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TWI489732B - 多節電池芯之電池剩餘電量管理系統 - Google Patents

多節電池芯之電池剩餘電量管理系統 Download PDF

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TWI489732B
TWI489732B TW098105739A TW98105739A TWI489732B TW I489732 B TWI489732 B TW I489732B TW 098105739 A TW098105739 A TW 098105739A TW 98105739 A TW98105739 A TW 98105739A TW I489732 B TWI489732 B TW I489732B
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Description

多節電池芯之電池剩餘電量管理系統
本發明是有關於一種電池剩餘電量管理架構，特別是有關於一種適用於多節電池芯之電池剩餘電量管理架構。
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。
一電池管理程式良好的電池通常可被重覆充電數百次，甚至達數千次。另一方面，由於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，更要求一個電池包包含有不只一節的電池芯，例如至少二節甚至四節或六節的電池芯。如此一來，由於每節電池芯本身所含化學性質及在電池包的相對位置都可能使每節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節電池芯來得更複雜。
請參見圖1所示的多節電池芯電量管理架構之電池包及筆記型電腦相對關係的示意圖。圖1中的電池包10包含了多節電池芯15，電池保護電路20，電池特性偵測模組25，電池電量計算模組30(gauge)，僕SMBus控制器40s、P+及P-。其中，P+及P-是電池包提供給NB 50之電源線，或者NB 50經上述電源線對電池包充電。電池保護電路20包含過充電比較器，過放電比較器、過電流比較器及MOS FET等(未圖示)，而電池特性偵測模組25則包含非電性偵測模組25a與電性偵測模組25b。非電性偵測模組25a如電池芯表面温度偵測，而電性偵測模組25b則是電池芯15之充、放電電流及每節電池芯電壓之偵測。而電池容量計算模組30則包含一微處理器，微處理器以電池特性偵測模組25輸出之電壓數據、電流數據、溫度數據為依據，由微處理器之唯讀記憶體或其它可電抹除唯讀記憶體(EEPROM)或快閃記憶體存放之程式計算出電池芯15的剩餘電量。至於僕SMBus控制器40s則是一種溝通介面，藉以和使用該電池包的可攜式電子裝置，如筆記型電腦NB 50溝通。
另一方面，筆記型電腦50對應於電池包10的部分則包含了主SMBus控制器40m和崁入控制器(embedded controller；在此及以後稱為EC)45。其中主SMBus控制器40m和僕SMBus控制器40s顧名思義，二者有主僕(master-slave)關係。主SMBus控制器40m具有主動對僕SMBus控制器40s詢電量數據能力，而僕SMBus控制器40s則是被動回應。
對筆記型電腦50而言，EC 45是內建於鍵盤控制器內。不同於桌上型電腦，筆記型電腦的鍵盤控制器包含了一微處理器，結合主SMBus控制器40m，可以向電池包經由僕SMBus控制器40s要求電池容量的數據。有了EC 45，它不需要佔用筆記型電腦50之中央處理單元的資源而可以單獨管理電池的電量，並將電量數據提供給筆記型電腦的作業系統以進行電池電量的監控與管理。
另一種習知多節電池芯電量管理架構，請參見圖2所示的示意圖。
圖2中的電池包210包含了多節電池芯215，電池保護電路220，非電性偵測模組225a，僕SMBus控制器240s。對應的筆記型電腦250端則包含了主SMBus控制器240m和EC及電池電量計算模組(gauge)230、電性偵測模組225b。P+及P-，一如上述為電源線。
其中，主SMBus控制器40m和僕SMBus控制器40s之主僕(master-slave)關係，一如習知圖1之架構，但電性偵測模組230及電量計算模組則分別利用筆記型電腦250端鍵盤控制器本身的硬體及EC 230中的韌體來完成。電性偵測模組225b經由多節電池芯215的一端P-及電池保護電路220的輸出端取得多節電池芯215之端電壓，因此，它量測的是整組電池芯之端電壓、充電電流及放電電流，而EC 230之韌體並無法管理每一節電池芯。
比較第一種傳統的多節電池芯管理架構(圖1)及第二種傳統多節電池芯管理架構(圖2)，可以發現各有其優缺點。第二種傳統多節電池芯管理架構可以降低電池包的成本，因為其應用了EC 230上的硬體與軟體來完成多節電池芯215剩餘電量量測，但缺點是它沒辦法獲得單節電池芯的電壓，這對於多節電池芯215之單節電池芯管理言是不利的。而第一種傳統多節電池芯管理架構量到的是每一節電池芯的電壓，可以管理每一節電池芯，但缺點是電池包的成本會較高，因為電池包10在出廠時就需要完整但耗時的校正與量測，此外，電池包10需要內建一微處理器及相關的偵測模組於其內。
有鑒於此，本發明之一目的便是提供一包含上述兩種傳統多節電池芯管理架構之優點於一身的多節電池芯管理架構。
本發明揭露一種多節電池芯管理系統包含電池包及可攜式電子裝置，其中，電池包包含了電池之電性及非電性偵測模組、多節電池芯、電池保護電路、僕電池溝通協定控制器，而可攜式電子裝置則包含崁入控制器及主電池溝通協定控制器，電池剩餘電量計算所需要的參數由電池包內的電池之電性及非電性偵測模組量度，結由SMBus界面，傳送至可攜式電子裝置的崁入控制器進行計算。
因此，本發明的電池包可以省掉微處理器，但卻可管理每一節的電池芯，提高電池包的安全性與使用壽命。
如先前所述，第一種傳統的多節電池芯管理架構(圖1)及第二種傳統多節電池芯管理架構(圖2)，各有其優劣點。本發明則提供另一種多節電池芯管理架構它包含了以上兩種之優點。請參考圖3所示的方塊示意圖。電池包310包含了多節電池芯315、電池保護電路320、電池電性及非電性偵測模組325、僕電池溝通協定控制器340s，可攜式電子裝置350例如筆記型電腦端則包含了EC(崁入控制器)330、電池電量計算模組(gauge，包裝於EC崁入式控制器330內)、及主電池溝通協定控制器340m。電池溝通協定控制器除了SMBus以外，尚有其他的電池溝通協定，例如，I2 C與HDQ。P+及P-，一如先前技藝所述為電源線，EC(崁入控制器)330內建於鍵盤控制器內。
在此，電池電性量測及非電性量測的裝置和傳統第一種多節電池芯管理架構相同，都是放在電池包310內。但電池電量的計算則在筆記型電腦端350。因此，在電池包中不需要有微處理器。筆記型電腦端350只要藉由SMBus傳送的訊息，並藉助EC的微處理器及其所包含的韌體程式即可以計算出多節電池芯315之剩餘電量，再搭配筆記型電腦端350的作業系統即可以達成整個系統的電量管理監控與管理。除此之外，EC(崁入控制器)330藉由主電池溝通協定控制器340m及僕電池溝通協定控制器340s可以設定及獲得電池包310的內部參數與狀態，達成管理電池包310的目的。
本發明之電池包方塊圖架構更進一步的說明請參見圖4。電池保護電路320包含驅動及延遲電路320a、電壓比較器組331、FET 1、FET 2及FET 3，以提供電池包的充電及放電保護。其中，電壓比較器組331包含複數個電壓比較器，以分別提供每一節電池芯之端電壓和參考電位比較。
電池電性及非電性偵測模組325包含電流偵側電路327、温度偵測器328、ADC(類比數位轉換器)329、及庫侖計數器323。ADC 329係採多工的方式循序抽取多節電池芯315、電阻Rs的跨壓及温度偵測器328所傳送之電壓，類比轉數位後存放於暫存器組336。其中，温度偵測器328偵測多節電池芯315表面之溫度，電池平衡電路326傳來每節電池芯電壓之類比信號，電流偵側電路327量的是電阻Rs的跨壓。其中，電流偵側電路327量的電阻Rs跨壓信號，經ADC 329轉換後以庫侖計數器331執行累加(充電時)及累減(放電時)之運算，再存於暫存器組336對應之暫存器中，即電池芯315的充電及放電電流累積量。
僕電池溝通協定控制器340s在一實施例中是一SMbus控制器，包含暫存器組336(內含複數個暫存器)、可電抹除唯讀記憶體(EEPROM)337、一控制邏輯電路339、一SMbus介面338。其中，EEPROM 337儲存電池包的一些特性參數，EC將控制電池包的指令，藉由SMbus的傳送，驅使控制邏輯電路339藉由排線339a將數位控制信號傳送至電池包內所有功能方塊，以管理整個電池包。為避免圖面過於擁擠，排線339a和各模組並未示出。
電池包的內部運作為習知的技術，以下僅略述圖4的運作程序。首先是電池平衡功能，電池包管理的第一控制參數由NB的主SMbus控制器340m經由電池包的SMbus介面338傳送至暫存器組336。控制邏輯電路339在接收到暫存器組336的第一控制參數時便由控制邏輯電路339發出第一控制信號藉由排線339a傳送至電池平衡電路326。電池平衡電路326藉第一控制信號控制每一節電池芯的充放電。當某一節電池芯電壓達第一預設值時就禁止該節電池芯繼續充電，但允許其它節電池芯端電壓未達第一預設值者繼續充電。當某一節電池芯電壓低於第二預設值時就禁止該節電池芯繼續放電但允許其它節電池芯端電壓未低於第二預設值者繼續放電。電池平衡電路326儘可能維持所有的每一節電池芯的剩餘可用電量接近。
電池平衡電路326儘可能平衡每一節電池芯的電壓。是有其必要的。在使用一段時日後每一節電池芯放電或充電能力會因電池芯所填充的化學聚合物性變化而有差異性。沒有電池平衡電路326將可能因多節電池芯的其中一節電池芯特性變差而導致多節電池芯的蓄電能力愈來愈差。
其次是電池充放電保護功能，電池包管理的第二控制參數也是由NB的主SMbus控制器340m經由電池包的SMbus介面338傳送至暫存器組336。控制邏輯電路339在接收到暫存器組336的第二控制參數時便由控制邏輯電路339發出第二控制信號藉由排線339a給電壓比較器組331。電壓比較器組331的結果將傳送到電池保護電路320，並且控制充電開關FET1及放電開關FET2。充電開關FET1之閘極連接於接腳CO，放電開電關FET2之閘極連接於接腳DO。
當多節電池芯電壓的某一節電池芯達第三預設值時就關閉充電電關FET1以禁止電池包內之多節電池芯繼續充電，當多節電池芯電壓的某一節電池芯低於第四預設值時就關閉放電電關FET2以禁止電池包內之多節電池芯繼續放電。
換言之，第二控制參數是控制電池包整體之充電及放電。而第一控制參數只是控制某一節電池芯之充電及放電。而要能達到上述管理電池包的功能，則電池平衡電路326及電壓比較器組331必須可以獲知單節電芯的電壓的環境下方可行。
本發明的多節電池芯管理架構具有以下的好處：
(1)電池包可以省掉微處理器，因為，依據量度的參數計算的模組是由可攜式電子裝置的崁入控制模組進行。
(2)多節電池芯之每節電池芯單獨量度因此有更佳的管理能力而達到延長電池壽命以及更高安全性之目的。
(3)電池包材料成本及測試成本可以獲得降低，但仍無損於可以對多節電池芯之每節電池芯單獨量度。
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。
10,210,310‧‧‧電池包
45‧‧‧EC
20,220,320‧‧‧電池保護電路
30‧‧‧電池電量計算模組
230,330‧‧‧EC+電池電量計算模組
320a‧‧‧驅動及延遲電路
15,215,315‧‧‧多節電池芯
50,250,350‧‧‧NB
25a,225a‧‧‧電池非電性偵測模組
25,325‧‧‧電池電性及非電性偵測模組
25b,225b‧‧‧電池電性偵測模組
327‧‧‧電流偵側電路
40s,240s‧‧‧僕SMBus控制器
40m,240m‧‧‧主SMBus控制器
323‧‧‧庫侖計數器
329‧‧‧ADC
328‧‧‧温度偵測器
331‧‧‧電壓比較器組
337‧‧‧EEPROM
336‧‧‧暫存器組
339‧‧‧控制邏輯電路
339a‧‧‧排線
338‧‧‧SMbus介面
P+,P-‧‧‧電池包電源端
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示依據習知技術第一實施例所繪之多節電池芯管理架構示意圖。
圖2示依據習知技術第二實施例所繪之多節電池芯管理架構示意圖。
圖3示依據本發明之較佳實施例所設計之多節電池芯管理架構示意圖。
圖4示依據本發明之較佳實施例所設計之多節電池芯管理之電池包內部電路方塊示意圖。
310‧‧‧電池包
330‧‧‧EC+電池電量計算模組
320‧‧‧電池保護電路
350‧‧‧NB
315‧‧‧多節電池芯
325‧‧‧電池電性及非電性偵測模組
340s‧‧‧僕電池溝通協定控制器
340m‧‧‧主電池溝通協定控制器

Claims (10)

  1. 一種多節電池芯管理系統，至少包含：一不含微處理器於其中的電池包，包含：多節電池芯，電池電性及非電性偵測模組，該多節電池芯共用一僕電池溝通協定控制器，及電池保護電路，其中該電池電性及非電性偵測模組連接於僕電池溝通協定控制器與該多節電池芯之間，以偵測該多節電池芯之電性及非電性特性，並向該僕電池溝通協定控制器傳送該等數據，或由該僕電池溝通協定控制器獲取第一控制參數及第二控制參數，結合該電池保護電路以管理該多節電池芯；及一可攜式電子裝置，包含：電池電量計算模組及主電池溝通協定控制器，該主電池溝通協定控制器主動向該電池包之該僕電池溝通協定控制器(1)要求該些偵測數據並交由電池電量計算模組計算該多節電池芯之每一單節電池芯之剩餘電量，(2)傳送該第一控制參數及第二控制參數至該僕電池溝通協定控制器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之其中該電性及非電偵測模組向該僕電池溝通協定控制器傳送的數據至少包括該多節電池芯的單節電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之多節電池芯管理系統，其中該電性及非電偵測模組向該僕電池溝通協定控制器傳送的數據，包括流入及流出該多節電池芯的電流。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之多節電池芯管理系統，其中上述之第一控制參數控制多節電池芯中每一節電池 芯的充放電。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之多節電池芯管理系統，其中上述之第二控制參數是控制電池包整體之充電及放電。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多節電池芯管理系統，其中上述之電池電量計算模組係設於該可攜式電子裝置之崁入控制器內。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之多節電池芯管理系統，其中上述之電池電量計算模組係以韌體或軟體型式設於該可攜式電子裝置之崁入控制器內。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之多節電池芯管理系統，其中上述之崁入控制器，存在於該可攜式電子裝置的鍵盤控制器中。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之多節電池芯管理系統，其中上述之僕電池溝通協定控制器及主電池溝通協定控制器包含SMBus、I2 C、HDQ其中之一種。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之多節電池芯管理系統，其中上述之電池之電性及非電性偵測模組包含一庫侖計數器以執行累加或累減進出該多節電池芯之電流。
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