TW201325018A - 控制電池組電源狀態之方法及相關智慧型電池裝置 - Google Patents

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Abstract

在一種智慧型電池裝置中，電池組包含複數個蓄電池。在充電時，若每一蓄電池之跨壓皆未超過一單一蓄電池上限操作電壓值，以一第一電壓對電池組進行充電。若電池組中任一蓄電池之跨壓不小於單一蓄電池上限操作電壓值，以一第二電壓對電池組進行充電，其中第二電壓小於第一電壓。

Description

控制電池組電源狀態之方法及相關智慧型電池裝置
本發明相關於一種控制電池組電源狀態之方法及相關智慧型電池裝置，尤指一種可延長使用壽命的電池組電源狀態控制方法及相關智慧型電池裝置。
隨著電子裝置的微型化，手機、個人隨身助理器(personal digital assistant,PDA)、數位相機、隨身影音播放裝置，和筆記型/平板電腦等可攜式電子裝置越來越普及。為了達成可攜性，這些可攜式電子裝置大多數時間需以蓄電池等儲電元件來供應電力。當蓄電池電量耗盡時，使用者可透過專用充電器或直接將可攜式電子裝置連結至家用交流電源來進行充電。單一蓄電池的電壓與容量有限，在很多場合下要組成電池組來使用，例如用於筆記型電腦。
蓄電池使用時會經歷無數次的充電與放電過程，直到使用壽命終結。蓄電池的使用壽命是由多方面的因素所決定，其中最重要的是蓄電池本身的物理特性和充電方式。一般來說，充電電壓/電流越大，所需充電時間越短，但會縮短蓄電池的使用壽命。過度放電或過度充電能增加蓄電池可使用容量，但亦會縮短蓄電池的使用壽命。因此電池廠商會在電池規格書中設定上限操作電壓值與下限操作電壓值。
第1圖為先前技術中一電池組的充電電壓與時間關係曲線之示意圖。假設先前技術之電池組包含3個串聯之蓄電池C1～C3，其跨壓分別由VC1～VC3來表示。電池組之上限操作電壓值為VPACK_MAX，而電池組之下限操作電壓值為VPACK_MIN。單一蓄電池之上限操作電壓值為VCELL_MAX，而單一蓄電池之下限操作電壓值為VCELL_MIN。VPACK為電池組之電壓，其值為串聯蓄電池之電壓總合(VC1+VC2+VC3)。如第1圖所示，電池組的充電週期依序包含一段定電流週期Ti和一段定電壓週期Tv。在Ti期間，充電器會將充電電流維持在一定電流充電的設定值，而電池組的電壓VPACK會低於設定的定電壓充電電壓VCHG，此時VCHG對於充電器的電壓並不產生作用。而VPACK會逐漸上升，直到VPACK達到設定的定電壓充電電壓VCHG，便進入定電壓週期Tv。在Tv期間，充電器會將充電電壓維持VCHG，直到充電終止。一般傳統做法會將VCHG設為VPACK_MAX，而VPACK_MAX為VCELL_MAX乘以串聯之蓄電池數。以先前包含3個串聯蓄電池之電池組為例，其VPACK_MAX為3×VCELL_MAX。第2圖為先前技術中一電池組的放電電壓與時間關係曲線之示意圖。放電時電池組的電壓VPACK會逐漸下降。為了避免蓄電池過度放電，當VPACK降到VPACK_MIN時會終止放電。而VPACK_MIN為VCELL_MIN乘以串聯之蓄電池數。以先前包含3個串聯蓄電池之電池組為例，其VPACK_MIN為3×VCELL_MIN。
雖然製造時有篩選特性相近的蓄電池組裝在同一電池組，但是由於製程誤差，電池組內每一蓄電池的物理特性與老化速度並不完全一致。因此，個別蓄電池間充電或放電電壓與時間關係曲線的差異會隨著使用時間增加越來越大，導致原先設定電池組的VPACK_MAX與VPACK_MIN不足以避免個別蓄電池過度充電或過度放電。
舉例來說，3個串聯之蓄電池C1～C3充電電壓與時間關係曲線的差異，導致跨壓VC1可能會超過上限操作電壓值VCELL_MAX，亦即先前技術之蓄電池C1在定電壓週期Tv時會呈現過度充電狀態，如第1圖所示；在放電週期之時間點T1時，跨壓VC1可能會低於最小跨壓VCELL_MIN，亦即先前技術之蓄電池C1在時間點T1和T2之間會呈現過度放電狀態，如第2圖所示。
換而言之，由於每個蓄電池的容量和內阻等特性的區別，容量較大的蓄電池容易處於淺充電/淺放電狀態，而容量較小的蓄電池容易處於過度充電/過度放電狀態。在長時間處於不同程度的充電/放電狀態後，每一蓄電池之間的性能參數差異越來越大，容量較小的蓄電池容易提前失效，即使其它容量較大的蓄電池還能正常運作，電池組的整體效能往往快速地降低，大幅縮短電池組的使用壽命。
在一種先前技術的電池組中，每一蓄電池上附加一個並聯均衡電路，以達到分流的作用。當某個每一蓄電池首先達到滿充狀態時，均衡裝置能阻止其進入過充狀態，並將多餘的能量轉化成熱能以繼續對尚未充滿的蓄電池充電。此先前技術提供一種均衡充電的方法，但需額外設置均衡電路，且會造成額外的能量損耗。
在另一種先前技術的電池組中，在充電時會使用較低的充電電流，因此能減緩蓄電池的老化速度。然而，此先前技術無法充分運作於複數串聯蓄電池的電池組，因為在串聯情況下，個別蓄電池依舊可能產生過度充電或過度放電的狀態。
本發明提供一種控制一電池組之電源狀態的方法，其包含量測該電池組中複數個蓄電池之跨壓；若每一蓄電池之跨壓皆未超過一單一蓄電池上限操作電壓值，以一第一電壓對該電池組進行充電；以及若該電池組中任一蓄電池之跨壓不小於該單一蓄電池上限操作電壓值，以一第二電壓對該電池組進行充電，其中該第二電壓小於該第一電壓。
本發明另提供一種智慧型電池裝置，其包含一電池組，其包含複數個蓄電池；一電池管理積體電路，用來量測該複數個蓄電池之跨壓，並依此控制一充電器，其中若每一蓄電池之跨壓皆未超過一單一蓄電池上限操作電壓值，該充電器以一第一電壓對該電池組充電；以及若該電池組中任一蓄電池之跨壓不小於該單一蓄電池上限操作電壓值，該充電器以一第二電壓對該電池組充電，且該第二電壓小於該第一電壓。
第3圖為本發明中一種智慧型電池(smart battery)裝置100之功能方塊圖。智慧型電池裝置100包含一電池組10、一電池管理積體電路20、一保險絲30、一開關40、一電流感測電阻50、一熱敏電阻60、一顯示單元70，以及一系統管理匯流排80(system management bus,SMB)。
電池組10包含複數個蓄電池C1～CN，其可被排成串聯、並聯，或是串聯並聯的任意組合。第3圖顯示了串聯之實施例，電池組10整體跨壓由VPACK來表示，蓄電池C1～CN之跨壓分別由VC1～VCN來表示，而流經電池組10之電流則由IPACK來表示。電池組10的正端可透過保險絲30和開關40電性連接至一智慧型充電器200，而電池組10的負端可透過電流感測電阻50電性連接至智慧型充電器200。
電池管理積體電路20包含一類比/數位轉換器12、一庫侖計數器14、一開關控制電路16、一記憶體18，以及一微處理器22。類比數位轉換器12可用來監控蓄電池C1～CN之跨壓VC1～VCN和熱敏電阻60之跨壓(相關於電池組10之溫度)，庫侖計數器14可監控電流感測電阻50之跨壓(相關於電池組10之電流IPACK)，使得微處理器20能依此控制開關控制電路16之運作。開關控制電路16可控制保險絲30和開關40，以防止突發的過量電流/電壓或過高溫度損害電池組10。另一方面，電池管理積體電路20可透過系統管理匯流排80將電池組10的相關資料(如電壓、電流、溫度、容量等)與需要的充電電壓和充電電流資訊送出，智慧型充電器200再依此調節輸出。記憶體18可儲存電池組10的充電特性、使用歷史、韌體及資料庫等。顯示單元70可包含複數個發光二極體，用來顯示電池組10的容量或安全狀態。
第4圖之流程圖說明了本發明中一種控制電池組100電源狀態的方法，其包含下列步驟：
步驟410：量測電池組100中蓄電池C1～CN之跨壓VC1～VCN；
步驟420：判斷是否在充電模式：若是，執行步驟430；若否，執行步驟460。
步驟430：判斷跨壓VC1～VCN是否皆小於一上限操作電壓值VCELL_MAX：若是，執行步驟440；若否，執行步驟450。
步驟440：將智慧型充電器200之充電電壓設為一上限操作電壓值VPACK_MAX。
步驟450：將智慧型充電器200之充電電壓設為當時跨壓VC1～VCN之加總。
步驟460：判斷跨壓VC1～VCN是否皆大於一下限操作電壓值VCELL_MIN：若是，執行步驟470；若否，執行步驟480。
步驟470：導通開關40以允許電池組100持續放電。
步驟480：斷開開關40以使電池組100停止放電。
本發明以上步驟可以在電池管理積體電路20或智慧型充電器200或另一聯接於系統管理匯流排80的主機每隔一段時間(例如每秒)執行一次。首先在步驟410中，量測電池組100中蓄電池C1～CN之跨壓VC1～VCN。接著在步驟420中，判斷電池組100是否正在充電中。
當電池組100在充電模式下，本發明會執行步驟430、440或450，第5圖為本發明電池組100在充電時之電壓與時間關係曲線示意圖。假設本發明電池組100包含3個串聯之蓄電池C1～C3，在充電時依序以一段定電流週期Ti和一段定電壓週期Tv來進行。電池組100之上限操作電壓值為VPACK_MAX，而電池組100之下限操作電壓值為VPACK_MIN。單一蓄電池之上限操作電壓值為VCELL_MAX，而單一蓄電池之下限操作電壓值為VCELL_MIN。
在定電流週期Ti時，智慧型充電器200會將流經電池組10之電流值IPACK來維持在預設的充電電流值，或者根據電池管理積體電路20透過系統管理匯流排80傳送的充電電流資訊來調節智慧型充電器200之輸出電流值，此時跨壓VPACK和VC1～VC3會逐漸上升。
當VC1～VC3之值其中之一到達上限操作電壓值VCELL_MAX，此時VPACK=VC1+VC2+...+VCN≦VPACK_MAX，則進入定電壓週期Tv。智慧型充電器200會將其輸出之充電電壓VCHG至維持恆定等於當時VC1～VCN之值加總，直到充電終止。此時電池組10之跨壓VPACK之值等於VCHG，而且VPACK≦VPACK_MAX，如第5圖所示。因此，本發明可避免蓄電池C1進入過度充電狀態減少其使用壽命，進而延長電池組100之使用壽命。
當電池組100不在充電模式下時，本發明會先執行步驟460，第6圖為本發明電池組100在放電時之電壓與時間關係曲線示意圖。在放電時，當VC1～VC3之值其中之一到達下限操作電壓值VCELL_MIM時，本發明電池組100會立即執行步驟480以停止電池組100放電，如第6圖所示。舉例來說，電池管理積體電路20之開關控制電路16可透過開關40來切斷電池組10之放電路徑。因此，本發明可避免蓄電池C1因進入過度放電狀態而減少其使用壽命，進而延長電池組100之使用壽命。
綜上所述，本發明可確保電池組中所有蓄電池不會進入過度充電狀態和過度放電狀態，進而避免造成單一蓄電池過早損壞，進而延長電池組之使用壽命。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10．．．電池組
12．．．類比/數位轉換器
14．．．庫侖計數器
16．．．開關控制電路
18．．．記憶體
22．．．微處理器
20．．．電池管理積體電路
30．．．保險絲
40．．．開關
50．．．電流感測電阻
60．．．熱敏電阻
70．．．顯示單元
80．．．系統管理匯流排
100．．．智慧型電池裝置
200．．．智慧型充電器
410至480．．．步驟
C1至CN．．．蓄電池
第1圖為先前技術中一電池組在充電時之電壓與時間關係曲線示意圖。
第2圖為先前技術中一電池組在放電時之電壓與時間關係曲線示意圖。
第3圖為本發明中一種智慧型電池裝置之功能方塊圖。
第4圖為本發明中一種控制電池組電源狀態方法的流程圖。
第5圖為本發明電池組在充電時之電壓與時間關係曲線示意圖。
第6圖為本發明電池組在放電時之電壓與時間關係曲線示意圖。
410至480．．．步驟

Claims (10)

  1. 一種控制一電池組之一電源狀態的方法，其包含：量測該電池組中複數個蓄電池之跨壓；若每一蓄電池之跨壓皆未超過一單一蓄電池上限操作電壓值，以一第一電壓對該電池組進行充電；以及若該電池組中任一蓄電池之跨壓不小於該單一蓄電池上限操作電壓值，以一第二電壓對該電池組進行充電，其中該第二電壓小於該第一電壓。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該第一電壓係為該電池組之一上限操作電壓，而該第二電壓係為所有蓄電池之跨壓加總。
  3. 如請求項1所述之方法，其另包含：若每一蓄電池之跨壓皆超過一單一蓄電池下限操作電壓值，允許該電池組持續放電；以及若該電池組中任一蓄電池之跨壓不大於該單一蓄電池下限操作電壓值，該電池組停止放電。
  4. 一種智慧型電池(smart battery)裝置，其包含：一電池組，其包含複數個蓄電池；以及一電池管理積體電路，用來量測該複數個蓄電池之跨壓，並依此控制一智慧型充電器，其中：若每一蓄電池之跨壓皆未超過一單一蓄電池上限操作電壓值，該充電器以一第一電壓對該電池組充電；以及若該電池組中任一蓄電池之跨壓不小於該單一蓄電池上限操作電壓值，該充電器以一第二電壓對該電池組充電，且該第二電壓小於該第一電壓。
  5. 如請求項4所述之智慧型電池裝置，其中該第一電壓係為該電池組之一上限操作電壓，而該第二電壓係為所有蓄電池之跨壓加總。
  6. 如請求項4所述之智慧型電池裝置，其中該電池管理積體電路另用來在該電池組中任一蓄電池之跨壓不大於一單一蓄電池下限操作電壓值時，切斷該電池組之一放電路徑。
  7. 如請求項4所述之智慧型電池裝置，其另包含：一開關或一保險絲，設置於該電池組和該智慧型充電器之間；一電流感測電阻，設置於該電池組和該智慧型充電器之間，用來偵測流經該電池組之一電流；以及一熱敏電阻，用來偵測該電池組之一溫度。
  8. 如請求項7所述之智慧型電池裝置，其中該電池管理積體電路係包含：一類比/數位轉換器，用來偵測該複數個蓄電池之跨壓和該熱敏電阻之跨壓；一庫倫計數器，用來偵測該電流感測電阻之跨壓；一開關控制電路，用來控制該保險絲或該開關，以防止一突發過大電流、一突發過高/低電壓或一過高溫度損害該電池組；以及一微處理器，用來分析該類比/數位轉換器和該計數器偵測到之資料，並依此控制該開關控制電路。
  9. 如請求項8所述之智慧型電池裝置，其中該開關控制電路另依據該熱敏電阻之跨壓、該電流感測電阻之跨壓，該電池組之跨壓，或該複數個蓄電池之跨壓來控制該開關或該保險絲。
  10. 如請求項4所述之智慧型電池裝置，其另包含一系統管理匯流排(system management bus,SMB)，設置於該電池管理積體電路和該智慧型充電器之間。
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