TWI397240B - 智慧型電池裝置、對智慧型電池裝置的電池組充電的方法及智慧型電池裝置中產生近似於電池平均充滿時間的方法 - Google Patents

Description

智慧型電池裝置、對智慧型電池裝置的電池組充電的方法及智慧型電池裝置中產生近似於電池平均充滿時間的方法

本發明係有關於一種智慧型電池裝置及其充電方法，尤指一種可估計充電時間的智慧型電池裝置及其充電方法。

電池是一種可攜且能自我供電的電源供應器，利用電化學反應從各式各樣的化學物品中產生電力。而充電電池不僅可產生電力，當電力耗盡時，還可利用外部電力將充電電池中的電化學反應進行逆反應，使得充電電池再次回復到可以產生電力的狀態。而典型的充電電池可再充電數百至數千次。充電電池廣泛應用在消費性電子產品上，尤其是可攜式電子裝置，例如手機、多媒體裝置、筆記型電腦及小筆電。

先前技術已揭露一種智慧型電池系統(smart battery system,SBS)，其利用可攜式電子裝置的處理和顯示功能，讓可攜式電子裝置的作業系統透過資料匯流排，例如系統管理匯流排(system management bus,SMBus)，和充電電池溝通。作業系統從充電電池接收智慧型電池系統的參數，像是電池平均充滿時間(average-time-to-full,ATTF)，以及透過圖形化使用者介面(graphical user interface)顯示智慧型電池系統的參數，以通知使用者可攜式電子裝置的電池狀況。另外，作業系統也可透過系統管理匯流排控制充電電池的電源管理功能。

請參照第1圖，第1圖係先前技術的電池裝置10之示意圖。電池裝置10可被安裝於一殼體，以及電性連接於筆記型電腦，用以提供電能給筆記型電腦的內部電路和電子裝置，像是硬碟機及液晶顯示器。電池裝置10包含複數個電池100、一電池管理IC 110、安裝於殼體內的一筆記型電腦充電連接器120、一保險絲130、一開關140、一電流感測電阻150、一系統管理匯流排160、一熱敏電阻190及複數個有機發光二極體195。筆記型電腦充電連接器120透過保險絲130和開關140電性連接於複數個電池100的正端，及透過電流感測電阻150電性連接於複數個電池100的負端。電池所剩電力、電池狀態以及控制訊號，可透過系統管理匯流排160在電池管理IC 110和筆記型電腦充電連接器120之間傳遞。複數個電池100可提供電壓範圍在16V到18V的直流電源給筆記型電腦，但複數個電池100也能提供超出上述電壓範圍的直流電源給筆記型電腦。複數個電池100可被排成串聯，並聯，或是串聯並聯的任意組合。例如，如第1圖所示，複數個電池100包含四個串聯排列的個別電池。電池管理IC 110控制保險絲130和開關140，以防止突發的過量電流及/或過量電壓危害筆記型電腦。開關140是一電晶體，其具有一控制端電性連接於電池管理IC 110。電池管理IC 110亦電性連接於電流感測電阻150的第一端和第二端，用以偵測突發的過量電流。電池管理IC 110具有一端電性連接於熱敏電阻190，用以藉由反應熱敏電阻190所偵測到的溫度變化調節直流電源的輸出。電池管理IC 110也控制複數個有機發光二極體195，用以提供電池狀態訊息給筆記型電腦的使用者，且使用者可透過殼體看見複數個有機發光二極體195。

然而，當智慧型電池系統在作業系統和充電電池間提供較大流量的訊息時，使用者很難從電池平均充滿時間去預測距離電池完全充電的所剩時間。另外，先前技術可藉由電池完全充電的電量扣除電池剩下的電量去除以平均電流得到電池平均充滿時間。但上述計算電池平均充滿時間的方法並不準確。再者，先前技術不會提供使用者採用何種充電設定的有用資訊。最後，充電設定也不能被自動優化。

本發明之一實施例提供一種智慧型電池裝置，包含一轉接插頭、一開關、一電池組、一檢測電阻、一類比預處理電路及一自動適配控制電路。該開關電性連接於該轉接插頭；該電池組電性連接於該開關；該檢測電阻電性連接於該電池組和該轉接插頭；該類比預處理電路電性連接於該電池組和該檢測電阻，用以將在該電池組和該檢測電阻測量的類比訊號數位化以形成數位訊號；該自動適配控制電路電性連接於該類比預處理電路和該開關，用以接收該數位訊號以及根據該數位訊號選擇性地開啟或關閉該開關。

本發明之另一實施例提供一種用以對一智慧型電池裝置的一電池組充電的方法，包含該智慧型電池裝置的一微處理器從使用者的輸入指令接收一偏好的充電條件(preferred charging condition)；該微處理器從儲存在該智慧型電池裝置的一記憶體電路中的一電池特性查閱表，擷取有關於該偏好的充電條件的複數個參數；微處理器根據該複數個參數致能該電池組充電；該微處理器運算一最終充電狀態和一大約的電池平均充滿時間；該微處理器更新一充電狀態；該微處理器在該充電狀態小於該最終充電狀態時，遞增該智慧型電池裝置的一計時器電路的一計數器；該微處理器更新在該記憶體電路中的該電池平均充滿時間；及該微處理器在該充電狀態大於或等於該最終充電狀態時，停止該電池組充電。

本發明之另一實施例提供一種在一智慧型電池裝置中產生近似於電池平均充滿時間的方法，包含計算從定電流充電到定電壓充電的一過渡點(transition point)；得到在該過渡點的充電狀態；根據該過渡點計算定電流區間的電量和定電壓區間的電量；根據該定電流區間的電量計算定電流充電時間；根據該定電壓區間的電量產生近似於定電壓充電時間；及將該定電流充電時間和該定電壓充電時間加總得到電池平均充滿時間。

請參照第2圖，第2圖係本發明的一實施例揭露的一智慧型電池裝置20之示意圖。智慧型電池裝置20包含一電池組200、一自動適配控制電路210、一外部轉接插頭220、一類比預處理電路230、一開關240、一檢測電阻250及一熱敏電阻290。自動適配控制電路210包含一微處理器213、一嵌入式快閃記憶體(embedded flash memory) 212、一計時器214、一隨機存取記憶體(random access memory,RAM)215及一充電控制電路211。類比預處理電路230包含一電壓和溫度測量類比數位轉換器(voltage and temperature measurement ADC)231及一庫侖計數器(Coulomb counter) 232。庫侖計數器232可被視為一積分式類比數位轉換器(integrating ADC)。

電池組200包含複數個電池。複數個電池可被排成串聯，並聯，或是串聯並聯的任意組合。自動適配控制電路210用來控制開關240的開啟和關閉，以選擇性地將電池組200透過外部轉接插頭220連接外部電子裝置或是將電池組200透過外部轉接插頭220和外部電子裝置分離。微處理器213送一訊號至充電控制電路211，充電控制電路211根據接收自微處理器213的訊號控制開關240的開啟或是關閉。電壓和溫度測量類比數位轉換器231具有一第一輸入端電性連接於熱敏電阻290，用以接收有關於電池組200溫度狀況的一溫度訊號，和一第二輸入端電性連接於電池組200，用以接收電池組200的一電壓位準。電壓和溫度測量類比數位轉換器231可轉換電壓位準成為一數位電壓訊號，以及轉換溫度訊號成為一數位溫度訊號；電壓和溫度測量類比數位轉換器231並將數位電壓訊號和數位溫度訊號傳送至微處理器213。庫侖計數器232具有一第一輸入端電性連接於檢測電阻250的第一端，以及一第二輸入端電性連接於檢測電阻250的第二端。庫侖計數器232可偵測檢測電阻250兩端的電壓降，並將檢測電阻250兩端的電壓降對時間積分，以及數位化積分後的結果成為電池充電訊號，最後電池充電訊號透過庫侖計數器232的輸出端傳送至微處理器213。嵌入式快閃記憶體212係用以儲存充電特性、使用歷史(use history)、韌體及資料庫。使用歷史包含老化訊息(aging information)。

請參照第3圖，第3圖係本發明的另一實施例揭露一種估計電池充電時間的過程30之流程圖。過程30可透過智慧型電池裝置20來執行，其步驟詳述如下：步驟300：開始；步驟302：使用者輸入偏好的充電條件；步驟304：微處理器213從複數個電池特性查閱表，擷取有關於充電條件的複數個參數；步驟306：微處理器213計算最終充電狀態和預測電池平均充滿時間；步驟308：微處理器213更新充電狀態；如果充電狀態小於等於最終充電狀態，執行步驟310；否則跳至步驟314；步驟310：微處理器213遞增一計數增量Δt至計時器214的計數器t；步驟312：微處理器213更新在嵌入式快閃記憶體212中的電池平均充滿時間，跳至步驟308；步驟314：結束。

在步驟302中，使用者輸入偏好的充電條件，或簡要的描述，像是快速充電或是完全充電(full charging)。偏好的充電條件可以是偏好的充電時間或是偏好的電量(charge level)。在步驟304中，基於使用者提供的充電條件，微處理器213從儲存在嵌入式快閃記憶體212的複數個電池特性查閱表，擷取有關於充電條件的複數個參數。複數個電池特性查閱表包含複數個參數，例如可影響充電時間的充電電流I_Chg 。在步驟306中，基於使用者提供的充電條件，微處理器213可計算最終充電狀態SOC_f 和電池平均充滿時間。最終充電狀態SOC_f 可被偏好的電量(preferred charge level)所影響，亦可被儲存在嵌入式快閃記憶體212的電池使用歷史資訊及/或電池老化資訊所影響。在步驟308中，當電池組200正在執行充電時，微處理器213可更新充電狀態SOC。在步驟310中，如果充電狀態SOC小於最終充電狀態SOC_f ，電池組200不會被充電至偏好的電量，以及微處理器213遞增計數增量Δt至計數器t。然後在步驟312中，微處理器213更新儲存於嵌入式快閃記憶體212的電池平均充滿時間，以及跳回步驟308繼續更新充電狀態SOC。重複步驟308至步驟312直到充電狀態SOC是大於或是等於最終充電狀態SOC_f ，此時過程30將結束(步驟314)。如上所述，即可建立充電狀態的複數個不連續點，以及當充電狀態通過複數個不連續點中的每一不連續點時，微處理器213會更新電池特性查閱表。

請參照第4圖，第4圖係說明電池組200充電條件的示意圖40。當電池組200充電時，以每顆電池芯(battery cell)之電壓為準，依電池芯的即時電壓(present voltage)劃分成三種充電條件：(1)假如即時電壓小於3.0伏特，則使用量值較小之定電流I_Pre-Chg 執行預充電(pre-charge)，其中I_Pre-Chg 為預充電流(pre-charge current)，預充電期間，電池芯的電壓將逐漸升高；(2)假如即時電壓大於或等於3.0伏特，則使用正規定電流充電(normal constant-current charge)，通常正規定電流I_Chg 遠大於預充電流I_Pre-Chg ，定電流充電期間，電池芯的電壓將逐漸升高；(3)假如即時電壓達到規範之上限電壓值V_lim (譬如：4.2伏特)，則使用此上限電壓值V_lim 作定電壓充電(constant-voltage charge)；還有，當電池芯處在定電壓充電階段，假如未被微處理器213強制停止充電，則進入電池芯的電流將逐漸降低(稱為結尾電流)，直到結尾電流降到終止電流(termination current)I_termination ，微處理器213隨即命令開關240關閉而終止充電，此時對應充電飽滿狀態。設計充電條件(1)和充電條件(3)，都是為了避免電池芯快速老化(aging)及充電安全考量。電池組200充電期間，處在定電流充電所花費的時間，可以表示為定電流充電時間t_cc 。一旦進入定電壓充電階段，一結尾電流(taper current)流入電池組200，以增加電池組200的充電狀態(state of charge，簡稱SOC)，直到結尾電流成為終止電流(termination current)I_termination 。終止電流I_termination 可 低於預充電流I_Pre-Chg 。從進入定電壓充電階段至達到終止電流I_termination 所花費的時間，可以表示為一定電壓時間t_cv 。定電流充電時間t_cc 和定電壓時間t_cv 的總合，即為一充電時間t_Chg 。充電電壓和充電電流I_Chg 及終止電流I_termination 都是使用者可設定的參數，且皆儲存於嵌入式快閃記憶體212。

在步驟306中，為了預測電池平均充滿時間(ATTF)，定電流充電時間t_cc 和定電壓時間t_cv 必須可被預測。然後利用定電流時間t_cc 和定電壓時間t_cv 的總和，代表電池平均充滿時間。根據從定電流充電至定電壓充電的轉換點或是過渡點的電池組200的電量Q_Chg ，可預測定電流充電時間t_cc 。轉換點(change point)是有關於在電池組200切換至定電壓充電之前，電池組200的電量多寡的充電百分比，例如75%或80%。根據充電百分比，可決定在定電流充電期間儲存的電量Q_Chg 。然後可利用定電流充電期間所儲存的電量Q_Chg 除以充電電流I_Chg 以得到定電流充電時間t_cc 。另外，可透過預測定電壓電流I_CV 在每一時間區間i內所提供的電量△Q以產生近似於定電壓時間t_cv 。透過增加用以預測定電壓時間t_cv 的時間區間i的數目，可增加近似值的準確性。為了決定每一時間區間i內的定電壓電流(I_CV )_i ，可利用電池組200的開路電壓(OCV)_i 以及內電阻(R_m )_i 。開路電壓(OCV)_i 是儲存在嵌入式快閃記憶體212內的預設參數。而定電壓電流(I_CV )_i 可經由下式計算得到：

每一時間區間i內所提供的電量ΔQ除以定電壓電流(I_CV )_i 可決定每一時間區間定電壓時間(Δt_CV )_i 。然後，定電壓時間t_CV 可經由下式計算得到：

如上所述，透過增加用以預測定電壓時間t_cv 的時間區間i的數目可增加近似值的準確性。近似值可利用逐漸增加的時間區間i的數目，經由疊代法直到滿足下式而得到：

這裡j表示疊代的次數，而threshold是預設的時間閥值。例如，threshold可以是一分鐘。因此，如果最近一次疊代的定電壓時間t_CVj-1 和緊接著下一次疊代的定電壓時間t_CVj 的差距小於一分鐘，則可利用定電壓時間t_CVj 以計算電池平均充滿時間。

藉由上述方法和裝置產生近似於電池平均充滿時間，可提供使用者一個更準確估計電池平均充滿時間的方法，亦可提供使用者決定使用何種充電裝置的根據，以及優化充電時間和電池完全充電程度的充電設定。如此，上述優點使得本發明所揭露的方法和裝置可更便於使用者所使用。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10．．．電池裝置

20．．．智慧型電池裝置

30．．．估計電池充電時間的過程

40．．．充電電位變化的示意圖

100．．．複數個電池

110．．．電池管理IC

120．．．筆記型電腦充電連接器

130．．．保險絲

140．．．開關

150．．．電流感測電阻

160．．．系統管理匯流排

190．．．反應熱敏電阻

195．．．複數個有機發光二極體

200．．．電池組

210．．．自動適配控制電路

211．．．充電控制電路

212．．．嵌入式快閃記憶體

213．．．微處理器

214．．．計時器

215．．．隨機存取記憶體

220．．．外部轉接插頭

230．．．類比預處理電路

231．．．電壓和溫度測量類比數位轉換器

232．．．庫侖計數器

240．．．開關

250．．．檢測電阻

290．．．熱敏電阻

300-314．．．步驟

第1圖係先前技術的電池裝置的功能方塊之示意圖。

第2圖係本發明的一實施例揭露的一智慧型電池裝置之示意圖。

第3圖係本發明的另一實施例揭露一種估計電池充電時間的過程之流程圖。

第4圖係說明電池組充電電位變化的示意圖。

20．．．智慧型電池裝置

200．．．電池組

210．．．自動適配控制電路

211．．．充電控制電路

212．．．嵌入式快閃記憶體

213．．．微處理器

214．．．計時器

215．．．隨機存取記憶體

220．．．外部轉接插頭

230．．．類比預處理電路

231．．．電壓和溫度測量類比數位轉換器

232．．．庫侖計數器

240．．．開關

250．．．檢測電阻

290．．．熱敏電阻

Claims (19)

1. 一種智慧型電池裝置，包含：一轉接插頭；一開關，具有一輸出端電性連接於該轉接插頭的一第一端；一電池組，包含複數個電池，該電池組具有一第一端電性連接於該開關的一輸入端；一檢測電阻，具有一第一端電性連接於該電池組的第二端，和一第二端電性連接於該轉接插頭的一第二端；一類比預處理電路(analog preprocessing circuit)，電性連接於該電池組和該檢測電阻，用以將在該電池組和該檢測電阻測量的類比訊號數位化以形成數位訊號；及一自動適配控制電路，具有一輸入端電性連接於該類比預處理電路的一輸出端，用以接收該數位訊號，以及一輸出端電性連接於該開關的一控制端，用以根據該數位訊號選擇性地開啟或關閉該開關。
2. 如請求項1所述之智慧型電池裝置，其中該自動適配控制電路包含：一記憶體電路，用以儲存韌體、該電池組的歷史資料、充電特性及一資料庫；一充電控制電路，電性連接於該開關的該控制端，用以選擇性地開啟或關閉該開關；及一微處理器，具有一第一輸入端電性連接於該類比預處理電路的該輸出端，用以接收該數位訊號，一第二輸入端電性連接於該記憶體電路，用以存取儲存於該記憶體電路中的該韌體、該歷史資料、該充電特性及該資料庫，和一輸出端電性連接於該充電控制電路，用以控制該充電控制電路根據該數位訊號開啟或關閉該開關；其中該微處理器從使用者的輸入中接收一偏好的充電條件，從儲存在該記憶體電路中的一電池特性查閱表擷取有關於偏好的充電條件的複數個參數，根據該複數個參數致能該電池組充電，運算一最終充電狀態和產生近似於一電池平均充滿時間，更新一充電狀態，當該充電狀態小於該最終充電狀態時，遞增該智慧型電池裝置的一計時器電路的一計數器，更新在該記憶體電路中的該電池平均充滿時間，及當該充電狀態大於或等於該最終充電狀態時，停止該電池組充電。
3. 如請求項2所述之智慧型電池裝置，其中該類比預處理電路包含：一庫侖計數器(Coulomb counter)，電性連接於該檢測電阻，用以根據該檢測電阻兩端的一電壓降產生該數位訊號的一電池充電訊號。
4. 如請求項2所述之智慧型電池裝置，另包含：一熱敏電阻(thermistor)，電性連接於該電池組，用來偵測該電池組的溫度以產生一溫度訊號；其中該類比預處理電路包含：一溫度測量類比數位轉換器(temperature measurement analog-to-digital converter)，用以將該溫度訊號數位化以形成該數位訊號的一數位溫度訊號。
5. 如請求項2所述之智慧型電池裝置，其中該類比預處理電路包含：一電壓測量類比數位轉換器(a voltage measurement analog-to-digital converter)，電性連接於該電池組，用以將該電池組的一電壓訊號數位化以形成該數位訊號的一數位電壓訊號。
6. 如請求項2所述之智慧型電池裝置，其中該微處理器根據該數位訊號計算充電狀態(state of charge,SOC)和電池平均充滿時間(average-time-to-full,ATTF)。
7. 如請求項2所述之智慧型電池裝置，其中在充電期間，當該充電狀態通過複數個不連續點中的每一不連續點時，該微處理器更新該電池特性查閱表。
8. 如請求項2所述之智慧型電池裝置，其中當該電池組儲存電荷增加時，該微處理器週期性地更新該電池平均充滿時間。
9. 一種對一智慧型電池裝置的一電池組充電的方法，該方法包含：該智慧型電池裝置的一微處理器從使用者的輸入中接收一偏好的充電條件(preferred charging condition)；該微處理器從儲存在該智慧型電池裝置的一記憶體電路中的一電池特性查閱表擷取有關於該偏好的充電條件的複數個參數；該微處理器根據該複數個參數致能該電池組充電；該微處理器運算一最終充電狀態和產生近似於一電池平均充滿時間；該微處理器更新一充電狀態；該微處理器當該充電狀態小於該最終充電狀態時，遞增該智慧型電池裝置的一計時器電路的一計數器；該微處理器更新在該記憶體電路中的該電池平均充滿時間；及該微處理器在該充電狀態大於或等於該最終充電狀態時，停止該電池組充電。
10. 如請求項9所述之方法，其中該複數個參數包含一偏好的充電電流(preferred charge current)。
11. 如請求項9所述之方法，其中該複數個參數包含一偏好的充電時間(preferred charge time)。
12. 如請求項9所述之方法，其中該偏好的充電條件是一預設的、一快速的或一使用者定義的充電條件。
13. 如請求項9所述之方法，另包含：建立該充電狀態的複數個不連續點；及該微處理器在充電期間當該充電狀態通過該複數個不連續點中的每一不連續點時，更新該電池特性查閱表。
14. 如請求項9所述之方法，另包含：該微處理器在該電池組儲存電荷增加時，週期性地更新該電池平均充滿時間。
15. 一種在一智慧型電池裝置中產生近似於電池平均充滿時間的方法，該方法包含：計算從定電流充電到定電壓充電的一過渡點(transition point)；得到在該過渡點的充電狀態；根據該過渡點計算定電流區間的電量和定電壓區間的電量；根據該定電流區間的電量計算定電流充電時間；根據該定電壓區間的電量產生近似於定電壓充電時間；及將該定電流充電時間和該定電壓充電時間加總得到電池平均充滿時間。
16. 如請求項15所述之方法，其中計算該定電流充電時間係計算定電流區間的電量和一充電電流相除得到的商。
17. 如請求項15所述之方法，其中根據該定電壓區間的電量產生近似於該定電壓充電時間包含：預測關於複數個充電區間的複數個時間區間內的定電壓電流，以用來提供一預設充電量；根據該預設充電量和該複數個時間區間內的定電壓電流，計算關於該複數個充電區間的複數個時間區間；及加總該複數個時間區間以得到該定電壓充電時間。
18. 如請求項17所述之方法，其中加總該複數個時間區間以得到該定電壓充電時間包含：增加時間區間數目直到該定電壓充電時間的兩連續計算值之間的差異小於一預定的閥值；及選擇該兩連續計算值的一後者做為該定電壓充電時間。
19. 如請求項15所述之方法，其中計算從該定電流充電到該定電壓充電的該過渡點係根據一電壓上限值計算從該定電流充電到該定電壓充電的該過渡點。