TW201933716A - 電池充放電管理方法及系統 - Google Patents

Abstract

本發明係一種電池充放電管理方法及系統，該電池內部設置鋰電池芯及DC/DC轉換器產生輸入或輸出之I/O電壓、電流，該鋰電池芯於工作電壓範圍內時電池充放電管理方法包括以下模式：a1.充電動作大於設定充電高壓時採過壓保護模式，I/O電壓不能輸入電池內；a2.充電動作電壓小於設定充電高壓，大於最小可充電電壓時為充電模式，I/O電壓可對電池內之鋰電池芯充電；a3.I/O電壓小於最小可充電電壓，大於最大可放電電壓時進入保護模式，不充放電動作；a4.I/O電壓小於最大可放電電壓，大於最小可放電電壓時電池可輸出放電，該I/O電壓包括DC/DC轉換器輸出之內部基準電壓加上根據鋰電池芯實際電壓縮小比例產品之電量指示電壓，又該I/O電壓對應動態負載線特性；a5.鋰電池芯實際電壓低於設定低電量電壓時I/O電壓負載線偏移量放大；a6.I/O電壓小於0V時為負壓保護模式，電池不充放電動作，且I/O端點對地短路提供負向電流回路；藉此本發明可提供較佳電量管理及可量測功效。

Description

電池充放電管理方法及系統

本發明關於一種電池充放電管理方法及系統，主要指一種可充、放電架構，並可管理提供電量指示並具輸出動態負載線特性。

習知乾電池具有一次性或可充電之型式，該一次性電池一般為鋅錳電池，當使用一次後即丟棄因而造成環境汙染及資源浪費缺失，又該可充電電池又多為鎳氫或鎳鎘電池，並可於電量不足時充電使用以具較佳環保及降低購買電池成本功效，然而該鎳氫或鎳鎘電池之輸出電壓約1.2V，較一般一次性電池電壓約1.5V低，造成部分用電產品可能不能採用前述可充電電池，且該用電設備若採用數電池串聯電壓時前述可充電電池之串聯電壓將較一次性電池之串聯電壓差距更大，造成該充電電池之適用性降低情況。

為改進該鎳氫或鎳鎘可充電電池電壓較低缺失，目前具有於電池之外殼內設置鋰電池及DC/DC轉換器結構，並可將鋰電池約3.0～4.2V電壓轉換成1.5V電壓輸出，如圖六所示為習知一架構，係於電池外殼（圖中未顯示）內設置鋰電池芯11’，該鋰電池芯11’電性連接電池負極端10’、保護電路12’、DC/DC轉換器13’，該DC/DC轉換器13’輸出連接電池正極端14’，又於保護電路12’連接充電端15’，該充電端15’設於外殼中央位置，並可具USB接頭（圖中未顯示），並可提供具充電控制器16’之外部裝置輸入5V電壓對鋰電池芯11’充電。

前述架構之充電控制器16’亦可設於電池內，並該DC/DC轉換器13’可設定輸出對應一次性電池約1.5V電壓，且可由充電端15’偵測內建鋰電池11’電量，然而該結構之電池充電端15’必須設置額外接頭（如USB接頭）形成三端架構，且充電時該正極端14’外露，將具安全風險。

圖七所示為習知二結構，係於電池外殼（圖中未顯示）內設置鋰電池芯21’，該鋰電池芯21’連接負極端20’及保護電路22’，該保護電路22’電性連接DC/DC轉換器23’及充電控制器24’，該DC/DC轉換器23’及充電控制器24’電性連接迴路控制器25’，並於迴路控制器25’連接電池正極端26’，當放電時鋰電池芯21’約3.0～4.2V電壓可經保護電路22’、DC/DC轉接器23’、迴路控制器25’至正極端26’輸出，又充電時可由正極端26’、迴路控制器25’、充電控制器24’、保護電路22’對鋰電池芯21’充電。

該架構可由DC/DC轉換器23’穩壓設定輸出約1.5V電壓，並由同一正極端26’充、放電，可具有類同傳統可充電電池相同充電方式功效，可符合一般充電習慣，然而由該正極端26’不能量測鋰電池芯21’電量，造成鋰電池芯21’電量不足時該DC/DC轉換器23’正極端26’將瞬間無輸出，導致因未即時充電使得使用該電池之電器產品不能使用情形，而該瞬間無輸出特性與一般一次性電池會逐步沒電可由使用者認知之情況不同，因而該架構反應電池沒電功能不如一次性電池，又並聯使用時該DC/DC轉換器23’輸出電壓誤差將造成並聯放電僅使用較高電壓電池之不平衡情況，又串聯使用時將由電量最低的電池認定使用時間缺失。

本發明之主要目的在提供一種內建鋰電池芯可充放電，並可具電量指示之方法及架構。

本發明之另一目的在提供含輸出動態負載線特性及低電量指示之方法及架構。

本發明電池充放電管理方法為該鋰電池內部設置鋰電池芯及DC/DC轉換器產生輸入或輸出之I/O電壓、電流，該鋰電池芯於工作電壓範圍內時電池充放電管理方法包括以下模式：a1.充電動作大於設定充電高壓時採過壓保護模式，I/O電壓不能輸入電池內；a2.充電動作電壓小於設定充電高壓，大於最小可充電電壓時為充電模式，I/O電壓可對電池內之鋰電池芯充電；a3.I/O電壓小於最小可充電電壓，大於最大可放電電壓時進入保護模式，不充放電動作；a4.I/O電壓小於最大可放電電壓，大於最小可放電電壓時電池可輸出放電，該I/O電壓包括DC/DC轉換器輸出之內部基準電壓加上根據鋰電池芯實際電壓縮小比例產品之電量指示電壓，又該I/O電壓對應設定輸出負載之動態負載線特性。

進一步，該管理方法之模式更包括；a5.鋰電池芯實際電壓低於設定低電量電壓時I/O電壓負載線偏移量放大；a6.I/O電壓小於0V時為負壓保護模式，電池不充放電動作，且I/O端點對地短路提供負向電流回路。

本發明該a4模式當鋰電池芯電壓大於低電量設定值，且輸出I/O電流大於電量指示電壓輸出設定電流時，I/O電壓等於內部基準電壓＋電量指示電壓－輸出負載電流指示電壓，又該電量指示電壓＝ ((鋰電池芯電壓－鋰電池芯最低電壓) Х 1/(鋰電池芯飽合電壓－鋰電池芯最低電壓)) Х設定範圍電壓，又該輸出負載電流指示電壓為根據輸出一設定輸出負載上之輸出電流對應之電壓。

進一步，本發明更包括一外部檢測裝置，該外部檢測裝置檢測鋰電池芯電量，具以下步驟：b1.令電池I/O輸出電流小於電量指示電壓輸出設置電流，量測電池正、負極端取得內部DC/DC轉換器基準電壓；b2.外部檢測裝置導入設定負載，令電池輸出電流大於電量指示電壓輸出設定電流，量測電池正、負極端取得量測電壓；b3.量測電壓－內部基準電壓取得電量指示電壓，該電量指示電壓轉換取得實際鋰電池芯電壓。

本發明該a5模式之輸出負載指示電壓為根據大於a4模式數倍設定輸出負載上之輸出電流對應之電壓以使I/O電壓負載線偏移量放大。

本發明之電池充放電管理系統，包括一電池殼體連接一正極端、一負極端；一鋰電池芯設於電池殼體內；一充放電管理電路設於電池殼體內，並與電池正、負極端及鋰電池芯正、負極電性連接，該充放電管理電路包括：一雙向DC/DC轉換器，分別電性連接鋰電池芯正、負極及電池正、負極端，具一多工器及核心控制電路；一管理檢測電路，輸入側電性連接鋰電池芯正、負極及電池正、負極端，輸出側連接多工器及核心控制電路；而且該管理檢測電路根據鋰電池芯電壓與DC/DC轉換器輸出內部基準電壓及設定輸出負載電流指示電壓之電量合成訊號輸入多工器及核心控制電路，並使電池正、負極端可反應鋰電池芯電壓。

進一步，該雙向DC/DC轉換器又包括數穩壓開關、一控制開關SW1，又該管理檢測電路包括：一第一電壓電流緩衝放大器，電性連接鋰電池芯及多工器及核心控制電路；一第二電壓電流緩衝放大器，電性連接池輸出正、負極端及多工器及核心控制電路；一充電誤差放大器，比對鋰電池芯電壓及鋰電池芯可容許最大電壓差值放大輸入多工器及核心控制電路；一電量指示電壓等化器，輸入電性連接第一電壓電流緩衝放大器，輸出連接一開關SW1，並輸出產生檢測電流；一放電參考電源合成器，連接開關SW1，該開關SW1由多工器及核心控制電路控制，並連接電量指示電壓等化器及放電參考電源合成器，可產生電量合成訊號；一放電誤差放大器，輸入側連接第二電壓電流緩衝放大器及放電參考電源合成器，輸出側連接多工器及核心控制電路，並將電量合成訊號輸入多工器及核心控制電路。

進一步，該管理檢測電路更包括一放電電流等化器，該放電電流等化器電性連接多工器及核心控制電路、第二電壓電流緩衝放大電路，放電參考電源合成器，又該放電電流等化器具二分別對應鋰電池芯非低電量及低電量不同倍率之設定負載，並使多工器及核心控制電路根據鋰電池芯於非低電量及低電量時選擇對應設定負載產生不同I/O電壓負載線斜率。

本發明針對量測電池電量之方法為該電池內部設置鋰電池芯及DC/DC轉換器產生輸入或輸出之I/O電壓、電流，該鋰電池芯於工作電壓範圍內，且輸出I/O電流大於電量指示電壓輸出設定電流時，I/O電壓等於內部基準電壓＋電量指示電壓－輸出負載電流指示電壓；其中該電量指示電壓＝ ((鋰電池芯電壓－鋰電池芯最低電壓) Х 1/(鋰電池芯飽合電壓－鋰電池芯最低電壓) Х設定範圍電壓，又該輸出負載電流指示電壓為根據輸出一設定輸出負載上之輸出電流對應之電壓；又更包括一外部檢測裝置，該外部檢測裝置檢測鋰電池芯電量，具以下步驟：b1.令電池I/O輸出電流小於電量指示電壓輸出設置電流，量測電池正、負極端取得內部基準電壓；b2.外部檢測裝置導入設定負載，令電池輸出電流大於電量指示電壓輸出設定電流，量測電池正、負極端取得量測電壓；b3.量測電壓－內部基準電壓取得電量指示電壓，該電量指示電壓轉換取得實際鋰電池芯電壓。

本發明電池可為與一般電池相同二端點架構，並可提供使用使由該電池之正、負極端即可量測內部鋰電池芯之實際電量，可防止鋰電池芯電量不足時使用者仍因電池輸出未降低(約1.5V)而誤認電池有足夠電量情形，又本發明可提供在用電產品上電壓快速降低以提供使用者不須量測即可知鋰電池芯沒電，可具較佳低電量辨識功效。

本發明之鋰電池內部設置鋰電池芯及DC/DC轉換器產生輸入或輸出之I/O電壓、電流，該鋰電池芯於工作電壓範圍內（約3V～4.2V）時電池充放電管理方法包括以下模式： a1.充電動作大於設定充電高壓（約5.5V）時採過壓保護模式，I/O電壓不能輸入電池內。 a2.充電動作電壓小於設定充電高壓，大於最小可充電電壓（約4.5V）時為充電模式，I/O電壓可對電池內之鋰電池芯充電。 a3.I/O電壓小於最小可充電電壓，大於最大可放電電壓（約1.6V）時進入保護模式，不充放電動作。 a4.I/O電壓小於最大可放電電壓，大於最小可放電電壓（約1V）時電池可輸出放電，該I/O電壓包括DC/DC轉換器輸出之內部基準電壓加上根據鋰電池芯實際電壓縮小比例產品之電量指示電壓Vgauge，又該I/O電壓對應設定輸出負載動態負載線特性。 a5.鋰電池芯實際電壓低於設定低電量電壓Vbat_Low(約3.2V)時I/O電壓負載線偏移量放大。 a6.I/O電壓小於0V時為負壓保護模式，電池不充放電動作，且I/O端點對地短路提供負向電流回路。

前述a4模式當鋰電池芯電壓Vbat大於低電量設定值(3V)，且輸出電流大於電量指示電壓輸出設定電流(1～10mA)時，I/O電壓為內部基準電壓(約1.5V)＋電量指示電壓Vgauge一輸出負載電流指示電壓Vdrop。

其中該電量指示電壓Vgauge＝((鋰電池芯電壓Vbat－鋰電池芯最低電壓Vbat_Dead 3V) Х 1/(鋰電池芯飽合電壓Vbat_Full4.2V－鋰電池芯最低電壓Vbat_Dead)) Х設定範圍電壓(本實施例設定Vgauge_max＝100mV，例如該鋰電池芯電壓Vbat為3.6V時，該Vgauge電壓為((3.6－3) Х 1/(4.2－3)) Х 100mV＝0.05V。

本發明之電量指示電壓Vgauge採對應目前鋰電池芯之電壓Vbat佔該鋰電池芯輸出電壓範圍之比例後再作設定比率縮小，使得電量指示電壓Vgauge遠小於內部基準電壓(約1.5V)之電壓，因而該電量指示電壓Vgauge加上電池之內部基準電壓(約1.5V)後不會造成輸出I/O電壓大幅增加(本實施例最高為1.6V)，因而可提供一般用電設備電力使用。

本發明a4模式輸出電壓I/O對應動態負載線特性係於鋰電池芯電壓Vbat大於鋰電池低電壓(3.2V)時設定輸出負載Rest，又輸出電流大於電量指示電壓輸出設定電流(1～10mA)時根據電池輸出電流大小計算設定負載線所須偏移量產生輸出負載電流指示電壓Vdrop，使得該電池正、負極端輸出I/O電壓為內部基準電壓(約1.5V)＋電量指示電壓Vgauge一輸出負載電流指示電壓Vdrop。

該輸出負載電流指示電壓Vdrop須在鋰電池芯電壓Vbat小於最大可放電電壓(約1.6V)，大於最小可放電電壓(約1V)時根據輸出一設定輸出負載上Rset上之輸出電流對應之電壓，並具對應動態負壓載線斜率。

本發明可搭配外部檢測裝置檢測鋰電池芯電量，該外部檢測裝置為搭配本發明電池產品之專用檢測裝置，並可搭配本發明電池產品銷售，該外部檢測裝置檢測鋰電池芯電量具以下步驟： b1.令電池I/O輸出電流小於電量指示電壓Vgauge輸出設置電流(約1～10mA)，量測電池正、負極端取得內部DC/DC轉換器基準電壓V01。 b2.外部檢測裝置導入設定負載，令電池輸出I/O電流大於電量指示電壓Vgauge輸出設定電流(約1～10mA)，量測電池正、負極端取得量測電壓V02。 b3.量測電壓V02－內部基準電壓V01取得電量指示電壓Vgauge，該電量指示電壓Vgauge由前述電量指示電壓Vgauge公式轉換取得實際鋰電池芯電壓Vbat。

其中該b1步驟先量測電池內部基準電壓V01避免該內部DC/DC轉換器基準電壓V01偏離理想電壓(1.5V)較大時該b3步驟取得電量指示電壓Vgauge產生較大偏離誤差。

又b3步驟取得電量指示電壓Vgauge後由前述a4模式之公式可得知鋰電池芯電壓Vbat。

本發明a5模式之輸出負載指示電壓Vdrop為根據大於a4模式數倍設定輸出負載N Х Rset上之輸出I/O電流對應之電壓，因而使I/O電壓可依據內部基準電壓(約1.5V)＋電量指示電壓(Vgauge)一輸出負載電流指示電壓Vdrop(該Vdrop增大)，因而可快速降低I/O電壓並形成模擬化學電池低電量時內阻上升狀態，並可令使用者不須使用檢測儀器即可直接由其連接之用電裝置得知鋰電池芯電量不足(例如手電筒亮度將快速降低令使用者得知鋰電池芯電量不足必須充電)。

請參閱圖一，本發明系統包括一電池殼體(圖中未顯示)、一鋰電池芯1、一充放電管理電路2，該電池殼體連接一正極端3、一負極端4；又該鋰電池芯1設於電池殼體內；該充放電管理電路2設於電池殼體內，並與正、負極端3、4及鋰電池芯1電性連接，並可控制外部電源經正、負極端3、4輸入再降壓對鋰電池芯1充電或令鋰電池芯1電壓經降壓並由正、負極端3、4放電。

該充放電管理電路2包括一DC/DC轉換器21、一管理檢測電路20，該一DC/DC轉換器21分別電性連接鋰電池芯1正、負極及電池正、負極端3、4，具一多工器及核心控制電路211，又該管理檢測電路20輸入側電性連接鋰電池芯1正、負極及電池正、負極端3、4，輸出側連接多工器及核心控制電路211；而且該管理檢測電路20根據鋰電池芯1電壓與DC/DC轉換器211輸出內部基準電壓及設定輸出負載電流指示電壓之電量合成訊號輸入多工器及核心控制電路211，並使電池正、負極端3、4可反應鋰電池芯1電壓。

請參閱圖一～三，該DC/DC轉換器21，又包括一控制開關SW1，又該管理檢測電路20包括一對應鋰電池芯1端之第一電壓電流緩衝放大器22、一對應電池輸出端之第二電壓電流緩衝放大器23、一充電誤差放大器24、一電量指示電壓等化器25、一放電參考電源合成器26、一放電誤差放大器27、一放電電流等化器28。

該DC/CD轉換器21為雙向降壓充放電控制器，分別電性連接鋰電池芯1正、負極及電池輸出正、負極端3、4，該DC/DC轉換器21具二串聯 mosfet開關M1、M2、二串聯mosfet開關M3、M4，一多工器及核心控制電路211、二分別對應鋰電池芯1及電池正、負極端3、4之電容器、一開關SW1，該開關M 1、M2分別電性連接鋰電池芯1正、負極，該開關M3、M4分別電性連接電池輸出正、負極端3、4，又於開關M1、M2間及開關M3、M4間連接一電感，又該多工器及核心控制電路211，控制M1、M2、M3、M4作PWM穩壓輸出動作，又該開關SW1由多工器及核心控制電路211控制，並可提供電量指示電壓等化器25與放電參考合成器26間是否電性連接。

請參閱圖二～四，該DC/DC轉換器21於前述a1模式I/O電壓大於5.5V設定充電高壓時令開關M1～M4 OFF；又當a2模式令輸出I/O電壓位於設定充電高壓(約5.5V)與最小可充電電壓(約4.5V)時為充電模式，令開關M1 ON、M2 OFF、M3、M4作PWM動作，並使外部電源對鋰電池芯1恆壓充電。

本發明當a3模式電池電壓介於最小可充電電壓(約4.5V)，大於最大可放電電壓(約1.6V)時令開關M1～M4 OFF；又本發明當a4模式該I/O電壓為介於最大及最小可放電電壓(約1.6V～1V)時令開關M3 ON、M4 OFF、開關M1、M2作PWM穩壓動作，又該a6模式時輸出I/O電壓小於0為負壓保護模式，開關M3、M4 ON，開關M1、M2 OFF，並使輸入電壓對負極短路作為電池反接保護。

本發明第一電壓電流緩衝放大器22電性連接鋰電池芯1，該第二電壓電流緩衝放大器23電性連接I/O電壓正、負極端3、4，並可分別放大檢視鋰電池芯1端之鋰電池芯1電壓Vbat、電流及電池輸出正、負極端3、4 之I/O電壓、電流，再輸入多工器及核心控制電路211，又該第二電壓電流緩衝放大器23具一與電池輸出串聯之感測電阻R3。

充電誤差放大器24輸入連接鋰電池芯1電壓Vbat及鋰電池芯最大電壓(Vbat_Full 4.2V)，輸入連接多工器及核心控制電路211，並將其比對鋰電池芯1電壓Vbat及鋰電池芯最大電壓4.2V差值後放大輸入多工器及核心控制電路211，並使多工器及核心控制電路211於充電模式時可控制開關M1～M4動作對鋰電池芯1充電。

電量指示電壓等化器25輸入側電性連接第一電壓電流緩衝放大器22，輸出連結開關SW1及放電參考電源合成器26，該電量指示電壓等化器25輸出並由放電參考電源合成器26結合產生I/O電壓＝內部基準電壓＋電量指示電壓Vgauge－輸出負載電流指示電壓Vdrop之電量合成訊號至放電誤差放大器27，再由放電誤差放大器27輸出至多工器及核心控制電路211使得系統於放電模式時令開關M1～M4動作產生I/O電壓。

電量指示電壓等化器25具一第一運算放大器OP1、一mosfet M0、一電阻R0、二mosfet M8、M9，該R0連接第一電壓電流緩衝放大器22輸出端及OP1輸入端，該OP1另一輸入端輸入對應鋰電池芯1無效電壓Vbat_Dead 3V，又該OP1輸出連接M0 G極，該M0 S極與D極分別連接電阻及R0及M0 D極，又該M8、M9組成電流鏡電路，該M9 D極連接開關SW1，因而該R0、M0及輸入OP1之節點E產生對應OP1另一輸入端3V電壓，並使鋰電池芯1電壓Vbat與鋰電池芯1無效電壓Vbat_Dead 3V之差值在R0上產生檢測電流Igauge。

放電參考電源合成器26連接開關SW1及放電電流等化器28，該開關SW1由多工器及核心控制電路211控制，並連接電量指示電壓等化器25及放電參考電源合成器28，可當多工器及核心控制電路211產生電量指示電壓輸出設定電流(1mA)時令開關SW1導通，該放電參考電源合成器26包括一第二運算效大器OP2、一電阻R4，該電阻R4一端連接開關SW1，另一端連接OP2之一輸入端及輸出端；又該OP2輸入端連接1.5V參考電源，並使該電量指示電壓等化器25流入之檢測電流Igauge與R4產生Igange Х R4之向上偏移量，該偏移量可以經由設定R0、M8、M9電流鏡耦合比率，R4的大小使其偏移量等於 ((Vbat－Vbat_Dead) Х1/(Vbat_Full－Vbat_Dead)) Х Vgauge_max。

該OP2輸出連接放電誤差放大器27，又該放電電流等化器28包括二運算放大器OP3、OP4，mosfet M5、M6、M7，電阻R8、R9、R10、R11，該M6、M7形成電流鏡電路，並輸出連接放電參考電源合成器26之OP2輸入端，又該M6 S極一端連接電路系統電源Vcc，M6 D極端連接M5 D極，該M5 S極連接電阻R11接地，又該OP3輸出端連接M5 G極，一輸入端連接M5 S極與R11間之節點H，又該OP3另一輸入端連接OP4輸出端，又該OP4一輸入端連接R8、R9、R10及開關SW2組成之倍率切換電路，該R10連接OP4之一輸入端及輸出端，該R8、R9一端連接OP4之一輸入端，另一端連接SW2接地，該SW2由多工器及核心控制電路211控制使R8或R9接地，又該OP4之另一輸入端連接由第二電壓流緩衝放大器23輸出對應感測電阻R3放大輸出電位。

本發明經多工器及核心控制電路211根據鋰電池芯1之Vbat電壓令SW2動作，使得OP4可根據設定倍率與第二電壓電流緩衝放大器23輸入電壓產生OP4輸出F節點輸出電壓，該F節點電壓VF經由OP3轉換使R11與M5之節點H具對應F電壓，並產生VF÷R11之設定電流Idrop，該設定電流鏡Idrop經電流 M6、M7輸入放電參考電源合成器之OP2輸入側並產生Idrop Х R4向下偏移量，該偏移量可由設定R3；M6及M7電流鏡耦合比率，R10、R11使參考電壓元件輸出偏移量符合Vdrop＝Iout Х Rset。

本發明如圖二及圖五波形所示，其中圖五之中央Iout為假設負載狀況，當多工器及核心控制電路211產生1mA時輸出電壓Vout產生電量指示電壓Vgauge，如圖五左側鋰電池芯1電量Vbet為最高電量Vbat_Full時Vgauge電壓為0.1V，使Vout為1.6V，又電池芯電量Vbat為50%時Vgauge為0.05V，使Vout為1.55V，而該Vout根據輸出電流變化在對應內部基準電壓之水平線上形成動態負載線特性斜率，此時輸出負載電流指示電壓Vdrop＝輸出電流Iout Х 感測電阻Rset，該圖二、三之開關SW2 A、B導通。

又該鋰電池芯1 Vbat電量為低電池電量Vbat_Low時多工器及核心控制電路211控制開關SW2 A、C導通，輸出負載電流指示電壓為輸出電流Iout Х N倍感測電阻Rset，因而使輸出電壓Vout以較大斜率快速下降至低於電池低電量電壓1.1V，使得使用者可於使用該電池之用電產品立即得知用電狀況，又該多工器及核心控制電路211可於Vout快速下降後再令Vout回升至輕載電量以提供用電產品使用該殘餘電量。

此外本發明之多工器及核心控制電路可設定與上述實施例相反，並可設定無載及Iout為0時輸出電量指示電壓Vgauge，當超過內部設定電流1mA時無電量指示電壓Vgauge，該設定亦可具本發明可量測鋰電池芯電量功效。

本發明電池為與一般電池相同二端點架構，並可提供使用使由該電池之正、負極端即可量測內部鋰電池芯之實際電量、量測便利，可防止鋰電池芯電量不足時使用者仍因電池輸出未降低(約1.5V)而誤認電池有足夠電量情形，又本發明可提供在用電產品上電壓快速降低以提供使用者不須量測即可知鋰電池芯沒電，可具較佳無電辨識功效。

本發明電池當串聯使用時若一電池放電終了時可藉由M6模式使開關M3、M4導通形成低損耗迴路，並使串聯電池仍可供電使用，可具較佳串聯使用安全性。

是以由以上所述，本發明可提升鋰電池檢視電量及使用安全功效，並可大幅減低一次性電池之損耗，前述實施例為本發明例示，並非本發明限制，凡依據本發明精神所為之等效改變亦應屬於本發明範疇內。

雖然具體的實施例已進行說明描述，在不超出本創作技術範疇的情況下許多修改及變動仍是有可能的，本創作範疇限定所附申請專利範圍。

1‧‧‧鋰電池芯

2‧‧‧充放電管理電路

20‧‧‧管理檢測電路

21‧‧‧DC/DC轉換器

211‧‧‧多工器及核心控制電路

22‧‧‧第一電壓電流緩衝放大器

23‧‧‧第二電壓電流緩衝放大器

24‧‧‧充電誤差放大器

25‧‧‧電量指示電壓等化器

26‧‧‧放電參考電源合成器

27‧‧‧放電誤差放大器

28‧‧‧放電流等化器

M0～M9‧‧‧MOSFET

R0、R3、R6～R11‧‧‧電阻

OP1～OP4‧‧‧運算放大器

3‧‧‧正極端

4‧‧‧負極端

10’‧‧‧負極端

11’‧‧‧鋰電池芯

12’‧‧‧保護電路

13’‧‧‧DC/DC轉換器

14’‧‧‧正極端

15’‧‧‧充電端

16’‧‧‧充電控制器

20’‧‧‧負極端

21’‧‧‧鋰電池芯

22’‧‧‧保護電路

23’‧‧‧DC/DC轉換器

24’‧‧‧充電控制器

25’‧‧‧迴路控制器

26’‧‧‧正極端

圖一係本發明之系統架構示意圖。

圖二係本發明之系統架構方塊示意圖。

圖三係本發明之系統架構電路示意圖。

圖四係本發明之系統動作模式示意圖。

圖五係本發明放電動作波形示意圖。

圖六習知一鋰電池架構示意圖。

圖七習知二鋰電池架構示意圖。

Claims (15)

1. 一種電池充放電管理方法，該電池內部設置鋰電池芯及DC/DC轉換器產生輸入或輸出之I/O電壓、電流，該鋰電池芯於工作電壓範圍內時電池充放電管理方法包括以下模式： a1.充電動作大於設定充電高壓時採過壓保護模式，I/O電壓不能輸入電池內； a2.充電動作電壓小於設定充電高壓，大於最小可充電電壓時為充電模式，I/O電壓可對電池內之鋰電池芯充電； a3.I/O電壓小於最小可充電電壓，大於最大可放電電壓時進入保護模式，不充放電動作； a4.I/O電壓小於最大可放電電壓，大於最小可放電電壓時電池可輸出放電，該I/O電壓包括DC/DC轉換器輸出之內部基準電壓加上根據鋰電池芯實際電壓縮小比例產品之電量指示電壓，又該I/O電壓對應設定輸出負載動態負載線特性。
2. 如請求項1所述之電池充放電管理方法，其中該管理方法之模式更包括； a5.鋰電池芯實際電壓低於設定低電量電壓時I/O電壓負載線偏移量放大； a6.I/O電壓小於0V時為負壓保護模式，電池不充放電動作，且I/O端點對地短路提供負向電流回路。
3. 如請求項1所述之電池充放電管理方法，其中該a4模式當鋰電池芯電壓大於低電量設定值，且輸出I/O電流大於電量指示電壓輸出設定電流時，I/O電壓等於內部基準電壓＋電量指示電壓－輸出負載電流指示電壓。
4. 如請求項3所述之電池充放電管理方法，其中該電量指示電壓＝ ((鋰電池芯電壓－鋰電池芯最低電壓) Х 1/(鋰電池芯飽合電壓－鋰電池芯最低電壓)) Х設定範圍電壓，又該輸出負載電流指示電壓為根據輸出一設定輸出負載上之輸出電流對應之電壓。
5. 如請求項4所述之電池充放電管理方法，其中更包括一外部檢測裝置，該外部檢測裝置檢測鋰電池芯電量，具以下步驟： b1.令電池I/O輸出電流小於電量指示電壓輸出設置電流，量測電池正、負極端取得內部基準電壓； b2.外部檢測裝置導入設定負載，令電池輸出電流大於電量指示電壓輸出設定電流，量測電池正、負極端取得量測電壓； b3.量測電壓－內部基準電壓取得電量指示電壓，該電量指示電壓轉換取得實際鋰電池芯電壓。
6. 如請求項2所述之電池充放電管理方法，其中該a5模式之輸出負載指示電壓為根據大於a4模式數倍設定輸出負載上之輸出電流對應之電壓以使I/O電壓負載線偏移量放大。
7. 一種電池充放電管理系統，包括一電池殼體連接一正極端、一負極端； 一鋰電池芯設於電池殼體內； 一充放電管理電路設於電池殼體內，並與電池正、負極端及鋰電池芯正、負極電性連接，該充放電管理電路包括： 一DC/DC轉換器，分別電性連接鋰電池芯正、負極及電池正、負極端，具一多工器及核心控制電路； 一管理檢測電路，輸入側電性連接鋰電池芯正、負極及電池正、負極端，輸出側連接多工器及核心控制電路； 而且該管理檢測電路根據鋰電池芯電壓與DC/DC轉換器輸出內部基準電壓及設定輸出負載電流指示電壓之電量合成訊號輸入多工器及核心控制電路，並使電池正、負極端可反應鋰電池芯電壓。
8. 如請求項7所述之電池充放電管理系統，其中該DC/DC轉換器又包括數穩壓開關、一控制開關SW1，又該管理檢測電路包括： 一第一電壓電流緩衝放大器，電性連接鋰電池芯及多工器及核心控制電路； 一第二電壓電流緩衝放大器，電性連接池輸出正、負極端及多工器及核心控制電路； 一充電誤差放大器，比對鋰電池芯電壓及鋰電池芯可容許最大電壓差值放大輸入多工器及核心控制電路； 一電量指示電壓等化器，輸入電性連接第一電壓電流緩衝放大器，輸出連接一開關SW1，並輸出產生檢測電流； 一放電參考電源合成器，連接開關SW1，該開關SW1由多工器及核心控制電路控制，並連接電量指示電壓等化器及放電參考電源合成器，可產生電量合成訊號； 一放電誤差放大器，輸入側連接第二電壓電流緩衝放大器及放電參考電源合成器，輸出側連接多工器及核心控制電路，並將電量合成訊號輸入多工器及核心控制電路。
9. 如請求項8所述之電池充放電管理系統，其中該管理檢測電路更包括一放電電流等化器，該放電電流等化器電性連接多工器及核心控制電路、第二電壓電流緩衝放大電路，放電參考電源合成器，又該放電電流等化器具二分別對應鋰電池芯非低電量及低電量不同倍率之設定負載，並使多工器及核心控制電路根據鋰電池芯於非低電量及低電量時選擇對應設定負載產生不同I/O電壓負載線斜率。
10. 如請求項8所述之電池充放電管理方法及系統，其中該DC/DC轉換器之穩壓開關具二串聯 mosfet開關M1、M2、二串聯mosfet開關M3、M4，一多工器及核心控制電路、二分別對應鋰電池芯及電池正、負極端之電容器、一開關SW1，該開關M1、M2分別電性連接鋰電池芯正、負極，該開關M3、M4分別電性連接電池輸出正、負極端，又於開關M1、M2間及開關M3、M4間連接一電感，又該多工器及核心控制電路控制M1、M2、M3、M4作PWM穩壓輸出動作。
11. 一種量測電池電量之方法，該電池內部設置鋰電池芯及DC/DC轉換器產生輸入或輸出之I/O電壓、電流，該鋰電池芯於工作電壓範圍內，且輸出I/O電流大於電量指示電壓輸出設定電流時，I/O電壓等於內部基準電壓＋電量指示電壓－輸出負載電流指示電壓； 其中該電量指示電壓＝ ((鋰電池芯電壓－鋰電池芯最低電壓) Х 1/(鋰電池芯飽合電壓－鋰電池芯最低電壓)) Х設定範圍電壓，又該輸出負載電流指示電壓為根據輸出一設定輸出負載上之輸出電流對應之電壓； 又更包括一外部檢測裝置，該外部檢測裝置檢測鋰電池芯電量，具以下步驟： b1.令電池I/O輸出電流小於電量指示電壓輸出設置電流，量測電池正、負極端取得內部基準電壓； b2.外部檢測裝置導入設定負載，令電池輸出電流大於電量指示電壓輸出設定電流，量測電池正、負極端取得量測電壓。 b3.量測電壓－內部基準電壓取得電量指示電壓，該電量指示電壓轉換取得實際鋰電池芯電壓。
12. 一種電池充放電管理方法，該電池內部設置鋰電池芯及DC/DC轉換器產生輸入或輸出之I/O電壓、電流，該鋰電池芯於工作電壓範圍內時電池充放電管理方法包括以下模式： a1.充電動作大於設定充電高壓時採過壓保護模式，I/O電壓不能輸入電池內； a2.充電動作電壓小於設定充電高壓，大於最小可充電電壓時為充電模式，I/O電壓可對電池內之鋰電池芯充電； a3.I/O電壓小於最小可充電電壓，大於最大可放電電壓時進入保護模式，不充放電動作； a4.I/O電壓小於最大可放電電壓，大於最小可放電電壓時電池可輸出放電，該I/O電壓包括DC/DC轉換器輸出之內部基準電壓加上根據鋰電池芯實際電壓縮小比例產品之電量指示電壓，又該I/O電壓對應設定輸出負載動態負載線特性； a5.鋰電池芯實際電壓低於設定低電量電壓時I/O電壓負載線偏移量放大； a6.I/O電壓小於0V時為負壓保護模式，電池不充放電動作，且I/O端點對地短路提供負向電流回路。
13. 如請求項12所述之電池充放電管理方法，其中該a4模式當鋰電池芯電壓大於低電量設定值，且輸出I/O電流大於電量指示電壓輸出設定電流時，I/O電壓等於內部基準電壓＋電量指示電壓－輸出負載電流指示電壓；又該電量指示電壓＝ ((鋰電池芯電壓－鋰電池芯最低電壓) Х 1/(鋰電池芯飽合電壓－鋰電池芯最低電壓)) Х設定範圍電壓，又該輸出負載電流指示電壓為根據輸出一設定輸出負載上之輸出電流對應之電壓。
14. 如請求項12或13所述之電池充放電管理方法，其中更包括一外部檢測裝置，該外部檢測裝置檢測鋰電池芯電量，具以下步驟： b1.令電池I/O輸出電流小於電量指示電壓輸出設置電流，量測電池正、負極端取得內部基準電壓； b2.外部檢測裝置導入設定負載，令電池輸出電流大於電量指示電壓輸出設定電流，量測電池正、負極端取得量測電壓。 b3.量測電壓－內部基準電壓取得電量指示電壓，該電量指示電壓轉換取得實際鋰電池芯電壓。
15. 如請求項12所述之電池充放電管理方法，其中該a5模式之輸出負載指示電壓為根據大於a4模式數倍設定輸出負載上之輸出電流對應之電壓以使I/O電壓負載線偏移量放大。