Bloque de batería con circuito integrado de protección.

Un bloque de batería constituido por una batería secundaria (1) con un circuito de procesamiento integrado pararealizar procesos que incluyen una protección contra la ocurrencia de errores en la batería secundaria,

comprendiendo elbloque de batería:

un medio de corte de corriente de descarga (SW1) para cortar, de forma selectiva, una corriente de descarga en labatería secundaria;

un medio de corte de corriente de carga (SW2) para cortar, de forma selectiva, una corriente de carga en la bateríasecundaria;

un medio de detección de tensión para digitalizar y proporcionar, a la salida, una tensión entre un electrodo positivo y unelectrodo negativo de la batería secundaria;

un medio de proceso de protección (30) para, en función de al menos un valor de tensión de salida desde el medio dedetección de tensión, determinar un estado de la batería secundaria entre estados de sobrecarga, de funcionamientonormal y de descarga excesiva y en función de un estado determinado, controlar las operaciones del medio de corte decorriente de descarga y del medio de corte de corriente de carga;

un medio de detección de sobreintensidad de corriente (20) para proporcionar un control que permita la activación delmedio de corte de corriente de descarga con preferencia con respecto al medio de proceso de protección cuando labatería secundaria se determina que está en un estado de sobreintensidad de corriente en función de una magnitud de lacorriente de carga y de descarga de la batería secundaria;

un medio de detección de carga para detectar la presencia o ausencia de una operación de carga por el cargador para labatería secundaria;

en donde, cuando se determina que la batería secundaria está en el estado de sobreintensidad de corriente, el medio dedetección de sobreintensidad de corriente interrumpe el medio de proceso de protección;

el medio de proceso de protección determina que la batería secundaria está en el estado de sobreintensidad de corrientecuando detecta una interrupción desde el medio de detección de sobreintensidad de corriente y restablece un estado dela batería secundaria en el estado de funcionamiento normal cuando un valor de tensión de salida procedente del mediode detección de tensión es superior a un valor de umbral especificado y el medio de detección de carga detecta larealización de la operación de carga; y un medio de detección de temperatura para digitalizar una temperatura de labatería secundaria en donde el medio de proceso de protección determina un estado de la batería secundaria en funciónde un valor que resulta de la corrección de una tensión de salida del medio de detección de tensión en función de unvalor de salida del medio de detección de temperatura.

Bloque de batería con circuito integrado de protección La presente invención se refiere a un bloque de batería, un aparato de procesamiento de protección de batería y un método de control del aparato de procesamiento de protección de batería. Una forma de realización ilustrativa de la presente invención se refiere a un bloque de batería que contiene una batería secundaria, que está integrada con un circuito de procesamiento para realizar procesos incluyendo la protección contra la ocurrencia de anomalías operativas en la batería secundaria, un aparato de procesamiento de protección de la batería para realizar sus procesos y un método de control del aparato de procesamiento de protección de la batería.

Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente japonesa nº 2003-385372, presentada el 14 de noviembre de 2003.

En los últimos años, existe un número creciente de dispositivos electrónicos portátiles, tales como videocámaras digitales, en el mercado. Se concede gran importancia al comportamiento funcional de las baterías secundarias montadas en estos dispositivos electrónicos. Dichas baterías secundarias incluyen las baterías de ión-litio.

En particular, si se sobrecarga una batería secundaria de ión-litio, el ión de litio se separa como metal de litio en un electrodo negativo. Es conocido, en el caso más desfavorable, que la batería genere humos, entre en ignición o incluso explote. Si la batería tiene una descarga excesiva, el electrodo en su interior está sujeto a una pequeña magnitud de cortocircuito o degradación de su capacidad. Cuando los electrodos positivos y negativos están cortocircuitados, es también conocido que una sobreintensidad de corriente circula dando lugar a un calentamiento anormal. Para poder impedir la sobrecarga, la descarga excesiva, la formación de cortocircuitos (sobreintensidad de corriente) , la batería secundaria de ion-litio suele estar provista de una función de protección para controlar estos estados anormales y un interruptor para impedir los estados anormales.

Las Figuras 1A y 1B presentan gráficos que ilustran los cambios de tensión y de corriente cuando se producen descargas y sobreintensidad de corriente en una batería secundaria de ion-litio.

Las Figuras 1A y 1B ilustran una forma de realización, a modo de ejemplo, de la celda de batería de ion-litio utilizada para videocámaras digitales y cámaras digitales de imágenes fijas para uso doméstico. Una tensión completamente cargada se supone que es de 4.2 V y una tensión de detección de descarga excesiva se supone que es 3.0 V. La Figura 1A ilustra cambios de la tensión de la celda de la batería durante la descarga de un consumo de potencia de 2 W. Según se ilustra en la Figura 1A, la tensión de la celda de batería disminuye hasta la tensión de detección de descarga excesiva transcurridos aproximadamente 90 minutos desde el estado de carga completa. Si se libera una carga de descarga, la tensión de la celda de batería aumenta temporalmente pero disminuye, de forma gradual, en adelante debido a la autodescarga. Si la batería se deja sin utilizar durante un periodo prolongado de tiempo, la tensión de la celda de batería disminuye a 0 V. Cuando los electrodos positivos y negativos están cortocircuitados, la tensión de la celda de batería disminuye a aproximadamente 1 V según se ilustra en la Figura 1B. En este momento, circula una sobreintensidad de corriente de aproximadamente 15 A.

Por otro lado, una función de indicación visual de la capacidad de la batería remanente se proporciona, cada vez más, para los dispositivos electrónicos portátiles antes citados que utilizan la batería secundaria como fuente de suministro de energía eléctrica. Según se ilustra en la Figura 1A, en particular en el caso de la batería secundaria de ion-litio, la tensión de la celda de batería disminuye, de forma gradual y lineal, exceptuado inmediatamente antes y después de la descarga. En consecuencia, el uso de solamente la tensión de la celda de la batería no puede detectar, con exactitud, la capacidad de la batería restante. Se hace posible calcular, con exactitud, la vida útil remanente utilizando valores acumulados de una corriente de carga y de descarga, la temperatura de las celdas de la batería y elementos similares. Con el fin de realizar dicha función de indicación visual de la capacidad de batería remanente, existe comercialmente disponible un bloque de batería que contiene la batería secundaria y circuitos tales como un microcontrolador en el mismo paquete.

La Figura 2 ilustra una configuración interna, a modo de ejemplo, de un bloque de batería convencional.

El bloque de batería convencional, ilustrado en la Figura 2, comprende: una celda de batería 1, que incluye una batería secundaria de ion-litio; interruptores de protección SW11 y SW12 para control de la descarga y de la carga, incluyendo cada uno un transistor MOSFET (Transistor de Efecto de Campo de Metal-semiconductor-óxido) que contiene, equivalentemente, el diodo entre la fuente y el drenaje en función de la estructura; la resistencia Rs para detección de corriente; un circuito de protección de batería 110; un microcontrolador 120; un oscilador de reloj 130 para operaciones de microcontrolador; un termistor 140 para detectar la temperatura de la celda de batería 1 y una I/F (interfaz) de comunicación 150 para establecer la comunicación con un dispositivo electrónico provisto de este bloque de batería.

En el bloque de batería, los interruptores de protección SW11 y SW12 comprenden cada uno un transistor FET y un diodo. El interruptor de protección SW11 puede interrumpir la corriente de descarga. El interruptor de protección SW12 puede interrumpir la corriente de carga. En consecuencia, cuando la celda de batería 1 está cargada, un cargador se conecta a un terminal de electrodo positivo Eb1 y a un terminal de electrodo negativo Eb2. Además, el interruptor de protección SW12 se pone en la posición de activación. El terminal de electrodo positivo Eb1 y el terminal de electrodo negativo Eb2 pueden conectarse a un dispositivo que funciona como carga de descarga. En este caso, la posición de activación del interruptor de protección SW11 puede suministrar energía al dispositivo. El circuito de protección de batería 110 está también integrado con varios circuitos para suministrar energía al microcontrolador.

El microcontrolador 120 es un circuito para calcular la información necesaria para visualizar la capacidad remanente de la celda de batería 1 y funciona con la energía suministrada desde el circuito de protección de batería 110. Para operaciones estables, el circuito de protección de batería 110 controla la temporización de puesta en servicio. El microcontrolador 120 calcula la información necesaria, bajo control informático, en función de los valores digitalizados equivalentes a las corrientes de carga y de descarga y las tensiones de celdas de batería suministradas desde el circuito de protección de batería 110 y de los valores de la temperatura detectados por el termistor 140. El microcontrolador transmite la información al dispositivo electrónico montado con el bloque de batería a través de la interfaz I/F de comunicación 150 y de un terminal de control 4. Lo anterior hace posible visualizar la capacidad remanente de la batería en el cuerpo del dispositivo electrónico.

Como se indicó anteriormente, sin embargo, la tensión de la celda de batería de la batería secundaria varía, en gran medida, con las condiciones. Por otro lado, el sistema de microcontrolador está diseñado sobre la base de que la tensión de suministro de energía eléctrica se suministra de forma estable al microcontrolador. Para esta finalidad, según se ilustra en la Figura 2, el bloque de batería convencional utiliza otro circuito independiente del microcontrolador para proporcionar la función de protección que controla las anomalías tales como sobrecarga, descarga excesiva y sobreintensidad de corriente de la batería secundaria. Existe una forma de realización, a modo de ejemplo, de dicho circuito que comprende principalmente un comparador de tensión especial como componente principal para poner en práctica la función de protección de celdas de batería (p.e., véase patente japonesa nº 3136677 (apartados [0011] a [0016] inclusive, Figura 1) ) .

La Figura 3 representa esquemáticamente los estados de celdas de batería del bloque de batería convencional.

Según se ilustra en la Figura 3, el bloque de baterías convencional mantiene un estado normal cuando la tensión de la celda de batería 1 varía desde 3.0 a 4.25 V, a modo de ejemplo. En este estado, los interruptores de protección SW11 y SW12 se ponen en la posición... [Seguir leyendo]

1. Un bloque de batería constituido por una batería secundaria (1) con un circuito de procesamiento integrado para realizar procesos que incluyen una protección contra la ocurrencia de errores en la batería secundaria, comprendiendo el 5 bloque de batería:

un medio de corte de corriente de descarga (SW1) para cortar, de forma selectiva, una corriente de descarga en la batería secundaria;

un medio de corte de corriente de carga (SW2) para cortar, de forma selectiva, una corriente de carga en la batería secundaria;

un medio de detección de tensión para digitalizar y proporcionar, a la salida, una tensión entre un electrodo positivo y un electrodo negativo de la batería secundaria;

un medio de proceso de protección (30) para, en función de al menos un valor de tensión de salida desde el medio de detección de tensión, determinar un estado de la batería secundaria entre estados de sobrecarga, de funcionamiento normal y de descarga excesiva y en función de un estado determinado, controlar las operaciones del medio de corte de corriente de descarga y del medio de corte de corriente de carga;

un medio de detección de sobreintensidad de corriente (20) para proporcionar un control que permita la activación del medio de corte de corriente de descarga con preferencia con respecto al medio de proceso de protección cuando la batería secundaria se determina que está en un estado de sobreintensidad de corriente en función de una magnitud de la corriente de carga y de descarga de la batería secundaria;

un medio de detección de carga para detectar la presencia o ausencia de una operación de carga por el cargador para la batería secundaria;

en donde, cuando se determina que la batería secundaria está en el estado de sobreintensidad de corriente, el medio de 30 detección de sobreintensidad de corriente interrumpe el medio de proceso de protección;

el medio de proceso de protección determina que la batería secundaria está en el estado de sobreintensidad de corriente cuando detecta una interrupción desde el medio de detección de sobreintensidad de corriente y restablece un estado de la batería secundaria en el estado de funcionamiento normal cuando un valor de tensión de salida procedente del medio de detección de tensión es superior a un valor de umbral especificado y el medio de detección de carga detecta la realización de la operación de carga; y un medio de detección de temperatura para digitalizar una temperatura de la batería secundaria en donde el medio de proceso de protección determina un estado de la batería secundaria en función de un valor que resulta de la corrección de una tensión de salida del medio de detección de tensión en función de un valor de salida del medio de detección de temperatura.

CAMBIOS EN LA TENSIÓN DE LA CELDA DE BATERÍA DURANTE LA DESCARGA DE 2 W

APROXIMADAMENTE DOS O TRES AÑOS

APROXIMADAMENTE 90 MINUTOS

DESCARGA TERMINADA

CAMBIOS EN LA TENSIÓN Y EN LA INTENSIDAD DE CORRIENTE DURANTE UN CORTOCIRCUITO

SUMINISTRO ENERGÍA

INTERFAZ

DISPOSITIVO

COMUNICACIÓNINICIOCIRCUITOPROTECCIÓN

CORRIENTE

BATERÍA

DE CARGA

MICROCONTROLADOR

OSCILADOR

CORRIENTE DEDE RELOJ

DESCARGA

TENSIÓN ENCELDA TERMISTOR

TENSIÓN CELDA BATERÍA

SOBRECARGA

NORMAL

DESCARGAEXCESIVA

CIRCUITOINTERRUMPIDO CARGA INHIBIDA DEBIDO A ALTATENSIÓN

CAPAZ DE CARGA Y DESCARGA

CARGA INHIBIDA DEBIDO A BAJATENSIÓN

OPERACIONES DECORTOCIRCUITO DEBIDO A MUY BAJA TENSIÓN

CORRIENTE DESCARGA>3.0A

RESTABLECIMIENTO AUTOMÁTICO DESPUÉS VIBRACIÓN CARGA

SOBREINTENSIDADCORRIENTE

DESCARGA INHIBIDA DEBIDO A ALTA CORRIENTEDE DESCARGA

INICIO CARGA APLICANDO TENSIÓN A TERMINALES DEL CARGADOR

DISPOSITIVO CIRCUITO PROCESAMIENTO INTEGRADO 2

CIRCUITO SUMINISTRO ENERGÍA

CIRCUITOREPOSICIÓN

CIRCUITOREPOSICIÓNMICROCONTROLADOR

OSCILADOR DE RELOJ

TEMPORIZADOR

CONVERTIDOR AD

OSCILADOR DE RELOJ

TEMPORIZADOR VIGILANCIA

MEDIDOR COMBUSTIBLE

PUERTO E/S

BUS DE DATOS (8 bits)

INTERFAZ

COMUNICACIÓN

CIRCUITOMULTIPLICACIÓN

REGULADOR TENSIÓN

LINEAL EXCITADOR FET

MEMORIAPROGRAMAS

CIRCUITO DE DETECCIÓN SOBREINTENSIDAD CORRIENTE

TENSIÓN CELDA BATERÍA

TENSIÓN SUMINISTRADA A

MICROCONTROLADOR TENSIÓN PARA OPERACIÓN

ESTABLE

TENSIÓN MÍNIMA PARA

OPERACIÓN ESTABLE (Vpfw)

TENSIÓN MÍNIMA PARA

PERMITIR INICIACIÓN (Vpor)

SEÑALES DE SALIDA DESDE

CIRCUITO DE REPOSICIÓN

Espera 300 mseg

CIRCUITO SUMINISTRO

ENERGÍA

CIRCUITO

MULTIPLICACIÓN TENSIÓN REGULADOR LINEAL

OUT IN OUT

A MICROCONTROLADOR

CIRCUITO SUMINISTRO

ENERGÍA

CIRCUITO

MULTIPLICACIÓN TENSIÓN REGULADOR LINEAL

OUT IN OUT

A MICROCONTROLADOR

INICIO

SÍ

INICIALIZAR MICROCONTROLADOR

SÍ

ELIMINAR VALOR AJUSTE DE TEMPORIZADOR DE VIGILANCIA

Espera de 300 mseg

REALIZAR OPERACIÓN REFLEJANDO VALORES DE AJUSTE EN FIRMWARE

INICIALIZAR REGISTRO

TENSIÓN CELDA MAYOR QUE O IGUAL A 2.5 V?

SÍ

INICIALIZAR REGISTRO

REALIZAR OPERACIÓN REFLEJANDO VALORES DE AJUSTE EN EEPROM

CAMBIAR SUMINISTRO ENERGÍA AL LADO DE CELDA BATERÍA

RETORNO

DESCARGA

ESTADO FUNCIONAMIENTO NORMAL

DESCARGA PERMITIDA Y CARGA

ESTADO DESCARGA EXCESIVA

PERMITIDAPOTENCIA MICROCONTROLADOR

DESCARGA INHIBIDA Y CARGA

SUMINISTRADA DESDE CPin1

PERMITIDA POTENCIA MICROCONTROLADOR SUMINISTRADA DESDE CPin1

ESTADO DESCARGA EXCESIVA

DESCARGA INHIBIDA Y CARGA PERMITIDA POTENCIA MICROCONTROLADOR

DESACTIVACIÓN

SUMINISTRADA DESDE CPin1

ESTADO DE SOBRECARGA

DESCARGA INHIBIDA Y CARGA PERMITIDA POTENCIA MICROCONTROLADOR SUMINISTRADA DESDE CPin1

CARGA

ESTADO FUNCIONAMIENTO NORMAL

DESCARGA PERMITIDA Y CARGA PERIMITIDA POTENCIA MICROCONTROLADOR SUMINISTRADA DESDE CPin1

ESTADO DE INICIACIÓN

DESCARGA INHIBIDA Y CARGA PERMITIDA POTENCIA MICROCONTROLADOR SUMINISTRADA DESDE CPin2

CORRIENTE DESCARGA

INICIAR

POSICIÓNGRABACIÓN EN

ACTIVACIÓNINICIALIZAR ELLA CITA (T104)

(T101) MOTOR (T103) INICIAR

CORRIENTE DE

FUNCIONAMIENTORÁFAGA

DEL CIRCUITO

CORRIENTE DE

INTERNO (T102)

RÁFAGA VALOR MEDIO

MEDIDOR COMBUSTIBLE

Clint CONTADOR CARGA (16 bits)

BUS DE DATOS

Rint

CONTADOR DESCARGA (16 bits)

BUS DE DATOS

CORRIENTE CARGA Y DESCARGA

MODO ECONOMIZACIÓN ENERGÍA (OPERADOR A 32 KHz)

MODO ACTIVO (OPERADOR A 6 KHz)

INICIO

INICIALIZAR MICROCONTROLADOR EN FUNCIÓN

DEL INCREMENTO EN TENSIÓN CELDA

2 SEGUNDOSTRANSCURRIDOS?

SÍ

INTERRUPCIÓN COMUNICACIÓN

OCURRIDA?

SÍ PROCESO PROTECCIÓN BATERÍA

PROCESO PROTECCIÓN BATERÍA

PROCESO CÁLCULO CAPACIDAD

BATERÍA REMANENTE

PROCESO CÁLCULO CAPACIDAD

BATERÍA REMANENTE

REPOSICIÓN WDT

TRANSMITIR CAPACIDAD REMANENTE

CALCULADA A DISPOSITIVO

REPOSICIÓN WDT

0.2 SEGUNDOSTRANSCURRIDOS?

SÍ

SÍ 2 SEGUNDOSTRANSCURRIDOS?

PROCESO PROTECCIÓN BATERÍA

PROCESO PROTECCIÓN BATERÍA

MODO SEGURO ESTABLECIDO A SÍ DESCARGA EXCESIVA?

SÍ SÍ

DESACTIVACIÓN

FIN CAMBIAR MODO SEGURO A FUNCIONAMIENTO NORMAL

MODO SEGURO

SÍ

ESTABLECIDO A FUNCIONAMIENTO NORMAL?

SÍ SÍ

CAMBIAR MODO SEGURO CAMBIAR MODO SEGURO A DESCARGA EXCESIVA A SOBRECARGA

MEMORIZAR VALOR DE AJUSTE EN EEPROM

MODO SEGURO ESTABLECIDO SÍ PARA SOBRECARGA?

SÍ

CAMBIAR MODO SEGURO A FUNCIONAMIENTO NORMAL

CARGA INICIADA?

MODO SEGURO ESTABLECIDO A SOBREINTENSIDAD CORRIENTE

SÍ SÍ

DESACTIVACIÓN

FIN CAMBIAR MODO SEGURO A FUNCIONAMIENTO NORMAL

RETORNO

PROCESO CÁLCULO DE CAPACIDAD BATERÍA REMANENTE

LECTURA DE TEMPERATURA CELDA BATERÍA

LECTURA DE TENSIÓN CELDA BATERÍA

LECTURA DE VALOR ACUMULADO DE CORRIENTE DE CARGA Y DESCARGA

DETERMINAR PRESENCIA O AUSENCIA DE OPERACIÓN DE CARGA

CALCULAR INFORMACIÓN NECESARIA PARA VISUALIZAR INFORMACIÓN REMANENTE

MEMORIZAR VALOR CALCULADO EN EEPROM

PONER A CERO VALOR DE CONTEO PARA MEDIDOR COMBUSTIBLE

RETORNO

DISPOSITIVO