TWI469416B - 充電電池模組、電池供電之電子裝置、以及電池充電方法 - Google Patents

充電電池模組、電池供電之電子裝置、以及電池充電方法 Download PDF

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Description

充電電池模組、電池供電之電子裝置、以及電池充電方法
本發明係有關於充電電池模組、電池供電之電子裝置、以及電池充電方法。
充電電池的設計需要考慮內部化學物質之特性。
以鋰電池為例，需保持其中化學物質的活化情況。放電過度會使電池結晶、提早報廢。充電過飽則會使電池劣化。傳統的定電壓/定電流電池充、放電技術無法完善解決電池之結晶與劣化問題。
本發明揭露充電電池模組、電池供電之電子裝置、以及電池充電方法。
根據本發明一種實施方式所實現的一充電電池模組包括：一電池單元、一負載感測器、一感溫器、一耗電判斷模塊以及一充電控制模塊。該耗電判斷模塊係根據該負載感測器所感測到的負載以及該感溫器所感測到的溫度作耗電分級。該充電控制模塊負責收集該耗電判斷模塊所提供的耗電分級結果，並據以控制該電池單元的充電速率(C rate)。本發明所揭露之技術視實際耗電狀況以動態方式對電池單元充電。
本發明另一種實施方式更揭露一種電子裝置，係由電池供電。該電子裝置採用的即是上述充電電池模組。該充電電池模組係安裝在裝置主體上，且該裝置主體係由一適配器以及一電源線耦接一電源以充電該充電電池模組。
本發明另一種實施方式所揭露一電池充電方法包括以下步驟：感測一電池單元之負載；感測溫度；根據感測到的上述負載以及溫度作耗電分級；以及收集多個耗電分級結果、並據以控制該電池單元的充電速率。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖示，詳細說明如下。
第1圖圖解根據本發明一種實施方式所實現的電子裝置，其為電池供電。如圖所示，該電子裝置包括一充電電池模組102以及一裝置主體104。該充電電池模組102安裝在該裝置主體104上。該裝置主體104係由一適配器以及一電源線(圖中將適配器與電源線簡化為連線106)耦接一電源108，以充電該充電電池模組102。該充電電池模組102內可包括充放電開關112-提供路徑充放電該充電電池模組102的一電池單元114。此外，該充電電池模組102更可包括一穩壓器116，用以將該電池單元114所提供的電力轉為穩定的電壓源，可供該充電電池模組102內的電路或模塊使用。
此外，充電電池模組102更包括一負載感測器118、一感溫器120、一耗電判斷模塊122、以及一充電控制模塊124。負載感測器118用於感測負載；在一種實施方式中是以一過載保護設計實現。感溫器120用於感測溫度，可以感溫電阻(thermistor)實現。耗電判斷模塊122係用於根據該負載感測器118所感測到的負載以及該感溫器120所感測到的溫度作耗電分級。充電控制模塊124則負責收集該耗電判斷模塊122所提供的耗電分級結果，並據以調整該電池單元114的充電速率(C rate)。如圖所示，充電控制模塊124係將充電速率資訊傳遞給裝置主體104；該裝置主體104將據以調整電源108充電該電池單元114的速率。以下更詳述耗電判斷模塊122以及充電控制模塊124的實施方式。
參考第1圖，耗電判斷模塊122可包括一負載判斷單元132、一感溫判斷單元134、一邏輯電路136以及一分壓電路138。負載判斷單元132耦接該負載感測器118，用以根據該負載感測器118所感測到的負載輸出一負載標誌142顯示其為高載或者低載狀況。一種實施方式是設定一臨界負載：重於該臨界負載者為高載狀況，而低於該臨界負載者為低載狀況。該感溫判斷單元134耦接該感溫器120，用以根據該感溫器120所感測到的溫度，並輸出一溫度標誌144顯示高溫或者低溫狀況。一種實施方式是設定一臨界溫度：高於該臨界溫度者為高溫狀況，而低於該臨界溫度者為低溫狀況。該邏輯電路136係根據該負載標誌142與該溫度標誌144輸出一控制信號146。圖中實施方式係令低載且低溫狀況下，該控制信號146為高電壓準位(視之為一第一準位)、其他(低載高溫、或高載低溫、或高載高溫)則為低電壓準位(視之為一第二準位)。該控制信號146係用來控制該分壓電路138內的一控制電晶體152。關於該分壓電路138，討論如下。該分壓電路138係將穩壓器116所形成的電壓源經一第一阻抗(R1)、再經一第二阻抗(R2、或R2//R3)耦接地端。控制電晶體152係根據該控制信號146決定上述第二阻抗為R2、或R2//R3。在此實施方式中，低溫低載所引發的的高電壓準位之控制信號146會導通控制電晶體152，第二阻抗由R2降為R2//R3。分壓電路138的輸出端154電壓被下拉，反應該電池單元114之低載且低溫的狀況。
第1圖所示電路結構並不意圖限定耗電判斷模塊122的實施方式。分壓電路138也可以其他方式實現-例如，其中控制電晶體可改成調整第一阻抗，但同樣達到該分壓電路輸出端反應低載且低溫狀況的功效。或者，在其他實施方式中，耗電判斷模塊122可以三階或更多階方式評斷負載以及溫度。例如，三階之負載評斷：低負載、中負載、高負載，三階之溫度評斷：低溫、常溫、高溫，…等；其中邏輯電路以及分壓電路設計係隨其多階評斷調整。
關於充電控制模塊124，第1圖顯示可以該充電電池模組102的一電池管理單元(BMU)162搭配一動態充電控制邏輯164實現。
在一種實施方式中，充電控制模塊124並不考慮最新收集到的耗電分級結果，而是限定以歷來收集到的耗電分級結果中的一段歷史資料控制該電池單元114的充電速率。第2圖圖解動態充電控制邏輯164的一種實施電路，其中包括串接的2N+1個閂鎖(圖示為5個JK閂鎖(JK latch)L1…L5，由時脈CLK與重置信號RST控制，N為2)、以及耦接上述閂鎖的邏輯電路202。上述閂鎖L1~L5暫存最近的5個(2N+1個)耗電分級結果(由電池管理單元162提供)。邏輯電路202則用於排除上述5個耗電分級結果中最新與最舊者，並尋出中間時序的三個歷史資料中比重最高的耗電分級，以供該裝置主機104據以調整該電池單元114的充電速率。在一種實施方式中，若三個歷史資料中低於一臨界溫度且低於一臨界負載的耗電分級佔多數，則充電速率將低於一正常速率(例如，以低於一正常速率0.55C的0.25C充電速率充電)。當然，充電速率可有更多階的調變。
第3圖以波形圖說明電池單元114之充放電，左端為時序最舊、右端為時序最新。此實施例以兩階評比負載(高載、低載)、兩階評比溫度(高溫、低溫)、並以兩階調變充電速率(0.25C、0.55C)。在時間點t1，收集到的5個耗電分級有(1)…(5)。去掉最舊資訊(1)與最新資訊(5)後，餘下的中間時序歷史資訊(2)…(4)是以(2)與(4)之「低溫低載」耗電分級佔多數。根據以上發明內容，充電(C1)係採慢充(如0.25C充電速率)方式。在時間點t2，收集到的5個耗電分級為(2)…(6)。去掉最舊資訊(2)與最新資訊(6)後，餘下的中間時序歷史資訊(3)…(5)中「低溫低載」僅有(4)，佔少數。根據以上發明內容，充電(C2)係採正常充(如0.55C充電速率)方式。
以上動態充電設計極利於鋰電池之類的應用。對應「低溫低載」的慢充設計可有效避免鋰電池過度放電的結晶問題、與過度充電的劣化問題。藉由適當設計耗電分級以及充電速率調變的階數，加上充電電池模組所應當遵循的電壓、電流規範(taper voltage/current)可被妥善兼顧。此外，根據所揭露之技術，設計者無須為電子裝置之開機、修眠、關機模式(S0、S3、S5)的耗電狀況提供特別的充電程序-所揭露之技術即可妥善應對之。
第4圖以一流程圖圖解根據本發明一種實施方式所實現的電池充電方法。步驟S402感測一電池單元之負載與溫度。步驟S404根據感測到的上述負載以及溫度作耗電分級，並收集耗電分級結果。步驟S406檢查收集到的資料量是否足夠；一種實施方式是判斷所收集的耗電分級結果在一定特定時間內(例如48小時內)是否達到2N+1筆，N為一整數。若資料量不足，則重複步驟S402與S404。若資料量足夠，則執行步驟S408，根據收集到的耗電分級結果控制該電池單元的充電速率。
在一種實施方式中，步驟S408是基於所收集的上述耗電分級結果中的一段歷史資料控制該電池單元的上述充電速率。
在一種實施方式中，步驟S408是於該段歷史資料中多數為低於一臨界溫度且低於一臨界負載的狀況時令充電速率低於一正常速率。
第5A圖以及第5B圖以流程圖圖解根據本發明另一種實施方式所實現的電池充電方法。以下配合第1圖說明之。
步驟S502感測到充電電池模組102連結至裝置主體104。步驟S504感測電池單元114之放電電流。若小於3安培或設定電流，所述流程以步驟S506降低電池容量設定。步驟S508更感測溫度。若低於攝氏40度或是設定溫度，所述流程以步驟S510將電池單元114當前的負載與溫度狀況分級為對應0.25C充電速率，並收集此耗電分級。步驟S512負責確認收集到的耗電分級之筆數是否達5筆。若達5筆，所述流程進入步驟S514，根據所收集到耗電分級分配充電速率-例如，根據所收集到的5筆耗電分級之中間時序的3筆耗電分級中多數者決定充電速率。若判定需慢速充電，所述流程執行步驟S516，以0.25C充電。若判定需快速充電，所述流程執行步驟S518，以0.55C充電。
另外，若步驟S512判定收集到的耗電分級未達5筆，則流程執行步驟S520，監控48小時內是否還有電池耗電。若48小時內無耗電，則執行步驟S516固定以0.25C充電。若電池48小時內又有耗電發生，則流程再次回到步驟S504。
另外，當步驟S504感測到電池放電電流大於3安培(或設定電流)、或步驟S508感測到溫度超過攝氏40度(或是設定溫度)，流程進入步驟S522維持電池容量設定，並根據步驟S524感測裝置主體104之耗電。若感測到3安培(或是設定值)以上的電流，流程執行步驟S526，將電池單元114當前的負載與溫度狀況分級為對應0.55C充電速率，並收集此耗電分級。步驟S528負責確認已收集的耗電分級之筆數是否達5筆。若未達五筆，所述流程執行步驟S520。若達5筆，所述流程進入步驟S530，根據所收集到耗電分級分配充電速率-例如，根據所收集的5筆耗電分級之中間時序的3筆耗電分級中佔多數者決定充電速率。若判定需慢速充電，所述流程執行步驟S516，以0.25C充電。若判定需快速充電，所述流程執行步驟S518，以0.55C充電。
此外，若步驟S524感測到的電流未達3安培(或是設定值)，則流程進而以步驟S532檢查充電電池模組102。若確認充電電池模組102仍為插入狀態，流程回到步驟S504。若確認充電電池模組102已拔除，則流程執行步驟S534，移除所收集之耗電分級。
第5A圖以及第5B圖的各步驟方塊可視使用者需求選擇性使用。各判斷步驟所使用的判斷標準(3安培、攝氏40度、5筆)也可根據使用者需求變化。步驟S520之監控時數(48小時)也可隨使用者需求變化。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
102．．．充電電池模組
104．．．裝置主體
106．．．適配器與電源線
108．．．電源
112．．．充放電開關
114．．．電池單元
116．．．穩壓器
118．．．負載感測器
120．．．感溫器
122．．．耗電判斷模塊
124．．．充電控制模塊
132．．．負載判斷單元
134．．．感溫判斷單元
136．．．邏輯電路
138．．．分壓電路
142．．．負載標誌
144．．．溫度標誌
146．．．控制信號
152．．．控制電晶體
154．．．分壓電路
138．．．的輸出端
162．．．電池管理單元(BMU)
164．．．動態充電控制邏輯
202．．．邏輯電路
CLK．．．時脈
L1…L5．．．JK閂鎖
R1、R2、R3‧‧‧電阻
RST‧‧‧重置信號
S402…S408‧‧‧步驟
S502…S504‧‧‧步驟
t1、t2‧‧‧時間點
(1)…(6)‧‧‧指示耗電分級之收集
(C1)、(C2)‧‧‧指示充電時序
第1圖圖解根據本發明一種實施方式所實現的電子裝置，其為電池供電；
第2圖圖解動態充電控制邏輯164的一種實施電路；
第3圖以波形圖說明電池單元114之充放電，左端為時序最舊、右端為時序最新；
第4圖以一流程圖圖解根據本發明一種實施方式所實現的電池充電方法；以及
第5A圖以及第5B圖以流程圖圖解根據本發明另一種實施方式所實現的電池充電方法。
102．．．充電電池模組
104．．．裝置主體
106．．．適配器與電源線
108．．．電源
112．．．充放電開關
114．．．電池單元
116．．．穩壓器
118．．．負載感測器
120．．．感溫器
122．．．耗電判斷模塊
124．．．充電控制模塊
132．．．負載判斷單元
134．．．感溫判斷單元
136．．．邏輯電路
138．．．分壓電路
142．．．負載標誌
144．．．溫度標誌
146．．．控制信號
152．．．控制電晶體
154．．．分壓電路
138．．．的輸出端
162．．．電池管理單元(BMU)
164．．．動態充電控制邏輯
R1、R2、R3．．．電阻

Claims (13)

  1. 一種充電電池模組，包括：一電池單元；一負載感測器，用以感測負載；一感溫器，用以感測溫度；一耗電判斷模塊，根據該負載感測器所感測到的負載以及該感溫器所感測到的溫度作耗電分級；以及一充電控制模塊，收集該耗電判斷模塊所提供的耗電分級結果，並據以決定該電池單元的充電速率，使一電源充電該電池單元的速率隨著該充電速率調整，其中：該耗電判斷模塊係將該負載感測器所感測到的負載依照負載高低判斷為複數個負載等級之一；該耗電判斷模塊更將該感溫器感測到的溫度依照溫度高低判斷為複數個溫度等級之一；該耗電判斷模塊所提供的上述耗電分級結果包括該耗電判斷模塊判斷所得的上述負載等級以及溫度等級。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之充電電池模組，其中，該充電控制模塊係基於所收集的上述耗電分級結果中的一段歷史資料控制該電池單元的上述充電速率。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之充電電池模組，其中，該充電控制模塊係於該段歷史資料中多數低於一臨界溫度且低於一臨界負載時令對應之充電速率低於一正常速率，上述臨界溫度、臨界負載以及正常速率係根據該充電電池模組的電壓與電流規範而設定。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之充電電池模組，其中該充電控制模塊包括：串接的2N+1個閂鎖，暫存最近的2N+1個耗電分級結果，N為整數；以及耦接上述閂鎖的一邏輯電路，用以排除上述2N+1個耗電分級結果中最新與最舊者後尋出比重最高者，以據以決定該電池單元的上述充電速率。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之充電電池模組，其中該耗電判斷模塊包括：耦接該負載感測器的一負載判斷單元，輸出一負載標誌顯示高載或者低載狀況；耦接該感溫器的一感溫判斷單元，輸出一溫度標誌顯示高溫或者低溫狀況；一邏輯電路，根據該負載標誌與該溫度標誌輸出一控制信號，該控制信號在低載且低溫狀況下為第一準位、其他則為第二準位；以及具有一控制電晶體的一分壓電路，該分壓電路將一電壓源經一第一阻抗、再經一第二阻抗耦接地端，其中，在上述控制信號控制下，該控制電晶體決定是否變化上述第一或第二阻抗，使該分壓電路的一輸出端得以反應出低載且低溫的狀況。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之充電電池模組，更包括一穩壓器，該穩壓器轉換該電池單元所提供的電位實現上述電壓源。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之充電電池模組，其中該 電池單元為鋰電池。
  8. 一種電池供電之電子裝置，包括：如申請專利範圍第1項所述之充電電池模組；以及裝置主體，其中，該充電電池模組係安裝在該裝置主體上，且該裝置主體係由一適配器以及一電源線耦接該電源以充電該充電電池模組。
  9. 一種電池充電方法，包括：感測一電池單元之負載；感測溫度；根據感測到的上述負載以及溫度作耗電分級；以及收集多個耗電分級結果，並據以控制該電池單元的充電速率，使一電源充電該電池單元的速率隨該充電速率調整，其中：感測到的上述負載係依照負載高低判斷為複數個負載等級之一；感測到的上述溫度係依照溫度高低判斷為複數個溫度等級之一；且上述耗電分級結果包括上述判斷所得的負載等級以及溫度等級。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電池充電方法，係基於所收集的上述耗電分級結果中的一段歷史資料控制該電池單元的上述充電速率。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之電池充電方法，係於 該段歷史資料中多數低於一臨界溫度且低於一臨界負載時令充電速率低於一正常速率，上述臨界溫度、臨界負載以及正常速率係根據包括該電池單元的一充電電池模組的電壓與電流規範而設定。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之電池充電方法，更於收集的耗電分級結果未達一特定筆數時持續監控該電池單元之負載與溫度一特定時間，並於該特定時間內皆無收集到新的耗電分級結果時令充電速率低於一正常速率。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之電池充電方法，更於該電池單元之負載高於一臨界負載或/且感測到的溫度高於一臨界溫度時感測一裝置主體之耗電量，並於該裝置主體之耗電量高於一臨界耗電量時檢查該電池單元是否已拔除，其中，若該電池單元已拔除，所述之電池充電方法移除所收集之耗電分級結果，若該電池單元未拔除，所述之電池充電方法重新執行感測負載與溫度之步驟。
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