TWI411186B - 比較滿充電容量之電池保護裝置及方法 - Google Patents

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Description

比較滿充電容量之電池保護裝置及方法
本發明係關於一種電池，尤其係關於一種比較滿充電容量之電池保護裝置及方法。
近年來，對於可攜式電子產品(如筆記型電腦、錄影機及行動電話)的需求迅速增加，以及電動車、能量儲存電池、機器人及衛星等發展亦相當活躍。因此，對於可重複充電之高效能二次電池也蓬勃地被研究。
最近，鎳鎘電池、鎳氫電池、鎳鋅電池及鋰二次電池均被商業化使用做為二次電池。而在它們之中，鋰二次電池最獲得重視，因鋰二次電池相對於鎳基電池而言，幾乎不會產生記憶效應，使得鋰二次電池可自由地被充電及放電。除此之外，鋰二次電池展現出極低的自放電(self-discharge)速率及極高的能量密度。
由於電池具有使用時間的限制，如筆記型電等可攜式電子產品應該具有顯示其電池剩餘容量的設計。電池剩餘容量一般表示方法係使用相較其滿充電容量(FCC)之百分比來表示。因此，為了顯示電池的剩餘容量，必須要確實的檢查以及更新電池滿充電容量。當電池由工廠生產出來時，電池的滿充電容量會被設定為一特定值，然而電池在經過多次的充放電之後，其滿充電容量會漸漸減低。因此電池滿充電容量應適當的更新，而目前即有各種用於更新如滿充電容量等資訊之演算法被提出。電池滿充電容量可經由計算一個二次電池於完全放電時至完全充電時的確實充電容量而得到。相反地，該滿充電容量亦可可經由計算一個二次電池於完全充電時至完全放電時的確實放電容量而得到。使用者通常不會等到電池放電完全時才進行再次充電，因此後者的方法是較常使用的。
近年來，電池最常遇到的問題是安全性問題。尤其，隨著筆記型電腦以及手機的使用率越來越高，若電池爆炸，包含有此電池的可攜式電子產品會因此故障，甚至著火。因此，亟須確保電池安全性。至今，許多保護裝置被發展出來以使用於確保電池之安全性。此種保護裝置之作動原理係為，於偵測到電池不正常狀態時，將保險絲融斷或切斷，以截斷充電/放電電流。然而，電池爆炸的意外仍發生頻繁，此則代表著電池安全性尚未達到一令人滿意的程度。此外，雖然傳統的電池保護裝置可以防止電池相關的意外所造成的著火情形，然而由於熱所引起的電池燒焦仍無法避免，因此仍會對電子產品有所傷害。
本發明係為了解決上述問題而提出，因此本發明之一目的係在於提供一種電池保護裝置以及方法，其係可早期地發現電池發生異常而可改善電池之安全性。
為了達成上述目的，本發明提供了一種電池保護裝置，其包括：一保險絲，係連接於一充電或放電電流流經之一電路路徑上；一保險絲控制開關，係選性地開啟或關閉一提供至該保險絲之操作電流；以及一控制器，係計算一電池之滿充電容量之一實際值以及一參考值，比較該實際值以及該參考值，並接著根據該比較結果而控制該保險絲控制開關以熔融並切斷該保險絲。
本發明之另一實施態樣中，係提供一種電池保護方法，其係比較一電池之滿充電容量，該方法包括步驟：(S1)計算該電池之滿充電容量之一實際值；(S2)計算該電池之滿充電容量之一參考值；(S3)比較該步驟(S1)中所計算得到之電池之滿充電容量之實際值與該步驟(S2)中所計算得到之電池之滿充電容量之參考值；以及(S4)根據該步驟(S3)之比較結果，截斷該電池中之一電流。
本發明中，電池發生的異常狀態可早期地發現並控制，因而可防止如著火等問題產生並改善電池之安全性。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
藉此，以下係藉由本發明的具體實施例以及非本發明之比較例更詳細地說明本發明之實施方式。然而，本發明之範疇並不僅限於下述之實施例的範圍。
圖1係本發明一較佳實施例之電池保護裝置100之示意圖。
本發明之電池保護裝置100係連接至一電池槽150，且裝置100包含有一保險絲110、一感測電阻140、一保險絲控制開關120、以及一控制器130。保險絲110連接於一充電或放電電流流經之一電路路徑上，且當如過充電、過放電、短路或過電流等異常情形發生時，保險絲110會不可逆地截斷電壓路徑(voltage path)以保護電池。此外，感測電阻140係連接至充電或放電電流流經之電路路徑，且感測電阻140會感測到流經電池保護裝置100之電流，而保險絲控制開關120選擇性地開啟或關閉一提供至該保險絲之操作電流。
控制器130係計算一電池之滿充電容量之一實際值以及一參考值，比較該實際值以及該參考值，並接著根據該比較結果而控制保險絲控制開關120以熔融並切斷該保險絲110。在此，該滿充電容量之實際值係表示當下所使用之電池之滿充電容量，而該滿充電容量之參考值係表示用來與滿充電容量之實際值作比較之標準值。較佳地，當比較結果為滿充電容量之該實際值小於該滿充電容量之參考值時，控制器130則會控制該保險絲控制開關120以熔融並切斷該保險絲110。當保險絲110被熔融並切斷時，充電或放電電流會被截斷。
此外，控制器130較佳係具有一記憶體，此記憶體可儲存執行控制器130之操作所需的資料。例如，此記憶體可儲存控制器130用以計算滿充電容量之實際值以及參考值之數字或公式，或是控制器130操作時所需的程式。
圖2係本發明一較佳實施例之電池保護裝置中控制器之操作示意圖。
如圖2所示，本發明控制器之操作組態200包括有：一實際值計算單元201，係用以計算電池滿充電容量之實際值；一參考值計算單元202，係用以計算電池滿充電容量之參考值；滿充電容量比較單元203，用以比較該充電容量之實際值以及參考值；以及一保險絲切斷單元204，係用以當比較結果滿足一特定條件時，熔融並切斷保險絲。
以下，本發明之控制器之操作步驟係伴隨著一流程圖一起解說。圖3係本發明一較佳實施例之電池保護方法流程圖，該方法係比較電池滿充電容量之實際值以及參考值。
如圖3所示，首先控制器會計算電池之滿充電容量之一實際值(步驟(S1))。滿充電容量之實際值係依照滿足某個條件進行計算。例如，當充電/放電循環累積次數到一定值時，或是當電池的使用時間超過某個值時，滿充電容量會被重新計算。隨著電池使用時間增加，滿充電容量會慢慢的減少，因此滿充電容量應被重新更新且電池的充電放電的控制應依照此更新後的滿充電容量數值進行，以防止電池的過充電或過放電。控制器會將充電/放電循環累積次數以及電池使用時間管理並儲存於一記憶體中。於初期計算電池之滿充電容量實際值之操作中，電池之滿充電容量實際值可經由將電池充電至滿充電電壓的時間至電池放電至滿放電電壓的時間之間的放電電流作積分而得到。於另一個態樣中，滿充電容量實際值可經由將電池放電至滿放電電壓的時間至電池充電至滿充電電壓的時間之間的充電電流作積分而得到。
同時，除了上述之積分方法，習知技術中用以計算電池滿充電電壓實際值的方法亦可使用。因此，本發明中用以計算電池滿充電電壓實際值的方法並無任何特別限制。
電池滿充電容量實際值計算完成後，控制器會計算電池滿充電容量之參考值(步驟(S2))。滿充電容量之參考值的計算方法會於後續作介紹。在此，熟知本技術領域者均可了解，步驟(S1)以及步驟(S2)執行的順序可前後對調。
接著，控制器會比較電池滿充電容量之實際值以及參考值，並決定是否要將電池電流截斷(步驟(S3))。步驟(S3)中，若控制器決定要將電池電流截斷，控制器會控制該保險絲控制開關使其熔融並切斷該保險絲，而不可逆地截斷電池電流(步驟(S4))。
較佳地，控制器係根據該步驟(S3)之一預設值，即當電池滿充電容量之實際值小於電池滿充電容量之參考值時，則決定切斷保險絲。
其他的情形中，亦可能是，當電池滿充電容量之實際值小於滿充電容量之參考值連續至少兩次時，控制器則會切斷保險絲。
同時，步驟(S2)中，控制器所計算之參考值，較佳係將電池滿充電容量之理論值與不大於1之預定值相乘計算得到。在此，滿充電容量之理論值係表示於正常狀態下，當充電/放電循環時所得到的滿充電容量。更佳地，步驟(S2)中，控制器計算參考值時，係將滿充電容量之理論值、與正常狀態下之電池效率(即，放電效率或充電效率)、以及一異常操作計算速率(AOCR)相乘而得到。如此，滿充電容量之參考值可根據下式1之計算得到。
[式1]
滿充電容量之參考值=滿充電容量之理論值×電池效率×AOCR
在此，AOCR係表示將電池滿充電容量視為正常的最大範圍，其係以電池滿充電容量的理論值作基準。例如，假設AOCR為80%時，若電池滿充電容量之實際值之值為正常電池滿充電容量之80%以上時，電池可視為不具有異常。並且，於充電步驟時AOCR亦可以ACCR(異常充電計算速率，Abnormal Charge Count Rate)作表示，或於放電步驟時AOCR亦可以ADCR(異常放電計算速率，Abnormal Discharge Count Rate)作表示。
以下，本發明之電池滿充電容量參考值的計算方法的一較佳實施例將更詳細地說明。
【表1】
表1係為本發明一實施態樣中電池滿充電容量理論值之一例子。如表1所示，當重複使用次數(或，充電/放電循環次數)增加時，換言之即當電池經過重複的充電/放電後，滿充電容量理論值會減少。此時，若電池包含有數個並聯的電池槽時，滿充電容量理論值需乘上並聯的電池槽的數量。例如，如表1所示，當重複使用次數為50時，滿充電容量理論值則為2500mAh。然而，若有兩個並聯的電池槽，滿充電容量理論值會是5000mAh，而若是三個電池槽並聯時，理論值則會是7500mAh。
表2係本發明一較佳實施例中電池效率的例子。表2中所示的效率值可為電池放電效率或是電池充電效率。如表2中所示，電池效率可依照C-速率以及溫度來決定。如表2中所示，當C-速率為1.0C且溫度為25℃時，電池的充電/放電效率為98%。
以下，本發明之一較佳實施例的電池滿充電容量參考值係參考式1以及表1及2作詳細的計算。假設表1中所示之具有滿充電容量理論值之電池僅包含有一電池槽，且重複使用次數為50，C-速率為1.0C，溫度為25℃，且AOCR為80%。請見表1，電池滿充電容量之理論值為2500mAh，並請見表2，電池效率則為98%。因此，電池滿充電容量之參考值可依照式1進行計算。
參考值=2500×0.98×0.8=1960mAh
此外，本領域具習知技術之人員可得知，如前所述，滿充電容量之理論值、電池效率、以及AOCR會依據各種不同狀況(如，電池種類以及使用條件)而有所不同。
再者，雖未顯示於圖3中，若將步驟(S3)中電池滿充電容量視為在正常範圍內，控制器會將儲存在記憶體中現行的滿充電容量更新為重新計算出來的滿充電容量。
圖4係本發明一較佳實施例之電池滿充電容量之實際值、理論值、以及參考值。
如圖4所示，滿充電容量之參考值係對應於將滿充電容量之理論值減去一預設比例後所得到之數值。亦即，滿充電容量之參考值可經由將電池滿充電容量之理論值與不大於1之預定值相乘而得到。此實施例中，當滿充電容量之實際值大於參考值時，電池可被視為正常狀態。然而，若滿充電容量之實際值低於參考值時，如圖4之右方區域所示(以點a作為參考點)，電池可被視為不正常狀態，此時保險絲則會被熔融並切斷以截斷電池中之電流。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
100．．．電池保護裝置
110．．．保險絲
120．．．保險絲控制開關
130．．．控制器
140．．．感測電阻
150．．．電池槽
200．．．操作組態
201．．．實際值計算單元
202．．．參考值計算單元
203．．．滿充電容量比較單元
204．．．保險絲切斷單元
圖1係本發明一較佳實施例之電池保護裝置之示意圖。
圖2係本發明一較佳實施例之電池保護裝置中控制器之操作示意圖。
圖3係本發明一較佳實施例之電池保護方法流程圖，該方法係比較電池滿充電容量之實際值以及參考值。
圖4係本發明一較佳實施例之電池滿充電容量之實際值、理論值、以及參考值。
該圖為一流程圖故無元件代表符號。

Claims (8)

  1. 一種電池保護裝置，包括：一保險絲，係連接於一充電或放電電流流經之一電路路徑上；一保險絲控制開關，係選性地開啟或關閉一提供至該保險絲之操作電流；以及一控制器，係計算一電池之滿充電容量之一實際值以及一參考值，比較該實際值以及該參考值，依照該比較結果決定該電池是否為不正常狀態，並接著在該電池被決定為不正常狀態時，控制該保險絲控制開關使熔融並切斷該保險絲。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池保護裝置，其中當該滿充電容量之該實際值小於該滿充電容量之該參考值時，該控制器決定該電池為不正常狀態以及控制該保險絲控制開關熔融並切斷該保險絲。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電池保護裝置，其中該控制器係經由將滿充電容量之一理論值與一不大於1之預定值相乘，以計算出該參考值。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電池保護裝置，其中該預定值係經由將該電池之一效率與異常操作計算速率(AOCR，Abnormal Operating Count Rate)相乘而得到。
  5. 一種電池保護方法，其係比較一電池之滿充電容量，該方法包括步驟：(S1)計算該電池之滿充電容量之一實際值； (S2)計算該電池之滿充電容量之一參考值；(S3)比較該步驟(S1)中所計算得到之電池之滿充電容量之實際值與該步驟(S2)中所計算得到之電池之滿充電容量之參考值；以及(S4)根據該步驟(S3)之比較結果決定該電池是否為不正常狀態，並於該電池為不正常狀態時截斷該電池中之一電流。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電池保護方法，其中，於該步驟(S4)中，根據該步驟(S3)之比較結果，當該步驟(S1)之實際值小於該步驟(S2)之參考值時，該電池被決定為不正常狀態而且該電流被截斷。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之電池保護方法，其中，於該步驟(S2)中，係將滿充電容量之一理論值與一不大於1之預定值相乘計算以得到該參考值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電池保護方法，其中，係經由將該電池之一效率與異常操作計算速率(AOCR)相乘而以得到該預定值。
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