TWI475239B - 電池組老化測試系統及方法 - Google Patents

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Description

電池組老化測試系統及方法 發明領域
本發明大體上係有關於一電池組老化測試系統及方法。
 背景
如今，諸如無線電動工具、筆記型電腦及行動電話之許多可攜式裝置裝載有一鋰離子電池組，因為鋰離子電池組與一習知的電池組相比具有高能量密度、低自放電、無記憶效應、較長運作時間及重量輕之優點。然而，鋰離子電池組可由於過度充電、過度放電或過熱條件而導致不安全的運作。
一鋰離子電池組(battery pack)典型地由一或多個鋰離子電池(cell)串聯或並聯連接而構成，視其輸出能量需求而定。該電池組還包含用於監視及確保該等鋰離子電池在它們的安全限制內運作之一保護板。一些電池組包括電量計(fuel gauge)積體電路來估計充電狀態(SOC)且經由系統管理匯流排(SMBus)通訊亦能夠與外部裝置通訊。這種類型的電池組通常稱為一智慧型電池組。
作為製程的一部分，電池組製造商典型地使用每一電池組的完全充電、完全放電、充電50%之3階段循環來執行一電池組老化測試以除去由於元件缺陷、不匹配的電池、欠佳的點焊、欠佳的焊接及其它功能缺陷而引起的任何初始故障的電池組。同時，該電池組在該完全充電、完全放電循環期間還執行一SOC校準來準確地更新其SOC。
該電池組老化測試系統是一相對複雜的電子測試系統，其支援多通道測試、使用者可規劃的老化測試參數及測試資料記錄功能。提供將能量傳送至該等電池組及自該等電池傳送能量的該等裝置分別是恒流恒壓(CCCV)充電器及電子負載(Eload)。在該放電階段期間，要遭測試的該電池組(這裡稱為測試組(Pack-Under-Test,PUT))被連接至以一預設電流放電該PUT之一電子負載。當PUT中的任一電池低於該過度放電電壓臨限時，該PUT將終止該放電過程。在充電階段，該PUT連接至一CCCV充電器，其中當滿足該PUT的完全充電條件時該充電器將終止該充電過程。該老化測試循環典型地以充電來開始，且該PUT將首先自大約50%的一初始容量被充電至100%的一完全充電的容量。該PUT接著將完全放電至0%。最後，該PUT被再充電至其裝運容量為50%。該PUT的初始容量大約是50%，因為這是該等鋰離子電池的初始裝運容量。因此，該電池組製造商必須在裝運之前給該PUT再充電至50%。該老化測試循環的歷時視該等充電及放電電流的設定而定。對於一較短的老化週期由於較高的電流需求將產生較多的熱量，反之亦然。典型地，該老化測試歷時在3小時至5小時的範圍內。
電池組老化測試程序的目前方法由於該PUT在該電子負載與該CCCV充電器之間交換能量而具有產生大量熱之問題。例如，遭設計用於一筆記型電腦之一標準6電池(6-cell)鋰離子電池組在該放電階段以熱的形式典型地耗散35W左右。因而，一千個PUT同時放電將產生35kW的功率轉化為費熱。對於一電池組製造點而言同時保持數千電池組的老化處理是相對常見的。由於該等老化處理所產生的這樣大量的熱，將該老化處理房間的溫度控制在一可接受的操作溫度是一非常昂貴的操作。大功率的空調及熱移除系統可助於降低該房間的溫度，但這些消耗額外的電力而產生較高的開銷。此外，無法控制該老化處理房間的溫度可能導致安全問題，因為鋰離子電池組可能會在它們的安全運作區域外運作。
因此存在對提供尋求處理該等上面提到的問題當中之至少一問題之一電池組老化測試系統及方法的一需求。
 概要
依據本發明之一第一層面，本文提供一電池組老化測試系統，其包含用於將一第一及一第二電池組分別電氣互連至該系統之第一及第二互連電路；用於耦接至該第一及第二電池組之各自的電池管理積體電路(IC)之一資料通訊匯流排；及耦接至該資料通訊匯流排之一系統管理單元。在一老化測試期間，該系統管理單元可控制自該第二電池組的一放電對該第一電池組的一充電。
該系統可進一步包含耦接至該資料通訊匯流排之一電流限制器，該電流限制器電氣連接在該第一及第二電池組之間以限制來自該第二組的該放電之用於給該第一電池組充電之一充電電流，以使在該系統管理單元的該控制下對該第一電池組的一初始充電在一恒流充電狀態中。
該系統可進一步包含一第一可調整電源，其與該第二電氣互連電路電氣串聯並耦接至該資料通訊匯流排，用以在該系統管理單元的該控制下維持一選定的電壓差在一方面該第二電池組與該第一可調整電源之一串聯電壓及另一方面該第一電池組之一電壓之間。
該系統管理單元可進一步將該第二電池組與該第一可調整電源之該串聯電壓維持在一恒定值且可允許該充電電流在該恒流充電狀態之後的一恒壓充電狀態中逐漸地降低。
該系統管理單元可進一步包含一第二可調整電源，其與該第一電氣互連電路電氣串聯並耦接至該資料通訊匯流排，用以在自該第一電池組之一放電對該第二電池組的一恒流充電狀態期間在該系統管理單元的該控制下維持一選定的電壓差在一方面該第一電池組與該第二可調整電源之一串聯電壓及另一方面該第二電池組之一電壓之間；及該系統管理單元可進一步將該第一電池組與該第二可調整電源之該串聯電壓維持在一恒定值且可允許該充電電流在該第二電池組之該恒流充電狀態之後的該第二電池組之一恒壓充電狀態中逐漸降低。
該系統可進一步包含第一及第二充電器，其等分別與該第一及第二互連體電氣並聯且耦接至該資料通訊匯流排，用以在該系統管理單元的該控制下對該第一及第二電池組輔助充電。
該系統可進一步包含第一及第二電子負載，其等分別與該第一及第二互連電路電氣並聯且耦接至該資料通訊匯流排，用以在該系統管理單元的該控制下輔助放電該第一及第二電池組。
該系統可進一步包含一功率開關，其電氣串聯在該等第一與第二互連電路之間並耦接至該資料通訊匯流排，用以在該輔助充電或放電期間中斷該等第一與第二電池組之間的一串聯連接。
該系統管理單元可分別判定該第一及該第二電池組之電位差與溫度。
該系統管理單元可分別判定該第一及該第二電池組之充電容量。
該系統管理單元可包含一微控制器。
該資料通訊匯流排可包含一SMBus。
依據本發明之一第二層面，本文提供用於電池組的老化測試之一方法，該方法包含自一第二電池組之一放電來給一第一電池組充電。
該方法可進一步包含限制來自該第二組的放電之用於給該第一電池組充電的一充電電流，以使對該第一電池組的一初始充電在一恒流充電狀態中。
該方法可進一步包含提供一可調整電源，其與該第二電池組串聯並維持一選定的電壓差在一方面該第二電池組與該第一可調整電源之一串聯電壓及另一方面該第一電池組之一電壓之間。
該方法可進一步包含將該第二電池組與該第一可調整電源之該串聯電壓維持在一恒定的值並允許該充電電流在該恒流充電狀態之後的一恒壓充電狀態中逐漸降低。
圖式簡單說明
根據僅作為例子且結合該等附圖之下面的書面描述，本發明之實施例將被較好理解且對熟於此技者而言是清楚的，其中：第1圖顯示說明針對依據本發明之一實施例之一鋰離子電池組之功能區塊之一示意方塊圖。
第2圖說明依據本發明之一實施例之在一鋰離子電池組中之一鋰離子電池之一恒流恒壓(CCCV)充電剖面。
第3圖顯示說明在一示範實施例之兩鋰離子電池組之間的一手動能量傳送程序之一示意方塊圖。
第4圖顯示說明在一示範實施例之兩鋰離子電池組之間的一自動能量傳送程序之一示意方塊圖。
第5圖顯示說明針對依據第4圖之該實施例之該自動能量傳送系統之能量傳送之一流程之一流程圖。
第6圖顯示說明依據本發明之一實施例之一可再循環的能量鋰離子電池組的老化測試系統之一示意方塊圖。
第7圖顯示說明針對依據第6圖之該實施例之該可再循環的能量鋰離子電池組的老化測試系統之該能量傳送程序之初始階段之一流程圖。
第8圖顯示說明針對依據第6圖之該實施例之該可再循環的能量鋰離子電池組的老化測試系統之該能量傳送程序之第2階段之一流程圖。
第9圖顯示說明針對依據第6圖之該實施例之該可再循環的能量鋰離子電池組的老化測試系統之該能量傳送程序之最後階段之一流程圖。
 詳細說明
下文描述的該等示範實施例可能能夠克服先前已描述的該等缺點。該等示範實施例可提供一電池組老化測試系統及在電池組間傳送能量之一方法。藉由在該老化測試期間使用在該放電狀態中的一第一電池組的放電給在該充電狀態中的一第二電池組充電來進行電池組間的能量傳送。在示範實施例中，該能量傳送可以是自該第一電池組至該第二電池組之一單向過程。在可選擇的實施例中，該能量傳送可以是包含自該第一電池組至該第二電池組及反之亦然之一雙向過程。
第1圖顯示說明針對依據本發明之一實施例之一鋰離子電池組100之功能區塊之一示意方塊圖。該鋰離子電池組100包含一電池管理IC(BMIC)102、一感測電阻器(RS1)104、一P通道充電MOSFET(CFET)106、一P通道放電MOSFET(DFET)108、一可再充電的電池110及一連接體(CN1)112。在示範實施例中，電池管理IC(BMIC)102可以是一微控制器。
該可再充電的電池110依據本發明之實施例包含串聯配置的一或多個個別電池，例如114。應該明白的是，視輸出能量需求而定，該等個別電池(例如114)可以以任何組態來串聯或並聯配置。在示範實施例中，在該可再充電電池110之正極與該電池組100之正(+)終端118之間，該P通道充電MOSFET(CFET)106與該P通道放電MOSFET(DFET)108串聯連接。該P通道充電MOSFET(CFET)106與該P通道放電MOSFET(DFET)108分別經由用線122及124表示之相對應的電氣連接連接至該電池管理IC(BMIC)102。該電池組100進一步包含配置在該可再充電電池110之負極與該電池組100之負(-)終端120之間之一感測電阻器(RS1)104。應該明白的是，該P通道充電MOSFET(CFET)106、該P通道放電MOSFET(DFET)108及該感測電阻器(RS1)104在不背離如大體描述之本發明之精神或範圍的情況下可以以其它組態來配置。
包含個別電池(例如示範實施例的114)之該可再充電的電池110經由用線例如116表示之相對應的電氣連接可連接至該電池管理IC(BMIC)102。該電池管理IC(BMIC)102監視該可再充電的電池110之該等個別電池(例如114)之該等電壓及溫度來確保該等電池(例如114)在它們的安全限制內運作。該等電池(例如114)可由一外部恒流恒壓(CCCV)充電器(未顯示)來充電，透過將該CCCV充電器之該等相對應的終端連接至在該電池組100之該連接體(CN1)112上提供之該正(+)終端118及該負(-)終端120。如果該等電池(例如114)中的任一電池遭充電超過一預定的過度充電電壓保護臨限或在一預定的安全充電溫度範圍以外而運作，該電池管理IC(BMIC)102將不導通該P通道充電MOSFET(CFET)106來去能充電，從而保護該等電池(例如114)不至於過度充電或在一相對不安全的溫度等級運作。典型地，一鋰離子電池之該過度充電電壓保護臨限大約是4.2V。
在示範實施例中的該電池組100之該等電池(例如114)可以由一外部裝置負載(未顯示)來放電，透過將該裝置負載之該等相對應的終端連接至該正(+)終端118及該負(-)終端120。如果該等電池(例如114)中的任一電池遭放電小於一預定的過度放電電壓保護臨限或在一預定的安全放電溫度範圍以外而運作，該電池管理IC(BMIC)102將不導通該P通道放電MOSFET(DFET)108來去能放電，從而保護該等電池(例如114)不至於過度放電或在一相對不安全的溫度等級運作。典型地，一鋰離子電池之該過度放電電壓臨限大約是2.5V。
在示範實施例中，該電池管理IC(BMIC)102藉由經由分別用連接在接點130及132之線126及128表示之相對應的電氣連接檢測橫跨該感測電阻器(RS1)104兩端的電位差(也稱為電壓降)來額外地監視在該電池組100中的電流。如果該充電電流或放電電流超過它們各自的預定電流臨限，該電池管理IC(BMIC)102將分別不導通該P通道充電MOSFET(CFET)106或該P通道放電MOSFET(DFET)108來去能充電或放電。該電池管理IC(BMIC)102依據本發明之實施例可額外地檢測該電池組100之狀態並使用系統管理匯流排(SMBus)協定經由在該電池組100之該連接體(CN1)112上提供的該SMBus CLK 134與該SMBus DAT 136終端將此資訊傳遞給一外部裝置。
第2圖說明依據本發明之一實施例之一鋰離子電池之一恒流恒壓(CCCV)充電剖面200。該恒流恒壓(CCCV)充電剖面200顯示充電容量202、充電電壓204及充電電流206相對於該充電時間208之特性。在該恒流(CC)狀態210期間，藉由以電流曲線218表示之一預定恒定電流給該鋰離子電池充電直至該電池達到其滿容量的大約75%，如容量曲線214所示。在此恒流(CC)狀態210中，該充電電壓在該電池充電期間如該電壓曲線216所示增加。在75%滿容量的該點處，該電池的電壓及橫跨該電池內部電阻兩端之電壓降等於該充電器的最大輸出電壓。該充電狀態接著自該恒流(CC)狀態210切換至該恒壓(CV)狀態212，其中此時用一恒定電壓來給該電池充電，如電壓曲線216所示。隨著該電池在電位上的增益，橫跨其內部電阻兩端的該電壓差及該充電電流206將逐漸降低直至用電流曲線218表示的該充電電流206下降至大體設定為該CC電流設定的大約5%至10%之一預定位準以下。此條件預示該電池現在被完全充電且該CCCV充電器關閉其輸出來停止該充電過程。
第3圖顯示說明本發明之示範實施例之兩鋰離子電池組之間的一手動能量傳送程序300之一示意方塊圖。該程序300自電池組A 302將能量傳送至電池組B 304。該電池組A 302與一可變電源(VPS1)306及一電流限制電路(CL1)308串聯連接。該電池組B 304與該電池組A 302、該可變電源(VPS1)306及該電流限制電路(CL1)308並聯連接。可藉由改變由該電池組A 302與該可變電源(VPS1)306共同決定之該總的串聯電壓(TSV)310之位準來控制自該電池組A 302至電池組B 304的能量傳送。如果該總的串聯電壓(TSV)310遭設定為高於該電池組B 304的電壓，電流將自該電池組A 302流出來給該電池組B 304充電，如用箭頭312所表示。該電流限制電路(CL1)308將該充電電流維持在一恒定值以使得該電池組A 302在該恒流(CC)狀態給該電池組B 304充電。為了免受過度充電該電池組B 304，以規律間隔監視該總的串聯電壓(TSV)310，且在必要的情況下，手動調整該可變電源(VPS1)306來將該總的串聯電壓(TSV)310限制於該電池組B 304的預定可允許最大電壓。這樣，當該電池組B 304被充電至其預定可允許最大電壓時，隨著該系統自該恒流(CC)狀態210切換至該恒壓(CV)充電狀態212，該充電電流開始降低及該電流限制電路(CL1)308以與一旁路電路相類似的方式而作用。當滿足該電池組B的完全充電條件時，停止對該電池組B的充電。
第4圖顯示說明在本發明之示範實施例之兩鋰離子電池組之間的一自動能量傳送系統400之一示意方塊圖。該自動能量傳送系統400包含一系統管理單元(SMU)402，其遭配置以經由如線例如416所表示之系統管理匯流排(SMBus)連接之一網路來控制一可規劃電源A(PPSA)404、一電流限制器(CL)406、一功率開關(PSW)408、一電池組A 410及一電池組B 412且與其等通訊，來執行該能量傳送程序。應該明白的是，可使用其它通訊介面，例如串列的、並列的及無線的通訊介面而非該SMBus通訊介面。該電池組A 410及該電池組B 412並聯，而該可規劃的電源A(PPSA)404、該電流限制器(CL)406及該功率開關(PSW)408經由如線426表示的一閉環電氣連接與該電池組A 410串聯。現在參考第5圖之流程圖500來描述針對能量傳送系統400之能量傳送的程序。在能量傳送程序的開始502之後，在步驟504，該系統管理單元(SMU)繼續與該電池組A及該電池組B通訊以核對該電池組A及該電池組B的電壓與溫度之各自的狀態。在步驟506，依據預定安全限制來核對該電池組A及該電池組B的該等電壓與溫度以判定它們是否在操作的該安全限制內。如果該電池組A或該電池組B的該等電壓或溫度當中之任一者超出該等安全限制，該程序進行至步驟520來停止並隨後結束522該能量傳送程序。如果該電池組A未過度放電及該電池組B沒有完全充電且該電池組A與該電池組B的該等溫度都在該安全運作溫度範圍內，則該程序進行至步驟508，其中該系統管理單元(SMU)導通功率開關(PSW)且隨後該程序進行至步驟510來設定該可規劃電源A(PPSA)的輸出電壓。
在示範實施例中，該可規劃電源A(PPSA)的輸出電壓可基於如下作為範例而非限制的條件來設定。由該可規劃電源A(PPSA)及該電池組A的該等電壓共同決定之該總的串聯電壓(TSV)遭設定高於該電池組B的電壓例如0.1V以致能自該電池組A至該電池組B的能量傳送。如果該電池組A具有比該電池組B較高的一電位，例如高0.1V，該可規劃電源A(PPSA)被設定為0V。該系統管理單元(SMU)接著設定該電流限制器(CL)以維持一恒定充電電流來給電池組B充電。此外，該總的串聯電壓(TSV)不被設定高於該電池組B之該預定的可允許最大電壓以免給該電池組B過度充電。接著，在已設定該可規劃電源A(PPSA)之輸出電壓之後，能量傳送的程序進行至步驟512，其中該電池組B在該恒流恒壓(CCCV)模式中被充電。在該充電步驟512期間，該充電電流自該電池組A之該正(+)終端流向該電池組B之該正(+)終端來給該電池組B充電。該充電電流接著自該電池組B之該負(-)終端經過該功率開關(PSW)、該電流限制器(CL)及該可規劃電源A(PPSA)流向該電池組A之該負(-)終端。
在示範實施例中，該系統管理單元(SMU)以規律間隔不斷地監視該電池組A與該電池組B之各自的狀態並隨著該電池組A電壓的降低及該電池組B電壓的增加而逐步地增加該可規劃電源A(PPSA)輸出以維持一恒定充電電流使得該電池組B在該恒流(CC)狀態中充電。當該電池組B正充電升至其預定的可允許最大電壓時，該充電電流隨著該充電過程自該恒流(CC)狀態切換至該恒壓(CV)狀態而逐步降低。在示範實施例中，在步驟514，核對該電池組A以判定其是否已完全放電。如果該電池組A已完全放電，該能量傳送程序藉由在步驟518不導通該功率開關(PSW)及關閉該可規劃電源A(PPSA)，及接著停止520及結束522該能量傳送程序之後續程序來終止。如果該電池組B未完全充電，該程序返回至步驟510來重置該可規劃電源A(PPSA)之輸出電壓。接著重複如上所述之在步驟510之後的該等後續步驟，直至該電池組A已完全放電(這在步驟514中判定)或該電池組B已完全充電(這在步驟516中判定)，藉此該能量傳送程序接著被終止。一般地，該能量傳送程序不提供100%的有效率，因為該電池組A典型地在該電池組B完全充電之前已耗盡其全部能量。
將要明白的是，該完全充電的電池組B接著可用於使用參考第4圖及第5圖所予以描述的該系統及方法以如電池組A相同的方式由電池組B的一放電給另一電池組充電。再者，將要明白的是，參考第4圖及第5圖所予以描述的該系統及方法藉由當在該系統管理單元的控制下達到50%再充電時停止充電也可用於作為總老化測試一部分之該50%再充電。
第6圖顯示說明依據本發明之一實施例之一可再循環的能量鋰離子電池組的老化測試系統600之一示意方塊圖。該老化測試系統600是對先前予以描述的該自動能量傳送系統400(第4圖)的一進一步增強，因為在示範實施例中該系統600能夠支援雙向能量傳送程序且將該電池組A 608與該電池組B 622充電及放電至期望的容量。該老化測試系統600包含一系統管理單元(SMU)602，其遭配置以經由如線例如628所表示之系統管理匯流排(SMBus)連接之一網路來控制該老化測試系統600之該等不同的裝置且與它們通訊，來執行該能量傳送程序。應該明白的是，可使用其它通訊介面，例如串列的、並列的、無線的通訊介面而非該SMBus通訊介面。該老化測試系統600進一步包含並聯的一電池組A 608及一電池組B 622，藉此允許自一電池組至另一電池組的能量傳送。在示範實施例中，一可規劃電源A(PPSA)604與該電池組A 608串聯及一可規劃電源B(PPSB)618與該電池組B 622串聯。可藉由該系統管理單元(SMU)602來設定該可規劃電源A(PPSA)604之電壓以控制該總的串聯電壓A(TSVA)606及隨後地自該電池組A 608至該電池組B 622的能量傳送。以一類似的方式，可藉由該系統管理單元(SMU)602來設定該可規劃電源B(PPSB)618之電壓以控制該總的串聯電壓B(TSVB)620及隨後地自該電池組B 622至該電池組A 608的能量傳送。
示範實施例之該老化測試系統600進一步包含與該可規劃電源A(PPSA)604及該電池組A 608串聯以控制該電池組A 608與該電池組B 622之該恒流恒壓(CCCV)充電之一電流限制器(CL)614及與該電流限制器(CL)614串聯以保護該電池組A 608與該電池組B 622不受過度放電及過度充電(藉由不導通其間的電流通路)之一功率開關。在示範實施例中，該電池組A 608、該電池組B 622、該可規劃電源A(PPSA)604、該可規劃電源B(PPSB)618、該電流限制器(CL)614及該功率開關(PSW)616經由如線630表示之一閉環電氣連接互相連接。
在示範實施例中，該老化測試系統600進一步包含並聯於該電池組A 608之一恒流恒壓(CCCV)充電器A 610與一電子負載A(ELoad A)612，及並聯於該電池組B 622之一恒流恒壓(CCCV)充電器B 624與一電子負載B(ELoad B)626。該恒流恒壓(CCCV)充電器A 610及該恒流恒壓(CCCV)充電器B 624分別致能該電池組A 608及該電池組B 622的充電，而該電子負載(ELoad A)612及該電子負載B(ELoad B)626分別相對準確地致能該電池組A 608及該電池組B 622的放電至一預定的容量。
現在參考第7至9圖之該等流程圖予以描述該系統600之能量傳送程序。第7圖顯示說明用於示範實施例之該可再循環的能量鋰離子電池組的老化測試系統(例如老化測試系統600)之該能量傳送程序的一初始階段之一流程圖700。在該初始階段期間，該能量傳送程序包含將能量自該電池組A傳送至該電池組B。在步驟702，該系統管理單元(SMU)進行與該電池組A及該電池組B的通訊以核對該電池組A及該電池組B的電壓及溫度之各自的狀態。在步驟704，對照預定的安全限制來核對該電池組A與該電池組B的該等電壓及溫度以判定它們是否在操作的安全限制內。如果該電池組A或該電池組B的該等電壓或溫度當中之任一者超出安全限制，在步驟706，該程序由於示範實施例之該等電池組中所併入的該等保護特徵而停止。
如果該電池組A未被過度放電及該電池組B沒有完全充電且該電池組A與該電池組B的溫度在該安全運作溫度範圍內，該程序進行至步驟708，其中該系統管理單元(SMU)將該可規劃電源B(PPSB)設定為0V充當一旁路來允許電流經過並導通該功率開關(PSW)。在步驟710，該系統管理單元(SMU)接著設定該可規劃電源A(PPSA)的輸出電壓以使由該可規劃電源A(PPSA)及該電池組A的電壓共同決定之該總的串聯電壓(TSVA)被設定高於該電池組B的電壓例如0.1V來致能自該電池組A至該電池組B的能量傳送。如果該電池組A具有一比該電池組B較高的電位，例如高0.1V，該可規劃電源A(PPSA)被設定為0V。該系統管理單元(SMU)接著設定該電流限制器(CL)以維持一恒定充電電流來給該電池組B充電。此外，該總的串聯電壓A(TSVA)不被設定高於該電池組B之該預定的可允許最大電壓以保護該電池組B免受過度充電。
在示範實施例中，該系統管理單元(SMU)以規律間隔不斷地監視該電池組A與該電池組B之各自的狀態並隨著該電池組A電壓的降低及該電池組B電壓的增加而逐步地增加該可規劃電源A(PPSA)輸出以維持一恒定充電電流使得該電池組B在該恒流(CC)狀態中充電。當該電池組B正充電升至其預定的可允許最大電壓時，該充電電流隨著該充電過程自該恒流(CC)狀態切換至該恒壓(CV)狀態而逐步降低。
一般地，該能量傳送程序不提供100%的有效率因為該電池組A典型地在該電池組B完全充電之前已耗盡其全部能量。在步驟712，核對該電池組A以判定其是否已完全放電。如果該電池組A在該電池組B已完全充電之前已耗盡其能量(即完全放電)，這在步驟712中判定，該程序進行至步驟716，其中該系統管理單元(SMU)關閉該可規劃電源A(PPSA)及不導通該功率開關(PSW)來停止給該電池組B的充電。隨後，該系統管理單元(SMU)致能該CCCV充電器B來繼續給該電池組B充電。在步驟720，核對該電池組B以判定其是否已完全充電。如果該電池組B未完全充電，該CCCV充電器B繼續給該電池組B充電。如果該電池組B已完全充電，在步驟724，終止該充電過程，其中在該能量傳送程序的此初始階段之末尾，該電池組A完全放電(0%容量)而該電池組B完全充電(100%容量)。隨後，在步驟726，該能量傳送程序進行至第2階段。
在示範實施例中，如果該電池組A還未耗盡其能量(即未完全放電)，這在步驟712中判定，該程序進行至步驟714，其中核對該電池組B以判定其是否完全充電，如果該電池組B已完全充電，這步驟714中判定，該程序進行至步驟718，其中該系統管理單元(SMU)關閉該可規劃電源A(PPSA)及不導通該功率開關(PSW)來停止給該電池組B充電。隨後，該系統管理單元(SMU)致能該電子負載A(ELoad A)來開始放電該電池組A。在步驟722，核對該電池組A以判定其是否完全放電。如果該電池組A未完全放電，該電子負載A(ELoad A)繼續放電該電池組A。如果該電池組A已完全放電，在步驟724，終止該放電過程，其中在該能量傳送程序的此初始階段之末尾，該電池組A完全放電(0%容量)而該電池組B完全充電(100%容量)。隨後，在步驟726，該能量傳送程序進行至第2階段。如果該電池組B未完全充電，這在步驟714中判定，該程序返回至步驟710來重置該可規劃電源A(PPSA)的輸出電壓並重複在步驟710之後的該等後續步驟直至在步驟724該電池組A已完全放電(0%容量)且該電池組B已完全充電(100%容量)。
第8圖顯示說明依據本發明之實施例之該能量傳送程序的第2階段之一流程圖800。在第2階段期間，該能量傳送程序包含將能量自該電池組B傳送至該電池組A。在步驟802，該系統管理單元(SMU)將該可規劃電源A(PPSA)設定為0V來充當一旁路以允許電流流過並導通該功率開關(PSW)。在步驟804，該系統管理單元(SMU)接著設定該可規劃電源B(PPSB)的輸出電壓以使由該可規劃電源B(PPSB)及該電池組B的電壓共同決定之該總的串聯電壓(TSVB)被設定高於該電池組A的電壓例如0.1V來致能自該電池組B至該電池組A的能量傳送。如果該電池組B具有一比該電池組A較高的電位，例如高0.1V，該可規劃電源B(PPSB)被設定為0V。該系統管理單元(SMU)接著設定該電流限制器(CL)以維持一恒定充電電流來給該電池組A充電。此外，該總的串聯電壓B(TSVB)不被設定高於該電池組A之該預定的可允許最大電壓以保護該電池組A免受過度充電。
在示範實施例中，該系統管理單元(SMU)以規律間隔不斷地監視該電池組A與該電池組B之各自的狀態並隨著該電池組B電壓的降低及該電池組A電壓的增加而逐步地增加該可規劃電源B(PPSB)輸出以維持一恒定充電電流使得該電池組A在該恒流(CC)狀態中充電。當該電池組A正充電升至其預定的可允許最大電壓時，該充電電流隨著該充電過程自該恒流(CC)狀態切換至該恒壓(CV)狀態而逐步降低。
一般地，該能量傳送程序不提供100%的有效率因為該電池組B典型地在該電池組A完全充電之前已耗盡其全部能量。在步驟806，核對該電池組B以判定其是否已完全放電。如果該電池組B在該電池組A已完全充電之前已耗盡其能量(即完全放電)，這在步驟806中判定，該程序進行至步驟810，其中該系統管理單元(SMU)關閉該可規劃電源B(PPSB)及不導通該功率開關(PSW)來停止給該電池組A的充電。隨後，該系統管理單元(SMU)致能該CCCV充電器A來繼續給該電池組A充電。在步驟814，核對該電池組A以判定其是否已完全充電。如果該電池組A未完全充電，該CCCV充電器A繼續給該電池組A充電。如果該電池組A已完全充電，在步驟818，終止該充電過程，其中在該能量傳送程序的第2階段之末尾，該電池組A完全充電(100%容量)而該電池組B完全放電(0%容量)。隨後，在步驟820，該能量傳送程序進行至最後階段。
在示範實施例中，如果該電池組B還未耗盡其能量(即未完全放電)，這在步驟806中判定，該程序進行至步驟808，其中核對該電池組A以判定其是否完全充電，如果該電池組A已完全充電，這在步驟808中判定，該程序進行至步驟812，其中該系統管理單元(SMU)關閉該可規劃電源B(PPSB)及不導通該功率開關(PSW)來停止給該電池組A充電。隨後，該系統管理單元(SMU)致能該電子負載B(ELoad B)來開始放電該電池組B。在步驟816，核對該電池組B以判定其是否完全放電。如果該電池組B未完全放電，該電子負載B(ELoad B)繼續放電該電池組B。如果該電池組B已完全放電，在步驟818，終止該放電過程，其中在該能量傳送程序的此第2階段之末尾，該電池組A完全充電(100%容量)而該電池組B完全放電(0%容量)。隨後，在步驟820，該能量傳送程序進行至最後階段。如果該電池組A未完全充電，這在步驟808中判定，該程序返回至步驟804來重置該可規劃電源B(PPSB)的輸出電壓並重複在步驟804之後的該等後續步驟直至在步驟818該電池組A已完全充電(100%容量)且該電池組B已完全放電(0%容量)。
第9圖顯示說明依據本發明之實施例之該能量傳送程序的最後階段之一流程圖900。在最後階段期間，該能量傳送程序包含將能量自該電池組A傳送至該電池組B。在步驟902，該系統管理單元(SMU)將該可規劃電源B(PPSB)設定為0V來充當一旁路以允許電流流過並導通該功率開關(PSW)。在步驟904，該系統管理單元(SMU)接著設定該可規劃電源A(PPSA)的輸出電壓以使由該可規劃電源A(PPSA)及該電池組A的電壓共同決定之該總的串聯電壓A(TSVA)被設定高於該電池組B的電壓例如0.1V來致能自該電池組A至該電池組B的能量傳送。如果該電池組A具有一比該電池組B較高的電位，例如高0.1V，該可規劃電源A(PPSA)被設定為0V。該系統管理單元(SMU)接著設定該電流限制器(CL)以維持一恒定充電電流來給該電池組B充電。此外，該總的串聯電壓A(TSVA)不被設定高於該電池組B之該預定的可允許最大電壓以保護該電池組B免受過度充電。
在示範實施例中，該系統管理單元(SMU)以規律間隔不斷地監視該電池組A與該電池組B之各自的狀態並隨著該電池組A電壓的降低及該電池組B電壓的增加而逐步地增加該可規劃電源A(PPSA)輸出以維持一恒定充電電流使得該電池組B在該恒流(CC)狀態中充電。在步驟906，核對該電池組B以判定其是否已充電至50%容量。如果該電池組B未被充電至50%容量，該程序返回至步驟904以重置該可規劃電源A(PPSA)的輸出電壓來繼續給該電池組B充電直至達到一50%容量。如果該電池組B已充電至50%容量，這在步驟906中判定，該程序進行至步驟908，其中該系統管理單元(SMU)關閉該可規劃電源A(PPSA)及不導通該功率開關(PSW)來停止給該電池組B充電。
在示範實施例中，該程序隨後進行至步驟910，其中核對該電池組A以判定其是否超過50%容量。如果該電池組A的容量不到50%，這在步驟910中判定，該程序進行至步驟912，其中該系統管理單元(SMU)致能該CCCV充電器A開始給該電池組A充電。在步驟916，核對該電池組A以判定其是否充電至50%容量。如果該電池組A未充電至50%容量，該CCCV充電器A繼續給該電池組A充電。如果該電池組A已充電至50%容量，在步驟920，終止該充電過程，其中在該能量傳送程序的此最後階段之末尾，該電池組A及該電池組B都處在50%的容量充電，隨後，在步驟922，該能量傳送程序結束。
如果該電池組A的容量超過50%，這在步驟910中判定，該程序進行至步驟914，其中該系統管理單元(SMU)致能該電子負載A(ELOAD A)開始放電該電池組A。在步驟918，核對該電池組A以判定其是否已放電至50%容量。如果該電池組A未放電至50%容量，該電子負載A(E LOAD A)繼續放電該電池組A。如果該電池組A已放電至50%容量，在步驟920，終止該充電過程，其中在該能量傳送程序的此最後階段之末尾，該電池組A及該電池組B都處在50%容量充電。隨後，在步驟922，該能量傳送程序結束。
依據本發明之實施例之該鋰離子電池組的老化測試系統可允許同時測試兩電池組。該測試系統致能電能的傳送或自一電池組給另一電池組充電且反之亦然。在示範實施例中，該能量傳送程序利用自處在放電狀態中之一電池組放電的電能給處在充電狀態中的另一電池組充電。此能量傳送程序能夠傳送能量而不論該等電池組間的電位差且能夠在該恒流恒壓模式中給該等鋰離子電池組再充電。
依據本發明之實施例之該鋰離子電池組的老化測試系統可有利地最小化由於該等電池組之測試序列及充電及放電而產生的熱量成為費熱。習知的老化測試程序由於該等電池組藉由自充電器充電並放電至連接於該等電池組之負載來與該等充電器及該等負載傳送它們的電能而產生大量的熱。對比而言，示範實施例之該老化測試系統使用在該等電池組之間交換電能之一能量傳送程序。如果一電池組自該能量傳送程序未充電至該預期的容量，啟動一恒流恒壓(CCCV)充電器來繼續將該電池組充電至該預期的容量。如果一電池組自該能量傳送程序未放電至該預期的容量，啟動一電子負載(ELoad)來繼續將該電池組放電至該預期的容量。在兩電池組之間的該能量傳送程序之後，選擇性的使用該恒流恒壓(CCCV)充電器及該電子負載(ELoad)來分別給電池組充電及放電，有助於減少自該等電池組產生的總熱量。
依據本發明之實施例之該鋰離子電池組的老化測試系統可允許同時進行測試、充電狀態(SOC)校準及對該等電池組充電。該系統以老化測試的一形式來致能該等電池組的充電及放電以確保該等電池組不是由於例如元件缺陷、不匹配的電池、欠佳的點焊、欠佳的焊接或其它功能缺陷而出故障。該測試遭執行經過如上所述之包含針對該等電池組的完全充電、完全放電及充電至50%容量之一個三階段的循環。同時，該電池組也可在該完全充電、完全放電循環期間執行一SOC校準來準確地更新其SOC。在此循環的末尾，該等電池組典型地保持在50%容量充電，這是裝運該等電池組給消費者之前電池組的一般容量。
熟於此技者將明白的是，在不違背如大體描述之本發明之精神或範圍的情況下可對如在該等特定實施例中所顯示的本發明做許多變化及/或修改。因此，該等實施例在各個方面均被認為是說明性的而非限制性的。
100．．．鋰離子電池組
102．．．電池管理IC
104．．．感測電阻器
106．．．P通道充電MOSFET
108．．．P通道放電MOSFET
110．．．可再充電電池
112．．．連接體
114．．．電池
116、122、124、126、128．．．電氣連接
118．．．正終端
120．．．負終端
130、132．．．接點
134．．．系統管理匯流排CLK
136．．．系統管理匯流排DAT
200．．．恒流恒壓充電剖面
202．．．充電容量
204．．．充電電壓
206．．．充電電流
208．．．充電時間
210．．．恒定電流狀態
212．．．恒定電壓狀態
214．．．容量曲線
216．．．電壓曲線
218．．．電流曲線
300．．．手動能量傳送程序
302、410、608．．．電池組A
304、412、622．．．電池組B
306．．．可變電源
308．．．電流限制電路
310．．．總的串聯電壓
312．．．箭頭
400．．．自動能量傳送程序
402、602．．．系統管理單元
404、604．．．可規劃電源A
406、614．．．電流限制器
408、616．．．功率開關
416、628．．．系統管理匯流排連接之網路
426、630．．．閉環電氣連接
500、700、800、900．．．流程圖
502~522．．．步驟
600．．．老化測試系統
606．．．總的串聯電壓A
610．．．恒流恒壓充電器A
612．．．電子負載A
618．．．可規劃電源B
620．．．總的串聯電壓B
624．．．恒流恒壓充電器B
626．．．電子負載B
702~726、802~820、902~922．．．步驟
第1圖顯示說明針對依據本發明之一實施例之一鋰離子電池組之功能區塊之一示意方塊圖。
第2圖說明依據本發明之一實施例之在一鋰離子電池組中之一鋰離子電池之一恒流恒壓(CCCV)充電剖面。
第3圖顯示說明在一示範實施例之兩鋰離子電池組之間的一手動能量傳送程序之一示意方塊圖。
第4圖顯示說明在一示範實施例之兩鋰離子電池組之間的一自動能量傳送程序之一示意方塊圖。
第5圖顯示說明針對依據第4圖之該實施例之該自動能量傳送系統之能量傳送之一流程之一流程圖。
第6圖顯示說明依據本發明之一實施例之一可再循環的能量鋰離子電池組的老化測試系統之一示意方塊圖。
第7圖顯示說明針對依據第6圖之該實施例之該可再循環的能量鋰離子電池組的老化測試系統之該能量傳送程序之初始階段之一流程圖。
第8圖顯示說明針對依據第6圖之該實施例之該可再循環的能量鋰離子電池組的老化測試系統之該能量傳送程序之第2階段之一流程圖。
第9圖顯示說明針對依據第6圖之該實施例之該可再循環的能量鋰離子電池組的老化測試系統之該能量傳送程序之最後階段之一流程圖。
600．．．老化測試系統
602．．．系統管理單元
604．．．可規劃電源A
606．．．總的串聯電壓A
608．．．電池組A
610．．．恒流恒壓充電器A
612．．．電子負載A
614．．．電流限制器
616．．．功率開關
618．．．可規劃電源B
620．．．總的串聯電壓B
622．．．電池組B
624．．．恒流恒壓充電器B
626．．．電子負載B
628．．．系統管理匯流排連接之網路
630．．．閉環電氣連接

Claims (16)

  1. 一種電池組老化測試系統，其包含：用於分別將一第一及一第二電池組電氣互連至該系統之第一及第二互連電路；用於耦接至該第一及第二電池組之各自的電池管理積體電路(IC)之一資料通訊匯流排；及耦接至該資料通訊匯流排之一系統管理單元；其中在一老化測試期間該系統管理單元控制自該第二電池組的一放電對該第一電池組的一充電；以及該系統進一步包含一第一可調整電源，其與該第二互連電路電氣串聯並耦接至該資料通訊匯流排，用以在一方面該第二電池組與該第一可調整電源的一串聯電壓，與另一方面該第一電池組的一電壓之間，維持一選定的電壓差，藉此在該系統管理單元的控制下，在一恒流充電狀態中對該第一電池組維持一恒定充電電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其進一步包含耦接至該資料通訊匯流排之一電流限制器，該電流限制器電氣連接在該第一及第二電池組之間以限制來自該第二電池組的該放電之用於給該第一電池組充電之一充電電流，以使在該系統管理單元的控制下對該第一電池組的一初始充電在該恒流充電狀態中。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，在一方面該第二電池組與該第一可調整電源之該串聯電壓，與另一方面該第一電池組之該電壓之間的該選定的電壓差為 0.1伏特。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之系統，其中該系統管理單元進一步將該第二電池組與該第一可調整電源之該串聯電壓維持在一恒定值，並允許該充電電流在該恒流充電狀態之後的一恒壓充電狀態中逐漸降低。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之系統，其進一步包含：一第二可調整電源，其與該第一互連電路電氣串聯並耦接至該資料通訊匯流排，用以在自該第一電池組之一放電對該第二電池組的一恒流充電狀態期間，在該系統管理單元的控制下維持一選定的電壓差在一方面該第一電池組與該第二可調整電源之一串聯電壓及另一方面該第二電池組之一電壓之間；及其中該系統管理單元進一步將該第一電池組與該第二可調整電源之該串聯電壓維持在一恒定值，並允許該充電電流在該第二電池組之該恒流充電狀態之後的該第二電池組之一恒壓充電狀態中逐漸降低。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之系統，其進一步包含第一及第二充電器，其等分別與該第一及第二互連電路電氣並聯且耦接至該資料通訊匯流排，用以在該系統管理單元的控制下對該第一及第二電池組輔助充電。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之系統，其進一步包含第一及第二電子負載，其等分別與該第一及第二互連電路電氣並聯且耦接至該資料通訊匯流排，用以在該系統管理單元的控制下對該第一及第二電池組進行輔助放電。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之系統，其進一步包含一電力開關，其電氣串聯在該等第一與第二互連電路之間並耦接至該資料通訊匯流排，用以在輔助充電或放電期間中斷該等第一與第二電池組之間的一串聯連接。
  9. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之系統，其中該系統管理單元分別判定該第一及該第二電池組的電位差及溫度。
  10. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之系統，其中該系統管理單元分別判定該第一及該第二電池組的電荷容量。
  11. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之系統，其中該系統管理單元包含一微控制器。
  12. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之系統，其中該資料通訊匯流排包含一系統管理匯流排(SMBus)。
  13. 一種用於電池組老化測試之方法，該方法包含自一第二電池組的一放電給一第一電池組充電，並使用一第一可調整電源，用以在一方面該第二電池組與該第一可調整電源的一串聯電壓，與另一方面該第一電池組的一電壓之間，維持一選定的電壓差，藉此在該系統管理單元的控制下，在一恒流充電狀態中對該第一電池組維持一恒定充電電流。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其進一步包含限制來自該第二電池組的該放電之用於給該第一電池組充電的一充電電流，以在該恒流充電狀態中進行該第一電 池組的一初始充電。
  15. 如申請專利範圍第13或14項所述之方法，其中，該在一方面該第二電池組與該第一可調整電源之該串聯電壓，與另一方面該第一電池組之一電壓之間的該選定的電壓差為0.1伏特。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其進一步包含將該第二電池組與該第一可調整電源之該串聯電壓維持在一恒定值，並允許該充電電流在該恒流充電狀態之後的一恒壓充電狀態中逐漸降低。
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