TW201840086A - 電池裝置及電池保護方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供一種電池裝置，包括：一電池組，包括一或多個電池芯；一保險裝置；一電池管理電路，用以管理該電池組之充電及放電、以及該保險裝置；以及一電池保護電路，其中當該電池裝置處於一充電模式，該電池保護電路係定時檢查並計算該電池組之一直流充電內阻，且同時判斷該電池組之一操作溫度，並決定該操作溫度所相應之一溫度區間，其中當該電池保護電路判斷該直流充電內阻大於該溫度區間所相應之一預定倍數乘以一第一閥值時，該電池保護電路係通知該電池管理電路斷開該保險裝置。

Description

電池裝置及電池保護方法
本發明係有關於電池保護電路，特別是有關於一種電池裝置及電池保護方法。
現今的可攜式電子產品中，例如是智慧型手機、平板電腦、及筆記型電腦等等，均需要使用電池以提供電力。然而，現今市面上的可攜式電子產品經常發生電池爆炸的事件，不論是新上市的產品或是舊的產品，都有機會發生電池自燃或是在充電中燒毀的事件。因此，這表示目前市面上可攜式電子產品的電池設計並非絕對安全。
因此，需要一種電池裝置及其電池保護方法以解決上述問題並增加電池使用之安全性。
本發明係提供一種電池裝置，包括：一電池組，包括一或多個電池芯；一保險裝置；一電池管理電路，用以管理該電池組之充電及放電、以及該保險裝置；以及一電池保護電路，其中當該電池裝置處於一充電模式，該電池保護電路係定時檢查並計算該電池組之一直流充電內阻，且同時判斷該電 池組之一操作溫度，並決定該操作溫度所相應之一溫度區間，其中當該電池保護電路判斷該直流充電內阻大於該溫度區間所相應之一預定倍數乘以一第一閥值時，該電池保護電路係通知該電池管理電路斷開該保險裝置。
本發明更提供一種電池保護方法，用於一電池裝置，該電池裝置包括一電池組、一保險裝置、一電池管理電路、及一電池保護電路，該方法包括下列步驟：當該電池裝置處於一充電模式時，利用該電池保護電路執行下列步驟：定時檢查並計算該電池組之一直流充電內阻；判斷該電池組之一操作溫度，並決定該操作溫度所相應之一溫度區間；當判斷該直流充電內阻大於該溫度區間所相應之一預定倍數乘以一第一閥值時，通知該電池管理電路斷開該保險裝置。
100‧‧‧電池裝置
110‧‧‧電池管理電路
111‧‧‧電池保護電路
120‧‧‧輔助電池管理電路
130‧‧‧保護裝置
131‧‧‧充電開關
132‧‧‧放電開關
133‧‧‧感測電阻
140‧‧‧電池組
140A~140D‧‧‧電池芯
Vref‧‧‧參考電壓
Q1‧‧‧電晶體
D1‧‧‧二極體
D2‧‧‧蕭基二極體
R1、R2‧‧‧電阻
C1‧‧‧電容
A、B、C、D、E‧‧‧節點
P+‧‧‧正輸入端
P-‧‧‧負輸入端
SMBUS_Clock‧‧‧匯流排時鐘信號
SMBUS_Data‧‧‧匯流排資料信號
Battery_ID‧‧‧電池辨識碼
System_ID‧‧‧系統辨識碼
S410-S430‧‧‧步驟
第1圖係顯示依據本發明一實施例中之電池裝置之功能方塊圖。
第2圖係顯示依據本發明一實施例中之電池保護電路的等效電路圖。
第3圖係顯示依據第2圖之實施例中之基本應用原理的等效電路圖。
第4圖係顯示依據本發明一實施例中之電池保護方法的流程圖。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
首先，需了解的是、不同類型的電池會具有不同的電池內阻。即使是相同類型的電池，也有可能由於內部之化學特性不同，而導致其電池內阻不同。一般而言，在正常情況下，電池內阻小的電池之電池其放電能力較強，電池內阻大的電池其放電能力較弱。在大部分的情況下，電池容量較大之電池，其電池內阻較小，且在溫度較低時，其電池內阻較大。
對於可充電電池(rechargeable battery)來說，其在出廠時的電池內阻是比較小的，但經過長期使用之後，由於電池內部之電解液的枯竭及電池內部之化學物質之活性降低，其電池內阻會逐漸增加，直到其電池內阻大到電池內部之電量無法正常釋放，此時即可將此電池視為壽命終止。
需了解的是，電池內阻並非一固定值，而是可分為兩種類型，例如為充電內阻及放電內阻。其中充電內阻係指電池充滿電時所測量到的電池內阻，放電內阻則是指電池放電後(例如放電至標準的截止電壓時)所測量到的電池內阻。
在一般情況下，放電內阻是不穩定的數值，且測量的結果也會比正常的電池內阻高出許多。相對地，充電內阻之數值則較為穩定，故在電池的測量過程中，通常都以充電內阻做為測量的標準。
第1圖係顯示依據本發明一實施例中之電池裝置 之功能方塊圖。如第1圖所示，電池裝置100包括電池管理電路110、電池保護電路111、輔助電池管理電路120、保護裝置130、充電開關131、放電關關132、感測電阻133、以及一電池組140，其中電池管理電路110係可偵測整個電池裝置100之各種狀態，例如充放電電流、溫度、電池內阻等等，並控制電池組140之充放電，例如可分別透過充電開關131及放電開關132以控制電池組140之充電及放電，並可控制保險裝置130(例如是一保險絲)斷開。舉例來說，電池管理電路110例如可為一電池電力量測積體電路(Gas Gauge IC)。在一些實施例中、電池保護電路111可為單獨的保護電路用以偵測電池組140之狀態，並進行電池管理電路110的功能之外的額外電池保護機制。在一些實施例中，電池保護電路111亦可整合至電池管理電路110(例如為電池電力量測積體電路)之中。
輔助電池管理電路120則可偵測在電池組140中之各電池芯(cell)140A~140D之電流。若有任何一個電池芯之電流產生異常，則輔助電池管理電路120可控制保護裝置130(例如可為一保險絲或切換電路)切換至斷路狀態，藉以確保電池組140不會因為過大的電流而導致意外。
表1係繪示使用一特定電池芯以在不同情況下所量測的直流充電內阻(direct current internal impedance，DCIR)，且其充電電流/放電電流之條件為0.5C/0.5C。對於放電電流來說，1C之定義為電池容量於1小時內放完電所需的電流大小。對於充電電流來說，1C之定義為電池容量於1小時內充滿電所需的電流大小。一般而言，充電電流/放電電流取0.5C 及0.5C為最適合之條件。
表1中所使用的電池芯係以Prismatic Cell 496080 3S1P w/o PCB之情況為例，並在不同情況下量測其直流充電內阻。舉例來說，充電循環次數可為1、100、200、300、400、及500次，500次為在一般使用情況下的電池壽命。且電池芯之操作溫度可在10、25、及45℃之情況。
從表1中可得知，若溫度相同的情況下，電池芯的充電循環次數增加，其直流充電內阻約增加1倍左右，例如在10℃的情況下，直流充電內阻從308mohm增加至618mohm。在25℃的情況下，直流充電內阻從250mohm增加至482mohm。在45℃的情況下，直流充電內阻從200mohm增加至340mohm。
若以相同的充電循環次數來看，當電池芯的操作溫度愈高，其直流充電內阻就愈低。此外，電池芯之直流充電內阻一旦增加之後，並無法降低其直流充電內阻。
表2係繪示使用一特定電池芯以在不同情況下所量測的交流充電內阻，且其充電電流/放電電流之條件為0.5C/0.5C。
從表2中可得知，若溫度相同的情況下，電池芯的充電循環次數增加，其直流充電內阻幾乎維持不變。在相同的充電循環次數下，其交流充電內阻亦變動不大。
因此，本案中之電池保護電路111之計算係以直流充電內阻為準，更有利於電池之管理及保護。更進一步而言，本發明中係可預先建立在不同充電循環次數及不同操作溫度下之直流充電內阻的關係表，例如表1，並先計算在最差情況(worst case)下的直流充電內阻，例如在充電循環次數為1且操作溫度為45時的直流充電內阻，例如為200mohm，以及操作溫度為10且充電循環次數為500次時的直流充電內阻，例如為618mohm。舉例來說，在最差情況下之兩個不同的直流充電內阻可做為直流充電內阻之第一閥值(例如200mohm)及第二閥值(例如618mohm)。
本發明更依據所計算出之不同情況下的直流充電內阻之關係來決定電池組140是否有產生異常情況。一般而言，電池組140在正常使用下的直流充電內阻並不會超過最差情況下的直流充電內阻。若電池組140在某些正常操作情況下的直流充電內阻超過最差情況下的直流充電內阻，則可判斷電池組140已發生異常，故電池保護電路111可採取相應的預防措施以中止電池之使用功能。
在一實施例中，電池保護電路111係可通知電池管 理電路110對電池組140施加一個固定頻率及固定電流，例如可使用1KHz及50mA之充電電流，接著對電池組140之電壓進行取樣，並經過整流及濾波等相關電路處理後通過一運算電路計算出電池組140之直流充電內阻值。上述流程之細節將詳述於後。
第2圖係顯示依據本發明一實施例中之電池保護電路的等效電路圖。如第2圖所示，Vref為參考電壓，其連接至運算放大器210之正輸入端。運算放大器210之供電端係分別連接至電池的陰極(cathode)及陽極(anode)。本發明領域中具有通常知識者當可了解在本發明第2圖中之各個電路元件可用相應的電路實現，或其他具有相同功能之等效電路實現。
第3圖係顯示依據第2圖之實施例中之基本應用原理的等效電路圖。第2圖中之電源管理電路例如可用第3圖之基本應用原理的等效電路圖來進行相關說明。
請同時對照第1圖及第3圖。第1圖中之A節點係連接至電池裝置100所連接之電子裝置的的正輸入端P+，E節點係連接至電池裝置100所連接之電子裝置的的負輸入端P-。B節點及D節點則分別位於電池組140之兩端，C節點則位於電池管理電路110中，用以偵測電池組140之其中一端(D節點)的狀態。此外，電池管理電路110亦連接至所連接之電子裝置的匯流排(例如SMBUS)之匯流排時鐘信號SMBUS_CLOCK及匯流排資料信號SMBUS_DATA，且亦可透過E節點傳送電池辨識碼Battery_ID至電子裝置並可從電子裝置取得系統辨識碼System_ID。
如第3圖所示，電池組140之直流充電內阻，意即B 節點及D節點之間的電阻，約可用一等效電阻R1來表示。D節點及E節點之間的電阻約可用一等效電阻R2來表示。第2圖中之運算放大器210則可利用一蕭基二極體以做為等效元件。第2圖中之電晶體及二極體則可用一電容以做為等效元件。
因此，若C節點之電壓為VC，D節點之電壓為VD，從第3圖之電路可計算出C節點之電壓VC=(1+R1/R2)VD。若依表1中之同樣的電池芯Prismatic Cell 496080為例，在施加充電電流的情況下，A節點至B節點之間的電阻值約為充電開關及放電開關之電阻值串聯(4.5mohm*2)再加上保護裝置之電阻值(約為1mohm)，共約10mohm。B節點至D節點之間的電阻值即為電池組140之直流充電內阻，正常情況應介於200mohm至618ohm之間。D節點至E節點之間的電阻值R2即為感測電阻133之電阻值，約為10mohm。D節點之電壓VD為內建參考電位，約為1.25V。B節點同樣亦有連接至電池管理電路110，故可視為等同於C節點。
更進一步而言，在一實施例中、為了達到判斷電池組之異常狀態的高準確率，電池保護電路111係量測電池組140之充電容量分別為50%及100%時的直流充電內阻。一般而言，電池在充電容量為50%及100%時係具有相當穩定的充電電流，意即其相應的直流充電內阻之變化亦相當穩定。
舉例來說，當電池組140之充電容量為50%時，電池保護電路111係可通知電池管理電路110對電池組140施加一充電電流Icharge50(例如為50mA)，且會先量測施加充電電流前的電池組140之兩端的電壓Vpack_50A，以及施加充電電流10秒後的 電池組140之兩端的電壓Vpack_50B。故電池保護電路111可由下列方程式計算出在電池組140之充電容量為50%時的直流充電內阻DCIR50%：DCIR50%=(Vpack_50A-Vpack_50B)/Icharge50 (1)
類似地，當電池組140之充電容量為100%時，電池保護電路111係可通知電池管理電路110對電池組140施加一充電電流Icharge100(例如為200mA或0.1C)，且會先量測施加充電電流前的電池組140之兩端的電壓Vpack_100A，以及施加充電電流10秒後的電池組140之兩端的電壓Vpack_100B。故電池保護電路111可由下列方程式計算出在電池組140之充電容量為100%時的直流充電內阻DCIR100%：DCIR100%=(Vpack_100A-Vpack_100B)/Icharge100 (2)
若在電池組140之電池容量到達50%或100%時所量測到的直流充電內阻值是異常的，則可在充電模式下就可偵測到該異常情況，因此得以事先採取保護措施，例如斷開保護裝置。
在一些實施例中，電池保護電路111係可定時通知電池管理電路110以施加充電電流至電池組140，且電池保護電路111得以定時量測電池組140在不同時間下的直流充電內阻。此時，電池保護電路111即可依據表1中所預先設定之各種直流充電內阻之數值來判斷電池組140是否已出現異常情況。
現今的電源電力偵測積體電路均是偵測放電時阻抗與OCV@T的對照補償點，OCV係表示開路電壓(open circuit voltage，OCV)。例如OCV可為放電深度(Depth of Discharge， DOD)及時間T之函數。此外，現今的電源電力偵測積體電路利用此技術來計算電池剩餘容量均是特別針對放電時的情況，與本發明來預測爆炸或預測異常之技術不同，本發明更可用於充電與靜置時的情況。
第4圖係顯示依據本發明一實施例中之電池保護方法的流程圖。在一實施例中，本發明係可依據操作溫度以及所量測出的直流充電內阻是否超過一預定直流充電內阻之一特定倍數來判斷電池組140是否產生異常狀態。
舉例來說，此處搭配表1進行說明，當操作溫度介於0至15℃之間，判斷目前直流充電內阻是否為第一閥值(例如為200mohm)之3倍。若是，則判斷電池組140為異常，並斷開保護裝置。當操作溫度介於16至35℃之間，判斷目前直流充電內阻是否為第一閥值(例如為200mohm)之2.5倍。若是，則判斷電池組140為異常，並斷開保護裝置。當操作溫度介於36至60℃之間，判斷目前直流充電內阻是否為第一閥值(例如為200mohm)之2倍。若是，則判斷電池組140為異常，並斷開保護裝置。若在上述情況下均判斷電池組無異常，則會持續定時偵測電池組140之直流充電內阻，並進行相應的判斷。若操作溫度超過60度，則電池管理電路110則會直接停止電池組140之使用以避免危險。需注意的是，上述不同情況所使用之第一閥值之倍數可視實際情況調整。
在步驟S410，判斷是否進入充電模式？若是，則執行步驟S412，若否，該此流程結束。
在步驟S412，定時檢查電池組之直流充電內阻。
在步驟S414，計算電池組之直流充電內阻。電池組之直流充電內阻之計算方式係可參考前述實施例，例如可在電池組之不同剩餘電量時進行不同的量測方式。
在步驟S416，檢查電池裝置之一目前操作溫度。當該目前操作溫度介於0至15℃，則執行步驟S418。當該目前操作溫度介於16至35℃，則執行步驟S420。當該目前操作溫度介於36至60℃，則執行步驟S422。
在步驟S418，判斷電池組之直流充電內阻是否超過第一閥值T1之一第一倍數(例如3倍)，若是，則執行步驟S430。若否，則回到步驟S412。
在步驟S420，判斷電池組之直流充電內阻是否超過第一閥值T1之一第二倍數(例如2.5倍)，若是，則執行步驟S430。若否，則回到步驟S412。
在步驟S422，判斷電池組之直流充電內阻是否超過第一閥值T1之一第三倍數(例如2倍)，若是，則執行步驟S430。若否，則回到步驟S412。需注意的是，在步驟S418~S422中所述之第一倍數、第二倍數、及第三倍數可依實際情況進行調整。
在步驟S430，斷開保護裝置。執行此步驟S430即表示偵測到電池組140之直流充電內阻已產生異常情況，故需要斷開保護裝置(例如熔斷保險絲)以避免電池裝置產生危險。
綜上所述，本發明係提供一種電池裝置及其電池保護方法，且電池保護電路111其可在電池裝置中之電源管理電路(例如可為電源電力偵測積體電路)110之保護機制之外再 提供額外的電池保護機制。本發明係可透過偵測電池組140之直流充電內阻並在不同的操作溫度下進行相應的判斷，藉以偵測電池組是否產生異常情況。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

  1. 一種電池裝置，包括：一電池組，包括一或多個電池芯；一保險裝置；一電池管理電路，用以管理該電池組之充電及放電、以及該保險裝置；以及一電池保護電路，其中當該電池裝置處於一充電模式，該電池保護電路係定時檢查並計算該電池組之一直流充電內阻，且同時判斷該電池組之一操作溫度，並決定該操作溫度所相應之一溫度區間，其中當該電池保護電路判斷該直流充電內阻大於該溫度區間所相應之一預定倍數乘以一第一閥值時，該電池保護電路係通知該電池管理電路斷開該保險裝置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池裝置，其中該電池管理電路係判斷該電池組之一剩餘電量比例，並依據該剩餘電量比例決定所施加於該電池組之一充電電流，且該電池保護電路更偵測該電池組之兩端在被施加該充電電流前之一第一電壓以及在被施加該充電電流後之一預定時間後之一第二電壓，並將該第一電壓及該第二電壓之一差值除以該充電電流以得到該直流充電內阻。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電池裝置，其中該剩餘電量比例為50%或100%。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電池裝置，其中該電池組之該操作溫度係分為一第一溫度區間、一第二溫度區間、及一第三溫度區間，且該第一溫度區間、該第二溫度區間、及該第三溫度區間分別具有相應之一第一倍數、一第二倍數、及一第三倍數。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電池裝置，其中該第一溫度區間、該第二溫度區間、及該第三溫度區間分別為0至15℃、16至35℃、及36至60℃，且當該操作溫度超過該第三溫度區間時，該電池管理電路係直接斷開該保險裝置。
  6. 一種電池保護方法，用於一電池裝置，該電池裝置包括一電池組、一保險裝置、一電池管理電路、及一電池保護電路，該方法包括：當該電池裝置處於一充電模式時，利用該電池保護電路執行下列步驟：定時檢查並計算該電池組之一直流充電內阻；判斷該電池組之一操作溫度，並決定該操作溫度所相應之一溫度區間；當判斷該直流充電內阻大於該溫度區間所相應之一預定倍數乘以一第一閥值時，通知該電池管理電路斷開該保險裝置。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電池保護方法，更包括：利用該電池管理電路係判斷該電池組之一剩餘電量比例，並依據該剩餘電量比例決定所施加於該電池組之一 充電電流；以及利用該電池保護電路偵測該電池組之兩端在被施加該充電電流前之一第一電壓以及在被施加該充電電流後之一預定時間後之一第二電壓，並將該第一電壓及該第二電壓之一差值除以該充電電流以得到該直流充電內阻。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電池保護方法，其中該剩餘電量比例為50%或100%。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之電池保護方法，其中該電池組之該操作溫度係分為一第一溫度區間、一第二溫度區間、及一第三溫度區間，且該第一溫度區間、該第二溫度區間、及該第三溫度區間分別具有相應之一第一倍數、一第二倍數、及一第三倍數。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電池保護方法，其中該第一溫度區間、該第二溫度區間、及該第三溫度區間分別為0至15℃、16至35℃、及36至60℃，且該方法更包括：當該操作溫度超過該第三溫度區間時，利用該電池管理電路直接斷開該保險裝置。
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