CN103166277A - 控制电池组电源状态的方法及相关智能型电池装置 - Google Patents

控制电池组电源状态的方法及相关智能型电池装置 Download PDF

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Abstract

控制电池组电源状态的方法及相关智能型电池装置。在该智能型电池装置中，电池组包含多个蓄电池。在充电时，如果每一蓄电池的跨压皆未超过一单一蓄电池上限操作电压值，以一第一电压对电池组进行充电。如果电池组中任一蓄电池的跨压不小于单一蓄电池上限操作电压值，以一第二电压对电池组进行充电，其中第二电压小于第一电压。

Description

控制电池组电源状态的方法及相关智能型电池装置
技术领域
本发明涉及一种控制电池组电源状态的方法及相关智能型电池装置，尤其涉及一种可延长使用寿命的电池组电源状态控制方法及相关智能型电池装置。
背景技术
随着电子装置的微型化，手机、个人随身助理器(personal digital assistant，PDA)、数字相机、随身音视频播放装置，和笔记型/平板计算机等便携式电子装置越来越普及。为了达成可携性，这些便携式电子装置大多数时间需以蓄电池等储电元件来供应电力。当蓄电池电量耗尽时，使用者可通过专用充电器或直接将便携式电子装置连结至家用交流电源来进行充电。单一蓄电池的电压与容量有限，在很多场合下要组成电池组来使用，例如用于笔记型计算机。
蓄电池使用时会经历无数次的充电与放电过程，直到使用寿命终结。蓄电池的使用寿命是由多方面的因素所决定，其中最重要的是蓄电池本身的物理特性和充电方式。一般来说，充电电压/电流越大，所需充电时间越短，但会缩短蓄电池的使用寿命。过度放电或过度充电能增加蓄电池可使用容量，但亦会缩短蓄电池的使用寿命。因此电池厂商会在电池规格书中设定上限操作电压值与下限操作电压值。
图1为现有技术中一电池组的充电电压与时间关系曲线的示意图。假设现有技术的电池组包含3个串联的蓄电池C1～C3，其跨压分别由VC1～VC3来表示。电池组的上限操作电压值为VPACK_MAX，而电池组的下限操作电压值为VPACK_MIN。单一蓄电池的上限操作电压值为VCELL_MAX，而单一蓄电池的下限操作电压值为VCELL_MIN。VPACK为电池组的电压，其值为串联蓄电池的电压总和(VC1+VC2+VC3)。如图1所示，电池组的充电周期依序包含一段定电流周期Ti和一段定电压周期Tv。在Ti期间，充电器会将充电电流维持在一定电流充电的设定值，而电池组的电压VPACK会低于设定的定电压充电电压VCHG，此时VCHG对于充电器的电压并不产生作用。而VPACK会逐渐上升，直到VPACK达到设定的定电压充电电压VCHG，便进入定电压周期Tv。在Tv期间，充电器会将充电电压维持VCHG，直到充电终止。一般传统做法会将VCHG设为VPACK_MAX，而VPACK_MAX为VCELL_MAX乘以串联的蓄电池数。以先前包含3个串联蓄电池的电池组为例，其VPACK_MAX为3×VCELL_MAX。图2为现有技术中一电池组的放电电压与时间关系曲线的示意图。放电时电池组的电压VPACK会逐渐下降。为了避免蓄电池过度放电，当VPACK降到VPACK_MIN时会终止放电。而VPACK_MIN为VCELL_MIN乘以串联的蓄电池数。以先前包含3个串联蓄电池的电池组为例，其VPACK_MIN为3×VCELL_MIN。
虽然制造时有筛选特性相近的蓄电池组装在同一电池组，但是由于工艺误差，电池组内每一蓄电池的物理特性与老化速度并不完全一致。因此，个别蓄电池间充电或放电电压与时间关系曲线的差异会随着使用时间增加越来越大，导致原先设定电池组的VPACK_MAX与VPACK_MIN不足以避免个别蓄电池过度充电或过度放电。
举例来说，3个串联的蓄电池C1～C3充电电压与时间关系曲线的差异，导致跨压VC1可能会超过上限操作电压值VCELL_MAX，亦即现有技术的蓄电池C1在定电压周期Tv时会呈现过度充电状态，如图1所示；在放电周期的时间点T1时，跨压VC1可能会低于最小跨压VCELL_MIN，亦即现有技术的蓄电池C1在时间点T1和T2之间会呈现过度放电状态，如图2所示。
换而言之，由于每个蓄电池的容量和内阻等特性的区别，容量较大的蓄电池容易处于浅充电/浅放电状态，而容量较小的蓄电池容易处于过度充电/过度放电状态。在长时间处于不同程度的充电/放电状态后，每一蓄电池之间的性能参数差异越来越大，容量较小的蓄电池容易提前失效，即使其它容量较大的蓄电池还能正常运作，电池组的整体效能往往快速地降低，大幅缩短电池组的使用寿命。
在一种现有技术的电池组中，每一蓄电池上附加一个并联均衡电路，以达到分流的作用。当某个每一蓄电池首先达到满充状态时，均衡装置能阻止其进入过充状态，并将多余的能量转化成热能以继续对尚未充满的蓄电池充电。此现有技术提供一种均衡充电的方法，但需额外设置均衡电路，且会造成额外的能量损耗。
在另一种现有技术的电池组中，在充电时会使用较低的充电电流，因此能减缓蓄电池的老化速度。然而，此现有技术无法充分运作于多个串联蓄电池的电池组，因为在串联情况下，个别蓄电池依旧可能产生过度充电或过度放电的状态。
发明内容
本发明提供一种控制一电池组的电源状态的方法，其包含测量该电池组中多个蓄电池的跨压；如果每一蓄电池的跨压皆未超过一单一蓄电池上限操作电压值，以一第一电压对该电池组进行充电；以及若该电池组中任一蓄电池的跨压不小于该单一蓄电池上限操作电压值，以一第二电压对该电池组进行充电，其中该第二电压小于该第一电压。
本发明还提供一种智能型电池装置，其包含一电池组，其包含多个蓄电池；一电池管理集成电路，用来测量该多个蓄电池的跨压，并依此控制一充电器，其中若每一蓄电池的跨压皆未超过一单一蓄电池上限操作电压值，该充电器以一第一电压对该电池组充电；以及若该电池组中任一蓄电池的跨压不小于该单一蓄电池上限操作电压值，该充电器以一第二电压对该电池组充电，且该第二电压小于该第一电压。
附图说明
图1为现有技术中一电池组在充电时的电压与时间关系曲线示意图。
图2为现有技术中一电池组在放电时的电压与时间关系曲线示意图。
图3为本发明中一种智能型电池装置的功能方块图。
图4为本发明中一种控制电池组电源状态方法的流程图。
图5为本发明电池组在充电时的电压与时间关系曲线示意图。
图6为本发明电池组在放电时的电压与时间关系曲线示意图。
【主要元件符号说明】
10                    电池组
12                    模拟/数字转换器
14                    库仑计数器
16                    开关控制电路
18                    存储器
22                    微处理器
20                电池管理集成电路
30                保险丝
40                开关
50                电流感测电阻
60                热敏电阻
70                显示单元
80                系统管理总线
100               智能型电池装置
200               智能型充电器
410               至480步骤
C1至CN            蓄电池
具体实施方式
图3为本发明中一种智能型电池(smart battery)装置100的功能方块图。智能型电池装置100包含一电池组10、一电池管理集成电路20、一保险丝30、一开关40、一电流感测电阻50、一热敏电阻60、一显示单元70，以及一系统管理总线80(system management bus，SMB)。
电池组10包含多个蓄电池C1～CN，其可被排成串联、并联，或是串联并联的任意组合。图3显示了串联的实施例，电池组10整体跨压由VPACK来表示，蓄电池C1～CN的跨压分别由VC1～VCN来表示，而流经电池组10的电流则由IPACK来表示。电池组10的正端可通过保险丝30和开关40电性连接至一智能型充电器200，而电池组10的负端可通过电流感测电阻50电性连接至智能型充电器200。
电池管理集成电路20包含一模拟/数字转换器12、一库仑计数器14、一开关控制电路16、一存储器18，以及一微处理器22。模拟数字转换器12可用来监控蓄电池C1～CN的跨压VC1～VCN和热敏电阻60的跨压(相关于电池组10的温度)，库仑计数器14可监控电流感测电阻50的跨压(相关于电池组10的电流IPACK)，使得微处理器20能依此控制开关控制电路16的运作。开关控制电路16可控制保险丝30和开关40，以防止突发的过量电流/电压或过高温度损害电池组10。另一方面，电池管理集成电路20可通过系统管理总线80将电池组10的相关数据(如电压、电流、温度、容量等)与需要的充电电压和充电电流信息送出，智能型充电器200再依此调节输出。存储器18可存储电池组10的充电特性、使用历史、固件及数据库等。显示单元70可包含多个发光二极管，用来显示电池组10的容量或安全状态。
图4的流程图说明了本发明中一种控制电池组100电源状态的方法，其包含下列步骤：
步骤410：测量电池组100中蓄电池C1～CN的跨压VC1～VCN；
步骤420：判断是否在充电模式：若是，执行步骤430；如果否，执行步骤460。
步骤430：判断跨压VC1～VCN是否皆小于一上限操作电压值VCELL_MAX：若是，执行步骤440；如果否，执行步骤450。
步骤440：将智能型充电器200的充电电压设为一上限操作电压值VPACK_MAX。
步骤450：将智能型充电器200的充电电压设为当时跨压VC1～VCN的加总。
步骤460：判断跨压VC1～VCN是否皆大于一下限操作电压值VCELL_MIN：若是，执行步骤470；如果否，执行步骤480。
步骤470：导通开关40以允许电池组100持续放电。
步骤480：断开开关40以使电池组100停止放电。
本发明以上步骤可以在电池管理集成电路20或智能型充电器200或另一联接于系统管理总线80的主机每隔一段时间(例如每秒)执行一次。首先在步骤410中，测量电池组100中蓄电池C1～CN的跨压VC1～VCN。接着在步骤420中，判断电池组100是否正在充电中。
当电池组100在充电模式下，本发明会执行步骤430、440或450，图5为本发明电池组100在充电时的电压与时间关系曲线示意图。假设本发明电池组100包含3个串联的蓄电池C1～C3，在充电时依序以一段定电流周期Ti和一段定电压周期Tv来进行。电池组100的上限操作电压值为VPACK_MAX，而电池组100的下限操作电压值为VPACK_MIN。单一蓄电池的上限操作电压值为VCELL_MAX，而单一蓄电池的下限操作电压值为VCELL_MIN。
在定电流周期Ti时，智能型充电器200会将流经电池组10的电流值IPACK来维持在预设的充电电流值，或者根据电池管理集成电路20通过系统管理总线80传送的充电电流信息来调节智能型充电器200的输出电流值，此时跨压VPACK和VC1～VC3会逐渐上升。
当VC1～VC3的值其中之一到达上限操作电压值VCELL_MAX，此时VPACK＝VC1+VC2+...+VCN≤VPACK_MAX，则进入定电压周期Tv。智能型充电器200会将其输出的充电电压VCHG至维持恒定等于当时VC1～VCN的值加总，直到充电终止。此时电池组10的跨压VPACK的值等于VCHG，而且VPACK≤VPACK_MAX，如图5所示。因此，本发明可避免蓄电池C1进入过度充电状态减少其使用寿命，进而延长电池组100的使用寿命。
当电池组100不在充电模式下时，本发明会先执行步骤460，图6为本发明电池组100在放电时的电压与时间关系曲线示意图。在放电时，当VC1～VC3的值其中之一到达下限操作电压值VCELL_MIM时，本发明电池组100会立即执行步骤480以停止电池组100放电，如图6所示。举例来说，电池管理集成电路20的开关控制电路16可通过开关40来切断电池组10的放电路径。因此，本发明可避免蓄电池C1因进入过度放电状态而减少其使用寿命，进而延长电池组100的使用寿命。
综上所述，本发明可确保电池组中所有蓄电池不会进入过度充电状态和过度放电状态，进而避免造成单一蓄电池过早损坏，进而延长电池组的使用寿命。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种控制一电池组的一电源状态的方法，其包含：
测量该电池组中多个蓄电池的跨压；
如果每一蓄电池的跨压皆未超过一单一蓄电池上限操作电压值，以一第一电压对该电池组进行充电；以及
如果该电池组中任一蓄电池的跨压不小于该单一蓄电池上限操作电压值，以一第二电压对该电池组进行充电，其中该第二电压小于该第一电压。
2.如权利要求1所述的方法，其中该第一电压为该电池组的一上限操作电压，而该第二电压为所有蓄电池的跨压加总。
3.如权利要求1所述的方法，其还包含：
如果每一蓄电池的跨压皆超过一单一蓄电池下限操作电压值，允许该电池组持续放电；以及
如果该电池组中任一蓄电池的跨压不大于该单一蓄电池下限操作电压值，该电池组停止放电。
4.一种智能型电池装置，其包含：
一电池组，其包含多个蓄电池；以及
一电池管理集成电路，用来测量该多个蓄电池的跨压，并依此控制一智能型充电器，其中：
如果每一蓄电池的跨压皆未超过一单一蓄电池上限操作电压值，该充电器以一第一电压对该电池组充电；以及
如果该电池组中任一蓄电池的跨压不小于该单一蓄电池上限操作电压值，该充电器以一第二电压对该电池组充电，且该第二电压小于该第一电压。
5.如权利要求4所述的智能型电池装置，其中该第一电压为该电池组的一上限操作电压，而该第二电压为所有蓄电池的跨压加总。
6.如权利要求4所述的智能型电池装置，其中该电池管理集成电路还用来在该电池组中任一蓄电池的跨压不大于一单一蓄电池下限操作电压值时，切断该电池组的一放电路径。
7.如权利要求4所述的智能型电池装置，其还包含：
一开关或一保险丝，设置于该电池组和该智能型充电器之间；
一电流感测电阻，设置于该电池组和该智能型充电器之间，用来检测流经该电池组的一电流；以及
一热敏电阻，用来检测该电池组的一温度。
8.如权利要求7所述的智能型电池装置，其中该电池管理集成电路包含：
一模拟/数字转换器，用来检测该多个蓄电池的跨压和该热敏电阻的跨压；
一库伦计数器，用来检测该电流感测电阻的跨压；
一开关控制电路，用来控制该保险丝或该开关，以防止一突发过大电流、一突发过高/低电压或一过高温度损害该电池组；以及
一微处理器，用来分析该模拟/数字转换器和该计数器检测到的数据，并依此控制该开关控制电路。
9.如权利要求8所述的智能型电池装置，其中该开关控制电路还依据该热敏电阻的跨压、该电流感测电阻的跨压，该电池组的跨压，或该多个蓄电池的跨压来控制该开关或该保险丝。
10.如权利要求4所述的智能型电池装置，其还包含一系统管理总线(system management bus，SMB)，设置于该电池管理集成电路和该智能型充电器之间。
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