TWI502851B - 鋰電池模組 - Google Patents

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Description

鋰電池模組
本發明是有關於一種電池模組，特別是有關於一種適用於多支電池芯以並聯方式，而達到有效應用的電池模組。
電池可說是一切可攜式電子裝置動力來源，舉凡：行動電話、筆記型電腦、個人數位助理、隨身聽等等，皆有賴電池提供電力。但畢竟電池只是一種蓄積電量的裝置，可攜式電子裝置使用時就消耗電池的電能。當可攜式電子裝置被開啟以使用時，電池電力就會持續被消耗直至該可攜式電子裝置被關閉或者剩餘的電能不足以驅動該裝置時，可攜式電子裝置就會被強迫關閉。後者所表示意義是儲存於電池內的電力低於一臨界值。一般而言，不管以環保考量，或者以長時間總平均成本思考，可攜式電子裝置多會採取電池再充電的方式，將原來耗損的電能補充回來。
電池的續航力也常被來評斷筆記型電腦的好壞，因此，多數的筆記型電腦不但要求單一電池芯本身的電池容量要高，更要求一個鋰電池模組包含有不只一支的電池芯，例如至少二支甚至四支或六支的電池芯。如此一來，由於每支電池芯本身所含化學性質及在鋰電池模組的相對位置都可能使每支電池芯電量的消耗有所差異，因此，電池的管理就相對要比只有單支電池芯來得更複雜。
習知之多電池芯電池架構是以串聯及並聯的方式達到筆記型電腦所要的電壓與功率。請參考圖1所示的示意圖。圖1顯示一鋰電池模組100及其連接的負載及/或者是充電器200。鋰電池模組100包含六個電池芯(cells)110、一電池管理單元(battery management unit)130。六個電池芯(cells)110分成二支電池芯110並聯為一組之三組111、112、113互為串聯。設每一支為標準電壓為3.8V容量2200mAh的鋰電池芯，那麼，經過串聯及並聯後就可以獲得11.4V的電壓及4400mAh電池容量。串、並聯組合之兩端部即為充、放電的端部115、116。其中，電池芯的正端(+)經由外接的兩個電晶體(圖1中以開關符號表示)連接至一端部115。電池管理單元130的充電開關接腳CO及放電開關接腳DO所控制。負載及/或者是充電器200則例如是筆記型電腦及其充電器(charging adapter)。
上述的鋰電池模組100之六個電池芯110共用一個充電開關CO及一個放電開關DO。由電池管理晶片130針對整個電池組的狀況，統一決定可否充電與放電。充電時，充電器的電壓等於串聯電池的電壓總合。放電時，放電電流等於每組並聯電池的輸出電流總合。
充電時採用(CC-CV；定電流-定電壓)充電模式，先對電池提供大的充電電流；在電池電壓大於一第一預設值(尚未到達飽和前的一taper voltage)之前，充電電流便開始減小；電池電壓達到飽和並保持恒定之後，充電電流進一步 減小，直到小於第二預設值(taper current為止)就視為充飽電了，這種充電方法，能夠避免在電池電壓的飽和值附近仍對電池進行大電流充電，從而導致過熱現象。
基於上述電池芯110是採取並、串聯的方式，充飽電的偵測方式多採taper current即充電電流是否已小於第二預設值，而第一預設值則是看整個電池組的電壓。
因此，依據習知技術，鋰電池模組的電池芯110最好都是相同等級的，否則，只要其中之一電池芯110的化學特性變差就會拖垮整體鋰電池模組的充放電能力。
有鑑於此，本發明之一目的便是解決上述的問題。
本發明揭露一種多電池芯之鋰電池模組，鋰電池模組包含一電池管理單元，一電源轉換器，多電池芯是以並聯的方式連接，並且每池電池芯之充電開關與放電開關都是獨立的。而電池管理單元的充電控制接腳與充電控制接腳都是以排線的形式連接於上述之充電開關與放電開關的。因此，每支電池芯都可以被單獨的控制，包含充電器對某一指定電池芯集中充放電，或依序對電池芯充、放電同時充電、或同時放電。或禁止某一支不良品充電。
此外，在某些系統負載及/或充電器場合，電源轉換器是可以省略的。
在另一實施例中，第二開關的個數是單一的，而對應之電池管理單元的接腳DO也同，如此可以降低電池管理單元的成本，對於某些客源這是有吸引力的，因為電池芯被獨立管理充電的重要性是高於放電的獨立管理的。
如先前技術所述，習知鋰電池模組內的電池芯是採取並、串聯方式，以分別達到所要的鋰電池模組電池容量及端電壓。但這種方式在一電池芯異常就會使得整體鋰電池模組的充放電能力變差。
本發明設計的鋰電池模組可以克服上述問題。請參考圖2A。電池芯110不論幾支全部並聯。例如，鋰電池模組100中的六支電池芯110都是並聯；每一支電池芯110都有獨立的充電開關122。因此，任一個電池芯110(不論是良品或有異常)都可隨時禁能(disable)，不論電池芯是動態或靜態。
請參考圖2A，鋰電池模組100包含六支電池芯110，每一支電池芯110上都有獨立的充電開關122，電池管理單元130的充電控制接腳CO為第一排線135輸出六個控制訊號。排線135之六個控制訊號分別連接於六支電池芯110上方的六個第一開關122。同樣，電池管理單元130的放電控制接腳DO為第二排線145，其輸出六個控制訊號。第二排線145之六個控制訊號分別連接於六支電池芯110上方的六個第二開關121。鋰電池模組100設有電源轉換器150連接於第二開關與鋰電池模組之輸出端之間。電源轉換器150將電池芯110的電壓拉到系統負載及/或充電器所需的電壓。圖2A的第一開關122及第二開關121實際是兩個串接的場效電晶體，並具有兩只背對背的二極體，如圖2B所示。
充電時，系統負載或/及充電器200的電壓直接對每一支電池芯110充電，且每一支電池芯110都有獨立的充電開關122，由電池管理單元130依照個別電池芯110的狀況，個別決定可否充電。放電時，放電電流等於電池芯110並聯的總輸出電流。且每一支電池芯110都有獨立的放電開關121，因此，可由電池管理單元130依照個別電池芯110的狀況，個別決定可否放電。
依據本發明的第一實施例，電源轉換器150能使並聯之電池芯110升壓後輸出額定電壓之功率輸出。而在充電進行時，電源轉換器150具有降電壓的功能，降到鋰電池芯一般採用的充電電壓再進行充電。
充電時採用(CC-CV；定電流-定電壓)充電模式，先對電池提供大的充電電流；在電池電壓大於一第一預設值(尚未到達飽和前的一taper voltage)之前，充電電流便開始減小；電池電壓達到飽和並保持恒定之後，充電電流進一步減小，直到小於第二預設值(taper current為止)就視為充飽電了，這種充電方法，能夠避免在電池電壓的飽和值附近仍對電池進行大電流充電，從而導致過熱現象。
不同於習知技藝的是：本發明個別電池芯110端電壓達到第一預設值，該支電池芯110的充電電流便開始減小。其它的電池芯110則不受影響繼續依既定的充電電壓進行。同樣，個別電池芯110之充電電流小於第二預設值，該支電池芯110則停止充電。其它的電池芯110則不受影響繼續充電。習知技術則是以整體的電池芯110端電壓達到第一預設值，整體的電池芯110的充電電流才開始減小。
本發明由於電池芯110都是獨立控制的，因此可以用較小功率或一般的充電器對本電池組的單一電池芯110採個別集中式的充電，待第一個電池芯110充電完成後，再對第二個電池芯110進行充電，以此類推而完成整個電池組的充電，因此，可以達到快速充電之目的。
任一個電池芯110(不論是良品或有異常)都可視需求，而被禁能(disable)，不論電池芯110是動態或靜態。判定各電池芯不良異狀(internal short....)是以量測電池電壓，電流對充、放電時間的小變化(dV/dt，di/dt.....)來判定。例如，當dV/dt超過原先的30%時，則視為不良；若原先的量測值為1mV/sec，則0.7~1.3mV/sec為正常，低於0.7mV/sec與高於1.3mV/sec視為不良。當一個別的電池芯110是不良品或異常時，可動態將充電或放電的電晶體關閉，動態切斷其充放電迴路，以達到熱插拔的功能。
依據本發明之第二實施例，請參考圖3，鋰電池模組100沒有電源轉換器150，其餘與第一實施例相同。在第二實施例中，鋰電池模組100可以用較小功率(包含更小的充電電壓)的充電器對本電池組的單一電池芯110個別充電，待第一個電池芯110充電完成後，再對第二個電池芯110進行充電，以此類推而完成整個電池組的充電，因此，可以達到快速充電之目的。
考量鋰電池模組100多數用於筆記型電腦，而筆記型電腦又以低電壓的中央處理單元為主流，此外動態隨機存取記憶體也是低壓的，唯二有需要升壓的像是供應顯示卡的電壓及USB、硬碟等才需要升壓。因此，不用電源轉換器150是可行的，升壓的部分可以由筆記型電腦端來進行。
依據本發明之第三實施例，請參考圖4，鋰電池模組100包含有電源轉換器150，每一電池芯110有單獨的充電開關(第一開關)122，而放電開關(第二開關)121則是共用的。因此電池管理單元130對應的在充電控制接腳CO是一排線135，而放電控制接腳DO則是單一的控制線142。這可以節省晶片130的成本。對部分客戶而言是具有吸引力的，因為，很明顯的降低了成本，損失的只是放電時不能針對單一電池芯110進行。一般而言，充電時對個別電池芯110獨立控制的價值高於放電時對個別電池芯110的獨立控制。
本發明的鋰電池模組具有以下的好處：
1.鋰電池模組內的電池芯是以並聯方式排列且獨立控制的，因此，即使不同容量，不同形狀，不同材質的電池芯都可並聯使用。這是有特別有處的，例如，當鋰電池模組使用於筆記型電腦時，鋰電池模組電池芯可以放置大的電池芯及小的電池芯，充分而有效的使用筆記型電腦的電池容置空間。相對於習知技術，電池芯必須是相同容量的。本發明明顯更具有彈性。特別是當電池容量大小不同時，內阻就不同，本發明因充放電是獨立的，因此，很容易根據其個別條件，個別或整體控制充電電晶體，而達成充電控制。
2.當不同電池芯是來自不同電池製造廠商時，每支電池芯的內阻，不同的充電截止條件，不同的放電截止條件，本發明的鋰電池模組，都可以分別為其量度充電曲線及放電曲線，據此，根據其個別條件，個別或整體控制充電電晶體，而達成充電控制。
3.終端系統(System Load & Charger)可以用較小功率的充電器對本電池組的單一電池芯個別充電，待第一個電池芯充電完成後，再對第二個電池芯進行充電，以此類推而完成整個電池組的充電。
4.個別電池的放電條件不同時，可根據其個別條件，個別或整體控制放電電晶體，而達成放電控制。
5.終端系統可以控制充電器以較大的充電電流對本電池組的單一電池芯集中充電而達到快速充電的效果。
6.任一個電池芯(不論是良品或有異常)都可隨時禁能(disable)，不論電池芯是動態或靜態。
7.對於用電需求較小的系統，可將個別電池芯110分成兩小組(1~3一組，4~6一組)，每次對一小組充放電，交替使用使用
8.當某一電池芯因不良而被禁能時，它可以單獨的被抽換。即使筆記型電腦在開機狀態也行。相對於習知技術這是不行的，要換就得是整個鋰電池模組，因此，本發明明顯的可以降低換電池的成本與時間。
本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例爾。是以，在不脫離本發明之精神與範圍內所作之修改，均應包含在下述申請專利範圍內。
100‧‧‧鋰電池模組
110‧‧‧電池芯
111、112、113‧‧‧電池組
200‧‧‧系統負載或充電器
115‧‧‧鋰電池模組之正端部
116‧‧‧鋰電池模組之負端部
122‧‧‧充電開關(第一開關)
121‧‧‧放電開關(第二開關)
130‧‧‧電池管理單元
135‧‧‧第一排線
145‧‧‧第二排線
142‧‧‧控制線
CO‧‧‧充電控制接腳
DO‧‧‧放電控制接腳
150‧‧‧電源轉換器
藉由以下詳細之描述結合所附圖式，將可輕易明瞭上述內容及此項發明之諸多優點，其中：圖1示依據習知技術所繪之鋰電池模組之示意圖。
圖2A示依據本發明第一實施例鋰電池模組之示意圖。圖2B則示第一開關和第二開關實際使用時包含二個場效電晶體及背對背的二個二極體。
圖3示依據本發明第二實施例鋰電池模組之示意圖。
圖4示依據本發明第三實施例鋰電池模組之示意圖。
100‧‧‧鋰電池模組
110‧‧‧電池芯
115‧‧‧鋰電池模組之正端部
116‧‧‧鋰電池模組之負端部
122‧‧‧充電開關(第一開關)
121‧‧‧放電開關(第二開關)
130‧‧‧電池管理單元
135‧‧‧第一排線
145‧‧‧第二排線
200‧‧‧系統負載或充電器
CO‧‧‧充電控制接腳
DO‧‧‧放電控制接腳
150‧‧‧電源轉換器

Claims (13)

  1. 一種鋰電池模組，至少包含：多支電池芯；一電池管理單元，該電池管理單元之充電控制接腳為第一排線，該第一排線輸出多個充電控制信號，其數量至少相等於該多支電池芯的數量，以使得該多支電池芯能被獨立控制，該電池管理單元之放電控制接腳為第二排線，該第二排線輸出多個放電控制信號，其數量至少相等於該多支電池芯，以使得該多支電池芯之放電能被獨立控制；多個第一開關，該多個第一開關由該多個充電控制信號分別控制；多個第二開關，分別與該多個第一開關串聯，該多個第二開關由該多個放電控制信號分別控制，該多個第一開關與該多個第二開關串聯的第一端分別與該多支電池芯第一輸出端串聯。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之鋰電池模組，更包含一電壓轉換器，連接於該多個第一開關與該多個第二開關串聯的第二端，該電壓轉換器的輸出端為該鋰電池模組輸出的一端，以輸出該鋰電池模組額定之電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之鋰電池模組，其中上述之電源轉換器具有調降充電器輸出電壓的功能，以使上述之電池芯不致於高壓下充電而損害。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之鋰電池模組，其中上述之電池管理單元具有對上述之電池芯單獨指定其中之一支而進行單支集中充電之能力。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之鋰電池模組，其中上述之電池管理單元具有對上述之電池芯進行順序充電之能力。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之鋰電池模組，其中上述之電池管理單元具有對上述之電池芯單獨指定其中之一支或二支指定其禁止電量輸出，或對其充電之能力。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之鋰電池模組，其中上述之電池芯不限定其容量大小及形狀。
  8. 一種鋰電池模組，至少包含：多支電池芯；一電池管理單元，該電池管理單元之充電控制接腳為第一排線，該第一排線輸出多個充電控制信號，其數量至少相等於該多支電池芯，以使得該多支電池芯能被獨立控制；多個第一開關，該多個第一開關由該多個充電控制信號分別控制，該多個第一開關分別與該多支電池芯的第一輸出端連接；及一第二開關，該第二開關的第一端與該多個第一開關並聯的節點串聯，該第二開關由該電池管理單元之一放電控制信號所控制。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之鋰電池模組，更包含一電壓轉換器，連接於該第二開關的第二端，該電壓轉換器的輸出端為該鋰電池模組輸出的一端，以輸出該鋰電池模組額定之電壓。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之鋰電池模組，其中上述之 電源轉換器具有調降充電器輸出電壓的功能，以使上述之電池芯不致於高壓下充電而損害。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之鋰電池模組，其中上述之電池管理單元具有對上述之電池芯單獨指定其中之一支而進行單支集中充電之能力。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之鋰電池模組，其中上述之電池管理單元具有對上述之電池芯進行順序充電之能力。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之鋰電池模組，其中上述之電池芯不限定其容量大小及形狀。
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