TW202318755A - 智能電池裝置及其快速充電的方法 - Google Patents

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Abstract

一種充電率為1C的電池裝置，包括：一電池芯、一保護晶片，以及一微控制器。保護晶片電性連接電池芯，依據電池芯的狀態判斷是否啟動電池裝置的一保護措施。微控制器電性連接保護晶片，並且偵測電池芯的相對電荷狀態。當一外部電源電性耦接電池裝置，電池芯的相對電荷狀態低於50%，微控制器控制電池芯執行最多10分鐘的一快速充電。快速充電為微控制器控制電池芯以充電率1.7C~1.8C進行充電。當快速充電的10分鐘內，保護晶片啟動保護措施，或微控制器偵測到電池芯已由一恆流狀態轉變為一恆壓狀態，微控制器停止快速充電，並且同時將電池芯的充電率恢復至1C。

Description

智能電池裝置及其快速充電的方法
本發明係有關於一電子裝置，特別是有關於電池裝置及其快速充電的方法。
不論是3C、電動車(EV)、能源儲存系統(ESS)和資訊科技(IT)，只要使用鋰電池就會遇到充電的情況，充電時間往往是緩慢的，礙於目前電池芯材質與目前技術，現有鋰電池充電都是CC-CV模式。第1圖為一電池裝置的充電曲線圖。第1圖揭露了電池裝置的充電容量曲線100、充電電流曲線102，以及充電電壓曲線104。
如第1圖所示，電池裝置是以充電率1C進行充電。在開始充電的0.6小時內，電池裝置在CC模式。在CC模式下，電池容量曲線100為線性增加。而在開始充電的0.6小時之後，電池裝置轉換為CV模式。在使用者經驗中，往往若能只花10分鐘而達到電池電量60%左右，相信是可以被眾多使用者/消費者所接收。因此，如何利用電池裝置在CC模式下瞬間充飽或達到一定比例的電量來避免低電量恐慌症變成一個重要的課題。
依據本發明實施例之充電率為1C的電池裝置，包括：一電池芯、一保護晶片，以及一微控制器。保護晶片電性連接電池芯，依據電池芯的狀態判斷是否啟動電池裝置的一保護措施。微控制器電性連接保護晶片，並且偵測電池芯的相對電荷狀態。當一外部電源電性耦接電池裝置，電池芯的相對電荷狀態低於50%，微控制器控制電池芯執行最多10分鐘的一快速充電。快速充電為微控制器控制電池芯以充電率1.7C~1.8C進行充電。當快速充電的10分鐘內，保護晶片啟動保護措施，或微控制器偵測到電池芯已由一恆流狀態轉變為一恆壓狀態，微控制器停止快速充電，並且同時將電池芯的充電率恢復至1C。
如上述之電池裝置，其中，保護措施包括過電壓保護(OVP)、過電流保護(OCP)、過溫保護(OTP)、低電壓保護(UVP)、低溫保護(UTP)、逆電壓保護，以及短路保護。
如上述之電池裝置，其中，電池芯由恆流狀態轉變為恆壓狀態時的相對電荷狀態為60%~70%。
如上述之電池裝置，更包括：一充電開關，電性耦接電池芯的正極。當電池芯進行充電，並且保護晶片啟動保護措施中的過電壓保護、過電流保護，及過溫保護，保護晶片關閉充電開關。
如上述之電池裝置，更包括：一放電開關，電性連接於充電開關與電池裝置的正極之間。當電池芯進行放電，並且保護晶片啟動保護措施中的過電流保護、過溫保護、低電壓保護、低溫保護、逆電壓保護，以及短路保護，保護晶片關閉放電開關。
如上述之電池裝置，更包括：一保護裝置，電性連接於電池芯的正極及充電開關之間。當保護晶片啟動保護措施，但無法將充電開關或放電開關關閉時，微控制器直接將保護裝置斷路。
依據本發明實施例之快速充電方法，適用於充電率為1C的一電池裝置，包括：偵測有一外部電源電性耦接電池裝置；控制電池裝置以充電率1C進行充電；偵測電池裝置的相對電荷狀態低於50%；控制電池裝置執行最多10分鐘的一快速充電；其中，快速充電是控制電池裝置以充電率1.7C~1.8C進行充電；當在快速充電中啟動一保護措施，停止快速充電；當偵測到電池裝置已由一恆流狀態轉變為一恆壓狀態，停止快速充電；以及當執行快速充電已滿10分鐘，停止快速充電。
如上述之快速充電方法，其中，保護措施包括過電壓保護、過電流保護、過溫保護、低電壓保護、低溫保護、逆電壓保護，以及短路保護。
如上述之快速充電方法，更包括：當偵測沒有外部電源電性耦接電池裝置，控制電池裝置進行放電；當偵測電池裝置的相對電荷狀態高於等於50%，不執行快速充電，並且繼續控制電池裝置以充電率1C進行充電；以及停止快速充電之後，恢復電池裝置以充電率1C進行充電。
如上述之快速充電方法，更包括：當電池裝置正進行充電，並且已啟動保護措施中的過電壓保護、過電流保護，及過溫保護，輸出一第一信號予電池裝置所包括的一充電開關，使得充電開關關閉；當電池裝置正進行放電，並且已啟動保護措施中的過電流保護、過溫保護、低電壓保護、低溫保護、逆電壓保護，以及短路保護，輸出一第二信號予電池裝置所包括的一放電開關，使得放電開關關閉；以及當已啟動保護措施，但無法將充電開關或放電開關關閉時，輸出一第三信號予一保護裝置，使得保護裝置斷路。
本發明係參照所附圖式進行描述，其中遍及圖式上的相同參考數字標示了相似或相同的元件。上述圖式並沒有依照實際比例大小描繪，其僅僅提供對本發明的說明。一些發明的型態描述於下方作為圖解示範應用的參考。這意味著許多特殊的細節，關係及方法被闡述來對這個發明提供完整的了解。無論如何，擁有相關領域通常知識的人將認識到若沒有一個或更多的特殊細節或用其他方法，此發明仍然可以被實現。
以其他例子來說，眾所皆知的結構或操作並沒有詳細列出以避免對這發明的混淆。本發明並沒有被闡述的行為或事件順序所侷限，如有些行為可能發生在不同的順序亦或同時發生在其他行為或事件之下。此外，並非所有闡述的行為或事件都需要被執行在與現有發明相同的方法之中。
第2圖為本發明實施例之電池裝置200的示意圖。如第2圖所示，電池裝置200包括一電池芯202、一保護晶片204、一微控制器206、一充電開關208、一放電開關210、一保護裝置212、一次保護晶片214、一溫度感測器216、一感測電阻218、一通訊匯流排SMBUS_DATA、SMBUS_CLOCK、一電池識別指示BATTERY_ID、SYSTEM_ID、一正極P+，以及一負極P-。電池芯202可將所接收的電能轉換為化學能儲存、或將所儲存的化學能轉換為電能輸出。保護晶片204電性連接電池芯202，依據電池芯202的狀態(例如充電電壓、充電電流、或放電電流等)判斷是否啟動電池裝置200的一保護措施。在一些實施例中，保護措施包括過電壓保護(OVP)、過電流保護(OCP)、過溫保護(OTP)、低電壓保護(UVP)、低溫保護(UTP)、逆電壓保護，以及短路保護。
在一些實施例中，當電池芯202進行充電，並且保護晶片204啟動保護措施中的過電壓保護、過電流保護，及過溫保護，保護晶片204可輸出一信號230至充電開關208，使得充電開關208關閉，因而電池裝置200停止充電。在一些實施例中，當電池芯202進行放電，並且保護晶片204啟動保護措施中的過電流保護、過溫保護、低電壓保護、低溫保護、逆電壓保護，以及短路保護，保護晶片204輸出一信號232至放電開關210，使得放電開關210關閉，因而電池裝置200停止放電。
如第2圖所示，充電開關208電性連接於保護裝置212與放電開關210之間。放電開關210電性連接於正極P+與充電開關208之間。充電開關208依據來自保護晶片204的信號230，改變其狀態。例如，信號230為邏輯低準位，例如為“0”，則充電開關208僅允許電流由節點B往節點A的方向流動，但禁止電流由節點A往節點B的方向流動。當信號230為邏輯高準位，例如為“1”，則充電開關114為全導通狀態。放電開關210依據來自保護晶片204的信號232，改變其狀態。例如，當信號232為邏輯低準位，例如為“0”，則放電開關210僅允許電流由節點A往節點B的方向流動，但禁止電流由節點B往節點A的方向流動。當信號232為邏輯高準位，例如為“1”，則放電開關210為全導通狀態。
微控制器206電性連接保護晶片204，並且可偵測電池芯202的相對電荷狀態(RSOC)。在一些實施例中，微控制器206可透過一通訊界面240與保護晶片相溝通。舉例來說，微控制器206可透過通訊界面240從保護晶片204得到電池芯202的充放電電流及充放電電壓等資訊。在一些實施例中，通訊界面240為I 2C通訊界面，但本發明不限於此。微控制器206可控制來自電池芯202的電能經由電池裝置200的正極P+輸出，並且由電池裝置200的負極P-回流至電池芯202。或者，微控制器206可控制電池裝置200外部的一外部電源(未圖示)對電池芯202進行充電。
一般來說，在正常充放電過程中，電池裝置200的充電率為1C，並且放電率為2C，但本發明不限於此。當外部電源電性耦接電池裝置200，電池芯202的相對電荷狀態低於50%，微控制器206控制電池芯202執行最多10分鐘的一快速充電。在快速充電中，微控制器206控制電池芯202以充電率1.7C~1.8C進行充電。當快速充電的10分鐘內，保護晶片204啟動保護措施，或微控制器206偵測到電池芯202已由一恆流(CC)狀態轉變為一恆壓(CV)狀態，微控制器206停止快速充電，並且同時將電池芯的充電率恢復至1C。在一些實施例中，電池芯202由恆流狀態轉變為恆壓狀態時的相對電荷狀態為60%~70%。
在一些實施例中，電池裝置200係包含於具有至少一處理器的一電子裝置中。電子裝置可例如為一筆記型電腦、一平板電腦、一穿戴式裝置，以及一智慧型手機等。在一些實施例中，微控制器206可透過通訊匯流排SMBUS_CLOCK、SMBUS_DATA，用以與包括電池裝置200的電子裝置的至少一處理器相溝通。舉例來說，電子裝置的至少一處理器可透過通訊匯流排SMBUS_CLOCK、SMBUS_DATA調整微控制器206執行快速充電的最長時間(例如為10分鐘)及充電率(例如為1.7C~1.8C)。在一些實施例中，透過電池裝置200的電池識別指示BATTERY_ID、SYSTEM_ID，使得包括電池裝置200的電子裝置的至少一處理器可以偵測到電池裝置200已經設置於電子裝置中。
溫度感測器216用以偵測電池裝置200的一溫度，並且將所偵測的溫度資訊傳送給保護晶片204。在一些實施例中，溫度感測器216為一溫度感測晶片。在一些實施例中，溫度感測器216包括一熱敏電阻(thermister)，其電阻值隨著溫度的變化而改變。溫度感測器216提供一電源予該熱敏電阻，並且透過量測熱敏電阻兩端的一跨壓，將跨壓的變化(對應於電阻的變化)轉換為溫度的變化。在一些實施例中，微控制器206可透過量測感測電阻218的兩端的跨壓(例如，節點D、E之間的跨壓)，用以在充電模式中計算一充電電流的大小。
表一為本發明實施例的電池裝置200對應不同充電率時的平均10分鐘容量增加量的比較表。
充電率(C) 時間(分鐘) 容量(%) 平均10分鐘容量增加量(%) 備註
1.1 30 50 16.67  
1.5 20 50 25.00  
1.7~1.8 12 35 29.17 本發明
2.5 10 40 40.00  
表一
如表一所示，當微控制器206控制電池芯202以充電率1.1C進行充電時，電池芯202可於充電30分鐘後達到電池容量50%。因此，當充電率為1.1C時，電池裝置200的平均10分鐘容量增加量為16.67%。當微控制器206控制電池芯202以充電率1.5C進行充電時，電池芯202可於充電20分鐘後達到電池容量50%。因此，當充電率為1.5C時，電池裝置200的平均10分鐘容量增加量為25.00%。當微控制器206控制電池芯202以充電率1.7C~1.8C進行充電時，電池芯202可於充電12分鐘後達到電池容量35%。因此，當充電率為1.7C時，電池裝置200的平均10分鐘容量增加量為29.17%。
當微控制器206控制電池芯202以充電率2.5C進行充電時，電池芯202可於充電10分鐘後達到電池容量40%。因此，當充電率為2.5C時，電池裝置200的平均10分鐘容量增加量為40.00%。根據表一的結果，當電池裝置200的充電率愈高，則電池裝置200的平均10分鐘容量增加量也愈高。然而，本發明並未採用以充電率2.5對電池裝置200進行充電，其原因如下表二。
表二為本發明實施例的電池裝置200對應不同充電率時的性能比的比較表。其中，性能比係定義為充電率除以平均1分鐘容量增加量所得到的結果。
充電率(C) 平均10分鐘容量增加量(%) 平均1分鐘容量增加量(%) 充電率與平均1分鐘容量增加量的比值 備註
1.1 16.67 1.667 1.52  
1.5 25.00 2.5 1.67  
1.7~1.8 29.17 2.917 1.72 本發明
2.5 40.00 4 1.6  
表二
如表二所示，當微控制器206控制電池芯202以充電率1.1C進行充電時，電池裝置的性能比(即充電率與平均1分鐘容量增加量的比值)為1.52。當微控制器206控制電池芯202以充電率1.5C進行充電時，電池裝置的性能比為1.67。當微控制器206控制電池芯202以充電率1.7C~1.8C進行充電時，電池裝置的性能比為1.72。當微控制器206控制電池芯202以充電率2.5C進行充電時，電池裝置的性能比為1.6。如表二所示，本發明所採用以充電率1.7C~1.8C電池裝置200進行充電，係可得到最高的性能比(即充電率與平均1分鐘容量增加量的比值)。
在第2圖中，保護裝置212電性連接於電池芯202的正極(節點B)及充電開關208之間。在一些實施例中，當保護晶片204啟動保護措施，但無法將充電開關208或放電開關210關閉，或者偵測到電池芯202內芯條不平衡或異常時，微控制器206可直接輸出一信號234至保護裝置212，而將保護裝置212斷路。在一些實施例中，當保護晶片204啟動保護措施中的過電壓保護，但無法將充電開關208或放電開關210關閉，則次保護晶片214可輸出一信號236至保護裝置212，使得保護裝置212斷路。
第3圖為本發明實施例之快速充電方法的流程圖。本發明的快速充電方法是適用於充電率為1C的一電池裝置(例如為第2圖的電池裝置200)。如第3圖所示，本發明的快速充電方法包括：偵測有一外部電源電性耦接電池裝置(步驟S300)；控制電池裝置以充電率1C進行充電(步驟S302)；偵測電池裝置的相對電荷狀態低於50%(步驟S304)；控制電池裝置執行最多10分鐘的一快速充電，快速充電是控制電池裝置以充電率1.7C~1.8C進行充電(步驟S306)；當在快速充電中啟動一保護措施，停止快速充電(步驟S308)；當偵測到電池裝置已由一恆流狀態轉變為一恆壓狀態，停止快速充電(步驟S310)；以及當執行快速充電已滿10分鐘，停止快速充電(步驟S312)。
在一些實施例中，步驟S300~S312是由第2圖的微控制器206所執行。在步驟S300中，本發明的快速充電方法若沒有偵測到外部電源電性耦接電池裝置，則微控制器(例如第2圖的微控制器206)控制電池裝置進行放電。亦即，電池裝置進入一放電模式。在步驟S304中，微控制器若偵測到電池裝置的相對電荷狀態高於等於50%，則不執行快速充電，並且繼續控制電池裝置以充電率1C進行充電。在步驟S306中，保護措施包括過電壓保護、過電流保護、過溫保護、低電壓保護、低溫保護、逆電壓保護，以及短路保護。在步驟S312中，當微控制器停止快速充電之後，微控制器恢復電池裝置以充電率1C進行充電。
在一些實施例中，當本發明的電池裝置(例如為第2圖的電池裝置200)正進行充電，並且已啟動保護措施中的過電壓保護、過電流保護，及過溫保護，本發明的快速充電方法輸出一第一信號(例如為信號230)予電池裝置所包括的充電開關(例如為第2圖的充電開關208)，使得充電開關關閉。
在一些實施例中，當本發明的電池裝置正進行放電，並且已啟動該保護措施中的過電流保護、過溫保護、低電壓保護、低溫保護、逆電壓保護，以及短路保護，本發明的快速充電方法輸出一第二信號(例如為信號232)予電池裝置所包括的一放電開關(例如為第2圖的放電開關210)，使得放電開關關閉。在一些實施例中，當本發明的電子裝置的保護晶片(例如為第2圖的保護晶片204)已啟動保護措施，但無法將充電開關或放電開關關閉(例如充電開關及/或放電開關損壞)時，本發明的快速充電方法輸出一第三信號(例如為信號234)予一保護裝置(例如為第2圖的保護裝置212)，使得保護裝置斷路。
雖然本發明的實施例如上述所描述，我們應該明白上述所呈現的只是範例，而不是限制。依據本實施例上述示範實施例的許多改變是可以在沒有違反發明精神及範圍下被執行。因此，本發明的廣度及範圍不該被上述所描述的實施例所限制。更確切地說，本發明的範圍應該要以以下的申請專利範圍及其相等物來定義。
儘管上述發明已被一或多個相關的執行來圖例說明及描繪，等效的變更及修改將被依據上述規格及附圖且熟悉這領域的其他人所想到。此外，儘管本發明實施例的一特別特徵已被相關的多個執行之一所示範，上述特徵可能由一或多個其他特徵所結合，以致於可能有需求及有助於任何已知或特別的應用。
除非有不同的定義，所有本文所使用的用詞(包含技術或科學用詞)是可以被屬於上述發明的技術中擁有一般技術的人士做一般地了解。我們應該更加了解到上述用詞，如被定義在眾所使用的字典內的用詞，在相關技術的上下文中應該被解釋為相同的意思。除非有明確地在本文中定義，上述用詞並不會被解釋成理想化或過度正式的意思。
CC:恆流狀態 CV:恆壓狀態 100:充電容量曲線 102:充電電流曲線 104:充電電壓曲線 200:電池裝置 202:電池芯 204:保護晶片 206:微控制器 208:充電開關 210:放電開關 212:保護裝置 214:次保護晶片 216:溫度感測器 218:感測電阻 230,232,234,234:信號 P+:正極 P-:負極 SMBUS_DATA,SMBUS_CLOCK:通訊匯流排 BATTERY_ID,SYSTEM_ID:電池識別指示 A,B,D,E:節點 S300,S302,S304,S306:步驟 S308,S310,S312:步驟
第1圖為一電池裝置的充電曲線圖。 第2圖為本發明實施例之電池裝置200的示意圖。 第3圖為本發明實施例之快速充電方法的流程圖。
200:電池裝置
202:電池芯
204:保護晶片
206:微控制器
208:充電開關
210:放電開關
212:保護裝置
214:次保護晶片
216:溫度感測器
218:感測電阻
230,232,234,234:信號
P+:正極
P-:負極
SMBUS_DATA,SMBUS_CLOCK:通訊匯流排
BATTERY_ID,SYSTEM_ID:電池識別指示
A,B,D,E:節點

Claims (10)

  1. 一種電池裝置，其充電率為1C，包括： 一電池芯； 一保護晶片，電性連接該電池芯，依據該電池芯的狀態判斷是否啟動該電池裝置的一保護措施；以及 一微控制器，電性連接該保護晶片，並且偵測該電池芯的相對電荷狀態(RSOC)； 當一外部電源電性耦接該電池裝置，該電池芯的相對電荷狀態低於50%，該微控制器控制該電池芯執行最多10分鐘的一快速充電；其中，該快速充電為該微控制器控制該電池芯以充電率1.7C~1.8C進行充電； 當該快速充電的10分鐘內，該保護晶片啟動該保護措施，或該微控制器偵測到該電池芯已由一恆流(CC)狀態轉變為一恆壓(CV)狀態，該微控制器停止該快速充電，並且同時將該電池芯的充電率恢復至1C。
  2. 如請求項1所述之電池裝置，其中，該保護措施包括過電壓保護(OVP)、過電流保護(OCP)、過溫保護(OTP)、低電壓保護(UVP)、低溫保護(UTP)、逆電壓保護，以及短路保護。
  3. 如請求項1所述之電池裝置，其中，該電池芯由該恆流狀態轉變為該恆壓狀態時的相對電荷狀態為60%~70%。
  4. 如請求項2所述之電池裝置，更包括： 一充電開關，電性耦接該電池芯的正極； 當該電池芯進行充電，並且該保護晶片啟動該保護措施中的過電壓保護、過電流保護，及過溫保護，該保護晶片關閉該充電開關。
  5. 如請求項4所述之電池裝置，更包括： 一放電開關，電性連接於該充電開關與該電池裝置的正極之間； 當該電池芯進行放電，並且該保護晶片啟動該保護措施中的過電流保護、過溫保護、低電壓保護、低溫保護、逆電壓保護，以及短路保護，該保護晶片關閉該放電開關。
  6. 如請求項5所述之電池裝置，更包括： 一保護裝置，電性連接於該電池芯的正極及該充電開關之間； 當該保護晶片啟動該保護措施，但無法將該充電開關或該放電開關關閉時，該微控制器直接將該保護裝置斷路。
  7. 一種快速充電方法，適用於充電率為1C的一電池裝置，包括： 偵測有一外部電源電性耦接該電池裝置； 控制該電池裝置以充電率1C進行充電； 偵測該電池裝置的相對電荷狀態低於50%； 控制該電池裝置執行最多10分鐘的一快速充電；其中，該快速充電是控制該電池裝置以充電率1.7C~1.8C進行充電； 當在該快速充電中啟動一保護措施，停止該快速充電； 當偵測到該電池裝置已由一恆流狀態轉變為一恆壓狀態，停止該快速充電；以及 當執行該快速充電已滿10分鐘，停止該快速充電。
  8. 如請求項7所述之快速充電方法，其中，該保護措施包括過電壓保護、過電流保護、過溫保護、低電壓保護、低溫保護、逆電壓保護，以及短路保護。
  9. 如請求項7所述之快速充電方法，更包括： 當偵測沒有該外部電源電性耦接該電池裝置，控制該電池裝置進行放電； 當偵測該電池裝置的相對電荷狀態高於等於50%，不執行該快速充電，並且繼續控制該電池裝置以充電率1C進行充電；以及 停止該快速充電之後，恢復該電池裝置以充電率1C進行充電。
  10. 如請求項8所述之快速充電方法，更包括： 當該電池裝置正進行充電，並且已啟動該保護措施中的過電壓保護、過電流保護，及過溫保護，輸出一第一信號予該電池裝置所包括的一充電開關，使得該充電開關關閉； 當該電池裝置正進行放電，並且已啟動該保護措施中的過電流保護、過溫保護、低電壓保護、低溫保護、逆電壓保護，以及短路保護，輸出一第二信號予該電池裝置所包括的一放電開關，使得該放電開關關閉；以及 當已啟動該保護措施，但無法將該充電開關或該放電開關關閉時，輸出一第三信號予一保護裝置，使得該保護裝置斷路。
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