的EEPROM 14的内容来检测是否已将电池组20附接到充电装置30或应用装置40上。当在预定的时间周期内从EEPROM 14上返回预定的数据时，微型计算机31确定已附接上了电池组20。当在预定的时间周期内没有从EEPROM 14上返回预定的数据时，微型计算机31就确定尚未附接电池组20。作为代替，微型计算机31也可通过检测物理连接来检测是否已附接上了电池组20。
在呼叫(challenge)和应答系统中，由充电装置(微型计算机31或42；这适用于下面的说明)和电池组(微型计算机10；这适用于下面的说明)共享保密信息。首先，从充电装置向电池组发送呼叫数据。呼叫数据是临时数据，它们是随机数字。
当电池组从充电装置接收到呼叫数据时，电池组用其自己的保密信息和呼叫数据来产生应答数据，并将所述应答数据返回到充电装置。在充电装置侧执行相同的产生过程，并将所产生的数据与应答数据进行比较。当它们匹配时，充电装置就确定电池组知道此保密信息。换句话说，充电装置确定所附接的电池组是经授权的电池组。否则，充电装置就不会成功地认证此电池组，并确定此电池组是未经授权的电池组。所述充电装置存储认证的结果。
然后，将认证侧从充电装置转变为电池组。被认证侧从电池组转变为充电装置。充电装置用从电池组上接收到的呼叫数据和自己的保密信息来产生应答数据，并将应答数据返回到电池组。在电池组侧按照相同的产生过程来产生数据，并将所产生的数据与所接收到的应答数据进行比较。当它们匹配时，电池组侧就成功地认证充电装置，并存储所确定的结果。在此情况下，电池组确定所述充电装置是否是经认证的充电装置。
将电池组的认证结果返回到充电装置。当这两个认证结果都是成功的时候，充电装置就确定成功地进行了相互认证。充电装置存储相互认证的结果。当没有成功地认证作为充电装置的应用装置时，该应用装置就不能使用该电池组。认证侧的电池组存储被认证侧的充电装置的认证结果。如上所述，当尚未成功地认证充电装置时，禁止对电池组充电。由于电池组并不认证未经授权的充电装置，因此，只有经授权的充电装置才能对电池组充电。根据本发明的实施例，由于根据认证结果来控制充电，因此，电池组需要认证充电装置。然而，电池组和充电装置的相互认证是不必要的。上述的根据呼叫应答系统的认证方法只是一个例子。换句话说，可以使用另一种认证方法。
下面，将参照图3中所示的流程图来说明根据本发明的实施例的充电控制方法的过程。在电池组的微型计算机10的控制下执行充电控制过程。以例如1秒钟的预定时间周期的时间间隔来重复图3中所示的流程图的过程。当将电池组附接到充电装置(应用装置；这适用于下面的说明)上时，对电池组进行充电。
在步骤S21，电流测量部分11和电压测量部分12测量电池组的电流和电压。在步骤S22，根据所测量的结果来确定电压是否是例如3V的预定值或更高，以及充电电流是否是例如50mA的预定值或更高。为了防止电池组被过度放电，要确定电池电压是否是预定值或更高。检测充电电流以确定是否正在对电池组充电。当在步骤S22的确定结果是“否”时，完成过程。
当在步骤S22的确定结果是“是”时，流程进行到步骤S23。在步骤S23，确定是否成功地认证了充电装置。当在步骤S22的确定结果是“是”时，执行此认证过程。可以在将电池组附接到充电装置后立即执行该认证过程。
当成功地认证了充电装置时，就不执行充电关断操作。当没有成功地认证充电装置时，流程进行到步骤S24。在步骤S24，确定充电状态是否已持续了预定的时间周期，例如60秒钟。这个等待时间确保安全地执行认证操作。当尚未经过60秒时，完成这个过程。当确定结果表明已经过了60秒时，流程进行到步骤S25。在步骤S25，执行充电关断操作。
下面，将说明充电关断操作。首先，微型计算机10将充电关断信号Ps设置为高电平，使得充电关断晶体管17被关闭，从而使得充电控制FET 8a被关闭。结果，切断了充电电流。
保护电路9检测输出端子3的电压。当强制地关断充电控制FET 8a时，保护电路9执行与过电流保护操作类似的操作，使得保护电路9的输出信号D0的信号电平从高电平变到低电平。当输出信号D0的信号电平变为低电平时，调整器16停止工作，且其输出电压变为零。结果，重新设置使用调整器16的输出作为电源的微型计算机10，从而使充电关断信号Ps的信号电平从高电平变为低电平。
当已经被执行了充电关断操作的电池组与充电装置分离时，取消充电关断状态。当电池组和充电装置分离时，保护电路9检测在正端子2和负端子3之间的高阻抗状态，并使保护电路9的输出信号D0的信号电平从低电平变为高电平。结果，调整器16被打开，并产生输出电压。将使用调整器16的输出电压作为电源的微型计算机10从重设状态恢复到FET 7a和8a都是打开的正常状态。
本发明的实施例能够应用于各种应用装置。下面，将参照图4A、图4B、图4C和图4D来说明所述应用装置是便携式游戏机的情况。图4A是示出便携式游戏机的前视图。被配置于所述便携式游戏机的中心部分的是宽液晶显示器部分51。被配置于宽液晶显示器部分51的左边和右边的是操作键52和53。用户可以一边观看液晶显示器部分51，一边通过操作操作键52和53来玩游戏。还配置了作为另一个操作键的模拟垫(pad)54。
图4B是示出便携式游戏机的后视图。如图4C所示，电池组外壳部分55被配置在便携式游戏机的背后。电池组56被安装在外壳部分55之内。电池盖57能够滑动地遮盖外壳部分55。从便携式游戏机的主体上突起的突出58被插入到在电池盖57上生成的孔59中，以便锁定和关上电池盖57。
如图4D所示，连接端子61a、61b和61c位于电池组56的突出部分60的边缘部分60上。所述连接端子61a、61b和61c分别和图1中所示的端子2、3和4相对应。
图4A到4D中所示的便携式游戏机具有各种功能，诸如光盘记录和再现功能、无线LAN连接功能、USB接口功能和存储卡接口功能。此外，除了图4A中所示的键以外，便携式游戏机还具有其它的一些键和连接部分等。由于这些功能与本发明的实施例无关，因此省略了它们的说明。当然，还可将本发明的实施例应用到各种应用装置上，诸如数字视频摄像机、数码相机、个人数字助理(PDA)和蜂窝式电话。
本发明的实施例可以被应用于具有多个蓄电池的电池组上和具有如下结构的电池组上，在所述结构中，充电控制FET和放电控制FET都与正极相连。
本领域技术人员应当明白，在所附权利要求及其等价物的范围内，可以依赖于设计要求和其他因素进行各种修改、组合、子组合和变换。
对相关申请的交叉引用
本发明包括涉及于2004年12月2日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2004-349748的主题，其全部内容通过参照而被包含于此。

Claims (6)

1.一种具有蓄电池的电池组，该电池组包括：
一个微型计算机，与放置在充电装置中的另一个微型计算机相互通信，并认证此充电装置；以及
充电控制装置，由所述一个微型计算机控制，用于当成功地认证了充电装置时向蓄电池提供充电电流，并在当没有成功地认证充电装置时关闭充电电流，
其中，所述电池组根据充电装置中的保密信息来认证充电装置，并且
其中，当所述电池组与所述充电装置分离开来时，取消充电电流的关断状态。
2.根据权利要求1的电池组，其中，当所述电池组被附接到所述充电装置上时，所述一个微型计算机认证该充电装置。
3.一种电池组的充电控制方法，该电池组具有蓄电池和控制该蓄电池充电与放电的电路，该充电控制方法包括如下步骤：
所述电池组与充电装置相互通信并认证该充电装置；以及
当成功地认证所述充电装置时向蓄电池提供充电电流，当尚未成功地认证所述充电装置时关断充电电流，
其中，所述电池组根据充电装置中的保密信息来认证充电装置，并且
其中，当所述电池组与所述充电装置分离时，取消充电电流的关断状态。
4.根据权利要求3的充电控制方法，其中，当将蓄电池附接到充电装置上时，执行所述认证步骤。
5.一种由附接的电池组作为电源的应用装置，该应用装置包括：
第二微型计算机，与放置在电池组中的第一微型计算机相互通信，并且所述电池组认证所述应用装置，
其中，当使用与应用装置相连的AC适配器的电力为电池组充电时，第一微型计算机控制电池组的充电，以便当成功地认证所述应用装置时，向所述电池组中的蓄电池提供充电电流，并且当没有成功地认证所述应用装置时，关闭充电电流，并且
其中，所述电池组根据应用装置中的保密信息来认证应用装置，并且
其中，当所述电池组与所述应用装置分离时，取消充电电流的关断状态。
6.根据权利要求5的应用装置，
其中，当没有成功地认证所述应用装置时，禁止将该电池组作为电源而使用。
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