TWI874152B - 電子裝置及其電池保護方法 - Google Patents

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Abstract

本案揭示一種電子裝置及其電池保護方法。此電子裝置包括電池模組、充電控制晶片以及控制器。電池模組包括電池芯組及控制電路。控制電路用以偵測電池芯組的溫度作為電池芯溫度，且根據電池芯溫度與電池芯組的儲存電量來判斷電池模組是否滿足多個異常環境條件中的任一個。當電池模組滿足多個異常環境條件中的任一個時，控制電路提供對應的充電電壓建議調降值。充電控制晶片用以提供充電電壓給電池模組。控制器用以獲取充電電壓建議調降值，且據以透過充電控制晶片來調整充電電壓。

Description

電子裝置及其電池保護方法
本發明是有關於一種能夠延長電池芯使用年限的電子裝置及其所採用的電池保護方法。
在現今的手持式電子產品（例如，筆記型電腦、手機、數位相機或平板電腦）中，電池扮演了供電的重要角色。當電池芯操作在高荷電或高溫高荷電環境下時容易使電解液溶劑發生分解反應而產生二氧化碳氣體，導致電池芯內部造成氣體過多而發生外觀膨脹的不良現象。若無法立即調降施加至電池的充電電壓或及時使電池芯脫離高荷電或高溫高荷電環境，可能會對電池造成永久性的損害而縮短其使用年限。
本案提供一種電子裝置，其包括電池模組、充電控制晶片以及控制器。電池模組包括電池芯組及控制電路。控制電路耦接電池芯組，用以偵測電池芯組的溫度作為電池芯溫度，且根據電池芯溫度與電池芯組的儲存電量來判斷電池模組是否滿足多個異常環境條件中的任一個。當電池模組滿足多個異常環境條件中的任一個時，控制電路提供對應的充電電壓建議調降值。充電控制晶片耦接電池模組，用以提供充電電壓給電池模組。控制器耦接電池模組及充電控制晶片，用以獲取充電電壓建議調降值，且據以透過充電控制晶片來調整充電電壓。
本案另提供一種電池保護方法適用於包括電池模組的電子裝置。電池模組包括電池芯組。上述方法包括下列步驟：偵測電池芯組的溫度作為電池芯溫度；根據電池芯溫度與電池芯組的儲存電量來判斷電池模組是否滿足多個異常環境條件中的任一個；當電池模組滿足多個異常環境條件中的任一個時，提供對應的充電電壓建議調降值；以及根據充電電壓建議調降值來調整提供給電池模組的充電電壓。
基於上述，本案的電子裝置及其電池保護方法能夠當電池模組操作在高荷電或高溫高荷電環境等異常環境下時，靈活彈性地調整充電電壓。藉此，可使其電池芯組及時脫離高荷電或高溫高荷電環境，降低電池芯膨脹的機率。如此一來，可避免對電池模組造成永久性的損害，進而延長其使用年限。
為讓本案的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
請參照圖1，本實施例的電子裝置100例如是筆記型電腦、手機、數位相機、平板電腦等手持式電子產品。電子裝置100包括電池模組110、充電控制晶片120以及控制器130。
電池模組110可用以對電子裝置100進行供電，可為內嵌式或外接式。電池模組110包括電池芯組112、控制電路114以及放電電路116。電池芯組112包括串聯連接的多個電池芯（電池芯單體）BC，可經由充電電壓Vchg來進行充電。充電電壓Vchg例如為對電池模組110的正負極兩端所施加之電壓。
控制電路114例如為電池計量晶片（Battery gauge IC）或微控制器（Microcontroller）。控制電路114耦接電池芯組112，可透過例如配置在電池模組110內部的溫度感測器來偵測電池芯組112的溫度作為電池芯溫度Tbc。此外，控制電路114也可偵測電池芯組112所接收到的充電電壓Vchg、電池芯組112中每個電池芯BC的電壓及計算電池芯組112的儲存電量及電池芯電壓。電池芯組112的儲存電量可例如透過開路電壓法、庫侖計量法或動態電壓演算法電量計等方式來加以計算。電池芯組112的電池芯電壓例如等同於電池模組110的正負極兩端的電壓差。
放電電路116耦接控制電路114及多個電池芯BC，可用以支援自放電功能。當自放電功能開啟時，控制電路114可透過放電電路116建立一或多個放電迴路，以使每個電池芯BC依序放電。
放電電路116可包括串聯連接的多個開關以及分別耦接於對應的開關的一端與對應的電池芯BC的一端之間的多個電阻。舉例來說，在電池芯組112的多個電池芯BC中包括串聯連接的第一電池芯BC1、第二電池芯BC2及第三電池芯BC3。請參照圖2，在放電電路116中，第一電阻R1耦接於第一電池芯BC1的第一端與第一開關SW1的第一端之間。第二電阻R2耦接於第二電池芯BC2的第一端與第二開關SW2的第一端之間。第三電阻R3耦接於第三電池芯BC3的第一端與第三開關SW3的第一端之間。第四電阻R4耦接於第三電池芯BC3的第二端與第三開關SW3的第二端之間。在本實施例中，第一開關SW1至第三開關SW3分別受控於來自控制電路114的控制信號而導通或斷開。
當自放電功能開啟時，控制電路114可使第一開關SW1至第三開關SW3中的一或多個導通，以建立一或多個放電迴路。舉例來說，當自放電功能開啟時，控制電路114可對第一電池芯BC1至第三電池芯BC3的電壓進行偵測。若第一電池芯BC1的電壓最高且高於電壓最低的電池芯的電壓達到預定電壓（例如5毫伏特），則控制電路114可使第一開關SW1導通來建立由第一電阻R1、第一開關SW1及第二電阻R2構成的放電迴路DC1，以讓第一電池芯BC1進行自放電的動作。若第三電池芯BC3的電壓最高且高於電壓最低的電池芯的電壓達到預定電壓（例如5毫伏特），則控制電路114可使第三開關SW3導通來建立由第三電阻R3、第三開關SW3及第四電阻R4構成的放電迴路DC2，以讓第三電池芯BC3進行自放電的動作，以此類推，直到自放電功能關閉為止。並且，控制電路114也可根據第一電池芯BC1至第三電池芯BC3中的每個電池芯的電壓，依序或同時使對應的開關導通，藉此使第一電池芯BC1至第三電池芯BC3依序放電。
需說明的是，在其他實施例中，除了自放電功能之外，也可透過其他方式（例如將交流配接器（AC adapter）從電子裝置100拔出而使電池芯組112維持在持續放電狀態）來使每個電池芯BC放電，本發明並不加以限制。
在圖1中，充電控制晶片120耦接電池模組110。充電控制晶片120例如為充電器晶片（charger IC），可用以接收電力來源並轉換為充電電壓Vchg提供給電池模組110。電力來源可為有線電源（例如來自於交流配接器）或無線電源（例如來自於任何無線行動電源裝置）。
控制器130耦接電池模組110及充電控制晶片120。控制器130例如是可透過通訊協定與電池模組110進行通訊的嵌入式控制器（embedded controller；EC）或微控制器（Microcontroller）等可程式化晶片。通訊協定例如是系統管理匯流排（System Management Bus，SMBus）或積體匯流排電路（Inter-Integrated Circuit，I 2C），但本實施例不以此為限。
在電池模組110的使用期間，可能會長期處於高溫環境（例如為了維持玩遊戲的高畫質而造成了電子裝置100整體溫度上升或者使用者因旅遊、出差或使用上的需求而使電子裝置100處於高溫環境）、長期處於高荷電環境（例如電池芯組112為滿充電量時，電子裝置100仍長期插接交流配接器（AC adapter）而未拔除等等）或者長期處於相對高溫高荷電環境（例如長期將電子裝置100插接交流配接器，以做為無線分享器）。在此情況下，若無法立即調降電池芯組112所接收到的充電電壓Vchg或及時使電池芯組112脫離高荷電或高溫高荷電環境，可能會對電池模組110造成永久性的損害而縮短其使用年限。因此，在本實施例中，控制電路114可載入所儲存的韌體（firmware），以開啟電池智能保養模式，進而執行本發明的電池保護方法。藉此，使每個電池芯BC依序放電，以及時調降電池芯組112所接收到的充電電壓Vchg，且使電池芯BC脫離高荷電或高溫高荷電環境，同時兼顧使用者的用電需求。
以下即舉實施例說明本發明的電池保護方法的詳細步驟。請同時參照圖1及圖3，本實施例的電池保護方法可適用於圖1的電子裝置100，其步驟分述如下：
首先，在步驟S300中，控制電路114偵測電池芯組112的溫度作為電池芯溫度Tbc。
接著，在步驟S302中，控制電路114根據電池芯溫度Tbc與電池芯組112的儲存電量來判斷電池模組110是否滿足多個異常環境條件中的任一個。當電池模組110未滿足任一個異常環境條件時，回到步驟S300，以續行偵測。
當電池模組110滿足多個異常環境條件中的任一個時，在步驟S304中控制電路114提供對應的充電電壓建議調降值VRD。如此一來，控制器130可從控制電路114獲取充電電壓建議調降值VRD。在步驟S306中，控制器130根據充電電壓建議調降值VRD透過充電控制晶片120來調整提供給電池模組110的充電電壓Vchg。
舉例來說，多個異常環境條件包括第一異常環境條件及第二異常環境條件。在本實施例中，第一異常環境條件為電池芯組112的儲存電量維持於滿充電量累計達到第一時間長度Ltx。滿充電量為電池芯組112所儲存的電力充滿的狀態，亦即相對荷電狀態（RSOC，Relative State-Of-Charge）為100%。
請參照圖4A，圖4A的縱軸為電壓值，橫軸為時間。在圖4A中顯示了代表充電電壓Vchg的變化軌跡的充電電壓曲線CA1以及代表電池芯組112的電池芯電壓的變化軌跡的電池芯電壓曲線CB1。如圖4A所示，在電池模組110的使用期間，充電電壓建議調降值VRD的初始值為0。控制器130可透過充電控制晶片120來將充電電壓Vchg調整成所接收到的充電電壓建議值VRCM，因此充電電壓曲線CA1維持於充電電壓建議值VRCM。電池芯電壓曲線CB1則會逐漸趨近於充電電壓曲線CA1。
在時間點t1，電池芯組112的儲存電量達到滿充電量（充電電壓曲線CA1與電池芯電壓曲線CB1交疊）。控制電路114可開始累計電池芯組112的儲存電量維持於滿充電量的時間。在經過第一時間長度Ltx的時間而到達時間點t2時，若電池芯組112的儲存電量仍舊維持於滿充電量，表示電池模組110滿足第一異常環境條件。此時，控制電路114可提供對應的充電電壓建議調降值VRD給控制器130。
控制器130可根據充電電壓建議調降值VRD透過充電控制晶片120來調整提供給電池模組110的充電電壓Vchg。因此，在時間點t2，充電電壓曲線CA1下降至充電電壓建議值VRCM減去充電電壓建議調降值VRD。
由於充電電壓Vchg（充電電壓曲線CA1）下降的關係，電池芯組112的電池芯電壓會大於當下的充電電壓Vchg。因此，控制電路114可開啟自放電功能，以例如透過放電電路116使每個電池芯BC依序放電。同時，電池芯組112的電池芯電壓（電池芯電壓曲線CB1）也會隨之下降。
在時間點t3，由於電池芯組112的電池芯電壓下降至安全電壓Vs的關係，電池芯組112的儲存電量會小於電量門檻值（電量門檻值例如是滿充電量的95%）。此時，控制電路114可將所提供的充電電壓建議調降值VRD恢復為0，藉此使充電電壓Vchg恢復至充電電壓建議值VRCM。如圖4A所示，在時間點t3，充電電壓曲線CA1恢復至充電電壓建議值VRCM，同時，電池芯組112的電池芯電壓（電池芯電壓曲線CB1）也會隨之上升。
另外，在本實施例中，第二異常環境條件為電池芯組112的儲存電量維持於滿充電量且電池芯溫度Tbc大於等於溫度門檻值（溫度門檻值例如設於攝氏35度至40度之間）累計達到第二時間長度Lty。
請參照圖4B，圖4B的縱軸為電壓值，橫軸為時間。在圖4B中顯示了代表充電電壓Vchg的變化軌跡的充電電壓曲線CA2以及代表電池芯組112的電池芯電壓的變化軌跡的電池芯電壓曲線CB2。如圖4B所示，在電池模組110的使用期間，充電電壓建議調降值VRD的初始值為0。控制器130可透過充電控制晶片120來將充電電壓Vchg調整成所接收到的充電電壓建議值VRCM，因此充電電壓曲線CA2維持於充電電壓建議值VRCM。電池芯電壓曲線CB2則會逐漸趨近於充電電壓曲線CA2。
在時間點t4，電池芯組112的儲存電量達到滿充電量（充電電壓曲線CA2與電池芯電壓曲線CB2交疊）且電池芯溫度Tbc大於等於溫度門檻值。控制電路114可開始累計電池芯組112的儲存電量維持於滿充電量且電池芯溫度Tbc大於等於溫度門檻值的時間。在經過第二時間長度Lty的時間而到達時間點t5時，若電池芯組112的儲存電量仍舊維持於滿充電量且電池芯溫度Tbc大於等於溫度門檻值，表示電池模組110滿足第二異常環境條件。此時，控制電路114可提供對應的充電電壓建議調降值VRD給控制器130。
控制器130可根據充電電壓建議調降值VRD透過充電控制晶片120來調整提供給電池模組110的充電電壓Vchg。因此，在時間點t5，充電電壓曲線CA2下降至充電電壓建議值VRCM減去充電電壓建議調降值VRD。
由於充電電壓Vchg（充電電壓曲線CA2）下降的關係，電池芯組112的電池芯電壓會大於當下的充電電壓Vchg。因此，控制電路114可開啟自放電功能，以例如透過放電電路116使每個電池芯BC依序放電。同時，電池芯組112的電池芯電壓（電池芯電壓曲線CB2）也會隨之下降。
在時間點t6，由於電池芯組112的電池芯電壓下降至安全電壓Vs的關係，電池芯組112的儲存電量會小於電量門檻值（電量門檻值例如是滿充電量的95%）。此時，控制電路114可將所提供的充電電壓建議調降值VRD恢復為0，藉此使充電電壓Vchg恢復至充電電壓建議值VRCM。如圖4B所示，在時間點t6，充電電壓曲線CA2恢復至充電電壓建議值VRCM，同時，電池芯組112的電池芯電壓（電池芯電壓曲線CB2）也會隨之上升。
需說明的是，相較於第一異常環境條件的高荷電環境，第二異常環境條件的高溫高荷電環境對電池模組110的損害較大，因此第二異常環境條件的所對應的第二時間長度Lty會設定為小於第一異常環境條件所對應的第一時間長度Ltx，以使電池模組110更快脫離危險的環境。此外，在第二異常環境條件下的充電電壓建議調降值VRD也可與在第一異常環境條件下的充電電壓建議調降值VRD不同。
在一實施例中，在電池模組110的使用期間，控制電路114可反應於電池模組110的使用時間依序調降提供給控制器130的充電電壓建議值VRCM。請參照圖5，圖5的縱軸為充電電壓Vchg，橫軸為電池模組110的使用時間。舉例來說，當電池模組110的使用時間為T1以內（例如一年以內）時，控制電路114可提供數值為V1的充電電壓建議值VRCM給控制器130，因此控制器130可透過充電控制晶片120來將充電電壓Vchg調整為數值V1。
在電池模組110的使用時間為T1以內的期間，當電池模組110滿足特定的異常環境條件時，控制電路114可提供對應的充電電壓建議調降值VRD給控制器130，使控制器130根據當下的充電電壓建議值VRCM（數值V1）與充電電壓建議調降值VRD透過充電控制晶片120來調整提供給電池模組110的充電電壓Vchg。具體來說，如圖5所示，當電池模組110滿足特定的異常環境條件時，控制器130能夠以在當下的充電電壓建議值VRCM（數值V1）的基準上再降低對應的充電電壓建議調降值VRD的方式透過充電控制晶片120來調整充電電壓Vchg。
接著，在脫離異常環境條件（例如電池芯組112的儲存電量小於電量門檻值）之後，控制電路114可將所提供的充電電壓建議調降值VRD恢復為0，藉此使控制器130將充電電壓Vchg調整為恢復至當下的充電電壓建議值VRCM（數值V1）。
此外，當電池模組110的使用時間為T1至T2（例如一年至二年）之間時，控制電路114可提供數值為V2的充電電壓建議值VRCM給控制器130，因此控制器130可透過充電控制晶片120來將充電電壓Vchg調整為數值V2。當電池模組110的使用時間為T2至T3（例如二年至三年）之間時，控制電路114可提供數值為V3的充電電壓建議值VRCM給控制器130，因此控制器130可透過充電控制晶片120來將充電電壓Vchg調整為數值V3。當電池模組110的使用時間為超過T3（例如三年以上）時，控制電路114可提供數值為V4的充電電壓建議值VRCM給控制器130，因此控制器130可透過充電控制晶片120來將充電電壓Vchg調整為數值V4。在本實施例中，數值V1大於數值V2，數值V2大於數值V3，數值V3大於數值V4。換言之，充電電壓建議值VRCM會隨電池模組110的使用時間的累計而呈現階梯式下降。
類似地，當電池模組110滿足特定的異常環境條件時，控制器130能夠以在當下的充電電壓建議值VRCM（數值V2、V3或V4）的基準上再降低對應的充電電壓建議調降值VRD的方式透過充電控制晶片120來調整充電電壓Vchg。並且，在脫離異常環境條件（例如電池芯組112的儲存電量小於電量門檻值）之後，控制電路114可將所提供的充電電壓建議調降值VRD恢復為0，藉此使控制器130將充電電壓Vchg調整為恢復至當下的充電電壓建議值VRCM（數值V2、V3或V4）。
綜上所述，本發明的電子裝置及其電池保護方法能夠當電池模組操作在高荷電或高溫高荷電環境等異常環境下時，靈活彈性地調整充電電壓。並且，在透過電池模組本身的放電技術使其其電池芯組及時脫離高荷電或高溫高荷電環境之後，可使充電電壓恢復至當下的充電電壓建議值。如此一來，可避免對電池模組造成永久性的損害，進而延長其使用年限，同時兼顧使用者的用電需求。
100:電子裝置 110:電池模組 112:電池芯組 114:控制電路 116:放電電路 120:充電控制晶片 130:控制器 BC:電池芯 BC1:第一電池芯 BC2:第二電池芯 BC3:第三電池芯 CA1、CA2:充電電壓曲線 CB1、CB2:電池芯電壓曲線 DC1、DC2:放電迴路 Ltx:第一時間長度 Lty:第二時間長度 R1:第一電阻 R2:第二電阻 R3:第三電阻 R4:第四電阻 SW1:第一開關 SW2:第二開關 SW3:第三開關 t1~t6:時間點 T1~T3:使用時間 Tbc:電池芯溫度 V1~V4:數值 Vchg:充電電壓 VRCM:充電電壓建議值 VRD:充電電壓建議調降值 Vs:安全電壓 S300~S306:步驟
圖1是依照本發明一實施例所繪示之電子裝置的方塊示意圖。 圖2是依照本發明一實施例所繪示之放電電路的電路示意圖。 圖3是依照本發明一實施例所繪示之電池保護方法的步驟流程圖。 圖4A是依照本發明一實施例所繪示之第一異常環境條件的範例。 圖4B是依照本發明一實施例所繪示之第二異常環境條件的範例。 圖5是依照本發明一實施例所繪示之充電電壓建議值的波形示意圖。
100:電子裝置
110:電池模組
112:電池芯組
114:控制電路
116:放電電路
120:充電控制晶片
130:控制器
BC:電池芯
Tbc:電池芯溫度
Vchg:充電電壓
VRCM:充電電壓建議值
VRD:充電電壓建議調降值

Claims (14)

  1. 一種電子裝置，包括：一電池模組，包括一電池芯組及一控制電路，該控制電路耦接該電池芯組，用以偵測該電池芯組的溫度作為一電池芯溫度，且根據該電池芯溫度與該電池芯組的一儲存電量來判斷該電池模組是否滿足多個異常環境條件中的任一個，當該電池模組滿足該些異常環境條件中的任一個時，提供對應的一充電電壓建議調降值；一充電控制晶片，耦接該電池模組，用以提供一充電電壓給該電池模組；以及一控制器，耦接該電池模組及該充電控制晶片，用以獲取該充電電壓建議調降值，且據以透過該充電控制晶片來調整該充電電壓，其中該控制電路反應於該電池模組的一使用時間依序調降提供給該控制器的一充電電壓建議值。
  2. 如請求項1所述的電子裝置，其中該些異常環境條件包括一第一異常環境條件及一第二異常環境條件，該第一異常環境條件為該電池芯組的該儲存電量維持於一滿充電量累計達到一第一時間長度，該第二異常環境條件為該電池芯組的該儲存電量維持於該滿充電量且該電池芯溫度大於等於一溫度門檻值累計達到一第二時間長度。
  3. 如請求項2所述的電子裝置，其中該第二時間長度小於該第一時間長度。
  4. 如請求項1所述的電子裝置，其中在該電池模組的使用期間，該控制器以在當下的該充電電壓建議值的基準上再降低對應的該充電電壓建議調降值的方式透過該充電控制晶片來調整該充電電壓。
  5. 如請求項4所述的電子裝置，其中當該電池芯組的該儲存電量小於一電量門檻值時，該控制電路將所提供的該充電電壓建議調降值恢復為0，藉此使該充電電壓恢復至該充電電壓建議值。
  6. 如請求項1所述的電子裝置，其中當該電池芯組的一電池芯電壓大於該充電電壓時，該控制電路開啟一自放電功能。
  7. 如請求項6所述的電子裝置，其中該電池芯組包括串聯連接的多個電池芯，該電池模組更包括一放電電路，該放電電路耦接該控制電路及該些電池芯，當該自放電功能開啟時，該控制電路透過該放電電路建立一或多個放電迴路，以使各該些電池芯依序放電。
  8. 一種電池保護方法，適用於包括一電池模組的一電子裝置，該電池模組包括一電池芯組，該電池保護方法包括下列步驟：偵測該電池芯組的溫度作為一電池芯溫度；根據該電池芯溫度與該電池芯組的一儲存電量來判斷該電池模組是否滿足多個異常環境條件中的任一個；當該電池模組滿足該些異常環境條件中的任一個時，提供對 應的一充電電壓建議調降值；根據該充電電壓建議調降值來調整提供給該電池模組的一充電電壓；以及反應於該電池模組的一使用時間依序調降一充電電壓建議值。
  9. 如請求項8所述的電池保護方法，其中該些異常環境條件包括一第一異常環境條件及一第二異常環境條件，該第一異常環境條件為該電池芯組的該儲存電量維持於一滿充電量累計達到一第一時間長度，該第二異常環境條件為該電池芯組的該儲存電量維持於該滿充電量且該電池芯溫度大於等於一溫度門檻值累計達到一第二時間長度。
  10. 如請求項9所述的電池保護方法，其中該第二時間長度小於該第一時間長度。
  11. 如請求項8所述的電池保護方法，其中根據該充電電壓建議調降值來調整提供給該電池模組的該充電電壓的步驟包括：在該電池模組的使用期間，以在當下的該充電電壓建議值的基準上再降低對應的該充電電壓建議調降值的方式來調整該充電電壓。
  12. 如請求項11所述的電池保護方法，更包括：當該電池芯組的該儲存電量小於一電量門檻值時，將所提供的該充電電壓建議調降值恢復為0，藉此使該充電電壓恢復至該充電電壓建議值。
  13. 如請求項8所述的電池保護方法，更包括：當該電池芯組的一電池芯電壓大於該充電電壓時，開啟一自放電功能。
  14. 如請求項13所述的電池保護方法，其中該電池芯組包括串聯連接的多個電池芯，該電池模組更包括一放電電路，該電池保護方法更包括：當該自放電功能開啟時，透過該放電電路建立一或多個放電迴路，以使各該些電池芯依序放電。
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