TWI628894B - 充電器電路和功率系統 - Google Patents

充電器電路和功率系統 Download PDF

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Abstract

本發明提供了一種充電器電路，其包括：至少一功率輸出端和一連接端、充電控制開關、放電電路和控制單元。該至少一功率輸出端和該連接端用於耦接該電池組。充電控制開關用於將來自電源的功率通過該功率輸出端選擇性地提供至電池組。放電電路選擇性地耦接於該功率輸出端，以及，當該放電電路耦接於該功率輸出端時用於給電池組的電池芯放電。控制單元耦接於該充電控制開關和該放電電路，用於根據基於該連接端上的信號的至少一過壓偵測確定是否斷開該充電控制開關以及確定是否控制該放電電路耦接於該功率輸出端。

Description

充電器電路和功率系統
本發明涉及電池保護方案，以及更特別地，涉及一種對電池組(battery pack)具有過壓和過溫保護機制的充電器電路和功率系統。
當由電池組(如鋰離子電池組和鋰聚合物電池組)供電的電子設備對該電池組執行充/放電操作時，該電池組可能會出現過溫、過流或過壓情況。為了防止此類情況造成損壞，該電池組通常具有內置保護電路，該內置保護電路能夠偵測以上提及的情況，以及，一旦電池組的溫度、給電池組的電池芯的充電電流或來自電池組的電池芯的放電電流、和/或電池芯的電壓電平超出安全界限(limit)則切斷充/放電電流。然而，這樣的保護機制僅存在於電池側，而不存在於系統側(即，用於控制電池組的充電的充電器電路)。因此，當在充電期間出現過溫、過流或過壓情況而電池組中的保護電路出現故障時，由充電器電路供給的功率會繼續電池芯的充電，最終導致不可恢復且嚴重的損壞，以致電池組毀壞或者甚至爆炸。
有鑑於此，本發明的目的之一在於提供一種充電器電路和功率系統，以解決上述問題。
本發明一方面提供一種充電器電路，用於控制電池組的充電。充電 器電路至少具有一功率輸出端和一連接端，用於耦接該電池組。以及，充電器電路包括一充電控制開關和一控制單元。該充電控制開關用於將來自一電源的一功率通過該功率輸出端選擇性地提供至電池組。該控制單元耦接於該充電控制開關和該連接端，用於根據該連接端上的一信號確定是否斷開該充電控制開關，其中，該連接端上的該信號用於指示該電池組的一過壓情況和一過溫情況中的至少一種情況。
本發明另一方面提供一種功率系統，包括如上所述的充電器電路和具有電池芯的電池組。
在上述技術方案中，提供了一種具有電池保護機制的充電器電路和功率系統。控制單元根據連接端上的信號確定是否斷開充電控制開關，以將來自電源的功率通過功率輸出端選擇性地提供至電池組，從而，當過壓情況和過溫情況中的至少一種情況出現時，停止電池組的充電，保證電池使用的安全性。由於該電池保護機制存在於充電器電路和功率系統側，因此，即便電池組中的保護電路出現故障，該電池保護機制仍然有效。
所屬領域具有通常知識者在閱讀附圖所示優選實施例的下述詳細描述之後，可以毫無疑義地理解本發明的這些目的及其它目的。
100‧‧‧充電器電路
110‧‧‧功率輸入端
112‧‧‧電池識別端
114‧‧‧電池溫度端
116‧‧‧功率輸出端
118‧‧‧電池檢測端
140‧‧‧充電控制開關
150‧‧‧放電電路
151‧‧‧開關
152‧‧‧電流源
160‧‧‧電壓檢測電路
170、230‧‧‧電池介面模組
200‧‧‧電池組
212‧‧‧電池識別接點
214‧‧‧電池溫度接點
216‧‧‧電池功率接點
210‧‧‧電池芯
220‧‧‧偵測電路
222‧‧‧比較裝置
224、226‧‧‧電阻性電路
300‧‧‧電源
通過閱讀接下來的詳細描述以及參考所附的圖式所做的示例，可以更全面地理解本發明，其中：
第1圖根據本發明一實施例示出了一種具有保護機制的充電器電路和電池組的示意圖。
以下描述為本發明實施的較佳實施例，其僅用來例舉闡釋本發明的技術特徵，而並非用來限制本發明的範疇。在通篇說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件，所屬領域具有通常知識者應當理解，製造商可能會使用不同的名稱來稱呼同樣的元件。因此，本說明書及申請專利範圍書並不以名稱的差異作為區別元件的方式，而是以元件在功能上的差異作為區別的基準。本發明中使用的術語“元件”、“系統”和“裝置”可以是與電腦相關的實體，其中，該電腦可以是硬體、軟體、或硬體和軟體的結合。在以下描述和申請專利範圍書當中所提及的術語“包含”和“包括”為開放式用語，故應解釋成“包含，但不限定於...”的意思。此外，術語“耦接”意指間接或直接的電氣連接。因此，若文中描述一個裝置耦接於另一裝置，則代表該裝置可直接電氣連接於該另一裝置，或者透過其它裝置或連接手段間接地電氣連接至該另一裝置。
第1圖根據本發明一實施例示出了一種具有保護機制的充電器電路和電池組的示意圖。如第1圖所示，充電器電路100具有功率輸入端(power input terminal)110、電池識別端(battery identification terminal)112、電池溫度端(battery temperature terminal)114、功率輸出端(power output terminal)116以及電池檢測端(battery sensing terminal)118，這些端子通常是物理引腳。充電器電路100通過這些端子與電池組200連接。電池識別端112通過至少一個電導體(electrical conductor)耦接於電池組200的電池識別接點(contact)212。電池溫度端114通過至少一個電導體耦接於電池組200的電池溫度接點214。功率輸出端116和電池檢測端118通過至少一個電導體耦接於電池組200的電池功率接點216。此外，充電器電路100也可以通過移動行業處理器介面(Mobile Industry Processor Interface，MIPI)電池介面(battery interface，BIF)與電池組200通信，以監測電池組200中的電池芯(battery cell)210的電氣特性(electrical characteristic)， 其中，該電池介面由電池識別端112和電池溫度端114之一形成。例如，將充電器電路110的電池識別端112與電池組的電池識別接點212之間的信號通道作為移動行業處理器介面電池介面的通信線，或者，將充電器電路110的電池溫度端114與電池組的電池溫度接點214之間的信號通道作為移動行業處理器介面電池介面的通信線。具體實現中可根據實際需求設置，本發明對此不做任何限制。
充電器電路100提供的保護機制旨在基於過壓偵測和/或過溫偵測停止電池芯210的充電，以在充電過程中出現過壓和/或過溫情況時保護電池。此外，充電器電路100提供的保護機制還可以基於過壓偵測和/或過溫偵測提供放電路徑以進行電池芯210的放電，從而，進一步更好地保護電池。例如，當出現過壓情況時，充電器電路100停止對電池芯210的充電且提供放電路徑給電池芯210放電，從而，能夠較快地將電池芯210的電壓電平調整為在預設電平範圍內，防止電池遭受損壞。通常，過溫情況可能是過壓情況導致的，從而，通過提供放電路徑給電池芯210放電，還能夠較快地將電池芯210的溫度降低至預設溫度範圍內。本發明實施例中，充電器電路100在偵測到過壓和/或過溫情況時提供放電路徑是可選的，但為便於描述，以下實施例中，當偵測到過壓和/或過溫情況時，以停止電池芯210的充電並提供放電路徑給電池芯210放電為例進行說明，但本發明並限於此。通常，充電器電路100利用充電控制開關140(如第1圖所示，優選為功率金屬氧化物場效應管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)，以選擇性地將來自電源300的電功率(如電流IBAT)通過功率輸出端116和電池功率接點216提供至電池芯210，使得電池芯210在恒流或恒壓模式中能夠被充電。在本發明中，一旦控制單元120偵測到電池芯210處於過壓情況，或者，電池芯210(或電池組200)處於過溫情況，則控制單元120將斷開充電控制開關140，以停止電池組200的充電或不啟動電池組200的充電(若電池組200當前正被放電)，以及，還可以將放電電路150耦接到功率輸出端116， 以提供用於給電池芯210放電的放電路徑。
在本發明的實施例中，有幾種方法執行過壓偵測。控制單元120可以監測電池識別端112上的電壓電平。若電池識別端112上的電壓電平與預定的電平轉變模式(例如，從較低電平轉變為較高電平，或者，從較高電平轉變為較低電平)匹配，則控制單元120確定出電池芯210處於過壓情況。在該情形中，電池組200包括偵測電路220。偵測電路220包括比較裝置222和電阻性電路224。比較裝置222具有兩個輸入端，其中一個輸入端連接電池芯210的正極，而另一個輸入端連接參考電壓電平VREF。若比較裝置222偵測出該正極上的電壓電平V_POS高於參考電壓電平VREF，則比較裝置222可以輸出一個流經電阻性電路224的驅動電流，從而將電池識別端112和電池識別接點212上的電壓電平下拉或上拉至一特定電平，以產生過壓偵測信號。因此，控制單元120能夠知道過壓情況，並相應地控制充電控制開關140斷開，以及，還可以控制放電電路150耦接到功率輸出端116，從而給電池芯210放電。優選地，電阻性電路224可以利用電池組200的識別電阻RID來實現，其中，識別電阻RID通常用於促進電池組200的類型和電氣特性的識別。為了使控制單元120區分識別信號(用於在非過壓情況下表示電池組200的類型和電氣特性的信號)和過壓偵測信號，比較裝置222可以被設計為提供用以實現預定的電平轉變模式的驅動電流，其中，該預定的電平轉變模式不同於識別信號的模式。舉例來說，若識別信號的電壓電平為1V，則過壓偵測信號的電壓電平可以為2V。
可替代地，比較裝置222和電阻性電路226也可以產生過壓偵測信號。類似地，當比較裝置222偵測到電池芯210的正極上的電壓電平V_POS高於參考電壓電平VREF時，比較裝置222輸出一個流經電阻性電路226的驅動電流，從而將電池溫度端114和電池溫度接點214上的電壓電平下拉或上拉，因此產生過壓偵測信號。電阻性電路226可以是電池組200的負溫度係數(negative temperature coefficient，NTC)熱敏電阻RNTC，其中，熱敏電阻RNTC通常用於檢測電池組200內部的溫度。通常，在充電器電路100內，電池溫度端114通過一電阻耦接於電壓源(圖中未示出)，電池溫度端114連接至電池組的電池溫度接點214，從而，充電器電路100內的該電阻與位於電池組200內的負溫度係數熱敏電阻RNTC對該電壓源所提供的供給電壓進行分壓，以在電池溫度接點214上產生過壓偵測信號。當電池組200內部的溫度超過安全界限(如溫度上限制值)時，電阻性電路226能夠下拉電池溫度端114和電池溫度接點214上的電壓電平，從而在電池溫度接點214上產生過溫偵測信號。此外，在另一示例中，電池組200內可設有偵測電路，用於通過偵測電池組200中的溫度是否高於預定溫度值，而在電池溫度接點214上產生過溫偵測信號，其中，若電池組200中的溫度高於預定溫度值，則過溫偵測信號指示過溫情況。若該過溫偵測信號指示過溫情況，則控制單元120斷開充電控制開關140，以及，還可以控制放電電路150耦接於功率輸出端116。在本發明實施例中，充電器電路100讀取到電阻性電路226的電阻值具有在預定範圍內的數值時，電池芯210的充電才被允許。因此，通過電池溫度端114上的信號，當過壓情況和過溫情況之一發生時，控制電路120可以停止充電，並相應地提供放電路徑給電池芯210(或電池組200)。
若電池組200為智慧(smart)電池，且支援數位資料通信協定，如移動行業處理器介面電池介面(MIPI BIF)協定。那麼，電池識別端112和電池溫度端114之一可以被用作移動行業處理器介面電池介面(MIPI BIF)的電池通信線(battery communication line，BCL)。在該情形中，充電器電路100的電池介面(BIF)模組170可以通過電池通信線與電池組200的電池介面(BIF)模組230通信，以獲取電池組200的電池介面(BIF)模組230的相關資訊。其中，位於電池組200內的電池介面(BIF)模組230可以獲取電池組200的電氣特性，如電池芯210的正極的電壓電平和/或溫度。從而，控制單元120可以通過電池介面(BIF) 模組170獲得關於電池芯210的電壓電平和/或溫度的資訊，以及，確定是否斷開充電控制開關140，以停止電池組200的充電，以及確定是否控制放電電路150耦接到功率輸出端116，以給電池組200放電。
此外，充電器電路100還可以包括電壓檢測電路160，耦接於電池檢測端118的電壓檢測電路160也可以偵測過壓情況。由於電池檢測端118耦接於電池組200的電池功率接點216，以及，電池功率接點216還通過電阻RPACK耦接於電池芯210的正極，因此，通過測量電池功率接點216上的電壓電平能夠偵測出過壓情況。一旦控制單元120獲知電池功率接點216上所測量得到的電壓電平高於預定閾值(如參考電壓電平VREF)，控制單元120斷開充電控制開關120並控制放電電路150耦接到功率輸出端116，以給電池組200放電。
在一實施例中，充電器電路100可以包括放電電路150，放電電路150選擇性地耦接於功率輸出端116，當放電電路150耦接於功率輸出端116時，用於給電池組200的電池芯210放電。如第1圖所示，放電電路150可以包括開關151和電流源152，以往低電壓電平(如接地電平)的方向提供汲電流，從而給電池組200的電池芯210放電。在第1圖所示的實施例中，電流源152的一端連接至接地電平，而另一端通過受控制單元120控制的開關151耦接於功率輸出端116。然而，圖示實施例並不旨在限制本發明的範圍。根據本發明的各實施例，可以利用不同的架構來實現放電電路150。
總之，本發明提供了一種存在於充電器電路內或系統側的電池保護機制，用於防止電池組的過壓和/或過溫情況造成損壞，能夠在偵測到過壓和/或過溫情況時停止電池組的充電，此外，還可以給電池組的電池芯提供放電路徑，以給電池芯放電。本發明的一個重要優點是，即使電池組中的保護電路出現故障，該電池保護機制是仍然有效的。因此，電池使用的安全性完全能夠得到保證。
在說明書中引用“一實施例”或“實施例”意指結合被包括在至少一種實現中的實施例所描述的特定特徵、結構，或特性。於說明書各地方中出現的短語“在一實施例中”不一定全部指的是同一實施例。因此，儘管實施例已經以特定於結構特徵和/或方法動作的語言進行了描述，但是應該理解的是，要求保護的主題不限於所描述的具體特徵或動作。相反，這些具體特徵和動作作為實現所要求保護的主題的示例形式被公開。
在不脫離本發明的精神以及範圍內，本發明可以其它特定格式呈現。所描述的實施例在所有方面僅用於說明的目的而並非用於限制本發明。本發明的保護範圍當視所附的申請專利範圍所界定者為准。所屬領域具有通常知識者皆在不脫離本發明之精神以及範圍內做些許更動與潤飾。
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。

Claims (12)

  1. 一種充電器電路，用於控制一電池組的充電，其中，該充電器電路包括：至少一功率輸出端和至少一連接端，用於耦接該電池組；一充電控制開關，用於將來自一電源的一功率通過該功率輸出端選擇性地提供至該電池組；一放電電路，選擇性地耦接於該功率輸出端，以及，當該放電電路耦接於該功率輸出端時用於給該電池組的一電池芯放電；以及一控制單元，耦接於該充電控制開關，該連接端和該放電電路，用於根據該連接端上的一信號確定是否斷開該充電控制開關，還用於根據該連接端上的該信號確定是否控制該放電電路耦接於該功率輸出端；其中，該連接端上的該信號用於指示該電池組的一過壓情況和一過溫情況中的至少一種情況。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的充電器電路，其中，該連接端耦接於該電池組的一電池功率接點，以及，該充電器電路還包括：一電壓檢測電路，用於測量該電池功率接點上的一電壓電平，以產生一過壓偵測信號；以及若該過壓偵測信號指示該過壓情況，則該控制單元斷開該充電控制開關，並控制該放電電路耦接於該功率輸出端。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的充電器電路，其中，該連接端耦接於該電池組的一電池識別接點，以及，該電池組具有一偵測電路，用於通過偵測該電池芯的一正極的一電壓電平是否高於預定的一參考電壓電平來產生一過壓偵測信號在該電池識別接點上；以及若該過壓偵測信號指示該過壓情況，則該控制單元斷開該充電控制開關，並控制該放電電路耦接於該功率輸出端。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的充電器電路，其中，該連接端耦接於該電池組的一電池溫度接點，以及，該電池組具有一偵測電路，用於通過偵測該電池芯的一正極的一電壓電平是否高於預定的一參考電壓電平來產生一過壓偵測信號在該電池溫度接點上；以及若該過壓偵測信號指示該過壓情況，則該控制單元斷開該充電控制開關，並控制該放電電路耦接於該功率輸出端。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的充電器電路，其中，該連接端耦接於該電池組的一電池溫度接點，以及，該電池組具有一偵測電路，用於通過偵測該電池組中的溫度是否高於一預定溫度值來產生一過溫偵測信號在該電池溫度接點上；以及若該過溫偵測信號指示該過溫情況，則該控制單元斷開該充電控制開關，並控制該放電電路耦接於該功率輸出端。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的充電器電路，其中，該連接端耦接於該電池組的一電池溫度接點，以及，該充電器電路包括一電阻和一電壓源，其中，該電壓源通過該電阻連接至該連接端，該電阻和該電池組內的一熱敏電阻對該電壓源提供的一供給電壓進行分壓，以產生一過溫偵測信號在該電池溫度接點上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的充電器電路，其中，該至少一連接端被用作一移動行業處理器介面電池介面的一電池通信線，以及，該充電器電路還包括：一電池介面模組；該控制單元從該電池介面模組獲得關於該電池芯的一電壓電平或一溫度的資訊，其中，該充電器電路的該電池介面模組通過該電池通信線連接至該電池組的一電池介面模組；以及若從該充電器電路中的該電池介面模組獲得的該資訊指示該過壓情況或該過溫情況，則該控制單元斷開該充電控制開關，並控制該放電電路耦接於該功率輸出端。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的充電器電路，其中，該放電電路包括受該控制單元控制的一開關和連接至一參考電平的一電流源；以及，當該放電電路通過該開關耦接於該功率輸出端時，該放電電路提供從該電池芯經由該功率輸出端至該參考電平的一電流路徑。
  9. 一種功率系統，具有一電池保護機制，該功率系統包括如申請專利範圍第1-8項中任一項所述的充電器電路和具有電池芯的電池組。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的功率系統，其中，該電池組還包括偵測電路，該偵測電路包括：一比較裝置，具有一第一輸入端和一第二輸入端，該第一輸入端耦接於該電池芯的正極，該第二輸入端耦接於參考電壓電平，該比較裝置用於比較該電池芯正極上的電壓電平和該參考電壓電平，以及，當該電池芯的該正極上的電壓電平高於該參考電壓電平時產生一驅動電流；以及一電阻性電路，耦接於該比較裝置的一輸出端，用於在該驅動電流流經該電阻性電路時產生過壓偵測信號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的功率系統，其中，該充電器電路的連接端耦接於該電池組的電池識別接點，以及，該電阻性電路包括一識別電阻。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的功率系統，其中，該充電器電路的連接端耦接於該電池組的電池溫度接點，以及，該電阻性電路包括一負溫度係數熱敏電阻。
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