TW201008076A - Intelligent battery charging rate management - Google Patents

Description

201008076 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關於可再充電儲存電池。詳言之，實施例有 關於智慧型電池充電速率管理之系統及方法。 【先前技術】 可再充電電池廣泛用於各種裝置及產品中。特別是， # 膝上型及筆記型電腦與類似的裝置利用並仰賴電池以提供 可攜式運算電力。其他裝置包括可攜式電子裝置，如手持 電腦及個人數位助理（PDA )、手機及類似的通訊裝置、 音樂及視訊系統、遊戲系統及許多其他者。 所有此種裝置的共通點爲具有需要頗爲頻繁再充電之 電池，此不幸地，需要週期性地替換。電池具有有限的壽 命’並僅能有限次數地充電及放電，且隨著充電與放電之 循環電池容量會逐漸消失。此種電池的價格可能很高，且 ® 於許多裝置中難以移除與替換。當電池最終失效時，還有 用過電池之安全回收及丟棄的額外環境問題，隨著更多裝 置之產生這變成更大的社會問題。 可再充電電池用來再充電之充電速率會對電池壽命的 長度產生影響’充電越慢通常越好。但卻有矛盾之處，亦 即希望能迅速充電以允許頻繁且可靠地使用電子裝置。若 再充電程序延續太長，則討論中的裝置則較無用武之地。 因此，充電速率經常相對迅速，這較有益於裝置的使用性 及方便性，勝過電池系統之壽命。 -5- 201008076 【發明內容及實施方式】 一實施例有關於智慧型電池充電速率管理。 如在此所用： 「電池」意指經由化學反應產生電位之任何裝置。詳 言之，電池包括可藉由充電操作恢復操作之可再充電電池 。電池可包括但不限於鎳鎘（NiCad)、鋰離子（Li-ion) 及其他可再充電電池。 「行動運算裝置」意指任何個人電腦或類似運算裝置 ，其提供行動操作且其包括可再充電電池電源。行動運算 裝置一詞可包括但不限於筆記型或膝上型電腦、手持電腦 、平板型PC、超行動個人電腦（UMPC )、行動網際網路 裝置（MID )、智慧型手機、個人數位助理（PDA )或其 他類似裝置。 「電池組」意指一或更多電池槽之組件。電池組常用 於許多電子裝置之操作中，包括行動運算裝置。 「電池控制單元」意指控制電池之某些操作的單元。 電池組可包括電池控制單元。 在一些實施例中，提供智慧型電池充電速率管理系統 。在一些實施例中，系統依據包括但不限於可供充電之時 間量的因素來判斷用於電池充電之電流値。在一些實施例 中，電池充電系統選擇充電電流以延長長期電池壽命，同 時亦在可供充電的時期內完成充電程序。 在正常操作中，筆記型PC ( NBPC )、超行動個人電 腦（UMPC)或其他裝置之電池組在當AC轉接器連接至 -6- 201008076 裝置時被充電。電池組在當裝置以電池操作時放電。此外 ，電池組中之電荷最終會隨時間耗散，即使裝置並未操作 ，因爲會有正常漏電程序。充電-電池組之時間會隨某些 因素而變，包括用於電池充電的電流量。然而，較迅速充 電電池可能減少電池之操作壽命，因此需要更經常替換昂 貴的電池組。 在一範例中，電池組可爲現有的鋰離子電池，如每電 • 池槽需要充電至4.2V位準的電池組。電池從初始充電狀 態開始。在常見的程序中，電池經由在「C」（指示C速 率）的預定數分之一（一般爲0.7 )的恆定電流充電（CC )來充電直到到達某點，接下來跟隨著在每電池槽4.2 V 之恆定電壓充電（CV) 。C速率爲標稱電流，其爲電池容 量/1小時，其中容量爲以安培-小時或毫安培-小時表示之 電池容量。例如，若假設3000 mAh電池槽，則1 .0C會等 於3000 mA，且0.2會等於600 mA。此常見的充電方法稱 • 爲「CC-CV充電」。CC-CV充電一般會花上2.5至4.0小 時才能充電完成。 當裝置以電池電力操作時，在電池組需要再充電前， 電池組一般會放電至某電壓，如每電池槽3.0V。因此，在 可再充電電池組中的電池槽之普遍的電壓範圍大約爲每電 池槽自3.0V至4.2V。 然而，電池容量隨著充電與放電循環的發生而逐漸消 失。例如，一電池槽的容量在300及500次正常充電/放 電循環後因電池槽之化學及機械降級而降至初始容量的約 201008076 60%。因此，以電池電力操作之裝置的整體可用運作時間 會隨著在正常裝置使用中使用者充電與放電電池組而逐漸 減少。 某些裝置，包括行動運算裝置，利用軟體、軔體或硬 體來限制充電終止位準，以延長電池循環壽命。例如，系 統可回應於使用者改變系統的初始充電設定而降低充電終 止位準。然而，當此設定爲有效時，充電容量會低於（如 最大値的80%)當設定爲不有效時的完全充電容量。因此 @ ，雖然延長的電池壽命導致可得之循環次數，會造成較短 的運作時間，因爲沒有達到完全充電狀態。 在一些實施例中，裝置、系統或程序提供延長電池循 環壽命的機制，而不會減少每一循環中電池所提供之運作 時間。在一些實施例中，系統依據現有的情況來控制充電 電流，以減輕對電池壽命的電流壓力並延長循環壽命。在 一些實施例中，充電電流係依據包括可供充電電池之時間 的因素。在一些實施例中，系統可包括軟體、硬體或軟體 ❹ 及硬體之組合。 在一些實施例中，充電之時間可輸入系統中或依據某 些因素來判斷。在某些實施例中，電池充電速率管理系統 讓使用者得以建立或設定某些時間點，如經由使用者介面 ’其接著用來判斷可供電池充電之時間。第一時間點X可 爲充電之開始，其可例如爲使用者***電池組或含有電池 之裝置（在此統稱爲電池）的AC轉接器之時間，且因此 可被自動設定。在其他實施例中，時間點X可藉由使用者 -8- 201008076 的另一動作或使用者輸入設定來設定。時間點χ亦可藉由 或經由使用與使用者無關的裝置，如偵測黑暗之光學感測 器來加以設定，並因而判斷電池被整晚充電。然而，實施 例不限於設定χ之任何特定方法或程序。可預期第二時間 點Y爲充電之結束，其可例如爲預期使用者拔掉AC轉接 器或者結束電池之充電循環之時間。在一些實施例中，Y 可由使用者設定，例如當使用者預期自充電器移除電池時 • 的特定時間之設定。在一些實施例中，Y値可每天變化， 且在其他實施例中，Y可設定成每天的特定時間。 在一些實施例中，系統計算時間點X及Y間的差異 或者獲得充電時間，並得到可供將電池自初始充電狀態充 電至最終充電狀態的Z小時之結果。在一些實施例中，系 統進一步判斷使用傳統CC-CV充電程序將電池充電至最 終充電狀態（其可爲但不限於完全充電狀態）所需的時間 ，所得結果爲P小時。 • 在一些實施例中，若Z大於P，則系統在CC程序期 間減少充電電流以減輕對於電池壽命之電流壓力。在一些 實施例中，系統判斷足以在Z小時內將電池充電至希望的 最終充電狀態之電流位準。因此，總充電時間小於或等於 Z。在一些實施例中，系統可嘗試於盡可能接近Z時結束 充電，以最小化電流，且在其他實施例中，充電時間可爲 小於Z的某量，以確保當使用者結束充電循環時，電池完 全充電或幾乎完全充電。在一些實施例中，若Z小於或等 於P，則系統可接著利用傳統循環，如傳統的CC-CV充電 -9- 201008076 循環。雖然說明在此有關於CC-CV充電循環，實施例不 限於任何特定類型的充電循環。 在一些實施例中，可在多個不同位置實施智慧型電池 充電速率管理裝置、模組或系統。例如，位置可包括但不 限於在AC/DC轉接器與電池組之間的點。在一些實施例 中，裝置、模組或系統可爲電池充電器之一部分。在一些 實施例中，裝置、模組或系統可爲含有可再充電電池之裝 置的一部分，如行動電腦裝置。在一些實施例中，裝置、 模組或系統可爲與可再充電裝置及與AC/DC轉接器分開 的單元。 在一範例中，使用CC-CV充電來充電電池的智慧型 電池充電速率管理裝置、系統或程序可如下： (1) 標準充電程序爲如下般之CC-CV充電： CC:以0.7C至4.2V/槽之恆定電流

CV:在4.2V/槽之恆定電壓直到電流降到低於0.02C 〇 (2) 使用者建立第一時間點X(如午夜12: 00)及 第二時間點Y (如5 : 00 AM )，其中X爲開始整晚充電 之時間，且Y爲在早上結束充電循環之時間。如上述，X 及Y可經由多個不同機制加以設定。

(3 )在此實例中，計算出Z爲5小時，其中Y-X = Z 〇 (4)使用者在12: 〇〇午夜將電池***AC轉接器， 並上床睡覺。在此範例中，假設使用者的電池組完全放電 -10- 201008076 ，但可能在任何充電狀態。在此實例中，使用正常cc-cv 充電程序，則在此狀態的充電程序會花3小時直到充電完 成，因此P = 3.0。 (5)因爲Z>P，程序、設備或系統接著判斷足以在Z 時期內充電電池之電池充電用的減少電流。在此實例中， 在CC期間的充電電流從0.7C降至0.3C，其在這些情況 下，系統判斷提供接近Z小時的至充電完成之總充電時間 φ 。時間及電流取決於電池之個別充電特性。藉由降低充電 電流，減輕電池容量之降級，其延長循環壽命。 在一範例中，可實驗性點出智慧型電池充電速率管理 程序的效果。在此範例中，可對電池取樣A及B進行循環 測試，其中A及B具有相同初始容量。在此範例中，測試 條件如下： 取樣A : 在25度C循環300次。 • 充電：取樣A以0_5C充電至4.2V，隨後以4.2V之 恆定電壓充電直到電流降到低於5 0mA。 休息時間：2 0分鐘 放電：取樣A以1C放電至2.5V 休息時間：20分鐘 取樣B : 在25度C循環3 00次。 充電：取樣B以0.3C充電至4.2V，隨後以4.2V之恆 定電壓充電直到電流降到低於5 0mA。 -11 - 201008076 休息時間：20分鐘

放電：取樣B以1C放電至2.5V 休息時間：20分鐘 在此範例中，在300循環後，可顯示出取樣A保持初 始容量的約41%，而取樣B保持初始容量的約83%，其中 真實結果取決於被檢驗電池之充電特性。實施例不限於任 何特定電池或所得的容量變更。 第1圖爲包括設備或系統之一實施例的裝置之圖，該 @ 設備或系統包括電池充電速率管理系統。在此圖中，裝置 115，其可包括但不限於行動運算裝置，包括電池充電速 率管理模組120以管理電池之充電。電池可在電池組155 中，其可包括電池管理單元150或與之耦合。電池組155 可在裝置並未***電源時提供電力至裝置構件160。若裝 置115爲行動運算裝置，裝置構件包括處理器、記憶體、 通訊介面及任何其他有供電之構件。裝置115可從AC/DC 轉接器或變壓器11〇接收電力，其將來自電源1〇5的AC ❹ 電力（一般來自電性牆壁插座）轉換至DC電力。轉接器 110可爲裝置115的一部分或可爲分開的單元或系統。 在一些實施例中，電池充電速率管理模組120操作以 判斷可供將電池組1 5 5從初始充電狀態充電至最終充電狀 態之時期、以判斷在標準程序中充電電池組1 55之時期以 及若可供充電之時間大於標準程序所需之時間，判斷會造 成足以在可得的時間內完成充電程序之充電速率的充電用 之減少電流。模組120可包括邏輯125，其可包括一或更 -12- 201008076 多邏輯元件，以進行有關於時期及有關於電流位準之判斷 。在一範例中，邏輯125可包括第一邏輯以判斷可供充電 電池組155之時期以及在標準程序中充電電池組之時期， 以及第二邏輯以判斷在可得時間中充電之減少電流。模組 120可進一步包括時間元件130，其提供目前時間，可用 於判斷可供充電之時間。模組120可進一步包括電池充電 特性元件135，其包括代表電池組之充電特性的資料或値 0 ，且其可用於判斷電池充電所需之電流値。模組1 20可包 括使用者介面140，以允許使用者輸入用於判斷可供電池 充電之時間的時間値。 第2圖爲描繪電池充電速率管理程序之一實施例的流 程圖。在此圖中，電池組係連接至充電系統205。此可藉 由將含有電池之裝置***電源轉接器中、將電池放入分開 的充電器中或者連接電池來充電而達成。在一些實施例中 ，系統會判斷電池組之目前的充電狀態210,其一般會涉 • 及到測量電池槽之目前的電壓。 在一些實施例中，判斷可供電池充電的時間。如第2 圖中所示，判斷開始充電程序的時間X(2 1 5)。該時間可簡 單地爲電池連接至充電系統或充電程序實際開始之現在的 時間，但亦可包括較晚的時間若在充電電池組前有延遲。 在一些實施例中，判斷預期結束充電程序的時間Y(220)。 在一些實施例中，預期的結束時間Υ可由使用者輸入，且 可儲存於充電系統中供未來使用。在其他實施例中，可由 其他方式判斷時間X及時間γ，例如藉由判斷電池是否被 -13- 201008076 整夜充電之感測器，並因而判斷χ及γ。 在一些實施例中，判斷等於結束時間γ及開始時間X 之間的差異之時間ζ(22 5)，因此Ζ爲可供電池組充電之時 間量。亦判斷時間Ρ，Ρ爲以標準充電程序將電池組從目 前充電狀態充電至最終充電狀態所需之時間量（23 0)，其可 爲如上述IfO.PC，其中C ( C速率）爲電池之安培-小時 率。若可得時間Z大於標準充電所需之時間P(23 5)，則可 充電電池阻至最終充電狀態（其可爲但不限於完全充電狀 @ 態）。在此情況中，判斷足以產生能令電池在Z時期期間 達到最終充電狀態之充電速率的電流（240)。若Z不大於P ，則充電用之電流爲標準電流，如，元件245。 在有適當的電流値下，系統則充電電池組。在一些實施例 中，充電程序包括施加恆定電流充電至電池組250直到到 達每電池槽特定電壓（25 5)，在此稱爲Vfinal。Vfinal可例如 爲每電池槽4.2伏特。此時，充電程序可包括至電池組之 恆定電壓充電，如每電池槽4.2伏特，直到電流減少至最 @ 終電流，在此稱爲Ifinai，其可例如爲50 mA。 雖爲了簡明在此所述之實施例提供充電用之電流之單 一判斷及所使用之單一恆定電流，但在其他實施例中可有 所不同。例如，充電程序可以標準電流開始並接著在稍後 的判斷後減少至另一電流。此外，充電程序可包括變化電 流，如隨著電池組越來越接近最終電壓値而逐漸減少之電 流。 第3圖爲電池充電速率管理程序之一實施例的圖。在 -14- 201008076 此圖中，充電速率管理系統3 20顯示成在包括操作系統之 一設備或系統中，如行動運算系統或具有一般目的處理器 之類似設備或系統。然而，實施例不限於此種系統。例如 ’實施例可進一步包括不包括一般目的處理器之裝置，如 消費者電子裝置，以及包括分開的邏輯或處理器以操作充 電速率管理系統。此外，實施例可包括包括充電速率管理 系統的充電器，且與含有待充電之電池的設備或裝置分開 參 在此圖中，設備或裝置3 00包括提供電池充電器之操 作的管理之充電模組310，以及用於充電電池槽33 0之電 池管理單元3 25。充電模組可包括硬體、軟體或硬體及軟 體之組合。在一些實施例中，充電模組310包括智慧型充 電速率管理系統320，其可爲硬體元件，以及充電速率管 理驅動器315，其可爲軟體元件。充電速率管理驅動器 315可使用設備或系統300之操作系統320提供充電速率 • 管理系統320之操作。 在一些實施例中，充電速率管理系統3 20提供判斷可 用於充電電池槽之減少的電流。在一些實施例中，充電速 率管理系統320判斷該減少之電流，其係藉由判斷可供充 電電池槽之時間長度、比較可得時間長度與使用標準充電 程序將電池槽充電至最終充電狀態所需之時間長度，以及 ，若可得時間大於標準程序所需之時間，判斷足以在可得 時期期間完成充電程序的充電電流値。 第4圖提供包括智慧型充電速率管理系統之設備或系 -15- 201008076 統的一實施例之示意圖。在此圖中，AC/DC轉接器410可 提供電池充電的電力，如充電電池組422。電池組422可 包括電池管理單元424及多個電池槽426。電力監視器 412可監視電力，顯示爲監視跨越系統電阻408之電力。 轉接器410之電力輸出亦連接至選擇器418，以選擇與電 池組422耦合之電力切換器（PS ) 414之操作，並因此控 制電池組422的充電。系統管理控制器（SMC) 420被用 來與電池組接界。SMC 420操作以控制選擇器418。 @ 在一些實施例中，一智慧型充電速率管理系統402提 供電池組422之充電速率的管理。在一些實施例中，智慧 型充電速率管理系統402與充電速率管理驅動器416 —同 操作，以判斷可供充電電池組422之時期，以及，若此時 期大於標準充電程序所需之時期，則判斷足以在可供充電 電池組之時期期間將電池充電至最終充電狀態的減少電流 。在一些實施例中，充電速率管理系統402與系統平台 406 (包括中央處理單元（CPU )、晶片組及其他元件） 〇 一起操作以管理電池組之充電速率。 熟悉該項技藝人士在獲得本揭露之優點後將會理解到 可從上述說明及圖示做出在特定實施例之範疇內的許多其 他變異。確實，實施例不限於上述之細節，而係由下列申 請專利範圍並包括其之任何修正來界定實施例之範疇。 在上述說明中，爲了說明而提出各種特定細節以提供 詳盡的了解。然而，對熟悉此項技藝人士很明顯地可在沒 有這些特定細節之一些的情況下施行實施例。在其他實例 -16- 201008076 中，以區塊圖形式顯示眾所週知之結構與裝置。 某些實施例可包括各種程序。可由硬體構件來執行這 些程序，或可包含於機器可執行指令中，其可被用來令編 程有這些指令之一般目的或專門目的處理器或邏輯電路執 行這些程序。替代地，可藉由硬體及軟體之組合執行這些 程序。 可以電腦程式產品的方式提供某些實施例的部分，其 • 可包括具有指令儲存於其上之電腦可讀取媒體，這些指令 可被用來編程處理器以執行程序。電腦可讀取媒體可包括 但不限於軟碟、光碟、CD-ROM (光碟唯讀記憶體）及光 磁碟、ROM (唯讀記憶體）、RAM (隨機存取記憶體）、 EPROM (可抹除可編程唯讀記憶體）、EEPROM (電性可 抹除可編程唯讀記憶體）、磁或光卡、快閃記憶體或適合 儲存電子指令之其他類型之媒體/機器可讀取媒體。另外 ，實施例亦可下載爲電腦程式產品，其中程式可從遠端電 ® 腦傳輸至請求電腦，經由通訊鏈結（如數據機或網路連結 )透過包含於載波或其他傳播媒體中之資料信號。 許多這些方法係以其最基本的形式加以描述，但可增 加程序至任何這些方法或自任何這些方法刪除程序，並可 增加資訊至任何上述的訊息或自任何上述的訊息減去資訊 ，而不背離本發明之範疇。對熟悉此技藝人士很明顯地可 做出進一步的變更及修改。並非提供特定實施例來限制本 發明而係加以解說。本發明之範疇並非由上述提供之特定 範例而係由下列申請專利範圍而定。 -17- 201008076 亦應理解到此說明書中對於「一實施例」之參照係指 特定特徵可包括在本發明之施行中。類似地，應理解到於 上述範例實施例之說明中，有時會將各種特徵集結在單一 實施例、圖或說明中，以使揭露流暢並幫助了解各種發明 態樣的一或更多者。但此種揭露方式不應被解釋爲反映出 實施例需要比每一申請專利範圍項目中明確敘述更多之特 徵的意圖。更確切地，如下列申請專利範圍所反映，發明 態樣存在於少於單一上述揭露的實施例之所有特徵中。因 此，申請專利範圍在此明確包含於此說明中，其中每一申 請專利範圍項目可獨立存在爲一單獨的實施例。 【圖式簡單說明】 在附圖的圖中例示性而非限制性說明實施例，圖中相 似之參考符號係指類似的元件： 第1圖爲包括設備或系統之一實施例的裝置之圖，該 設備或系統包括電池充電速率管理系統； 第2圖爲描繪電池充電速率管理程序之一實施例的流 程圖； 第3圖爲電池充電速率管理程序之一實施例的圖；以 及 第4圖提供包括智慧型充電速率管理系統之設備或系 統的一實施例之示意圖。 【主要元件符號說明】 -18 - 201008076 1 〇 5 :電源 1 10 : AC/DC轉接器或變壓器 1 1 5 :裝置 1 2 0 :電池充電速率管理模組： 125 :邏輯 1 3 0 :時間元件 1 3 5 :電池充電特性元件 〇 14〇 :使用者介面 150 :電池管理單元 1 5 5 :電池組 160 :裝置構件 310:充電速率管理系統 3 00 :設備或裝置 3 1 〇 :充電模組 315:充電速率管理驅動器 • 320 :智慧型充電速率管理系統 3 25 :電池管理單元 3 3 0 :電池槽 402:智慧型充電速率管理系統 406 :系統平台 4 0 8 :系統電阻 4 1 0 : AC/DC轉接器 4 1 2 :電力源監視器 414 :電力切換器（PS) -19- 201008076 416:充電速率管理驅動器 418 :選擇器 420 :系統管理控制器（SMC ) 422 :電池組 424 :電池管理單元 4 2 6 :電池槽

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Claims (1)

1. 201008076 七、申請專利範圍： 1. —種管理電池的充電速率之方法，包含： 接收電池以供充電’該電池具有初始充電狀態； 判斷第一時期’該第一時期爲可供將該電池從該初始 充電狀態充電至最終充電狀態的時間量； 判斷第二時期，該第二時期爲使用第一充電程序將該 電池從該初始充電狀態充電至該最終充電狀態所需的時間 〇 量，該第一充電程序包括第一電流値； 若該第一時期大於該第二時期，判斷足以將該電池充 電至該最終充電狀態的第二電流値，該第二電流値小於該 第一電流値；以及 充電該電池，充電該電池包括以該第二電流値之電流 充電。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中判斷該第 一時期包括判斷充電之開始時間及判斷充電之結束時間。 • 3.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中判斷該第 二時期包括擷取該電池之充電特性資訊。 4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電池爲 鋰離子電池。 5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一充 電程序爲CC-CV (恆定電流-恆定電壓）充電程序。 6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該第一電 流値爲該電池之安培-小時値的預定數分之一。 7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電池包 -21 - 201008076 含在電子裝置中。 8.—種電池充電速率管理系統，包含： 至電源來源之連結； 可再充電電池之連結，該連結提供電力以充電該電池 :以及 邏輯，以判斷可供充電該電池至最終充電狀態的第一 時期及以標準充電程序在第一電流下充電該電池至該最終 充電狀態所需之第二時期，以及’若該第一時期大於該第 _ 二時期，判斷足以於該第一時期期間將該可再充電電池充 電至該最終充電狀態的第二電流値。 9·如申請專利範圍第8項所述之系統，進一步包含有 關於該可再充電電池之充電特性的資料，該邏輯之該第二 電流値的判斷係至少部分依據有關於充電特性之該資料。 10. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中該最終 充電狀態爲該電池之完全充電。 11. 如申請專利範圍第8項所述之系統，進一步包含 〇 使用者介面，其中該邏輯藉由比較開始充電之時間與完成 充電之時間來判斷該第一時期，以及其中使用者經由該使 用者介面輸入該完成充電的時間。 12. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中該標準 充電程序爲CC-CV (恆定電流-恆定電壓）充電程序。 13. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中該電池 爲含有複數電池槽之電池組。 14. 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中該系統 -22- 201008076 爲行動運算裝置之一部分。

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