CN102624036A - 电池管理模块及电池管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可充电电池单元的电池管理模块，包含一控制器、一负载元件、一充电装置、一放电晶体管元件和一切换晶体管元件。该充电装置用以提供一充电电流以对该可充电电池单元进行充电。该负载元件用以接收来自该可充电电池单元的一放电电流。该控制器连接至该可充电电池单元，其用以检测该可充电电池单元的工作状况以产生一第一控制信号和一第二控制信号。该放电晶体管元件用以根据该第一控制信号以断开该可充电电池单元和该充电装置及该负载元件。该切换晶体管元件用以根据该第二控制信号而选择性地导通，其中该第二控制信号为一直流信号或一脉冲信号。本发明可以降低元件成本并减小电路面积。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池管理模块及电池管理方法，其用于管理一可充电电池单元。
背景技术
目前便携式的电子装置，例如笔记本电脑、移动电话、个人数字助理(PDA)和MP3播放器等，一般通过电池模块以作为电能供应来源。该电池系统通常包含一个或多个可再充电的电池的锂离子(“Li-ion”)或镍金属氢化物(″NiMH″)电池胞元(cell)。图1显示一公知的电池管理系统10的方框示意图。参照图1，一电池单元12由两电池胞元以串联方式所组成，且一电池管理单元14耦接至该电池单元12。该电池管理单元14包含一容量监测单元142和一电池保护单元144。该电池管理单元14用以检测该电池管理系统10内的安全状况，例如过电压、电压不足、过电流、和工作温度等状况。此外，该电池单元12通过晶体管MD，MC和熔丝19耦接至一负载16，借以提供电流运行该负载16。一充电装置18通过晶体管MD，MC和熔丝19耦接至该电池单元12，借以对该电池单元12进行充电。
参照图1，该晶体管MC是一种充电晶体管切换元件，其通过该电池管理单元14所控制以允许或不允许充电电流ICHARGE流至该电池单元12。该晶体管MD是一种放电晶体管切换元件，其通过该电池管理单元14所控制以允许或不允许来自该电池单元12的放电电流IDISCHARGE。在该电池管理系统10正常工作时，晶体管MC和MD两者均处于闭合状态，且该电池管理单元14监视该电池单元12的电压。当检测到过电压异常状况时，该电池管理单元14截止该充电晶体管MC以防止该电池单元12进一步的充电，直至该过电压异常状况解除为止。同样地，当检测到电池不足电压(或过放电)异常状况时，该电池管理单元14截止该放电晶体管MD以防止该电池单元12进一步的放电，直至该不足电压状况解除为止。
此外，当该充电晶体管MC被假设为截止(例如，在过电压异常状况期间)，但是该电池管理单元14仍检测到充电电流ICHARGE时，则该电池管理单元14将发出一具有高逻辑电平的信号VC至一晶体管MS。该晶体管MS在该电池管理系统10正常工作时为截止状态。然而，当接收到该高逻辑电平的信号VC后，该晶体管MS将导通而烧断该熔丝19，借以断开该充电装置18和该电池单元12的连接路径以防止进一步的过充电。
在公知架构中，该熔丝19的烧断动作为不可逆的，亦即该电池单元12和该负载及该充电装置18在异常信号VC发出后会永久地断开。此外，上述晶体管MC，MD和MS的额定工作电流需大于该熔丝19的烧断电流，以避免误动作。上述充电晶体管MC和放电晶体管MD需同时存在以控制充电电流ICHARGE和放电电流IDISCHARGE的流向。因此，公知架构需要较高的元件成本和电路面积。据此，有必要提供一种电池管理模块及其方法，以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的为提供一电池管理模块，其用于一可充电电池单元中。本发明一实施例的电池管理模块包含一控制器、一负载元件、一充电装置、一放电晶体管元件、一熔丝元件和一切换晶体管元件。该充电装置用以提供一充电电流以对该可充电电池单元进行充电。该负载元件用以接收来自该可充电电池单元的一放电电流。该控制器连接至该可充电电池单元，其用以检测该可充电电池单元的工作状况以产生一第一控制信号和一第二控制信号。该放电晶体管元件用以根据该第一控制信号以断开该可充电电池单元和该充电装置及该负载元件。该熔丝元件耦接于该放电晶体管元件。该切换晶体管元件用以根据该第二控制信号而选择性地导通。该第二控制信号为一直流信号或一脉冲信号。
本发明揭示一电池管理方法，其用于一可充电电池单元中。本发明一实施例的电池管理方法包含以下步骤：提供一充电电流以对该可充电电池单元进行充电；接收来自该可充电电池单元的一放电电流；检测该该可充电电池单元的工作状况以产生一第一控制信号和一第二控制信号；根据该第一控制信号以控制放电电流；以及根据该第二控制信号以选择性地接收该充电电流。
本发明的有益效果在于，本发明的电池管理模块和电池管理方法，降低了元件成本，同时也不需要大的电路面积。更利于运用于便携式的电子装置中。
附图说明
图1显示一公知的电池管理系统的方框示意图；
图2显示本发明一实施例的电池管理系统的方框示意图；
图3显示一过充电状态的波形图；
图4显示本发明一实施例的该控制器的方框示意图；
图5显示该电池管理系统在过充电状态下的一可能工作方式；
图6显示本发明另一实施例的该控制器的方框示意图；
图7显示本发明又一实施例的该控制器的方框示意图；及
图8显示本发明再一实施例的该控制器的方框示意图。
其中，附图标记说明如下：
10 电池管理系统
12 电池单元
14 电池管理单元
142 容量监测单元
144 电池保护单元
16 负载
18 充电装置
19 熔丝
20 电池管理系统
22 可充电电池单元
24，24′，24″，24″′ 控制器
242 检测元件
244，246 比较器
248 脉冲产生电路
250 脉冲产生电路
252 检测元件
254 第一比较器
256 第二比较器
26 负载元件
262，264 检测元件
28 充电装置
29 熔丝元件
MD，MS 晶体管
RS 电阻
具体实施方式
本发明在此所探讨的方向为一种电池管理模块及其方法。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的步骤及结构。显然地，本发明的施行并未限定于相关领域的技艺者所熟习的特殊细节。另一方面，众所周知的结构或步骤并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的较佳实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其他的实施例中，且本发明的范围不受限定，其以权利要求为准。
图2显示本发明一实施例的电池管理系统20的方框示意图。参照图2，该电池管理系统20包含一可充电电池单元22、一控制器24、一负载元件26、一充电装置28、晶体管MD和MS和一熔丝元件29。该充电装置28用以提供一充电电流ICHARGE以对该可充电电池单元22进行充电。该负载元件26用以接收来自该可充电电池单元22的一放电电流IDISCHARGE。该控制器24连接至该可充电电池单元22，其用以检测该可充电电池单元22的工作状况以产生控制信号VCTL1和VCTL2。该晶体管元件MD根据该控制信号VCTL1以断开该可充电电池单元22和该充电装置28及该负载元件26。该晶体管元件MS根据该控制信号VCTL2而选择性地导通，其中，该控制信号VCTL2可为一直流信号或一脉冲信号。
参照图2，该晶体管MD是一种放电晶体管切换元件，其通过该控制器24所控制以允许或不允许来自该可充电电池单元22的放电电流流过。在该电池管理系统20正常工作时，该晶体管MD处于闭合状态，而另一切换晶体管MS处于截止状态。该控制器24持续监视该可充电电池单元22的工作状况。当检测到异常状况时，该控制器24将更新控制信号VCTL1和VCTL2以改变晶体管MD和MS的状态。
在本发明一实施例中，该可充电电池单元22可能出现一过充电(overcharge)状态，使得该可充电电池单元22上的电压持续上升，如图3所示。该控制器24会通过一检测元件以检测该异常状况。图4显示本发明一实施例的该控制器24的方框示意图。参照图4，该控制器24包含一检测元件242、比较器244和246以及一脉冲产生电路248。在本实施例中，该检测元件242为一电压检测元件，其检测该可充电电池单元22间的电压V1和V2以产生一电压VS1，其中VS1正比于电压V1和V2间的差值。然而，本发明不应以此为限。参照图3和图4，当可充电电池单元22的电压V1超过一临界值OV1时，电压VS1会大于比较器244的比较电压TH1，使得该脉冲产生电路248被致能。当该脉冲产生电路248致能后，其将输出一具有脉冲形式的控制信号VCTL2，使得该晶体管元件MS周期性地导通。
图5显示该电池管理系统20在过充电状态下的一可能工作方式。参照图5，该控制信号VCTL2具有一责任周期(Duty cycle)D。在责任周期期间，该晶体管元件MS导通以吸收充电电流ICHARGE。责任周期D可根据该充电装置28提供的充电电流值而调整。当充电电流值较大时，责任周期D也随之增大。在本实施例中，由于晶体管MS仅在责任周期期间导通，故晶体管MS的平均电流将小于最大工作电流IMAX(此处最大工作电流IMAX取决于该熔丝元件29的烧断电流)。因此，晶体管MS可选择具有较小额定电流的元件以降低成本和减少体积。
当该晶体管MS周期性的导通后，若该可充电电池单元22上的电压仍持续上升，如图3所示，则该可充电电池单元22可能因过充电状态而造成损害。因此，该控制器24会发出一信号以烧断该熔丝元件29，借以隔离该可充电电池单元22。在工作上，当该电池单元22上的电压V1超过一临界值OV2时，比较器246将被启动以输出一具有直流形式的控制信号VCTL2。信号VCTL2会使该晶体管MS持续地导通以烧断该熔丝元件29。当熔丝元件29烧断后，该可充电电池单元22和该充电装置28将呈断开状态。在本实施例中，该熔丝元件29位于晶体管MD和MS中间。然而，本发明不应以此为限。在本发明另一实施例中，该熔丝元件29可位于晶体管MS和负载元件26中间。在本发明另一实施例中，该可充电电池单元22可能出现一过放电(overdischarge)状态，使得该可充电电池单元22上的电压持续下降。该控制器24会通过一检测元件以检测该异常状况。图6显示本发明另一实施例的该控制器24′的方框示意图。参照图6，该控制器24包含一检测元件252、第一比较器254和第二比较器256。当该可充电电池单元22的电压V1低于一临界值UV1时，电压VS2会小于比较器244的比较电压TH3，使得该比较器224输出一具高逻辑电平的控制信号VCTL1。该控制信号VCTL1会截止该晶体管MD，以断开该可充电电池单元22和该负载元件26，使得该可充电电池单元22停止放电。
当该晶体管MD截止后，若该可充电电池单元22上的电压V1仍持续下降，表示该晶体管MD可能出现故障状态，使得该电池单元22和该负载元件26实质上为短路状态。当可充电电池单元22的电压V1持续下降而低于一临界值UV2时，电压VS2会小于第二比较器256的比较电压TH4，使得该第二比较器256输出一具高逻辑电平的控制信号VCTL2。该控制信号VCTL2会持续导通该晶体管MS以烧断该熔丝元件29。当熔丝元件29烧断后，该可充电电池单元22和该负载元件26将呈断开状态，以进一步终止放电。
在本发明又一实施例中，该可充电电池单元22可能出现一过电流的异常状态。例如，该负载元件26可能发生短路，而向电池单元22汲取一大电流。此时，该控制器将检测到该异常状况，并输出一具有直流形式的控制信号VCTL2。信号VCTL2会使该晶体管MS持续地导通以烧断该熔丝元件29。在本发明再一实施例中，该可充电电池单元22可能出现一过温度的异常状态。此时，该控制器将通过一温度感测元件(未示出)检测到该异常状况，并输出一具有直流形式的控制信号VCTL2。信号VCTL2会使该晶体管MS持续地导通以烧断该熔丝元件29。
除了通过持续地导通该晶体管MS以提供大电流外，该熔丝元件29亦可通过周期性地导通该晶体管MS而烧断。现以图8说明该可充电电池单元22在出现过充电状态时，该控制器24″′的另一种可能实施态样。参照图8，该控制器24″′包含一脉冲产生电路250。当该电池单元22上的电压V1超过一临界值OV2时，比较器246将被启动以致能该脉冲产生电路250，借以输出一具有脉冲形式的控制信号VCTL2。该控制信号VCTL2具有一责任周期D′且D′＞D。因此，该晶体管MS将周期地导通一较长时间间隔以烧断该熔丝元件29。当熔丝元件29烧断后，该可充电电池单元22和该充电装置28将呈断开状态。类似地，当该可充电电池单元22出现过放电、过电流、或过温度等异常状态时，该控制器24，24′和24″除了可设计为提供一具有直流形式的控制信号VCTL2以烧断该熔丝元件29外，亦可设计为提供一具有脉冲形式的控制信号VCTL2以烧断该熔丝元件29。当该控制器24，24′和24″设计为后者时，由于晶体管MS仅在责任周期D′期间导通，故晶体管MS可选择具有较小额定电流的元件以降低成本和减少体积。
在本实施例中，该检测元件252为一电压检测元件，其检测该可充电电池单元22的电压V1和V2间的差值以产生该电压VS2。然而，本发明不应以此为限。在另一实施例中，该检测元件252可通过检测图2中的电阻RS上的跨压而产生电压VS2。在又一实施例中，该检测元件252为一电流镜(currentmirror)元件，其可产生一正比于放电电流IDISCHARGE的输出电流。所述比较器254和256为一电流比较器，其用以比较输出电流和参考电流的大小以产生控制信号VCTL1和VCTL2。
此外，该可充电电池单元22可由多个可充电电池胞元(cell)以串联或并联方式所构成。如图7所示，该可充电电池单元22由两个串联的可充电电池胞元221和222所构成。当该两电池胞元发生不平衡(imbalance)或不匹配时，该两电池胞元上的电压将不相同。当电池胞元221上的电压差(V1-V2)或电池胞元221上的电压差(V2-V3)大于一设定值时，该检测元件262或264将送出具有直流形式或脉冲形式的控制信号VCTL2使得该晶体管MS持续或间歇地导通，借以烧断该熔丝元件29。依此检测方式，可避免多个电池胞元在不平衡或不匹配时产生的过充电状况。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为权利要求所涵盖。
Claims (14)
1.一种电池管理模块，用于一可充电电池单元，其特征在于，该电池管理模块包含：
一充电装置，用以提供一充电电流以对该可充电电池单元进行充电；
一负载元件，用以接收来自该可充电电池单元的一放电电流；
一控制器，连接至该可充电电池单元，其用以检测该可充电电池单元的工作状况以产生一第一控制信号和一第二控制信号；
一放电晶体管元件，用以根据该第一控制信号以断开该可充电电池单元和该充电装置及该负载元件；
一熔丝元件，耦接于该放电晶体管元件；以及
一切换晶体管元件，用以根据该第二控制信号而选择性地导通；
其中，该第二控制信号为一直流信号或一脉冲信号。
2.根据权利要求1的电池管理模块，其特征在于，该电池管理模块还包含一检测元件，用以检测该可充电电池单元的电压，当所检测的电压超过一第一临界值时，该控制器产生具有脉冲形式的该第二控制信号以周期性地导通该切换晶体管元件。
3.根据权利要求2的电池管理模块，其特征在于，该第二控制信号的责任周期根据该充电装置提供的充电电流值而调整。
4.根据权利要求3的电池管理模块，其特征在于，该切换晶体管元件的额定电流根据该第二控制信号的责任周期和该熔丝元件的烧断电流而决定。
5.根据权利要求2的电池管理模块，其特征在于，当检测元件所检测的电压超过一第二临界值时，该控制器产生具有直流形式或脉冲形式的该第二控制信号以烧断该熔丝元件。
6.根据权利要求1的电池管理模块，其特征在于，该电池管理模块还包含一检测元件，用以检测该负载元件的电流，当所检测的电流大于一临界值时，该控制器产生具有直流形式或脉冲形式的该第二控制信号以烧断该熔丝元件。
7.根据权利要求1的电池管理模块，其特征在于，该电池管理模块还包含一检测元件，用以检测该可充电电池单元的温度，当所检测的温度高于一临界值时，该控制器产生具有直流形式或脉冲形式的该第二控制信号以烧断该熔丝元件。
8.根据权利要求1的电池管理模块，其特征在于，该可充电电池单元包含多个可充电电池胞元，该电池管理模块还包含多个检测元件，用以分别检测所述多个可充电电池胞元间的电压。
9.根据权利要求8的电池管理模块，其特征在于，当所述多个可充电电池胞元间电压差值其中之一超过一设定值时，该控制器产生具有直流形式或脉冲形式的该第二控制信号以烧断该熔丝元件。
10.一种电池管理方法，用于管理一可充电电池单元，其特征在于，该电池管理方法包含以下步骤：
提供一充电电流以对该可充电电池单元进行充电；
接收来自该可充电电池单元的一放电电流；
检测该可充电电池单元的工作状况以产生一第一控制信号和一第二控制信号；
根据该第一控制信号以控制放电电流；以及
根据该第二控制信号以选择性地接收该充电电流。
11.根据权利要求10的电池管理方法，其特征在于，该电池管理方法还包含改变该第二控制信号的责任周期以接收该充电电流的步骤。
12.根据权利要求10的电池管理方法，其特征在于，该检测步骤还包含：
检测该可充电电池单元的电压；
当所检测的电压高于一第一临界值时，产生具有第一脉冲形式的该第二控制信号以选择性地接收该充电电流；以及
当所检测的电压高于一第二临界值时，产生具有直流形式或第二脉冲形式的该第二控制信号以中断该充电电流；
其中具有该第一脉冲形式的该第二控制信号的责任周期小于具有该第二脉冲形式的该第二控制信号的责任周期。
13.根据权利要求10的电池管理方法，其特征在于，该检测步骤还包含：
检测该负载元件的电流；以及
当所检测的电流大于一第三临界值时，产生具有直流形式或脉冲形式的该第二控制信号以中断该可充电电池单元供应至该负载元件的电流。
14.根据权利要求10的电池管理方法，其特征在于，该检测步骤还包含：
检测该可充电电池单元的温度；以及
当所检测的温度大于一临界值时，产生具有直流形式或脉冲形式的该第二控制信号以中断该充电或放电电流。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120801 |