二次电池装置及其过放电的防护方法 【发明领域】
本发明涉及含有过放电防护单元的二次电池装置，以及二次电池过放电的防护方法。背景技术
二次电池装置包括(比如)相互串联的多个单电池。在这样的二次电池中，由于单电池容量或内阻的变化，一些单电池可能被过充电或放电。例如，当作为单电池的锂离子电池被过充电而超过其容许电压时，其有机电解质会发生分解反应。相反，当锂离子电池被过放电时，内阻会增高或发生类似的情况，导致电池性能下降或安全性变差。
因此，电池装置中通常包括防护电路。单电池组通过防护电路与外部电路电连接，比如负载和充电器。防护电路单独检测每一单电池的端电压。当其中一个单电池的端电压高于预定的参比电压时，防护电路使场效应晶体管(FET)元件或类似元件切断电池与外部电路的连接，迫使充电或放电停止。因此，可防止过充电或过放电，从而保护单电池。
当CPU正处于预定的工作状态时(如读取数据)强行断电，便携式个人计算机或类似设备很容易出现故障，比如硬盘会发生故障。应尽可能避免这种强行断电现象的发生。移动电话在通话时发生强行断电，同样会给通话人带来不便。
对于常规的二次电池装置，即使二次电池装置总的电池电压处于正常的范围，可提供足够高的电功率使设备工作，但当单电池的端电压变化很大时，防护电路会中断电池对某一设备(如个人计算机的主机)的放电，以防止其中地一个单电池过放电。于是，即便是个人计算机的CPU处于预定工作状态或移动电话正在通话时，都可能发生强行断电现象。当然有必要保护单电池以免发生过放电或类似问题。但也有很多时候要对负载预定工作状态的连续性优先加以考虑。发明内容
本发明目的是提供一种二次电池装置，以及防止二次电池过放电的方法，使其尽可能不发生故障，如负载处于预定工作状态时断电。
为实现上述目的，采取下列方法。根据本发明第一个方面的二次电池装置包括二次电池、负载状态判断单元、以及与二次电池连接的过放电防护单元。二次电池给负载电路供电。负载状态判断单元判断负载电路的工作状态。过放电防护单元检测二次电池的放电状态，当二次电池达到一个预定的放电状态时，其便停止从二次电池的放电。当负载状态判断单元判断负载电路处于需要供电保护的预定工作状态时，允许向负载电路继续供电，而不切断从二次电池的放电。
此处使用的“需要供电保护的负载电路预定工作状态”指的是处于下列状态(1)或(2)。负载电路的预定工作状态可由使用者任意设定，或由制造商预先设定为明确的条件。
状态(1)，当强行断电时，负载电路或与其连接的各种设备容易发生故障。
具体地说，当应用本发明的二次电池装置时，如应用于便携式个人计算机或类似设备时，负载电路可设定为下列状态(i)到(iv)的其中之一：
(i)硬盘驱动状态；
(ii)所谓的运行状态，启动应用程序的时候，CPU根据键盘操作输入的信号执行应用程序；
(iii)处理等待状态，启动应用程序的时候，前述应用程序的运行状态结束后，等待后续的输入信号；以及
(iv)低耗电的处理等待状态，即所谓的睡眠状态，当处理等待状态持续预定的一段时间后，其将抑制电能消耗。
状态(2)，当强行断电时，即使并未出现象状态(1)的故障，但也无法使用负载电路或与其连接的各种设备。
这种状态的具体实例包括：
(i)呼叫状态，当本发明的二次电池装置应用于移动电话时，接收到通讯信号时实现呼叫操作的状态，以及摘机和挂机之间的通讯状态，以及
(ii)本发明的二次电池装置应用于数据通讯终端时，与基站进行通讯的状态。
根据本发明，当负载状态判断单元判断负载电路处于需要供电保护的预定工作状态时，过放电防护单元允许给负载电路继续供电而不中断从二次电池的放电。因此，当负载电路处于需要供电保护的预定工作状态时，如个人计算机的硬盘驱动状态或移动电话的通讯状态，可以尽可能地避免如突然断电故障的发生。
能守在二次电池的负载电路侧提供过放电防护功能，可消除过放电到一定程度，二次电池的端电压下降到低于一预定的参比电压的危险。当负载电路处于预定的工作状态时，二次电池装置可能被过放电。但可以认为是工作电路处于需要短时间供电保护的预定工作状态。因此，可以使用一种机制通知外部二次电池被过放电的事实，从而尽可能早中止负载电路的工作。如该机制可通过在个人计算机屏幕上显示或声音报警的方式通知外部。这样，二次电池不会达到因持续的过放电而造成的异常状态，从而经充电后可恢复到正常的端电压。
二次电池装置可以是串联的多个单电池。单电池不仅包括单个的电池，也包括多个并联的电池。
根据本发明第二方面的二次电池装置包括二次电池、负载状态判断单元、总电压检测元件、以及过放电防护单元。二次电池包括串联组合的多个单电池。负载状态判断单元判断负载电路的工作状态。总电压检测元件检测多个单电池的总的端电压。过放电防护单元与多个单电池连接。过放电防护单元根据它们的端电压检测每一单电池的放电状态，当其中的任一单电池达到一个预定的过放电状态时，停止从所述二次电池的放电。当负载状态判断单元判断负载电路处于需要供电保护的预定工作状态时，在总的端电压不低于预定的参比电压的情况下，即使这多个单电池中任一的端电压下降到低于预定的参比电压，也允许向负载电路继续供电，而不中断从二次电池的放电。
这样当负载状态判断单元判断负载电路处于需要供电保护的预定工作状态时，在总的端电压不低于预定的参比电压的情况下，即使多个单电池其中之一的端电压下降到低于预定的参比电压，也允许向负载电路继续供电，而不中断从二次电池的放电。因此，即使没有在负载电路侧为二次电池装置配备过放电防护功能，由二次电池装置本身也可以消除过放电使二次电池总的端电压下降到低于预定总参比电压的危险。
上述的二次电池中，优选的是负载状态判断单元根据提供给负载电路的负载电流值来判断负载电路的工作状态。
这样个人计算机主机的工作状态可由二次电池装置本身来判断，而不需要其它的布置，比如从个人计算机主机接收指示工作状态的信号。附图简述
图1是根据本发明第一实施例的二次电池装置的电路配置框图。
图2是说明图1的二次电池装置工作状态的表格；以及
图3是根据本发明第二实施例的二次电池的电路配置框图。优选实施例详述<第一实施例>
结合图1和2对本发明的第一实施例进行进一步的描述。
根据这个实施例的二次电池装置1被用作，例如，便携式个人计算机的电源。图1是二次电池装置1的电路配置示意图。电池2(2a～2d)对应于本发明的“单电池”(以下电池2是指单电池2)。二次电池3(标称电压为14.8V(＝3.7×4))包括四个串联的单电池2(2a～2d)。二次电池3通过开关元件4(如FET)连接到正极供电端5。另外，二次电池3与负极的接地端6连接。通过接通开关元件4，给连接到供电端5与接地端6的个人计算机主机(未示出)供电。相反，断开开关元件4时，二次电池对计算机主机的放电中断，以停止对个人计算机主机供电。如下面将要叙述的，控制器7根据单电池2的端电压，控制开关元件4的开和关。控制器7和开关元件4就是本发明的“过放电防护单元”。
信号端8指本发明的“负载状态判断单元”。当个人计算机主机处于下列的状态①或②时，信号端8从个人计算机内检测电路(未示意)接收到低电平信号。当计算机不处于下列状态①或②时，信号端8接收到来自检测电路的高电平信号。这些信号被送到总电压检测部分10和后面描述的“与”门12。
(i)硬盘驱动状态；以及
(ii)所谓的“运行”状态，启动应用程序时，CPU根据键盘操作输入的信号执行应用程序；
上述的状态(i)和(ii)对应于本发明的“需要供电保护的工作状态”。
以下将描述控制器7的内部配置。控制器7的内部包括四个电压检测部分9a～9d，一个总电压检测部分10，以及“或”门11、“与”门12和“或非”门13。电压检测部分9a～9d检测各个单电池2的端电压。总电压检测部分10检测单电池2的总的端电压。电压检测部分9a～9d单独检测各个单电池2的端电压。当检测到的端电压下降到低于某一参比电压(如2.5V)时，于是高电平信号被送到“与”门12。总电压检测部分10与两端的单电池2a和2d的正极或负极连接，以检测单电池2的总的端电压，并与一个总参比电压进行比较。当检测到的电压不低于该总参比电压时，低电平信号被输出到“或非”门13。相反，当检测到的电压低于该总参比电压时，高电平信号被输出到“或非”门13。
选择提供两个这样的总参比信号。当从信号端8(当个人计算机主机处于前述的状态(i)或(ii)时)接收到低电平信号时，第一总参比电压(如11.2V)被设定为总电压检测部分10的总参比电压。相反，当从信号端8(当计算机不处于前述的状态(i)或(ii)时，而是后面描述的状态如睡眠状态时)接收到高电平信号时，第二总参比电压(如13.2V)被设定为总电压检测部分10的总参比电压。
第一和第二参比电压可以相同或不同。但在非状态(i)或(ii)时的放电电流比状态(i)或(ii)时的放电电流小。因此，计算机主机处于非状态(i)或(ii)时压降较小，导致检测到的电压接近开路电压时则放电停止。相反，计算机处于状态(i)或(ii)时压降较大，导致当检测到的电压远低于开路电压时放电停止。因此，当第一和第二总参比电压被预定为相同值时，在非状态(i)或(ii)时比在状态(i)或(ii)时更易发生过放电现象。为避免这种情况的发生，在本发明的实施例中，优选的是状态(i)或(ii)时的第一总参比电压(如11.2V)比在非状态(i)或(ii)时的第二总参比电压(如13.2V)低。这样，当个人计算机主机在非状态(i)或(ii)时的工作状态时，过放电防护单元能够更早地启动。
“或”门11的输入端与电压检测部分的9a～9d的输出端连接。当电压检测部分9a～9d检测到的任一单电池2的端电压下降到低于2.5V(单参比电压)时，高电平信号被送入“与”门12的输入端。当“或”门11的输出和信号端8的输出都为高电平信号时，“与”门12输出高电平信号。在其它情况时，“与”门12输出低电平信号。当“与”门12的输出信号为高电平或从总电压检测部分10向“或非”门13输入了一个高电平信号时(其表明由总电压检测部分10检测到的电压下降到低于11.3V(第一总参比电压))，或13.2V(第二总参比电压))，“或非”门13向开关元件4输出一个表示单电池2与个人计算机主机断开的信号(低电平信号)。
通过参考图2中的工作状态表，下面对具有前述构造的这个实施例的操作进行描述。
个人计算机处于硬盘驱动状态或运行状态，及其他各种状态时，如在应用程序启动期间等待输入信号的状态。这些不同的状态所需的电流不同。
例如，应用程序启动后，当处理等待状态持续超过预定的一段时间后，显示屏幕上的显示消失，而且CPU的运行速度降低，进入低能耗的处理等待状态，即所谓的睡眠状态。即使在睡眠状态，也总有几毫安的电流从二次电池3向计算机主机流动。这样，二次电池3逐渐地放电。因此，由于二次电池3的单电池2的容量变化等原因，一些单电池2的端电压低于2.5V。
图2中，方式1～4表示计算机主机在非状态(i)或(ii)时开关元件的工作状态，方式5～8表示计算机主机在状态(i)或(ii)时开关元件的工作状态。
如图2所示，在方式1～4中，信号端8的输出总在高电平，当一些单电池2的端电压下降到低于2.5V，“或”门11输出高电平信号时，“与”门12的输出为高电平。于是“或非”门13输出低电平信号，导致开关元件4断开(方式2和4)。也就是说，不管所有单电池2的总端电压是多少，单电池2将与个人计算机主机断开，以使其强行断电。这样，择优地保护单电池2免于过放电，使其能够防止二次电池3的性能变差及使用寿命缩短。
当在睡眠状态强行切断电源时，数据没有保存的可能会丢失。但当使用者在一预定的时间或更长的时间内不使用计算机时，计算机将进入睡眠状态，因此通常可以延续很长的时间。对于这样的可以延续很长时间的工作状态而言，类似地优先防止过放电。因此，本实施例是这样安排的，当任一单电池2的端电压低于2.5V时，强行断电。
当所有的单电池端电压不低于2.5V，并且“与”门的输出是高电平时，如果总端电压下降到低于13.2V时，则“或非”门13输出低电平信号，使开关元件4断开(方式3)。于是单电池与计算机主机切断，使其能够防止由于长时间的放电而引起的电解质分解。因此，可保持所希望的电池性能及其安全性。
另一方面，在个人计算机主机进入前述的睡眠状态前，接收到键盘输入的信号而达到前述的运行状态时，从二次电池3到计算机主机有大负载电流流动。于是由于二次电池3的单电池容量的变化，一些单电池2的端电压在一较短的时间内可能低于2.5V。
如图2所示，在方式5～8中，因为信号端8输出的信号总是低电平，即使当一些单电池2的端电压下降到低于2.5V，“或”门11输出高电平信号时，“与”门12的输出也为低电平。因此，“或非”门13输出高电平信号，使开关元件4接通，只要所有单电池2的总端电压不低于11.2V便使其继续供电(方式6)。尽管一些端电压低于2.5V的单电池2在这期间要保持放电，但这种运行状态通常会在短时间后结束，并再次进入处理等待状态。因此，和前述的睡眠状态一样，一些单电池2的端电压低于2.5V时强行断电。因此，通过尽可能地防止在运行状态时的强行断电，以防止硬盘故障的发生。
当存储大量的数据时，运行状态有时持续较长的时间。在这种情况下，一些单电池2被过放电的事实要通过计算机屏幕的显示或声音报警来通知使用者。这样运行状态中止，系统由运行状态转入处理等待状态。因此，可以尽可能防止在运行状态时的强行断电。可以认为，当电池随后被充电时，一些单电池2的端电压可以恢复，而且故障被消除。当电池不正常地放电到总端电压低于11.2V时，不管“与”门12的输出如何，“或非”门13输出低电平信号以使开关元件4断开(方式7和8)，以消除电解质泄漏的危险。
因此，当硬盘驱动时，或计算机CPU处于运行状态时，即使一些单电池2的端电压低于2.5V，但只要二次电池3的总端电压不低于11.2V，电池对个人计算机的放电继续进行，以防止强行断电。因此，可尽可能地避免由于强行断电引起的硬盘故障或类似问题的发生。<第二实施例>
图3是对本发明第二实施例的说明。第二实施例与第一实施例类似，区别之处在于它们的负载状态判断单元的构造不同。因此，在第一和第二实施例中相同的元件用相同的标号表示。相同元件的描述不再赘述。以下对与第一实施例中不同的元件进行详细描述。
二次电池装置1提供个人计算机的负载电流随个人计算机的工作状态而变化。具体地，当电源切断时，负载电流不超过几毫安(约3mA)。当计算机处于闲置状态时，负载电流为几十毫安(约75mA)。当只有操作系统(OS)启动时，负载电流平均为1A。当应用程序启动时，负载电流最大约1.5A。在本实施例中，在单电池2的正极和供电端5(而非信号端8)之间有电流检测电路14。电流检测电路14检测在电池给计算机放电期间流经供电线路的负载电流。当负载电流超过预定的参比值(如70mA)时，低电平信号将输入到总电压检测部分10和“与”门12。相反，当负载电流低于预定的参比值时，高电平信号将输入到总电压检测部分10和“与”门12。控制器7根据信号电平的变化而工作，与第一实施例中根据信号端8信号电平的变化而工作一样。
这样，通过二次电池本身就可判断个人计算机主机的工作状态，而不需从个人计算机主机接收表示工作状态的信号。<其它实施例>
本发明并不局限于前述的实施例。本发明的技术范围包括以下的实施例。不在脱离本发明的实质和范围的情况下，本发明可以有其它的改变和改进。
(1)在前述的实施例中，二次电池装置1包括含有4个单电池2(2a～2d)的二次电池3。本发明对此没有限制。二次电池装置1可以包括二次电池，该二次电池可包括一个单电池或5个或多个单电池。
(2)在前述的实施例中，二次电池装置应用于便携式个人计算机。本发明并不限制于此。本发明可以用于各种二次电池装置提供电能的设备(如移动电话)。
(3)在第一实施例中，“需要供电保护的负载电路预定工作状态”定义为硬盘驱动状态和运行状态。本发明对此没有限制。可定义其中的任一状态。这些状态也可以包括处理等待状态(不包括睡眠状态)。负载电路的预定工作状态可以预先由制造商设定为明确条件。作为选择，可提供一种电平调节元件，用于改变从计算机主机输入到信号端8的信号电平，从而使用者可以任意设定负载电路的预定工作状态。
(4)“需要供电保护的负载电路预定工作状态”定义为负载电流不低于70mA的状态(即闲置状态)，操作系统(OS)单独启动状态，或应用程序启动状态。本发明不限于此。通过改变电流检测电路14的预定参比值，可以把负载电路预定为不同的状态。