TWI388871B - 偵測能量儲存單元容量之電池容量偵測器、系統及其偵測方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種檢測器，特別是一種檢測能量儲存單元電池容量的電池容量檢測器及檢測方法。
電池容量檢測器，例如電池容量計，可用來檢測能量儲存單元(例如，鋰離子電池)的電池容量。鋰離子電池根據其內部化學材料的不同分為許多種，例如：鋰錳電池、鋰鈷電池、鋰磷電池等。這些不同種類的化學材料可導致不同的電壓和電流特性，例如不同的充電電壓極限特性和不同的電壓-電池容量比特性。例如，化學材料為錳的鋰離子電池的充電電壓極限可為4.2伏，化學材料為鈷的鋰離子電池充電電壓極限可為4.2伏，化學材料為鎳鈷錳的鋰離子電池的充電電壓極限可為4.1伏，化學材料為磷的鋰離子電池的充電電壓極限可為3.6伏。
測量電池組容量的傳統方法包括：庫侖計數法和電池單元電壓測量法。庫侖計數法透過計算流過的電荷數來測量流入電池的淨電流，進而測量電池電池容量。然而，電壓與頻率的轉換、高頻情況以及溫度變化的頻率補償需要予以考慮，這為傳統方法的缺點。
電池單元電壓測量法將實際電池單元的電壓與一充電電池的絕對容量臨界值相比較。為適應不同種類化學材料的電池，不同的容量臨界值需要透過調整(trim)或是透過一不易揮發整合記憶體的控制器來設定。
以上這兩種方法均需要一個相對昂貴的微控制器或大量的電路來使其適用於不同應用中不同化學材料的電池及其不同的電流範圍。
本發明要解決的技術問題在於提供一種電池容量檢測器及方法，可以檢測不同種類的能量儲存單元的電池容量，並且不需要使用相對昂貴的微控制器或大量的電路，使成本得以降低。
為解決上述問題，本發明提供一種檢測能量儲存單元電池容量的電池容量檢測器，其包括：一第一緩衝器，用以根據基於能量儲存單元之化學材料所預先設定之第一可調參考電壓產生一第一臨界參考電壓；一第二緩衝器，用以根據基於能量儲存單元之化學材料所預先設定之一第二可調參考電壓產生一第二臨界參考電壓；以及一分壓器，其係耦接至第一緩衝器和第二緩衝器，用以將第一臨界參考電壓和第二臨界參考電壓之間的一電壓進行分壓，並根據能量儲存單元的一電壓-容量比特性產生多個電池容量參考值，以指示能量儲存單元的多個電池容量百分比。
本發明還提供一種檢測能量儲存單元電池容量的系統，其包括一電池容量檢測器，其耦接至能量儲存單元，用以根據預先設定的一第一可調參考電壓產生一第一臨界參考電壓，根據預先設定的一第二可調參考電壓產生一第二臨界參考電壓，並將第一臨界參考電壓與第二臨界參考電壓之間的一電壓進行分壓，以根據能量儲存單元的電壓-容量比特性提供多個電池容量參考值；以及多個比較器，耦接至電池容量檢測器，用以分別比較能量儲存單元的一感應電壓與多個電池容量參考值，並產生多個電池容量指示信號以指示能量儲存單元的該電池容量。
本發明還提供一種檢測能量儲存單元電池容量的方法，其包括：根據基於能量儲存單元之化學材料所預先設定之一第一可調參考電壓產生一第一臨界參考電壓；根據基於能量儲存單元之化學材料所預先設定之一第二可調參考電壓產生基於能量儲存單元之化學材料所預先設定之一第二臨界參考電壓；根據能量儲存單元的一電壓-容量比特性，將第一臨界參考電壓和第二臨界參考電壓之間的一電壓進行分壓；以及根據分壓產生多個電池容量參考值。
本發明將在下文中配合實施例及圖式進行詳細描述。本發明雖可能配合實施例說明，但應理解本發明並非意欲被限制於說明書中之特定實施例。配合以下詳細說明，本發明之其他優點及特徵對於本技術領域中具有通常知識者將更為彰顯。本發明可被修改以用於各種應用，且均不悖離本發明之精神。
此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全的理解，闡明了大量的具體細節。然而，本領域技術人員將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方法、步驟元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。
本發明一實施例提供了一檢測一能量儲存單元之電池容量的電池容量檢測器。在一實施例中，電池容量檢測器可根據能量儲存單元的電壓-電池容量比特，性提供一電池容量參數。另外，電池容量檢測器可適用於不同的應用。本發明所提供之實施例均結合電池(例如鋰離子電池)進行說明。然而，本發明並不以此為限。一般來講，本發明亦適用於其他類別的能量儲存單元。
圖1所示為根據本發明一實施例電池之電壓-容量比特性曲線100圖。曲線圖100的X軸代表電池容量百分比，Y軸代表電池電壓，單位是毫伏(mV)。兩條曲線130和132代表兩種不同化學材料的鋰離子電池之電壓-容量比特性曲線。
例如，曲線130代表一種化學材料的電池(電池A1
)的電壓-容量比特性曲線。如曲線130所示，點102、104、106和108分別代表電池A1
在電壓為a1
、a2
、a3
及a4
毫伏時，電池容量百分比分別為25%、50%、75%及100%。
曲線132代表另一種化學材料的電池(電池B1
)的電壓-容量比特性曲線。如曲線132所示，點112、114、116和118分別代表B1
電池在電壓為b1
、b2
、b3
及b4
毫伏時，電池容量百分比分別為25%、50%、75%及100%。
雖然不同的能量儲存單元具有不同的電壓-容量比特性，但如果能量儲存單元的電壓已知或已給定，能量儲存單元的電池容量可根據其電壓-容量比特性得知。
圖2所示為根據本發明一實施例檢測能量儲存單元中電池容量之電池容量檢測器200示意圖。在一實施例中，電池容量檢測器200(例如，一電池容量計)，可用以提供臨界參考電壓和電池容量參考值。電池容量檢測器200包括一第一緩衝器212、第二緩衝器214以及耦接至第一緩衝器212和第二緩衝器214的一分壓器220。
在一實施例中，兩個預先設定且可調的參考電壓，例如一第一可調參考電壓202和第二可調參考電壓204，係指示能量儲存單元的電壓極限並分別輸入至第一緩衝器212和第二緩衝器214。第一可調參考電壓202和第二可調參考電壓204可根據能量儲存單元的化學材料預先設定。具體而言，第一可調參考電壓202可為一上限參考電壓，第二可調參考電壓204可為一下限參考電壓。在一實施例中，第一緩衝器212和第二緩衝器214可作為一電壓隨耦器，且每個電壓隨耦器的電路增益趨近為1。因此，第一臨界參考電壓230和第二臨界參考電壓238與第一可調參考電壓202和第二可調參考電壓204基本上相等。
因此，第一緩衝器212可用以根據第一可調參考電壓202產生第一臨界參考電壓230，而第一可調參考電壓202係根據能量儲存單元的化學材料預先設定而得。第二緩衝器214可用以根據第二可調參考電壓204產生第二臨界參考電壓238，而第二可調參考電壓204係根據能量儲存單元的化學材料預先設定而得。
有利之處在於，第一可調參考電壓202和第二可調參考電壓204也可直接被當作(或被提供為)一過壓臨界值和一欠壓臨界值以作為保護。如圖2所示之例子，電壓臨界值206和208分別與第一可調參考電壓202和第二可調參考電壓204基本上相等。在一實施例中，電壓臨界值206可被用作過壓保護電路的一過壓臨界值。例如，當過壓保護電路檢測到電池電壓等於或大於電壓臨界值206時，電池充電過程被終止。同理，電壓臨界值208可被用作欠壓保護電路的一欠壓臨界值。例如，當欠壓保護電路檢測到電池電壓等於或小於電壓臨界值208時，電池放電過程被終止。
分壓器220可被用以將第一臨界參考電壓230和第二臨界參考電壓238上的電壓進行分壓，並提供多個電池容量參考值232、234和236。在一實施例中，分壓器220包含串聯耦接之多個電阻222、224、226和228以提供電池容量參考值232、234和236。電阻222、224、226和228的阻值可以預先設定。電池容量參考值232、234和236可用於根據能量儲存單元的電壓-容量比特性來指示能量儲存單元的電池容量百分比。在一實施例中，第一臨界參考電壓230和第二臨界參考電壓238也可被用於指示能量儲存單元的電池容量百分比。以電池A1
為例，電池容量參考值232、234和236可被設定為如圖1所示的a3
、a2
和a1
mV以分別指示電池A1
的電池容量百分比為75%、50%和25%。在一實施例中，由於第一臨界參考電壓230和第二臨界參考電壓238分別指示上限電池電壓和下限電池電壓，所以，第一臨界參考電壓230和第二臨界參考電壓238也可分別用來指示電池A1
的電池容量百分比為100%和0%。有利之處在於，電池容量檢測器200可透過調節第一可調參考電壓202和第二可調參考電壓204以使其適用於不同的電池。另外，透過改變分壓比例，分壓器220可用以提供不同的電池容量參考值以根據不同的應用需求調整。例如，電池容量參考值可用來指示其他的電池容量百分比，如30%或40%。
在一實施例中，透過調整電阻222、224、226和228的阻值，電池容量參考值232、234和236會隨之改變以滿足不同的應用需求。
在一實施例中，為增強電池容量檢測器200的彈性，電阻222、224、226和228的阻值可透過使用多個個別的電阻來調整。圖3所示為根據本發明一實施例一電阻300示意圖。電阻300可為圖2中所示之電阻222、224、226和228中的任何一個。電阻300可包含串聯耦接之多個個別的電阻282、284、286和288。每一個別的電阻282、284、286和288與一對應的開關292，294，296和298並聯耦接。開關292、294、296和298可以導通(ON)或斷開(OFF)。在一實施例中，開關292、294、296和298可透過編寫程式來控制。透過控制開關292、294、296和298，例如，致能(enable)部份開關，同時失能(disable)其他開關，則電阻300的阻值可被改變。因此，電池容量參考值，例如圖2中所示之電池容量參考值232、234和236可被調整以適用於相對應能量儲存單元的電壓-容量比特性。例如，對電池B1
來說，電阻222、224、226和228的阻值可被調整以輸出圖1中所示之電池容量為b1
、b2
和b3
毫伏時之電池容量參考值232、234和236，以分別指示電池容量百分比為75%、50%以及25%。
圖4所示為根據本發明一實施例用以檢測能量儲存單元之電池容量的系統400示意圖。系統400係使用圖2中所示之電池容量檢測器200。系統400可用以產生多個電池容量指示信號以指示能量儲存單元的電池容量百分比。在一實施例中，電池容量參考值232、234和236以及第一臨界參考電壓230和第二臨界參考電壓238可被分別輸入至比較器362、364、366、360和368以與能量儲存單元的感應電壓350相比較。
在一實施例中，比較器362係用來比較電池容量參考值232與感應電壓350，並根據比較結果輸出一電池容量指示信號382。在一實施例中，電池容量指示信號382為正則指示感應電壓350大於電池容量參考值232，亦即，能量儲存單元的電池容量大於電池容量參考值232所指示之。類似的，比較器360、364、366和368可分別輸出電池容量指示信號380、384、386和388以指示電池容量。例如，如果電池容量參考值232指示的電池容量百分比為75%，當電池容量指示信號382為正時，能量儲存單元的電池容量百分比則大於75%。在一實施例中，電池容量指示信號382、384和386可根據感應電壓350與電池容量參考值232、234和236的比較結果以指示能量儲存單元的電池容量。另外，電池容量指示信號380和388也可根據感應電壓350與第一臨界參考電壓230和第二臨界參考電壓238的比較結果來指示能量儲存單元的電池容量。
因此，透過比較感應電壓350與電池容量參考值232、234和236以及第一臨界參考電壓230和第二臨界參考電壓238，可獲知能量儲存單元的電池容量，相對應的控制信號可被提供以實現能量管理。
在一實施例中，圖2中所示之電池容量檢測器200或是圖4中所示之系統400可透過一週期性導通的開關來控制，以節降低能量損耗。
圖5所示為根據本發明一實施例用以檢測能量儲存單元之電池容量的方法流程500。圖5將結合圖4進行說明。
在步驟510中，根據由能量儲存單元之化學材料所預先設定之一第一可調參考電壓202產生一第一臨界參考電壓230，例如，透過第一緩衝器212產生第一臨界參考電壓230。
在步驟512中，根據由能量儲存單元之化學材料所預先設定之一第二可調參考電壓204產生一第二臨界參考電壓238，例如，透過第二緩衝器214產生第二臨界參考電壓238。由於不同化學材料的能量儲存單元可能導致不同的充電電壓極限，因此第一可調參考電壓202和第二可調參考電壓204可根據相應的能量儲存單元和/或應用需求進行設定。
在步驟514中，一包含串聯耦接之多個電阻222、224、226和228的分壓器220，可用以根據能量儲存單元的電壓-容量比特性來對第一臨界參考電壓230和第二臨界參考電壓238之間的電壓進行分壓。在一實施例中，電阻222、224、226和228的阻值可根據相應的能量儲存單元和/或應用需求預先設定。
在步驟516中，可根據分壓結果產生電池容量參考值232、234和236。電池容量參考值232、234和236以及第一臨界參考電壓230和第二臨界參考電壓238可分別用以指示能量儲存單元的電池容量百分比。並且，透過分別比較感應電壓350與電池容量參考值232、234和236以及臨界參考電壓230和238，可產生電池容量指示信號380、382、384、386和388。另外，在一實施例中，透過比較感應電壓350與第一臨界參考電壓230，可檢測到一過電壓之情形。透過比較感應電壓350與第二臨界參考電壓238，可檢測到一欠電壓之情形。
因此，本發明一較佳實施例提供了一種電池容量檢測器/系統，其可根據能量儲存單元相對應的電壓-容量比特性來檢測能量儲存單元的電池容量。有利的是，電池容量檢測器/系統的電池容量參考值可被調節以相容於不同應用。
最後應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明而並非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
100．．．電壓-容量比特性曲線圖
102、104、106、108．．．點
112、114、116、118．．．點
130、132．．．曲線
200．．．電池容量檢測器
202．．．第一可調參考電壓
204．．．第二可調參考電壓
206．．．電壓臨界值
208．．．電壓臨界值
212．．．第一緩衝器
214．．．第二緩衝器
220．．．分壓器
222、224、226、228．．．電阻
230．．．第一臨界參考電壓
232、234、236．．．電池容量參考值
238．．．第二臨界參考電壓
282、284、286、288．．．電阻
292、294、296、298．．．開關
300．．．電阻
350．．．感應電壓
360、362、364、366、368．．．比較器
380、382、384、386、388．．．電池容量指示信號
400．．．系統
500．．．流程
510、512、514、516．．．步驟
以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中：
圖1所示為根據本發明一實施例電池電壓電池容量比特性曲線示意圖。
圖2所示為根據本發明一實施例檢測能量儲存單元電池容量之電池容量檢測器示意圖。
圖3所示為根據本發明一實施例一電阻示意圖。
圖4所示為根據本發明一實施例用以檢測能量儲存單元之電池容量的系統示意圖。
圖5所示為根據本發明一實施例用以檢測能量儲存單元之電池容量的方法流程。
200．．．電池容量檢測器
202．．．第一可調參考電壓
204．．．第二可調參考電壓
206．．．電壓臨界值
208．．．電壓臨界值
212．．．第一緩衝器
214．．．第二緩衝器
220．．．分壓器
222、224、226、228．．．電阻
230．．．第一臨界參考電壓
232、234、236．．．電池容量參考值
238．．．第二臨界參考電壓
Claims (20)
- 一種檢測一能量儲存單元之一電池容量的電池容量檢測器，包括：一第一緩衝器，根據基於該能量儲存單元之一化學材料所預先設定之一第一可調參考電壓產生一第一臨界參考電壓；一第二緩衝器，根據基於該能量儲存單元之該化學材料所預先設定之一第二可調參考電壓產生一第二臨界參考電壓；以及一分壓器，其係耦接至該第一緩衝器和該第二緩衝器，將該第一臨界參考電壓和該第二臨界參考電壓之間的一電壓進行分壓，並根據該能量儲存單元的一電壓-容量比特性提供多個電池容量參考值，以指示該能量儲存單元的多個電池容量百分比，比較該能量儲存單元的一感應電壓與該多個電池容量參考值，並產生多個電池容量指示信號以指示該能量儲存單元的該電池容量。
- 如申請專利範圍第1項的電池容量檢測器，其中，該分壓器包括：串聯耦接之多個電阻，提供該多個電池容量參考值。
- 如申請專利範圍第2項的電池容量檢測器，其中，該多個電池容量參考值係根據該多個電阻的阻值變化而改變。
- 如申請專利範圍第2項的電池容量檢測器，其中，該串聯耦接之多個電阻之至少一電阻包含：串聯耦接之多個個別電阻；以及多個開關，其係分別與該多個個別電阻並聯耦接。
- 如申請專利範圍第1項的電池容量檢測器，其中，該能量儲存單元包含一電池。
- 如申請專利範圍第1項的電池容量檢測器，其中，該第一可調參考電壓係可作為一過電壓臨界值以保護該能量儲存單元。
- 如申請專利範圍第1項的電池容量檢測器，其中，該第二可調參考電壓係可作為一欠電壓臨界值以保護該能量儲存單元。
- 如申請專利範圍第1項的電池容量檢測器，其中，該第一緩衝器包含一電壓隨耦器。
- 如申請專利範圍第1項的電池容量檢測器，其中，該第二緩衝器包含一電壓隨耦器。
- 一種檢測一能量儲存單元之一電池容量的系統，包括：一電池容量檢測器，其耦接至該能量儲存單元，接收基於該能量儲存單元之一化學材料所預先設定之一第一可調參考電壓和一第二可調參考電壓，根據該第一可調參考電壓產生一第一臨界參考電壓，根據該第二可調參考電壓產生一第二臨界參考電壓，並根據該能量儲存單元的一電壓-容量比特性將該第一臨界參考電壓與該第二臨界參考電壓之間的一電壓進行分壓，提供多個電池容量參考值以指示該能量儲存單元的多個電池容量百分比；以及多個比較器，耦接至該電池容量檢測器，分別比較該能量儲存單元的一感應電壓與該多個電池容量參考值，並產生多個電池容量指示信號以指示該能量儲存單元的該電池容量。
- 如申請專利範圍第10項的系統，其中，該電池容量檢測器包括：一第一緩衝器，根據基於該能量儲存單元之化學材料所預先設定之該第一可調參考電壓產生該第一臨界參考電壓；一第二緩衝器，根據基於該能量儲存單元之化學材料所預先設定之該第二可調參考電壓產生該第二臨界參考電壓；以及一分壓器，其耦接至該第一緩衝器和該第二緩衝器，將該第一臨界參考電壓和該第二臨界參考電壓之間的一電壓進行分壓，並產生該多個電池容量參考值以指示該能量儲存單元的多個電池容量百分比。
- 如申請專利範圍第11項的系統，其中，該分壓器包括：串聯耦接之多個電阻，提供該多個電池容量參考值。
- 如申請專利範圍第12項的系統，其中，該多個電池容量參考值係根據該多個電阻的阻值變化而改變。
- 如申請專利範圍第10項的系統，其中，該能量儲存單元包含一電池。
- 如申請專利範圍第10項的系統，其中，該多個電池容量指示信號根據該感應電壓和該多個電池容量參考值的多個比較結果指示該能量儲存單元的該電池容量。
- 一種檢測一能量儲存單元之一電池容量的方法，包括：接收基於該能量儲存單元之一化學材料所預先設定之一第一可調參考電壓和一第二可調參考電壓；根據該第一可調參考電壓產生一第一臨界參考電壓；根據該第二可調參考電壓產生一第二臨界參考電壓； 根據該能量儲存單元的一電壓-容量比特性，將該第一臨界參考電壓和該第二臨界參考電壓之間的一電壓進行分壓；以及根據該分壓產生多個電池容量參考值，以指示該能量儲存單元的多個電池容量百分比。
- 如申請專利範圍第16項的方法，進一步包括：透過分別比較該能量儲存單元的一感應電壓與該多個電池容量參考值，產生多個電池容量指示信號。
- 如申請專利範圍第17項的方法，進一步包括：透過比較該感應電壓與該第一臨界參考電壓，檢測一過電壓情形。
- 如申請專利範圍第17項的方法，進一步包括：透過比較該感應電壓與該第二臨界參考電壓，檢測一欠電壓情形。
- 如申請專利範圍第16項的方法，其中，該能量儲存單元包含一鋰離子電池。
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