TWI695988B

TWI695988B - 電池之殘量檢測電路、使用其之電子機器、電池殘量之檢測方法

Info

Publication number: TWI695988B
Application number: TW107118254A
Authority: TW
Inventors: 嶋田和晃
Original assignee: 日商羅姆股份有限公司
Priority date: 2017-05-29
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2020-06-11
Also published as: JP7141236B2; JP2018200306A; TW201901179A

Abstract

本發明之課題在於提供一種可正確地檢測初始殘量之殘量檢測電路。本發明之殘量檢測電路200與可再充電之電池102連接。第1A/D轉換器202對電池之電壓V_BAT 取樣。邏輯電路210接收第1A/D轉換器202之輸出。邏輯電路210取得搭載殘量檢測電路200之電子機器100之電源初次被接通時之第1A/D轉換器202之輸出。

Description

電池之殘量檢測電路、使用其之電子機器、電池殘量之檢測方法

本發明係關於一種電池管理系統。

以行動電話終端、數位照相機、平板型終端、行動音樂播放器、行動遊戲機器、及筆記型電腦為首之各種電池驅動型電子機器內置充電式電池(輔助電池)，進行系統控制與信號處理之CPU(Central Processing Unit：中央處理單元)、液晶面板、無線通訊模組、及其他之類比、數位電路等之電子電路接收來自電池之電力供給而動作。

圖1係電池驅動型電子機器之方塊圖。電子機器500具備：電池502、及對電池502充電之充電電路504。電池502係可再充電之輔助電池，充電電路504接收來自外部之電源配接器與USB(Universal Serial Bus，通用串列匯流排)之電源電壓V_ADP 而對電池502充電。

在電池502連接有負載508。在電池502流動之電流I_BAT 成為來自充電電路504之充電電流I_CHG 與在負載508流動之負載電流(放電電流)I_LOAD 之差分。

在電池驅動型電子機器中，電池之殘量(充電狀態：SOC)之檢測為必不可少之功能，而在電子機器500中設置有殘量檢測電路506。殘量檢測電路506亦被稱為燃料計IC(Integrated Circuit，積體電路)。作為殘量檢測電路506之電池之殘量之檢測方法，(1)電壓法、及(2)庫倫計數法(電荷累計法)2者成為主流，以使用其等之組合之情形居多。殘量檢測電路506亦有被內置於充電電路504之情形。

在電壓法中，在開路狀態(無負載狀態)下測定電池之開路電壓(OCV：Open Circuit Voltage)，根據OCV與SOC之對應關係推定殘量。OCV若非電池為無負載且為緩和狀態則無法測定，因而在充放電中時無法對其進行正確地測定。

在庫倫計數法中，藉由累計流入至電池之充電電流及自電池流出之放電電流(以下總稱為充放電電流)，並計算朝電池之充電電荷量、放電電荷量而推定殘量。根據庫倫計數法，與電壓法不同，即便在無法獲得開路電壓之電池之使用期間仍能夠推定殘量。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1] 日本特開2004-304940號公報

[發明所欲解決之問題]

當利用庫倫計數法計算SOC時，必須知悉開始充放電前之殘量(初始殘量)。以將電壓法用於該初始殘量之檢測之情形居多，必須測定OCV。

即便當在製品出廠後使用者初次使用時，仍要求正確地計算SOC。本發明人因此研究進行以下之控制。此外，不應將該控制認定為先前技術。 1.在製品出廠前(或出廠後)初次將電池安裝(或安置)於電子機器時，殘量檢測電路506測定OCV，並將該值預先保持於暫存器。 2.而後，當使用者初次接通電源時，根據預先儲存於暫存器之OCV利用電壓法推定SOC之初始值(初始SOC)，之後，基於庫倫計數法逐漸更新SOC。

在該控制中，由於若自安裝電池並測定OCV至使用者初次接通電源之期間變長，則在該期間內電池放電，故初始SOC之誤差變大。

本發明係鑒於上述之課題而完成者，一態樣之例示性目的之一在於提供一種可正確地檢測初始殘量之殘量檢測電路。 [解決問題之技術手段]

本發明之一態樣係關於一種與電池連接之殘量檢測電路。殘量檢測電路具備：對電池之電壓取樣之第1A/D轉換器、及接收第1A/D轉換器之輸出之邏輯電路。邏輯電路取得搭載殘量檢測電路之機器之電源初次被接通時之第1A/D轉換器之輸出。

根據該態樣，即便在自製品出廠至使用者接通電源之期間為長之情形下，仍能夠正確地檢測初始殘量。

可行的是，第1A/D轉換器在特定之取樣週期對電池之電壓取樣，邏輯電路可在機器之電源初次被接通時，取得在其前或隨後所取樣之電池之電壓。

第1A/D轉換器可在特定之取樣週期對前述電池之電壓取樣。邏輯電路可在機器之電源初次被接通時，取得在其前所取樣之複數個前述電池電壓之平均值。藉由獲得平均值，而能夠減小雜訊等之影響。

由第1A/D轉換器在取樣週期內之取樣動作可在初次接通電源後停止。

取樣週期可為2 ms～50 ms。

殘量檢測電路可更具備對電池之電流取樣之第2A/D轉換器。邏輯電路可累計第2A/D轉換器之輸出。

邏輯電路經由介面與處理器連接，可將由第1A/D轉換器取樣之電池之電壓之值與第2A/D轉換器之輸出之累計值發送至處理器。

本發明之另一態樣係關於一種電子機器。電子機器可具備：電源按鈕、電池、及監視電池之狀態之上述任一殘量檢測電路。

另外，以上之構成要素之任意之組合、本發明之構成要素或表現在方法、裝置、系統等之間相互置換者亦作為本發明之態樣而有效。 [發明之效果]

根據本發明能夠正確地檢測初始殘量。

以下，基於較佳之實施形態一面參照圖式一面說明本發明。對於各圖式所示之同一或同等之構成要素、構件、處理賦予同一符號且適宜地省略重複之說明。又，實施形態係例示而並非為限定發明者，實施形態所記述之全部特徵及其組合未必一定為發明之本質性內容。

在本說明書中，「構件A與構件B連接之狀態」亦包含：構件A與構件B實體性直接地連接之情形；及構件A與構件B在對該等電性連接狀態不產生實質之影響、或無損因該等結合而發揮之功能及效果下經由其他構件間接地連接之情形。

同樣地，「構件C設置於構件A與構件B之間之狀態」除了包含構件A與構件C、或構件B與構件C直接地連接之情形以外，亦包含在對該等電性連接狀態不產生實質之影響、或無損因該等結合發揮之功能及效果下經由其他構件間接地被連接之情形。

又，在本說明書中，對電壓信號、電流信號、或電阻賦予之符號係根據需要表示各者之電壓值、電流值、或電阻值者。

圖2係具備實施形態之殘量檢測電路200之電子機器100之方塊圖。電池驅動型電子機器100並不限定於此，可例示智慧型手機、平板型終端、數位照相機、數位視訊攝影機、可攜式音訊播放器、及膝上型電腦等。

電子機器100具備：電池102、充電電路104、CPU(Central Processing Unit：中央處理單元)106、電源按鈕108及殘量檢測電路200。電池102包含一個或複數個電池單元103。電池單元103之種類無特別限定，可例示鋰離子電池單元、鋰空氣電池單元、鋰金屬基電池單元、鎳氫電池單元、鎳鎘電池單元、及鎳鋅電池單元等。電池單元103之個數依電子機器100之用途而定，在可攜式電子機器之情形下為1個電池單元～數個電池單元，在車載電池、產業機器、及產業機械之用途上為數十個～數百個電池單元之數量級。作為本發明之用途，電池102之構成無特別限定。

充電電路104自外部之電源配接器與USB(Universal Serial Bus，通用串列匯流排)等之直流電源接收電源電壓V_EXT ，而對電池102充電。CPU 106係電池102之代表性負載之一，整合控制電子機器100。電源按鈕108係用以導通、關斷電子機器100而設置。

殘量檢測電路200取得為了檢測電池102之充電狀態(SOC：State Of Charge)所需之資訊。殘量檢測電路200具備第1A/D轉換器202、第2A/D轉換器204、邏輯電路210、介面電路220、及DC/DC轉換器230，且係積體化於一個半導體基板之功能IC。第1A/D轉換器202對電池102之電壓V_BAT 取樣，亦即進行A/D轉換。例如，第1A/D轉換器202可為逐次逼近型(SAR)。

第2A/D轉換器204對電池102之電流I_BAT 取樣(亦即A/D轉換)。第2A/D轉換器204可為ΔΣ型。電流I_BAT 包含充電電流、及放電電流。例如，電池102包含電池單元103及與其串聯之感測電阻R_S 。第2A/D轉換器204基於感測電阻R_S 之電壓下降檢測電池電流I_BAT 。

邏輯電路210係殘量檢測電路200之控制器。邏輯電路210接收第1A/D轉換器202之輸出(數位之電壓檢測值D_V )及第2A/D轉換器204之輸出(數位之電流檢測值D_I )。

介面電路220係為了將資料自邏輯電路210發送至CPU 106、或接收來自CPU 106之資料與指令而設置。例如，能夠將I² C(Inter IC)介面等用作介面電路220。

DC/DC轉換器230接收電池電壓V_BAT ，並將其降壓而產生電源電壓V_DD 。電源電壓V_DD 被供給至CPU 106。此外，DC/DC轉換器230之構成中之未圖示之電感器與平滑電容器被外置於殘量檢測電路200。

繼而，具體地說明邏輯電路210之功能及處理。

1.開路電壓(OCV)之測定邏輯電路210之緩和判定部212在電池電流I_BAT 實質上為零之狀態維持充分長之時間時，判定電池102為緩和狀態。OCV取得部214將在緩和狀態下所測定之電壓檢測值D_V 作為電池102之OCV取得。所測定之OCV之值被利用於基於電壓法之SOC之推定。

2.庫倫計數處理邏輯電路210包含庫倫計數處理部216。電監視電池電流I_BAT ，將自電池102流出之方向之電流(放電電流)I_BAT 設為正，將流入至電池502之方向之電流(充電電流)I_BAT 設為負，並累計電流值D_I ，而產生累積庫倫計數值(ACC：Accumulation Coulomb Count)。庫倫計數值CC係利用各取樣時刻t_i (i=1、2、…)之電池電流I_BATi 按照以下之式計算。 ACC=Σ_i=1 (Δt×I_BATi ) 在取樣週期為一定之情形下，Δt為常數。

再者，庫倫計數處理部216可更計算充電電流I_CHG 之累計值即充電庫倫計數值(CCC值：Charge Coulomb Count)及放電電流I_DIS 之累計值即放電庫倫計數值(DCC值：Discharge Coulomb Count)。CCC值與DCC值能夠用於充電週期數與放電週期數之管理。

3.電源按鈕108之監視邏輯電路210之電源按鈕監視部218與電源按鈕108連接，監視電源按鈕108是否由電子機器100之使用者按壓。邏輯電路210當電源按鈕108被按壓時，判斷賦能信號EN(例如高位準)，且啟動DC/DC轉換器230。當DC/DC轉換器230啟動時，電源電壓V_DD 被供給至CPU 106，在CPU 106之控制下電子機器100啟動。

再者，電源按鈕監視部218管理表示電源按鈕108是否為初次被按壓之旗標FLG。該旗標FLG被非揮發性地記錄在殘量檢測電路200之內部或外部。在電子機器100出廠時，該旗標FLG被設定為初始值(例如零)。電源按鈕監視部218當電源按鈕108初次被按壓時，將旗標FLG之值設定為與初始值不同之其他值(例如1)。

4.初始OCV之測定將在電子機器100出廠後初次基於電壓法判定SOC時應該參考之OCV稱為初始OCV。邏輯電路210將電子機器100之電源初次被接通時之第1A/D轉換器202之輸出D_V 作為初始OCV而取得。

具體而言，OCV取得部214監視旗標FLG，若於旗標FLG之值為初始值(0)時檢測出電源按鈕108導通時，取得第1A/D轉換器202之輸出D_V 。

以上係邏輯電路210之功能。邏輯電路210所取得之通常之OCV值、初始OCV值、ACC值、CCC值、及DCC值經由介面電路220被發送至CPU 106。此外，「發送」包含CPU 106讀出儲存於殘量檢測電路200內之記憶體(暫存器)之資料。

CPU 106執行軟體程式，基於電壓法、庫倫計數法而推定並計算SOC。

以上係殘量檢測電路200之構成。繼而，說明殘量檢測電路200之動作。圖3係說明圖2之殘量檢測電路200之初始OCV之測定之圖。當在時刻t₀ 將電池102安裝於電子機器100時，對殘量檢測電路200供給電池電壓V_BAT ，而殘量檢測電路200可動作。而後，電子機器100係以電源關斷之狀態出廠。在出廠時，旗標FLG被初始化。

第1A/D轉換器202在時刻t₀ 以後，在特定之取樣週期T_S 內持續對電池電壓V_BAT 取樣(自動取樣)。由於若過於縮短取樣週期T_S 則消耗電力增大，故取樣週期T_S 為數ms～數十ms，例如較佳者係設為2～50 ms。因電池電容及電子機器之洩漏電流，而有可能使取樣週期T_S 進一步增長。例如，在電池為500 mAh且關斷時洩漏電流為100 μA之電子機器中，在1小時內僅變動100 μA/500 ｍA=0.02%。因而，取樣週期T_S 可長至1小時左右。因而，取樣週期T_S 只要將因第1A/D轉換器202之斷續動作而電路電流不增加之週期設為下限，將因洩漏電流而電池殘量不會有意地變化之週期設為上限即可。

在時刻t₀ 以後，電源按鈕監視部218監視電源按鈕108，監視電源是否被導通。在時刻t₁ 時電源按鈕108被按壓。在按下電源按鈕108之期間，判斷PWR＿ON信號(例如低位準)。電源按鈕監視部218當檢測PWR＿ON信號之判斷時，對OCV取得部214指示取得其前之電壓檢測值D_V 。在時刻t₀ 以後，由於在直至電源導通(時刻t₁ )為止之期間，殘量檢測電路200之極小一部分(僅第1A/D轉換器202與電源按鈕監視部218)斷續動作，故電池電流I_BAT 可實質上被認為是零，因而電池102可被認為是緩和狀態。即，此時所取得之電壓檢測值D_V 為初始OCV值。而後，變更旗標FLG之值。

在第1A/D轉換器202之取樣週期T_S 之自動取樣動作較理想為在電源之初次接通後停止。藉此能夠減少浪費之消耗電力。

響應電源之導通而DC/DC轉換器230啟動，電源電壓V_DD 供給被供給至CPU 106，而CPU 106可動作。CPU 106自殘量檢測電路200接收初始OCV值。CPU 106基於規定OCV與SOC之對應關係之表或運算式推定與初始OCV值對應之初始SOC。

由於若DC/DC轉換器230與CPU 106開始動作，則電池102之電池I_BAT 成為非零，故成為非緩和狀態。之後，在殘量檢測電路200中，第2A/D轉換器204及庫倫計數處理部216成為有效，並計算庫倫計數值ACC、CCC、DCC。CPU 106基於初始SOC、及庫倫計數值ACC計算之後之SOC。

圖4係說明圖2之電子機器100之動作之流程圖。此外，流程圖之各處理之順序在不妨礙處理之範圍內可適宜地替換，或可並列地進行複數個處理。

安裝(或安置)電池102(S100)。藉此，殘量檢測電路200可動作，開始第1A/D轉換器202之電池電壓V_BAT 之取樣(S102)。

監視有無電源按鈕108之按下(S104)。當未檢測到電源按鈕108之按下時(S104之否)，繼而，繼續電池電壓V_BAT 之取樣。當檢測到電源按鈕108之按下時(S104之是)，判定是否為第一次電源導通(S106)。而後，當判定為第一次電源導通時(S106之是)，最近之電壓檢測值D_V 被保持為初始OCV(S108)。修正表示是否為第一次電源導通之旗標FLG(S110)，並停止第1A/D轉換器202之週期性取樣動作。在第二次以後之電源導通之情形下(S106之否)，進行基於通常之緩和時間之OCV測定。

以上係殘量檢測電路200及電子機器100之動作。根據該殘量檢測電路200，即便在自製品出廠至使用者接通電源之期間(圖3之t₀ ～t₁ )為長之情形下，仍能夠取得正確之初始OCV，甚至能夠正確地檢測初始殘量(初始SOC)。

以上針對本發明基於實施形態進行了說明。熟悉此項技術者當可理解該實施形態係例示，可對該等各構成要素與各處理製程之組合施加各種變化例，且如此之變化例亦在本發明之範圍內。以下，針對如此之變化例進行說明。

(變化例1) 在實施形態中，如圖3所示，將即將按下電源按鈕(時刻t₁ )之前之一個電壓檢測值D_V 設為初始OCV，但並不限定於此。圖5係說明變化例1之初始OCV之測定之圖。例如，可將時刻t₁ 之前之複數個電壓檢測值D_V 加以平均，而作為初始OCV。平均處理可為簡單平均，亦可為加權平均，還可為移動平均。又，成為平均對象之電壓檢測值D_V 可為時間上連續者，亦可為每隔N個(N≧2)抽出者。

圖6係說明變化例1之電子機器100之動作之流程圖。圖4之處理S108在處理S109中被修正。當判定為第一次電源導通時(S106之是)，最近所取樣之複數個電壓檢測值D_V 之平均值被保持為初始OCV(S109)。若產生雜訊，則有在雜訊之影響下A/D轉換器之輸出變動，而電壓檢測值不正確之情形。因而，藉由獲得複數個取樣之平均值而能夠減小雜訊之影響。此外，平均化處理可在判定為第一次電源導通後進行，亦可在處理S102中在每次對電池電壓V_BAT 取樣時更新平均值。

(變化例2) 圖7係說明變化例2之初始OCV之測定之圖。即便在時刻t₁ 隨後，若電池102仍為緩和狀態時，可將時刻t₁ 隨後之電壓檢測值D_V 設為初始OCV。

圖8係說明變化例2之電子機器100之動作之流程圖。當判定為第一次電源導通時(S106之是)，進而再一次對電池電壓V_BAT 取樣(S103)，由最後之取樣(S103)獲得之電壓檢測值D_V 被保持為初始OCV(S108)。

(變化例3) 在實施形態中，利用殘量檢測電路200之外部之CPU 106執行與SOC之推定、計算相關之處理之一部分，但並不限定於此，可使處理器(運算核芯)積體化於殘量檢測電路200，將CPU 106之功能之一部分合併。

(變化例4) 在實施形態中，使DC/DC轉換器230積體化於殘量檢測電路200，但並不限定於此。DC/DC轉換器230可積體化於與殘量檢測電路200不同之電源管理IC(PMIC)。

基於實施形態，使用具體之用語說明了本發明，但實施形態僅顯示本發明之原理、應用，在實施形態中，在不脫離申請之範圍所規定之本發明之思想之範圍內，可認為有諸多變化例及配置之變更。

100‧‧‧電子機器102‧‧‧電池103‧‧‧電池104‧‧‧充電電路106‧‧‧CPU108‧‧‧電源按鈕200‧‧‧殘量檢測電路202‧‧‧第1A/D轉換器204‧‧‧第2A/D轉換器210‧‧‧邏輯電路212‧‧‧緩和判定部214‧‧‧OCV取得部216‧‧‧庫倫計數處理部218‧‧‧電源按鈕監視部220‧‧‧介面電路230‧‧‧DC/DC轉換器502‧‧‧電池504‧‧‧充電電路506‧‧‧殘量檢測電路508‧‧‧負載ACC‧‧‧累積庫倫計數值/庫倫計數值CCC‧‧‧充電庫倫計數值/庫倫計數值DCC‧‧‧放電庫倫計數值/庫倫計數值D_I‧‧‧電流檢測值/電流值D_V‧‧‧電壓檢測值/輸出EN‧‧‧賦能信號FLG‧‧‧旗標I_BAT‧‧‧電流/電池電流/放電電流/充電電流I_CHG‧‧‧充電電流I_DIS‧‧‧放電電流I_LOAD‧‧‧負載電流/放電電流OCV‧‧‧開路電壓R_S‧‧‧感測電阻SOC‧‧‧充電狀態T_S‧‧‧取樣週期t0‧‧‧時刻t1‧‧‧時刻V_ADP‧‧‧電源電壓V_BAT‧‧‧電壓/電池之電壓V_DD‧‧‧電源電壓V_EXT‧‧‧電源電壓

圖1係電池驅動型電子機器之方塊圖。圖2係具備實施形態之殘量檢測電路之電子機器之方塊圖。圖3係說明圖2之殘量檢測電路之初始OCV之測定之圖。圖4係說明圖2之電子機器之動作之流程圖。圖5係說明變化例1之初始OCV之測定之圖。圖6係說明變化例1之電子機器之動作之流程圖。圖7係說明變化例2之初始OCV之測定之圖。圖8係說明變化例2之電子機器之動作之流程圖。

100‧‧‧電子機器

102‧‧‧電池

103‧‧‧電池

104‧‧‧充電電路

106‧‧‧CPU

108‧‧‧電源按鈕

200‧‧‧殘量檢測電路

202‧‧‧第1A/D轉換器

204‧‧‧第2A/D轉換器

210‧‧‧邏輯電路

212‧‧‧緩和判定部

214‧‧‧OCV取得部

216‧‧‧庫倫計數處理部

218‧‧‧電源按鈕監視部

220‧‧‧介面電路

230‧‧‧DC/DC轉換器

ACC‧‧‧累積庫倫計數值/庫倫計數值

CCC‧‧‧充電庫倫計數值/庫倫計數值

DCC‧‧‧放電庫倫計數值/庫倫計數值

D_I‧‧‧電流檢測值/電流值

D_V‧‧‧電壓檢測值/輸出

EN‧‧‧賦能信號

I_BAT‧‧‧電流/電池電流/放電電流/充電電流

I_CHG‧‧‧充電電流

I_DIS‧‧‧放電電流

OCV‧‧‧開路電壓

R_S‧‧‧感測電阻

V_BAT‧‧‧電壓/電池之電壓

V_DD‧‧‧電源電壓

V_EXT‧‧‧電源電壓

Claims

一種殘量檢測電路，其特徵在於：其係與可裝卸之電池連接，若前述電池被安裝，則成為可動作者，且具備：第1A/D轉換器，其係：若前述電池被安裝，則開始前述電池之電壓之取樣；及邏輯電路，其係：若前述電池被連接則成為可動作，且接收前述第1A/D轉換器之輸出；且前述邏輯電路係：與電源按鈕連接，若前述電源按鈕被電子機器之使用者按壓，則判定是否為初次電源導通，於初次電源導通之情形時，將於其前或隨後前述第1A/D轉換器所取樣之複數個電壓檢測值平均化，作為初期OCV而保持。
如請求項1之殘量檢測電路，其中由前述第1A/D轉換器進行之前述取樣係在初次接通電源後停止。
如請求項1之殘量檢測電路，其中前述取樣之週期係2ms~50ms。
如請求項1之殘量檢測電路，其更具備對前述電池之電流取樣之第2A/D轉換器；且前述邏輯電路對前述第2A/D轉換器之輸出進行累計。
如請求項4之殘量檢測電路，其中前述邏輯電路經由介面與處理器連接；且可將由前述第1A/D轉換器取樣之前述電池之電壓之值、及前述第2A/D轉換器之輸出之累計值發送至前述處理器。
如請求項1之殘量檢測電路，其一體地積體化於一個半導體基板。
一種電子機器，其具備：電源按鈕；電池；及監視前述電池之狀態之如請求項1至6中任一項之殘量檢測電路。
一種檢測方法，其特徵在於：其係檢測可再充電且可裝卸於電子機器之電池之殘量者，且具備以下步驟：監視搭載前述電池之前述電子機器之電源按鈕之狀態；若前述電池被安裝於前述電子機器，則開始前述電池之電壓之取樣；及若前述電源按鈕被電子機器之使用者按壓，則判定是否為初次電源導通，於初次電源導通之情形時，將於其前或隨後所取樣之複數個電壓檢測值平均化，作為初期OCV而保持。