[发明专利]用于电池的直接电池单元连接的系统和方法

说明书

本发明涉及用于电池的直接电池单元连接的系统和方法。在此公开的用于电池单元的直接电池单元连接的系统和方法的实施例在无保护FET和保护IC的情况下操作，从而使电池单元能够直接连接到系统，而不牺牲安全性。充电器IC包括开关调节器，其输出用于通过传递器件对电池进行充电。在所公开的直接电池单元连接的系统和方法的示例性实施例中，开关FET和传递器件的组合被用作保护器件，而不是充电和放电FET。在正常操作期间，传递器件可以用于使用传统的电池充电模式对电池进行充电。在故障状况下，可以适当地驱动开关FET和传递器件，以保护系统。

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年7月25日提交的美国临时专利申请61/675,617的利益，其通过引用合并到此。

技术领域

本公开总体涉及电池，更具体地，涉及电池组保护。

背景技术

锂离子(Li-ion)已成为诸如智能手机和笔记本电脑的消费电子设备的主要可再充电电池化学成分，并且对于工业、运输和电力储存应用来说变得很常用。锂离子电池化学成分在许多方面不同于其他可再充电电池化学成分，例如镍金属氢化物[NiMH]、镍镉[NiCad]和铅酸。从技术角度来看，由于高能量密度，锂离子技术已用于整个便携式设备家族，例如智能手机。从安全角度来看，高能量密度加上易燃有机物而不是传统的水电解质已产生了诸多保护挑战。具体挑战包括含有锂离子电池单元的电池设计以及这些电池的存储和处理。

单个锂离子电池单元将具有一安全的电压范围，它可以在该电压范围上循环，该电压范围由具体的电池单元化学成分确定。安全的电压范围将是如下范围，在该范围内，电池单元电极不会由于锂电镀、铜溶解或其他不希望的反应而快速退化。对于大多数电池单元，显著高于100％充电状态的充电会导致电极的快速放热退化。充电高于制造商的高电压规格被称为过充电。因为过充电会导致剧烈的热失控反应，因此许多过充电保护设备被设计到或包括在锂离子电池组的电子保护封装中。

锂离子电池(或电池组)是由一个或多个单个电池以及它们关联的保护电子电路制成。通过并联连接电池单元，设计师增加了电池组容量。通过串联连接电池单元，增加了电池组电压。

通常，能量失效导致热失控。电池单元热失控是指由高度氧化的正电极和高度还原的负电极的放热化学反应导致的电池单元的快速自加热；它可以在几乎任何化学成分的电池中发生。

如果过热或过充电，则锂离子电池可能会遭受热失控和电池单元破裂。在极端的情况下，这会导致燃烧。深放电可能使电池单元短路，在这种情况下，再充电将会不安全。为了减少这些风险，锂离子电池组包含失效安全电路，当电池的电压在每电池单元3-4.2V的安全范围之外时，该失效安全电路关闭电池。当长时间存放时，保护电路本身消耗的小电流可能将电池耗尽到其关闭电压以下；正常的充电器则不起作用。许多类型的锂离子电池单元在0℃以下不能安全充电。

与电池组一起的主要部件是电池管理电路。通常，电池管理模块(BMU)由充电器和燃料计组成(图1)。锂离子电池组本身由锂离子电池单元、保护IC和保护FET(充电(CHG)和放电(DSG))组成。保护电路占用电池单元内的有用空间，增加了额外的失效点，并且当被激活时不可逆地禁用电池单元。它们是必需的，因为在使用过程中阳极产生热量，而阴极可能产生氧气。这些器件和改进的电极设计减少/消除了火灾或爆炸的风险。另外，与镍金属氢电池相比，这些特征增加了成本，因为镍金属氢电池仅需要氢/氧复合器件(防止由于轻微的过充电而导致的损坏)和备用压力阀。

保护IC的功能是，当锂离子电池单元电压或电流跨过临界安全阈值时，打开保护开关并且将锂离子电池组从系统分离。各种临界阈值包括在充电期间的过流、在放电期间的过流、在充电期间的过压、在放电期间的欠压、在放电期间的短路、温度过高和反向电流。