CN1794001A - 通过测量输入充电电压来检验智能电池故障的方法及相关系统 - Google Patents

通过测量输入充电电压来检验智能电池故障的方法及相关系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通过测量输入充电电压和相关系统来检验智能电池的充电故障的方法和相关系统。在一个实施例中，通过利用模拟转数字(A/D)端口测量输入的充电电压来确定充电电流是不是指示电池故障。只要所测量的输入充电电压低于电池组电压或者某一设定电压值，无论哪一个值较高，BMU将认为充电电流检测是错误的故障表示。如果测量的充电电压高于电池组电压或者设定的电压值，无论哪一个值较低，BMU将认为充电电流检测是真实的故障表示。如所期望的那样，然后BMU能够使电池失效或者在使电池失效之前执行其它检验步骤。

Description

通过测量输入充电电压来检验智能电池故障的方法及相关系统
技术领域
本发明涉及信息处理系统的智能电池，并且尤其涉及在这种智能电池中的故障检测。
背景技术
随着信息价值和信息使用的持续增加，个人和商业用户开始寻求另外的方法处理和存储信息。用户可用的一个选择是信息处理系统。信息处理系统通常处理、编译、存储和/或传输信息或者数据而用于商业、个人或者其它的目的，因此允许用户利用信息的价值。因为技术和信息处理在不同的用户或者应用之间需要和要求不同，因此信息处理系统也可以关于何种信息被处理，怎样处理信息，多少信息被处理、存储或者传输，以及信息如何快地和有效地被处理、存储或者传输而变化。信息处理系统中的变化考虑了信息处理系统是通用型的或者是为特别用户或为如金融交易处理、航空预定、企业数据存储或者全球通讯的特别应用而配置的。此外，信息处理系统可以包括多种可配置成处理、存储和传输信息的硬件和软件部分，并且可以包括一个或者多个计算机系统、数据存储系统和网络系统。
一些诸如膝上型计算机系统的信息处理系统具有利用一个或者多个电池作为电源的能力。此外，这些相同的系统也可以经常利用通过耦接到电力网的电源转换器，如插进墙装插座的交流转直流(AC/DC)转换器而获得的电源。当将该系统插入所述墙装插座时，系统中的电池同时能够充电。随着电池技术的改进，电池已经变得更智能化，因为它们包括管理它们的运行和将关于电池的运行条件报告给外部电路的电路，如微处理器。这些智能化的电池经常叫做“智能”电池。许多智能电池具有监控充电处理的能力，并且许多电池具有故障检测装置以确定电池何时发生故障。为了保护用户，如果已经检测到危险的故障那么智能电池可以被设置为使自身永久地失效。
某些电流电池组取决于充电场效应晶体管(C-FET)和放电FET(D-FET)控制电池的正常充电和放电功能。电池保护典型地由电池管理单元(BMU)管理。如果检测到电池系统发生故障(诸如超电压充电或者过载)或者电池组的电池发生故障，那么现有的这些电池组系统中的BMU或者暂时使C-FET和D-FET失效从而断开电池组与系统的连接，或者通过烧断失效保险丝使该电池组永久失效。
关于这个BMU操作的一个重大问题是由于对电池故障的错误检测可能会引起电池失效。这个错误检测能够导致由于错误的故障检测已经被无效的运行电池组非常多的场复原(return)。例如，对电池故障的错误检测可能经常是由于暂时的环境事件，如强烈的电磁干扰(EMT)、无线电频率(RF)信号和/或其它的电磁(EM)影响而造成的，当应该没有电流存在时，如当电池处于睡眠状态或者放电模式时所述事件会引起小的将被检测到的充电电流。当BMU在这样环境中检测应该是零的充电电流时，由于这个非零的条件被认为是危急保护故障因此BMU经常把该电池归于永久故障模式。应该没有充电电流存在时的充电电流经常与内部电池故障相关联，所述内部电池故障会逐步发展为灾难性事件，如电池短路或者爆炸。同样地，BMU将使该电池失效以保护用户。然而，如果电流的存在是由于如上所述的暂时EM事件引起的，那么使电池的失效将是不必要的。
为了解决这个问题，现有的电池系统已经尝试了不同的解决方案。一个解决方案是为当不正确的充电电流将被认为是可能引起灾难性故障时增加电流保护阈值。另一个解决方案是延长从电池最初检测这个问题的时间到电池最后确定将该电池归于永久故障模式的时间之间的反应时间。这两个解决方案减少了由于EM影响而使电池失效的机会。然而，虽然这些解决方案改进了电池的性能，但这些解决方案也牺牲了安全保护。
所提出另一种解决方案是在电池充电和放电通路中添加一个开关并且检测异常电流持续的时间量。在所添加的开关断开的情况下，如果异常电流能够在预定的时间限度内消失，所述预定的时间限度受BIOS控制，那么故障可被考虑为是暂时的。在这种情况下，电池将不被永久性地失效掉，并且所添加的开关将被再次闭合。然而，这个解决方案具有较高的成本和功率劣势。特别的，这个解决方案由于需要额外的开关从而增加了电池组的损耗并且增加了电池内部的功率消耗，由此增加了电池组的内部温度并且降低了系统可得到的电池容量。
发明内容
本发明提供了一种通过测量输入充电电压来检验智能电池的充电故障的方法以及相关的系统。在一个实施例中，如下面更具体地描述的，本发明通过利用模拟转数字(A/D)端口测量输入的充电电压来确定充电电流是否指示电池故障。只要所测量的输入充电电压低于电池组电压或者某个设定的电压值，无论哪一个值较高，BMU将认为充电电流检测是错误的故障表示。如果所测量的充电电压高于电池组电压或者一个设定的电压值，无论哪一个值较低，BMU将会认为充电电流检测是真实的故障表示。如期望的那样，然后BMU可以使该电池失效或者在使该电池失效之前执行其它检验。
附图说明
应该注意附图仅仅阐释了本发明的典型实施例并且因此不认为限制它的范围，因为本发明可以允许其它等效实施例。
图1是信息处理系统的框图，该信息处理系统具有经由AC/DC转换器或者从电池汲取(draw)功率的能力，所述电池能够通过AC/DC转换器进行充电。
图2是根据本发明的智能电池的框图，所述智能电池利用输入的充电电压检测非永久性充电故障。
图3是能够利用输入电压检测而用在确定非永久性充电故障中的实例处理步骤的流程图。
具体实施方式
为了本公开的目的，信息处理系统可以包括任何手段或者手段集合，以便可操作性地计算、分类、处理、传输、接收、取回、产生、转换、存储、显示、显现、检测、记录、再现、处置或者利用任何形式的信息、智能或者数据而用于商业、科学、控制或者其它的目的。例如，信息处理系统可以是个人计算机、服务器计算机系统、网络存储装置或者任何其它合适的装置并且可以改变大小、形状、性能、功能和价格。该信息处理系统可以包括随机存取存储器(RAM)、一个或者多个处理资源诸如中央处理单元(CPU)或硬件或软件控制逻辑器件、ROM和/或其它类型的非易失性存储器。该信息处理系统另外的组件可以包括一个或者多个盘驱动器，一个或者多个用于与外部装置通信的网络端口以及各种输入和输出(I/O)装置诸如键盘、鼠标和视频显示器。该信息处理系统也可以包括一个或者多个总线以便可操作性地在各种硬件组件之间传输通信。
本发明提供了一种通过测量输入充电电压而检验智能电池的充电故障的方法以及相关的系统。在下面更具体描述的实施例中，利用模拟转数字(A/D)端口测量输入的充电电压来确定充电电流是不是电池故障的表示。只要测量的输入充电电压低于电池组电压或者某个设定电压值，无论哪一个值较高，电池管理单元(BMU)将认为充电电流检测是错误的故障表示。如果所测量的充电电压高于电池组电压或者一个设定的电压值，无论哪一个值较低，BMU将认为充电电流检测是真实的故障表示。然后BMU能够使该电池组失效或者在使该电池失效之前执行其它的检验步骤。应该注意所设定的电压级能被编程，如果希望如此，并且所设定的电压级对于3个电池的组是7.5伏而对于4个电池的组是10伏。
图1是信息处理系统150的框图，该信息处理系统150具有经由AC/DC转换器108或者从电池102汲取功率的能力，所述电池102能够通过AC/DC转换器108进行充电。在所述的实施例中，负载106表示信息处理系统150中的装置和电路，所述装置和电路由电池102或者经由AC/DC转换器108驱动或者提供电力。插头130被配置以插进墙装插座中，所述墙装插座耦接到交流(AC)电力网或者其它AC电源。该AC/DC转换器108将AC电源转换为直流(DC)电源。该AC/DC转换器108的负极端子114B耦接到地。AC/DC转换器108的正极端子114A经由开关124、保护电阻器(R)120和开关126耦接到负载106的正极端子118A。负载106的负极端子118B耦接到地。电池102也将负极端子112B耦接到地。电池102的正极端子经由双向开关122耦接到负载106的正极端子118A和充电器104的正极端子116A。电池102也包括电压输入模数转换器(ADC)100，其将在下面对其进行更具体的描述。充电器104的负极端子116B耦接到地。充电器104也经由保护电阻器(R)120和开关124耦接到AC/DC转换器108的正极端子114A。
在AC电源运行模式中，开关124和126被闭合，并且负载106经由插头130从AC电源获取电力。此外，开关122连接到充电器104的正极端子116A以便电池102能够被充电。如果电池102确实需要充电，用于该电池102的BMU将启动电池102的充电运行模式。在电池的运行模式下，开关124和126被断开，并且开关122连接到负载106的正极端子118A。因此，负载106由电池102提供电力。在这个运行模式下，用于电池102的BMU将启动电池102的放电运行模式。
图2是根据本发明的智能电池102的框图，所述智能电池102测量输入的充电电压以检测非永久充电故障。如上所述，BMU 212包括微控制器205和AFE电路202。BMU 212经由开关216连接到C-FET 218并且经由开关214连接到D-FET 220。在充电运行期间通过闭合开关216接通C-FET 218而在放电运行期间通过断开开关216关掉C-FET218。例如可以使用在它的源极和漏极之间连接有二极管的NMOS功率MOSFET来实现C-FET 218，以在充电运行期间避免电流流进电池组208。在放电运行期间通过闭合开关214接通D-FET 220而在充电期间通过断开开关214关掉D-FET 220。例如可以使用在它的源极和漏极之间连接有二极管的NMOS功率MOSFET来实现D-FET 220，以在充电运行期间避免电流从电池组208流出。失效保险丝206从正极端子112A耦接进输入/输出通路，使得当失效保险丝206熔断时电池102永久地失效。如所描述的那样，BMU 212中的微控制器205被配置为给失效保险丝206提供将引起所述保险丝熔断的控制信号。电流感应电阻器(RCURRENT)210被包括在负极端子112B和电池组208之间的输入/输出通路中。模拟前端(AFE)电路202是BMU 212的一部分并且耦接到电池组208。AFE电路202和微控制器205能够经由连接215而通信。AFE电路202能够被配置为经由连接222，例如经由AFE电路202中的模数转换电路来检测电池组208的电压条件。同时应该注意，如果需要，也可以利用电压输入ADC 100检测电池组电压。如所描述的那样，电池组包括串联连接的三个电池。
AFE电路202包括电流输入ADC 204和电压输入ADC 100。电流输入ADC 204的输入耦接到电流感应电阻器(RCURRENT)210的任一侧。流经电流感应电阻器(RCURRENT)210的电流值能够被确定，例如通过对电流感应电阻器(RCURRENT)210两端的电压降进行数字化，然后除以已知的电阻器(RCURRENT)210的值来确定。电压输入ADC 100的输入耦接到电池102的正极端子112A和负极端子112B。同样地，电压输入ADC 100能够将输入端子处的电压数字值提供给电池102。如上所示，可以使用电压输入ADC 100来检测作为由微控制器205控制的故障检测检验程序的一部分的施加到电池102的输入充电电压。
图3是能利用输入电压检测用在检验充电故障中的实例处理步骤的流程图。在所述的实施例300中，该流程在START方块302处开始。紧接着，在决定方块304中，通过使用电流输入ADC 204来检测充电电流。在描述的实施例中，已经选取10毫安(mA)作为阈值，高于这个阈值将认为充电电流事件已经发生。如果所检测的电流低于10mA，那么流程进入方块318，在这里确定电池组是正常功能状态。然后流程进入结束方块322。应该注意，如所期望的那样，可以根据所期望的运行反应来设置电流的阈值。例如可以选取1mA作为阈值级用于实施例300。
如果在决定方块304中检测的电流高于10mA，那么进入到决定方块306。如果电池处于充电模式，那么流程穿过方块318，在这里如上所述该处理结束。如果电池不是处于充电模式，那么将认为已经检测到可能的电池故障。换句话说，当应该没有电流存在时，则检测到充电电流。那么处理进入到方块308。应该注意如果需要，那么可以去除决定方块306，并且图3的充电故障检验步骤仅当电池不处于充电模式时被执行。另外应该注意如果需要，在不偏离本发明的情况下可以实施其它的运行变化和时间变化。
一旦可能的充电故障已经被表示，方块308就是启动故障检验的步骤。在方块308中，D-FET被关掉，并且通过电压输入ADC 100来测量端子电压。然后流程进入到决定方块310。如果所测量的端子电压大于电池组208的电池组电压并且大于所设定的电压级如7.5伏，那么将认为已经检验到充电故障。然后处理将进入决定方块312的第二次检验步骤。在决定方块310中，如果测量的端子电压低于电池组208的电池组电压并且低于所设定的电压级如7.5伏，那么充电电流检测将被认为是错误的检测，并且将进入到用于错误检测的检验的方块320。在方块320中，将会启动时间延迟，在时间延迟之后D-FET回到接通状态。然后继续回到决定方块304以确定是否仍然存在高于阈值的充电电流。应该注意方块320的时间延迟能够被设定为所期望的。
关于第二次检验步骤，当从决定方块310到达决定方块312时，启动时间延迟，在该时间延迟之后使用电流输入ADC 204再次检测输入充电电流。如果这个充电电流高于阈值级如10mA，那么对于所述实施例，电池故障被认为是存在的。流程继续进入到方块314，在这里例如使用失效保险丝206使电池永久地失效。在决定方块312中，如果充电电流低于阈值级，那么流程进入到方块316，在这里接通D-FET。然后流程继续进入到方块318，在这里如上所述该处理结束。
因此，在运行中关于图3的实施例300存在三个基本阶段。第一个阶段是充电电流监控阶段，其余两个阶段是故障检验阶段。在第一个阶段，使用电流输入ADC 204监控输入的充电电流。当检测到高于所选取的阈值的充电电流时，即某一级别的充电电流流进了电池组208时，则检查电池的运行模式以查看它是否是充电模式。如果电池不处于充电模式，那么启动故障检验处理。第一故障检验利用电压输入ADC100来确定电池102的输入端子112A和112B处的电压。如果这个电压低于电池组电压或者所选取的电压级，那么在非充电运行模式期间充电电流检测被认为是错误的故障检测。流程然后回到监控阶段。然而，如果所检测的电压高于电池组电压和所选取的电压级，那么进入第二故障检验步骤。该第二故障检验步骤利用电流输入ADC 204来确定在所选取的时间延迟之后是否仍然存在高于阈值的充电电流。如果不存在，那么已经发生的是错误故障检测。如果存在，那么故障被确定并且使电池失效。
由本描述来看，本发明另外的实施例和可选实施例对于本领域的普通技术员来说将是明显的。因此，应该认识到本发明不受这些实例配置的限制。因此，本描述被解释为仅仅为了阐释以及为了教导本领域普通技术人员执行本发明的方式的目的。应该理解这里示出的和描述的本发明的形式被视为目前的优选实施例。在执行中和体系结构中可以做出各种改变。例如这里举例的和描述的这些元件可以由等效的元件取代，并且可以独立于其它特征的使用而使用本发明的确定特征，在具有本发明的这个描述的权益之后所有所述这些对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。

Claims (20)

1、一种用于检验信息处理系统的电池中的故障的方法，其包括：
监控电池的充电电流，该电池包括耦接在电池的输入和电池的电池组之间的放电晶体管(D-FET)；
当检测到高于所期望的电流阈值级的充电电流时并且当该电池不是处于充电模式时，关掉D-FET，如果D-FET是接通的，则测量电池的输入端电压级，之后且
利用输入端子电压级测量以帮助确定所检测到的充电电流是否表示充电故障。
2、如权利要求1所述的方法，其进一步包括利用充电电流测量以帮助确定所检测到的充电电流是不是由于充电故障引起的。
3、如权利要求1所述的方法，其中仅仅只有当电池不处于充电模式时监控步骤才被实施。
4、如权利要求1所述的方法，其中不管电池是否处于充电模式监控步骤都被实施，并且进一步包括当检测到充电电流时确定是否电池处于充电模式的步骤。
5、如权利要求1所述的方法，其中所期望的电流阈值级被设定为使得任何检测到的充电电流将满足这个条件。
6、如权利要求1所述的方法，其中所期望的电流阈值级高于大约1mA。
7、如权利要求1所述的方法，其中所述利用进一步比较输入端子电压级和电压阈值级的步骤，如果超过了电压阈值级那么确定充电故障可能已经发生，而如果没有超过电压阈值级那么确定充电故障还没有发生。
8、如权利要求7所述的方法，其中所述电压阈值级包括与电池的电池组相关联的电压级。
9、如权利要求8所述的方法，其中所述电压阈值级进一步包括与一个选取的值相关联的第二电压级，并且其中如果超过两个电压阈值级中的任一个，那么认为充电故障已经发生，而其中如果两个电压阈值级没有一个被超过，那么认为充电故障还没有发生。
10、如权利要求7所述的方法，其中如果充电故障被确定已经发生那么在时间延迟之后重复监控步骤。
11、如权利要求7所述的方法，其中如果充电故障被认为已经发生，那么该方法进一步包括在时间延迟之后利用充电电流测量以帮助确定是否测量的充电电流是由于充电故障引起的。
12、一种利用输入的充电电压检验充电故障的电池，其包括：
正极和负极输入端子；
被耦接以驱动正极和负极输入端子的电池组；
电池管理单元(BMU)，包括微控制器和模拟前端(AFE)电路；
耦接在正极输入端子和电池组之间并且被耦接为由BMU控制的充电晶体管(C-FET)；
耦接在在正极输入端子和电池组之间并且被耦接为由BMU控制的放电晶体管(D-FET)；
耦接在负极输入端子和电池组之间的电流感应电阻器；
耦接到电流感应电阻器的电流输入模数转换器(ADC)；和
耦接到正极和负极输入端子的电压输入模数转换器(ADC)；
其中BMU被设置为利用来自电压输入ADC的充电电压值来检验充电故障。
13、如权利要求12所述的电池，其中所述BMU被设置为监控电池的充电电流，并且被设置为当充电电流被检测为高于阈值时且当电池不处于充电模式时检验充电故障。
14、如权利要求13所述的电池，其中所述BMU进一步被设置为如果充电电压值高于阈值那么确定充电故障可能已经发生。
15、如权利要求14所述的电池，其中所述BMU进一步被设置为如果在时间延迟之后充电电流高于阈值那么确定充电故障已经发生。
16、如权利要求15所述的电池，进一步包括失效保险丝，并且其中BMU被设置为如果BMU确定充电故障已经发生那么熔断失效保险丝。
17、一种被设置为由电池或者由交流转直流(AC/DC)转换器提供电力的信息处理系统，其包括：
交流转直流(AC/DC)转换器；
耦接到AC/DC转换器的负载，该负载表示信息处理系统的耗能电路；
耦接到AC/DC转换器的充电器；
耦接到充电器并且耦接到负载的电池，该电池包括：
正极和负极输入端子；
被耦接以驱动正极和负极输入端子的电池组；
电池管理单元(BMU)，其包括微控制器和模拟前端(AFE)电路；
耦接在正极输入端子和电池组之间并且被耦接为由BMU控制的充电晶体管(C-FET)；
耦接在正极输入端子和电池组之间的并且被耦接为由BMU控制的放电晶体管(D-FET)；
耦接在负极输入端子和电池组之间的电流感应电阻器；
耦接到电阻器的电流输入模数转换器(ADC)；和
耦接到正极和负极输入端子的电压输入模数转换器(ADC)；
其中所述BMU被设置为利用来自电压输入ADC的充电电压值来检验充电故障。
18、如权利要求17所述的信息处理系统，其中BMU被设置为监控电池的充电电流，并且被设置为当检测到高于阈值的充电电流时且当电池没有处于充电模式时检验充电故障。
19、如权利要求18所述的信息处理系统，其中所述BMU进一步被设置为如果充电电压值高于阈值那么确定充电故障可能已经发生。
20、如权利要求19所述的信息处理系统，其中所述BMU进一步被设置为如果在时间延迟之后充电电流高于阈值，那么确定充电故障已经发生。
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