可再充电蓄电池系统用的模拟高电池温度的装置 本申请与下列未审的并已转让给摩托罗拉公司的申请有关，它们是：案号EN10144，题目为“可再充电蓄电池中模拟高电池温度的装置和方法”；案号EN10157，题目为“对可再充电蓄电池系统提供起始电压的装置和方法”；案号EN10177，题目为“再充电锂离子电池中用的模拟高电池温度的装置”。
一般地说，本发明涉及电池的再充电，具体地说，涉及可再充电的蓄电池系统。
当今，日渐增多的便携式电子产品适合于用设备内的电池电源工作。这些产品包括诸如蜂窝电话、便携式收音机、寻呼机以及录音机等制品，它们通常都是移动的并用可再充电的蓄电池工作。多年来，已采用过多种不同的蓄电池化学原理，它们满足再充电能力的需要。最常用的化学原理大概包括镍镉和镍金属氢化物。但比较新的化学原理一般地说要属于锂离子，它能使电池充电，而能提供许多超出其它类型可再充电电池地优点。这些好处首先是指重量轻和总体尺寸小但有高的能量密度。采用锂离子电池时，需要考虑的一个独特的要素是它的充电流程。锂离子电池并不以利用镍化学原理的电池同样的方式被充电。
镍镉电池和镍金属氢化物电池通常采用快速充电方式，通过加一恒定电流而被充电，直至达到一定的结果。这种结果可能与电池达到预定的一个高电压、降到一个预定的低电压或者增高电池的温度相联系。这是与锂离子电池相反的，它需要两步充电过程，以达到最佳特性。过程的第一步是在电池电压保持低于预定的阈值时，给电池充电器加一恒定电流值。一旦电压升高到该阈值，则第二步确保使电池充电器保持在此阈值电压，同时使电流减小。一旦电流充分地降到所需的程度，锂离子电池就被全负荷地再充电。
若考虑在为镍系统而设计的充电器中对锂离子电池充电，这两步过程存在一个问题。镍系统充电器通常只加以恒定的电流，它使电池的电压不受阻碍地升高。电压能升高到任何水平只要不使电池变得太热，即增加到一个并非所要求的而且是危险的程度。一旦镍系统电池变热，充电器检测到这种状态，并从快速的大电流充电转换到该快速大电流值的大约5-10％。这种较小电流的方式通常被称作涓电流(trickle current)或涓电荷。
因此，由现有的镍系统充电器提供的充电流程将不会适当地对锂离子电池充电。如果将锂离子电池放入或者强迫进入镍系统充电器中，则由于锂离子电池很快就会过热，结果可能是危险的。所以，对于蓄电池充电电路或系统有必要将其改型成现有锂离子电池的控制线路，容许这种电池可靠地使用镍系统充电器。
除了提供可改型电路以允许锂离子电池用镍系统充电器再充电之外，一种完全的蓄电池系统也将是有用的，当以这种方法再充电锂离子电池时，它提供附加的系统，以确保可靠。
图1是表示本发明高温模拟器工作过程的方框图；
图2是本发明一个优选实施例的局部示意图，表示在大电流源为适用的情况下所能采用的高温模拟器；
图3是本发明一个优选实施例的局部示意图，表示在只是小电流源为适用的情况下所能采用的高温模拟器；
图4是本发明一个优选实施例的局部示意图，表示图2所示高温模拟器的另一种可供选择的实施例；
图5是表示本发明的为锂离子电池所用的可改型充电而且可靠的系统工作过程的方框图。
参照图1，表示一个描述可再充电蓄电池系统高温模拟器工作过程的方框图，所述模拟器能模拟高电池温度的条件。典型的可再充电电池可以是以锂离子化学原理、锂聚合物化学原理或铅酸化学原理为基础的电池。所述高温模拟器使可再充电电池采用不同性质的充电系统或充电网络被充电，其中的充电系统或网络一般具有不兼容的充电流程。不同性质的充电系统可以是镍镉型或镍金属氢化物(nickel metal hydride)型电池所用的充电系统，并具有第一种工作方式和第二种工作方式。第一种工作方式一般是急剧的或快速的方式，而第二种工作方式是较慢的且是涓电流充电方式。这些充电系统一般被称作镍系统蓄电池充电器，并被成形以使镍金属氢化物电池或镍镉电池充电。
正如下面将比较详细地描述的那样，本发明优选实施例的优点在于具有镍系统电池充电器固有的特点。这种特点确保当从蓄电池接受适当的控制信息时，中止可再充电蓄电池的快速充电。所述控制信息与快速充电期间蓄电池的温度有关。当达到预定的温度时，所述镍系统蓄电池充电器自动转换到小电流或涓电流充电状态，能使可再充电蓄电池较慢地被充电。
本发明的一种优选的实施例示出蓄电池100，蓄电池100包括可再充电电池101。如上所述，可再充电电池101可以是一个或多个锂离子化学原理的电池或者类似的电池。当可再充电电池101由充电系统105充电时，控制电路103测量或观察它的电压。有代表性的充电系统105是镍镉或镍金属氢化物电池所用的充电器。控制电路103可以是比较电路或者类似的电路，如型号为SC371013F/FER的摩托罗拉集成电路。一旦控制电路103确定一个已经达到的预定电压电平或电动势，控制电路103就在控制线路106上产生一个控制信号。所述预定电压一般是一个选定的电压限，这由可再充电电池101的工作电压确定，并且可能与特定的电池化学原理和/或相关的充电规则有关。
控制线路106被用于从控制电路103向低压开关104、高压开关107和比如热元件开关111类的温度模拟装置中的每一个传送控制信号。一旦可再充电电池101的电压变得过低，低压开关被用于切断它，以防损坏电池。高压开关107和延迟电路109与充电系统105串联设置，用以当充电过程中达到预定的电压时在所需的延迟周期之后提供开路。所述延迟周期用于使充电系统105对通过温度传感器或热元件113的电流变化起作用。若没有这种延迟，则充电系统105可以把高压开关107的打开理解为可再充电电池101正被断开。一旦出现这种情况，充电系统105就能断开其自身。
将热元件开关111连到控制电路103，而且为了提供对热元件113的短路，也由通过控制线路106的控制信号所触发。正如本领域所熟知的，热元件113的电阻值或状态随可再充电电池101的温度变化而变化。因此，流过热元件113的电流随热元件113所暴露的周围环境改变。这种电流被充电系统105理解为用于确定何时转换充电方式的温度值。这些方式有代表性的是从充电速率处于高水平的急剧的快速充电状态转换到充电速率降低的较慢的充电状态。热元件开关111连到热元件113，并受控制电路103控制。一旦启动，热元件开关111就改变热元件113的电流或状态。如上所述，在高温条件下由充电系统105检测通过热元件113电流的增大。因而，热元件开关111作为控制电路动作，改变热元件113的工作状态。然后，热元件开关111模拟可再充电电池101的高温状态。与此相应地，充电系统105从急剧的或者实质上是快速的充电方式转换为慢而且低或者涓电流的充电方式。由于首先使可再充电电池101充电至它的预定电压，即充电流程的第一步，所以，这时涓电流充电方式使可再充电电池101按其充电流程的第二步被充电。一旦充电系统105已经转换到较小的电流，由于可再充电电池101内存在内电阻，所以可再充电电池101的电压将从它们以前的水平略为降低。这种比较低水平的电流使所述可再充电电池能继续充电，而它的电压处在所述阈值电压以下，直至该电池成为完全被充电。不过，采用充电系统105充电一般地比起如果采用理想的锂离子充电方式要长些。
图2示出可再充电蓄电池200中典型使用的高温模拟电路201的示意表示，其中控制电路209可使电流充分地流到一个脱开的或虚假的接地点。如图2所示，可再充电蓄电池200通常包括充电电压结点203、温度结点205和虚接地点207。工作时，将充电电压连到充电电压结点203和虚接地点207。一个蓄电池充电系统(未示出)通过温度结点205测量温度，用以确定何时改变或者转换工作方式。所述蓄电池充电系统可设计用于镍镉电池、镍金属氢化物电池等。如上所述，低压开关210被用于防止可再充电电池212在一个选定的值以下充电。相反，当控制电路209测得可充电电池212在充电过程中已达到预定的高电压，它就通过控制线路211对高温模拟电路201发送一个控制信号，并通过延迟电路214对高压开关217发送一个控制信号。高温模拟电路201由二极管213和电阻215组成。当所述控制信号启动高温模拟电路201和高压开关217时，就使温度结点205处的高电平电压转换到虚接地点207的水平。这样所起的作用是将温度结点205的电压下拉或者降低到一个较低的值，因为电流正降至虚接地点207。于是，这个较低的电压模拟热元件216的高温条件。这被蓄电池充电系统在温度结点205处确定为能变换工作方式的高温条件。虽然可以只采用二极管213，但电阻215被用于保证温度结点205的电压不致降得过于低于一个值，因为在这些条件下，有些种类的蓄电池冲电器进入测试方式。
图3示出比如锂离子蓄电池类可再充电蓄电池300中典型采用的高温模拟电路301的示意表示。为能采用图2所示的电路，使用高温模拟电路301，其中控制电路315不能使电流降低一个明显的量。对于那些熟悉本领域的人来说，显然可再充电电池304、低压开关306以及延迟电路308的作用及工作情况均与上面图1和图2所述的相类似。可再充电蓄电池300使用充电结点302、温度结点303和虚接地点305。高温模拟电路301由N-沟道MOSFET307、电阻309、电阻310、P-沟道MOSFET311及电阻313组成。工作时，当控制电路315启动高压开关317时，这就给P-沟道MOSFET311的栅-源结加置偏压。如果控制电路315失常，电阻313被用于上拉或者提高N-沟道MOSFET307栅极的电压。电阻313的阻值足够高，为的是在从控制电路315启动一个控制信号的情况下，只允许微弱的电流从充电结点302流过它。这引起P-沟道MOSFET311成为低阻值的，并且电流流过P-沟道MOSFET311、电阻309和电阻310。所得的最终电压也使N-沟道MOSFET307加置偏压，使之变换成导通的低电阻状态。一旦N-沟道MOSFET307变成导通的，电阻316的作用在于降低温度结点303的电压，足以表征或模拟处于高温条件的蓄电池充电系统(未示出)。由于通过该结点的电流指向或者流到虚接地点305，所以使高温结点303处的电压被降低。于是，利用高温模拟电路301模拟热元件314两端所测得的电压。如果控制电路315不能处理过大的电流，而需从所连的充电系统降低，则只使用图3的构造。然而，图3所示的电路比较复杂，其优点在于低电流，因为当从控制电路315启动一个控制信号时，只有微弱的电流流过电阻313。
图4示出一个高温模拟电路320的示意表示。高温模拟电路320是图2所示实施例的一种改型，其中提供了一个来自所连接的充电系统的大电流源。那些熟悉本领域的人员应该明白，可再充电电池322、低压开关324、高压开关326和延迟电路328的功能及工作情况与上面图1、2和3所述的相似。在本优选实施例中，高温模拟电路320包括反向门321、P-沟道MOSFET323和电阻325。工作时，与上述其它实施例相类似，当控制电路327测得电池329中的高压状态时，控制线路331上发送一个控制信号。这使控制线路331上的电压被下拉或降到一个较低的状态，在此状态，它也控制反向门321的输入为较低。这给P-沟道MOSFET323加上偏压，同时导通它。当P-沟道MOSFET被导通时，由于温度结点333被有效地连到虚接地点335，这将温度结点333下拉或降低至一个较低的状态。取用电阻325的值，以控制和/或选择所需的温度水平，这种温度水平是由一个连接的蓄电池充电系统所解释的。于是，鉴于该结点上的低电压，与温度结点333连接的蓄电池充电系统检测到高温。高温模拟电路320的作用是模拟或者建立一种模拟(false)的高温条件。
实现本发明的首选方法包括，以具有第一种工作方式和第二种工作方式的充电设备对可再充电的蓄电池充电，所述设备的充电流程与所述可再充电蓄电池内的可再充电电池不相兼容。其步骤包括从所述充电设备给可再充电电池加一充电电流。检测可再充电电池的电位。用温度传感器测量可再充电电池的温度，并且，当达到预定电位时，从第一控制网络向第二控制网络发送控制信号，以使温度传感器能对所述充电设备模拟高温。最后，判别所模拟的充电设备的高温，以便从第一种工作方式变到第二种工作方式，使可再充电电池以较慢的速率被充电。
因而，所揭示的热的电池模拟设备和方法将能产生一种新的拟被采用的锂电池化学原理，去除了消费者为适应和再充电这些可再充电电池，如锂离子电池而不得不去购置特定充电器的负担。这将大大提高利用以锂为基础电池的好处和优点，即相对于购买全新的充电器和任何所需用途的蓄电池而言，保持综合成本低。
图5表示锂离子蓄电池安全装置和控制电路板或蓄电池系统400的方框图。这种系统已被开发，用于未来的锂离子蓄电池以及目前所用蓄电池的改型。这种系统拟适应于各种用户和厂家的需要，以提供有用的和安全的锂离子蓄电池系统，它可用现有的仅只为镍电池系统设计的充电器被充电。
便携式电子装置所用的蓄电池系统400包括对多个电池401中每一个的保护电路。电池401一般为锂离子电池或类似的电池，并在工作接线端403和411处提供电位。工作接线端403和411被用来对电源采用蓄电池系统400的便携式制品(未示出)提供工作电压。该系统还包括充电接线端405和407，它们用来接受加给再充电电池401的充电电压。数据线端409对充电系统提供来自存储器412的信息。存储器412为ROM型存储器或者类似的存储器，并将信息传送给那些被称为“新式充电器”类型的充电器。这种信息涉及蓄电池的种类和充电工况，在对蓄电池再充电之前，对于充电系统来说，这些都是需要知道的。最后，利用温度线端413使充电系统能在再充电期间检测蓄电池的温度。这是通过采用热敏电阻415或类似器件实现的，这种器件允许用已校准电池温度的充电系统在再充电过程中进行测量。将一热元件控制装置417连至热元件415，并由主过压控制装置419和从过压控制电路421控制，以改变或更改热元件415周围的电流。上面较为详细地讨论了热元件控制装置417，它具有模拟电池401的高温情况的作用。继而，这由所连的充电系统(未示出)来检测，以便允许其将充电工作方式由快速充电变成较慢或涓电流充电。
主过压控制装置419与电池401相连，并被用于测量电池401上存在的累加电压，谨防各电池增高或上升到所选电压之上。在主过压控制装置419发生故障或者不工作的情况下，从过压控制装置421被用来测量每个电池上的电压，并防止各电池增高或上升到所选电压之上。主过压控制装置419或从过压控制装置421工作时，将一个控制信号送到一个或多个独立的过压开关423上。任何一个独立的过压开关的动作提供一种使各电池401与工作接线端403和411断开的开路。分别利用延迟电路425或427使每个控制信号受到延迟，在任何独立的过压开关423起作用之前，所述延迟电路延迟所述控制信号。在独立的过压开关423被启动之前(这将断开电池401的充电电流)，所述延迟电路425或427用来保证热元件控制装置417接受它的控制信号。这使得所连的充电系统检测所模拟的电池401温度方面的变化，并在启动任何独立的过压开关423之前改变它的工作方式。类似地，欠压控制装置428被用于测量电池401的累加电压，并且当该累加电压降到预定值以下时对欠压转换开关429提供控制信号。与独立的过压开关423类似，欠压开关429与电池401串联连接，并在电池电压降至不希望的低水平时断开电池401，以防损坏电池401。
电池平衡控制装置422包括一个与每个电池401并联连接的负载(未示出)。电池平衡控制装置422的作用是切换一个电池两端的负载，以维持每个电池在充电期间处于大致相同的电压水平。当一个电池与其它电池相比变成为略高的电压的，所述负载被用于略为放电该电池。一旦已使所述电池电压降到与其它电池相适应的水平，就使所述负载断开。
主短路保护器431被用于测量独立过压开关423和欠压开关429两端的电压。由于这些开关原本就具有不变的直流电阻，所以它们两端的电压正比于电池401正被再充电时流过它们的电流。当通过独立过压开关423和欠压开关429的电流达到预定的程度，即非常大的值时，这也使这些开关两端的电压降低。根据所选的独立过压开关423和欠压开关429两端的电压降，一次短路保护器431对欠压开关429提供一个控制信号。这确保欠压开关429使电池401与接线端403-411断开，以防止任何进一步的放电，直至消除非常大的电流的条件。这个的作用有如一种安全特性，避免电池401在过大负载条件下发生过热和可能的损毁。
过充电电流保护器433利用直接测量通过主短路保护器431电流的大小是对该主短路保护器431的补充。一旦所述电流达到选定的水平，则由过充电电流保护器433对独立过压开关423产生一个控制信号，使电池401与接线端403-411断开。另外，过充电电流保护器433被用于限制充电电流。由于电池401为锂离子类电池，并且与为镍化学电池的充电工况所设计的充电器一起使用，所以它常常可以在高于对锂离子电池而言为最佳水平的电流条件下充电。在这种情况下，过充电电流保护器433将检测这种高电流水平，并对热元件控制装置417提供控制信号，以模拟高温条件。这通知镍系统充电器并迫使它进入小电流充电或涓电流充电方式，使更适合于锂离子电池。
电子设备过压保护器435与各电池401及充电接线端405串联连接，并且被用于确定何时任何独立过压开关423已被启动。由于这些开关的启动可能引起电池401的电压增长或升高到一个能够损坏电子设备的程度，所述电子设备在工作接线端403、411处被连到蓄电池系统400，电子设备过压保护器435检测独立过压开关423的启动，并且响应于此，断开工作接线端403与充电接线端405的连接，以防止所连接的充电器给被连到工作接线端403的电子设备供送可能有损的电压。换一种情况，如果不采用电子设备过压保护器435，则可提供一个热熔断器437。热熔断器437也被串联连接在电池401与充电接线端405之间，而且一般是一个大功率的齐纳二极管(未示出)或者类似的器件。当电池401处在选定的电压之上时，由于这很可能会损坏与工作接线端403连接的电子设备，于是该齐纳二极管起分流作用。
从短路保护器439起电流检测元件的作用，并且也被串联连接于电池401与工作接线端403和充电接线端405之间。从短路保护器439可以是多极转换器或者类似的器件，并被用于检测不能为主短路保护器431或过充电电流保护器433检测的过量电流。
最后，电流熔断器441也起电流检测元件的作用，并且被串接于电池401与工作接线端403和充电接线端405之间，并且被用为最后的凭借手段或者最终的备用零件，如果发生其中电流升高到难以接受程度的严重故障的话。此熔断器一般被设置在接近电池401，以使熔化的长度(runner length)最小。电流熔断器441最好是慢作用型，以便不致影响采用锂离子蓄电池系统400的其它电流保护系统。
最后，如果任何一个独立过压开关423已被启动并且电池401不再与充电接线端405连接，采用欠压恢复脉冲网络500。在这些条件下，在蓄电池最初被连到一个充电系统(未示出)的情况下，该充电系统首先检测充电接线端405、407上存在的电压。如果没有电压存在，该充电系统就确定没有蓄电池与它相连，并且不对工作接线端403、411提供充电电压。但若在一开始所述蓄电池被连接，则从所述充电系统将一预定电压及幅值的初始脉冲送给数据线端409。由欠压恢复脉冲网络500检测这种脉冲，所述欠压恢复脉冲网络500利用这种电压恢复独立过压开关423的工作。一旦独立过压开关423的工作被恢复，就使适当的开关被闭合，通过电子设备过压保护器435恢复电池401与充电接线端405间的连续性。于是，在足够快的时间内使电池401的电压被恢复，在所述的时间内，即使在蓄电池系统400被损坏的情况下，所述充电系统也将检测工作接线端403、411上的电压，并且由于某些已经发生的事件使电池401断开。所述充电系统将判明充电接线端405、407上的电压，并且通过将充电电压加给这些接线端而开始充电周期。虽然已经示出和描述了本发明的优选实施例，但可以明白本发明并不被局限于此。对于那些熟悉本领域的人来说，许多改进、变换、变化、替换和等价物都将会存在，而不致脱离有如所附各权利要求所指明的本发明精髓和范围。