CN105762870A - 具有保护预警功能的电池及具有该电池的电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有保护预警功能的电池，包括电池管理单元，用于在所述电池放电时监测其容量，所述电池还包括：阈值单元，用于输出电池容量的阈值；比较器，其两个输入端分别连接到所述电池管理单元和所述阈值单元，配置为当所述电池的容量低于所述电池容量的阈值时，输出端的电平翻转；寄存器，所述寄存器具有多个比特，其中的一个比特被配置为，当所述比较器的输出端的电平翻转时，所述一个比特被置位，其中，所述容量为设定时间内的瞬时容量的平均值。本发明还提供了一种具有上述电池的电子设备。本发明的技术方案，能够自主检测电池的容量、电压、电流、温度等状态、并能够及时发出预警。

Description

具有保护预警功能的电池及具有该电池的电子设备
技术领域
本发明涉及一种具有保护预警功能的电池及具有该电池的电子设备。
背景技术
如图1所示，目前电子设备使用的电池10的基本信息(例如，电压、电流、容量、温度等)，只能通过布置在电子设备内部的主板20上的嵌入式控制器(EC)或者其他监视设备24来监测。EC和其他监测设备24通过I2C总线或者SMBUS来监测电池10的基本信息。
现有技术基于以上监测方案，对电池的大功率、低电压、以及高温实现保护。具体如下：
1)对于电池模式的大功率的保护，需要通过***功率检测设备和比较器23来实现。当***功率检测设备和比较器23检测到电池的功率超过设定的阈值，则通知CPU21和/或GPU22进行降频。
2)对于电池模式的低电压的保护，需要通过***比较器23来实现。比较器23检测到电池的电压低于设定的阈值，则通知CPU21和/或GPU22进行降频。
3)对于电池模式在高温下的功率限制，需要通过EC等设备24通过SMBUS或者I2C总线来监测，当监测到电池的温度达到设定的阈值，则通知CPU21和/或GPU22进行降频。
对于大功率和低电压的保护方案，外部功率检测设备和比较器23只能得到瞬时值，无法用平均值进行检测。而瞬时值有可能存在不稳定因素(例如跳变)，会导致检测不准。
此外，上述方案由于在主板上增加了***功率检测设备、比较器、EC、其他监测控制器等，增加了主板的电路的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能够自主检测电池的容量、电压、电流、温度等状态、并能够及时发出预警的技术方案。
一方面，本发明的具有保护预警功能的电池，包括电池管理单元，用于在所述电池放电时监测其容量，所述电池还包括：阈值单元，用于输出电池容量的阈值；比较器，其两个输入端分别连接到所述电池管理单元和所述阈值单元，配置为当所述电池的容量低于所述电池容量的阈值时，输出端的电平翻转；寄存器，所述寄存器具有多个比特，其中的一个比特被配置为，当所述比较器的输出端的电平翻转时，所述一个比特被置位，其中，所述容量为设定时间内的瞬时容量的平均值。
本发明的具有保护预警功能的电池，包括电池管理单元，用于在所述电池放电时监测其电压，所述电池还包括：阈值单元，用于输出电池电压的阈值；比较器，其两个输入端分别连接到所述电池管理单元和所述阈值单元，配置为当所述电池的电压低于所述电池电压的阈值时，输出端的电平翻转；寄存器，所述寄存器具有多个比特，其中的一个比特被配置为，当所述比较器的输出端的电平翻转时，所述一个比特被置位，其中，所述电压为设定时间内的瞬时电压的平均值。
本发明的具有保护预警功能的电池，包括电池管理单元，用于在所述电池放电时监测其电流，所述电池还包括：阈值单元，用于输出电池电流的阈值；比较器，其两个输入端分别连接到所述电池管理单元和所述阈值单元，配置为当所述电池的电流高于所述电池电流的阈值时，输出端的电平翻转；寄存器，所述寄存器具有多个比特，其中的一个比特被配置为，当所述比较器的输出端的电平翻转时，所述一个比特被置位，其中，所述电流包括瞬时电流和设定时间内的瞬时电流的平均值。
本发明的具有保护预警功能的电池，包括电池管理单元，用于在所述电池放电时监测其温度，所述电池还包括：阈值单元，用于输出电池温度的阈值；比较器，其两个输入端分别连接到所述电池管理单元和所述阈值单元，配置为当所述电池的温度高于所述电池温度的阈值时，输出端的电平翻转；寄存器，所述寄存器具有多个比特，其中的一个比特被配置为，当所述比较器的输出端的电平翻转时，所述一个比特被置位，其中，所述温度为设定时间内的瞬时温度的平均值。
另一方面，本发明的具有保护预警功能的电池，包括电池管理单元，用于在所述电池充电时监测其温度，所述电池还包括：第一阈值单元，用于输出电池温度的第一阈值；第一比较器，其两个输入端分别连接到所述电池管理单元和所述第一阈值单元，配置为当所述电池的温度低于所述电池温度的第一阈值时，输出端的电平翻转；寄存器，所述寄存器具有多个比特，其中的一个比特被配置为，当所述第一比较器的输出端的电平翻转时，所述一个比特被置位，其中，所述温度为设定时间内的瞬时温度的平均值。
进一步地，所述电池还包括：第二阈值单元，用于输出电池温度的第二阈值；第二比较器，其两个输入端分别连接到所述电池管理单元和所述第二阈值单元，配置为当所述电池的温度高于所述电池温度的第二阈值时，输出端的电平翻转；所述寄存器的另一个比特被配置为，当所述第二比较器的输出端的电平翻转时，所述另一个比特被置位，其中，所述电池温度的第二阈值不小于所述电池温度的第一阈值。
作为本发明的又一方面，提供了一种具有上述电池的电子设备，所述电池连接有***管理总线；位于所述主板上的嵌入式控制器通过所述***管理总线读取所述电池的所述寄存器的值，所述嵌入式控制器配置为：当所述寄存器的比特被置位时，控制所述电子设备的CPU和/或GPU执行降频操作。
进一步地，所述电池连接有***管理总线；位于所述主板上的嵌入式控制器通过所述***管理总线读取所述电池的所述寄存器的值，所述嵌入式控制器配置为：当所述寄存器的所述一个比特被置位时，控制所述电池进行大电流充电；当所述寄存器的所述另一个比特被置位时，控制所述电池进行小电流充电。
本发明的具有保护预警功能的电池及具有该电池的电子设备，在电池内部增加对容量、电压、电流、以及温度的保护预警机制，克服了现有技术中不能根据平均电流进行保护预警的缺陷；用内部寄存器的比特位表示预警结果以供电子设备的嵌入式控制器读取，使得通过寄存器的值能够判断造成***降频的原因，可以更快的找到问题，从而使得***设计更加简单优化；通过对充电温度的监控，可以更准确地控制充电电流的大小，从而在考虑安全的同时优化充电的效率。
附图说明
图1为现有技术的电池和电子设备的结构以及连接示意图；
图2为本发明的电池和电子设备的优选的实施方式的结构以及连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的具有保护预警功能的电池及具有该电池的电子设备作进一步的详细描述，但不作为对本发明的限定。
参考图2，为本发明的优选的实施方式的结构以及连接示意图。
在该优选的实施方式中，本发明的具有保护预警功能的电池10包括电池组11、电池管理单元(BMU)12、比较器C1～C7、寄存器14、以及输出端口13。
电池管理单元12用于在电池10放电时监测其容量、电压、电流和温度，以及在电池10充电时监测其温度，并将其监测的信息输出。
参考图1，现有技术中电池管理单元12输出到输出端口13的信号包括：电池电压S1、电池地S3、以及其他信号S2。这三个信号分别输出到输出端口13的三个端子P1～P3。除了电池电压S1和电池地S3之外的所有信息(容量、电流、温度等)，都以其他信号S2的信号线输出到输出端口13的端子P2。其中，电池地指电池的地信号。
参考图2，本发明中的电池管理单元12输出到输出端口13的信号依旧是包括：电池电压S1、电池地S3、以及其他信号S2。这三个信号分别输出到输出端口13的三个端子P1～P3。除了电池电压S1和电池地S3之外的所有信息(容量、电流、温度等)，都以其他信号S2的信号线输出到输出端口13的端子P2。
此外，本发明中的电池管理单元12还可以输出信号到比较器C1～C7，这些信号包括：输出到第一比较器C1的第一输入端的电池放电时的容量S2-1，输出到第二比较器C2的第一输入端的电池放电时的电压S2-2，输出到第三比较器C3的第一输入端的电池放电时的电流S2-3(例如，瞬时电流)，输出到第四比较器C4的第一输入端的电池放电时的温度S2-4，输出到第五、第六比较器C5、C6的第一输入端的电池充电时的温度S2-5、S2-6，以及输出到第七比较器C7的第一输入端的电池放电时的电流S2-7(例如，设定时间内瞬时电流的平均值)。
优选地，电池的放电容量S2-1为1秒内的瞬时容量的平均值，电池的放电电压S2-2为100毫秒内的瞬时电压的平均值，电池的放电电流S2-3为瞬时电流而放电电流S2-7为1秒内的瞬时电流的平均值，电池的放电温度S2-4为1秒内的瞬时温度的平均值。同样地，电池的充电温度S2-5、S2-6也可以为1秒内的瞬时充电温度的平均值。
本领域技术人员可以理解的是，虽然图2中第二比较器C2的第一输入端连接的是信号S2-2，但其也可以连接信号S1以获取电池的放电电压。
第一比较器C1的第二输入端输入电池放电容量的阈值TH1，第二比较器C2的第二输入端输入电池放电电压的阈值TH2，第三比较器C3的第二输入端输入电池瞬时放电电流的阈值TH3，第四比较器C4的第二输入端输入电池放电温度的阈值TH4，第五比较器C5的第二输入端输入电池充电温度的第一阈值TH5，第六比较器C6的第二输入端输入电池充电温度的第二阈值TH6，第七比较器C7的第二输入端输入电池平均放电电流的阈值TH7。
阈值TH1～TH7由阈值单元(图中未示出)输出，阈值单元可以为存储着阈值TH1～TH7的寄存器或者存储器，也可以是能够输出与阈值TH1～TH7相对应的电压的电压源。
其中，充电温度的第二阈值TH6不小于充电温度的第一阈值TH5。优选地，充电温度的第二阈值TH6比充电温度的第一阈值TH5高5℃。第一和第二阈值TH5和TH6的优选值之所以不设置为相同的值，是考虑到充电时电池温度的波动问题，如此设置可避免对充电模式的切换(大电流充电和小电流充电之间的切换)过于频繁。
充电温度的第二阈值TH6和放电温度的阈值TH4可以设定为相同的值，也可以设定为不同的值，需要根据***和电池的特性确定。
第一比较器C1配置为当第一输入端的电池放电容量S2-1低于第二输入端的电池放电容量的阈值TH1时，输出端的电平翻转。
第二比较器C2配置为当第一输入端的电池放电电压S2-2低于第二输入端的电池放电电压的阈值TH2时，输出端的电平翻转。
第三比较器C3配置为当第一输入端的电池瞬时放电电流S2-3高于第二输入端的电池瞬时放电电流的阈值TH3时，输出端的电平翻转。
第四比较器C4配置为当第一输入端的电池放电温度S2-4高于第二输入端的电池放电温度的阈值TH4时，输出端的电平翻转。
第五比较器C5配置为当第一输入端的电池充电温度S2-5低于第二输入端的电池充电温度的第一阈值TH5时，输出端的电平翻转。
第六比较器C6配置为当第一输入端的电池充电温度S2-6高于第二输入端的电池充电温度的第二阈值TH6时，输出端的电平翻转。
第七比较器C7配置为当第一输入端的电池平均放电电流S2-3高于第二输入端的电池平均放电电流的阈值TH7时，输出端的电平翻转。
第一至第四比较器C1～C4和C7用来监测电池放电时的容量、电压、电流、温度等是否达到阈值，而第五和第六比较器C5、C6用来监测电池充电时的温度是否达到阈值。
本发明的具有保护预警功能的电池10还包括寄存器14，寄存器14中的多个比特用来表示上述比较器C1～C7的比较结果。作为一个示例，寄存器14的比特映射可以如下表1所示。
表1寄存器的比特映射
其中，每个比特的含义的描述如下表2所示。
表2寄存器的比特描述
对于表1、表2描述的寄存器14，其重置后比特0～6均为默认值0。当第一比较器C1的输出端的电平翻转时，比特0被置位，即比特0变为1，表示放电容量异常，需要预警；当第二比较器C2的输出端的电平翻转时，比特1被置位，即比特1变为1，表示放电电压异常，需要预警；当第三比较器C3的输出端的电平翻转时，比特2被置位，即比特2变为1，表示瞬时放电电流异常，需要预警；当第四比较器C4的输出端的电平翻转时，比特3被置位，即比特3变为1，表示放电温度异常，需要预警；当第五比较器C5的输出端的电平翻转时，比特4被置位，即比特4变为1，表示充电温度低于充电温度的第一阈值TH5，可以进行大电流充电；当第六比较器C6的输出端的电平翻转时，比特5被置位，即比特5变为1，表示充电温度高于充电温度的第二阈值TH6，不能够进行大电流充电，需要切换到小电流充电模式；当第七比较器C7的输出端的电平翻转时，比特6被置位，即比特6变为1，表示平均放电电流异常，需要预警。
本领域技术人员可以理解的是，表1和表2只是示出的寄存器14的一个示例，也可以使用寄存器14的其他比特来表示比较器的比较结果；同时，比特位的默认值和置位值都可以和表2中的不同。
为了将寄存器14的值输出，电池10的输出端口13还新增了端子P4，该端子P4连接有***管理总线(SMBUS)，电池10连接的外部设备可以通过***管理总线(SMBUS)读取寄存器14的值。
由于对电池10的各项参数的监测结果均体现在寄存器14的值上，因此，外部设备读取寄存器14的值之后，就很容易确定是否由于电池10的异常引起的***降频，方便对***问题的定位和分析。
本发明还提供了一种具有上述电池的电子设备，如图2所示，该电子设备包括电池10、主板20、以及电池连接器30，其中主板20通过电池连接器30与电池10电连接。
位于主板20上的嵌入式控制器(EC)24’通过SMBUS读取(例如，可以每隔50ms读取)电池10中的寄存器14的值，并根据寄存器14的值对CPU21和/或GPU22进行控制：当寄存器14的比特0～3被置位时，即容量、电压、电流、温度异常发生预警时，控制CPU21和/或GPU22执行降频操作，以降低功耗，从而防止因为电池10的容量和电压过低、电流和温度过高而导致的***异常断电。
同时，EC24’通过读取寄存器14的值，还可以对电池10的充电过程进行控制：当寄存器14的比特4被置位时，说明电池10当前充电时的温度小于第一阈值TH5允许使用大电流进行充电，因此EC24’控制电池10进入大电流充电模式，即快速充电模式；当寄存器14的比特5被置位时，说明电池10当前充电时的温度已经大于第二阈值TH6了，为了避免电池10的温度继续上升，应该禁止对电池10进行大电流充电，因此EC24’控制电池10进入小电流充电模式，即慢速充电模式。
本申请的权利要求书和说明书中所称的“大电流”，是指电子设备的电池在快速充电模式下的电流；所称的“小电流”，是指电子设备的电池在慢速充电模式下的电流。可以理解的是，大电流和小电流均小于额定的最大充电电流、同时也均大于额定的最小充电电流。
虽然图2中示出的新增端子P4位于端子P1和P2之间，但本领域技术人员可以理解的是，其也可以位于所在接口的任意位置。
以上描述的仅为本发明的优选的实施方式，在该优选的实施方式中，本发明的电池同时包含了比较器C1～C7，即同时具有了对容量、电压、电流(包括瞬时电流和平均电流)、放电温度、以及充电温度的保护预警机制。本领域技术人员可以理解的是，由于对容量、电压、电流、放电温度、以及充电温度的保护预警方案之间不互相依赖，因此本发明的电池，可以只包含一个或包含其他个数的比较器，从而实现对容量、电压、电流、放电温度、以及充电温度中的一种或多种的保护预警机制，而不必须与本发明优选的实施方式完全相同。相应地，寄存器中比特位的个数也可以根据使用的比较器的个数进行改变。
相比于现有技术，本发明的有益效果如下：
1)省去了主板上的***功率检测设备和比较器的布置，简化了主板的电路以及功率控制等。
2)电池内部的电路直接对电池的各项参数进行保护监测，比在主板端设计监测电路更直接也更准确。
3)可以通过EC读取的寄存器的值判断造成***降频的原因，可以更快的定位和分析问题，***设计更加简单优化，提高debug效率。
4)通过对电池的充电温度的监测，可以控制电池的充电电流达到最优化，从而在保证安全的基础上提升充电效率。本方案尤其适用于支持快速充电的电子设备。
5)本方案使得电池的供电能力最优化，即只要电池不触发自己内部的比较器输出预警信号，其均可以以最大程度进行放电；同时，本方案还能够提升***的性能，CPU和/或GPU只要未接收到EC发来的降频信号，均可以以高性能模式运行。本方案尤其适用于高功耗的电子设备，例如具有高端CPU或高端显卡的电子设备。
以上具体实施方式仅为本发明的示例性实施方式，不能用于限定本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这些修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有保护预警功能的电池，包括电池管理单元，用于在所述电池放电时监测其容量，其特征在于，所述电池还包括：
阈值单元，用于输出电池容量的阈值；
比较器，其两个输入端分别连接到所述电池管理单元和所述阈值单元，配置为当所述电池的容量低于所述电池容量的阈值时，输出端的电平翻转；
寄存器，所述寄存器具有多个比特，其中的一个比特被配置为，当所述比较器的输出端的电平翻转时，所述一个比特被置位，
其中，所述容量为设定时间内的瞬时容量的平均值。
2.一种具有保护预警功能的电池，包括电池管理单元，用于在所述电池放电时监测其电压，其特征在于，所述电池还包括：
阈值单元，用于输出电池电压的阈值；
比较器，其两个输入端分别连接到所述电池管理单元和所述阈值单元，配置为当所述电池的电压低于所述电池电压的阈值时，输出端的电平翻转；
寄存器，所述寄存器具有多个比特，其中的一个比特被配置为，当所述比较器的输出端的电平翻转时，所述一个比特被置位，
其中，所述电压为设定时间内的瞬时电压的平均值。
3.一种具有保护预警功能的电池，包括电池管理单元，用于在所述电池放电时监测其电流，其特征在于，所述电池还包括：
阈值单元，用于输出电池电流的阈值；
比较器，其两个输入端分别连接到所述电池管理单元和所述阈值单元，配置为当所述电池的电流高于所述电池电流的阈值时，输出端的电平翻转；
寄存器，所述寄存器具有多个比特，其中的一个比特被配置为，当所述比较器的输出端的电平翻转时，所述一个比特被置位，
其中，所述电流包括瞬时电流和设定时间内的瞬时电流的平均值。
4.一种具有保护预警功能的电池，包括电池管理单元，用于在所述电池放电时监测其温度，其特征在于，所述电池还包括：
阈值单元，用于输出电池温度的阈值；
比较器，其两个输入端分别连接到所述电池管理单元和所述阈值单元，配置为当所述电池的温度高于所述电池温度的阈值时，输出端的电平翻转；
寄存器，所述寄存器具有多个比特，其中的一个比特被配置为，当所述比较器的输出端的电平翻转时，所述一个比特被置位，
其中，所述温度为设定时间内的瞬时温度的平均值。
5.一种具有保护预警功能的电池，包括电池管理单元，用于在所述电池充电时监测其温度，其特征在于，所述电池还包括：
第一阈值单元，用于输出电池温度的第一阈值；
第一比较器，其两个输入端分别连接到所述电池管理单元和所述第一阈值单元，配置为当所述电池的温度低于所述电池温度的第一阈值时，输出端的电平翻转；
寄存器，所述寄存器具有多个比特，其中的一个比特被配置为，当所述第一比较器的输出端的电平翻转时，所述一个比特被置位，
其中，所述温度为设定时间内的瞬时温度的平均值。
6.根据权利要求5所述的具有保护预警功能的电池，其特征在于，所述电池还包括：
第二阈值单元，用于输出电池温度的第二阈值；
第二比较器，其两个输入端分别连接到所述电池管理单元和所述第二阈值单元，配置为当所述电池的温度高于所述电池温度的第二阈值时，输出端的电平翻转；
所述寄存器的另一个比特被配置为，当所述第二比较器的输出端的电平翻转时，所述另一个比特被置位，
其中，所述电池温度的第二阈值不小于所述电池温度的第一阈值。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的具有保护预警功能的电池，其特征在于，所述阈值单元为寄存器、存储器或电压源。
8.根据权利要求6所述的具有保护预警功能的电池，其特征在于，所述电池温度的第二阈值比所述电池温度的第一阈值高5℃。
9.一种具有权利要求1-4中任一项所述的电池的电子设备，其特征在于，
所述电池连接有***管理总线；
位于所述主板上的嵌入式控制器通过所述***管理总线读取所述电池的所述寄存器的值，所述嵌入式控制器配置为：当所述寄存器的比特被置位时，控制所述电子设备的CPU和/或GPU执行降频操作。
10.一种具有权利要求6所述的电池的电子设备，其特征在于，
所述电池连接有***管理总线；
位于所述主板上的嵌入式控制器通过所述***管理总线读取所述电池的所述寄存器的值，所述嵌入式控制器配置为：当所述寄存器的所述一个比特被置位时，控制所述电池进行大电流充电；当所述寄存器的所述另一个比特被置位时，控制所述电池进行小电流充电。
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