TWI491140B - 電池電源管理系統與方法 - Google Patents

Description

電池電源管理系統與方法

本發明是有關於一種電源管理系統與方法，且特別是有關於一種電池電源管理系統與方法。

為了便利於使用者的攜帶和使用，現今的可攜式電子裝置(例如：筆記型電腦)大多組裝有電池組。藉此，可攜式電子裝置的操作電源便可由外接的電源變壓器(power adapter)或是組裝的電池組來提供。

圖1為現有之電池電源管理系統的方塊示意圖。參照圖1，電池電源管理系統100包括電池組110、電池計量晶片(gas gauge IC)120、電池保護晶片130、電阻R11~R12以及電容C1。電池電源管理系統100會透過電源端TM11與TM12連接外部的電源變壓器(未繪示出)。電池計量晶片120由電阻R11與電容C1之間的節點來檢測電池組110的電量並提供電池組110的第一道保護機制。電池保護晶片130則是用以提供電池組110的第二道保護機制。藉此，電池電源管理系統100將可達到電池的計量與安全上的維護。

然而，由於電池計量晶片120是配置在系統的前端，因此電源端TM11所傳送的高壓會最先傳送到電池計量晶片120，之後電源端TM11所傳送的高壓會壓降在電池組110與電阻R12上，進而形成低壓傳送至電池保護晶片130。因此，當系統發生異常現象(例如：過電壓、過電流等)時，電池計量晶片120將首當其衝被毀損，進而導致電池電源管理系統100無法正常運作。

此外，在實際應用上，電池組110可包括單串電池(signal-cell)或多串電池(multi-cell)，其中每一串電池可包括多個電池單元(battery cell)。倘若電池計量晶片120是以低壓製程技術來實現，則其將無法使用在多串電池系統的高壓應用。另外，倘若電池計量晶片120是以高壓製程技術來實現，則將提高電池電源管理系統100的佈局面積以及量產成本。

本發明提供一種電池電源管理系統，利用高壓保護晶片來控制保護開關，並透過低壓計量晶片來量測電池組的電量。藉此，低壓計量晶片可同時應用於單串電池或多串電池應用系統，使得產品靈活度高，並降低開發與量產成本。

本發明提供一種電池電源管理系統，具有一低壓計量晶片，且低壓計量晶片可同時應用於單串電池或多串電池應用系統，進而降低系統的開發與量產成本。

本發明提供一種電池電源管理方法，其依據多個第一感測電壓來控制保護開關，並透過由所述多個第一感測電壓分壓而來的第二感測電壓來檢測電池組的電量。藉此，電池組中的電池單元將可由單串電池或多串電池來組成，進而降低系統的開發與量產成本。

本發明提出一種電池電源管理系統，具有第一電源端與第二電源端，並包括電池組、高壓保護晶片、多個分壓單元與低壓計量晶片。電池組包括多個電池單元，且這些電池單元串接在第一電源端與第二電源端之間，電池組並具有多個感測節點。高壓保護晶片連接這些感測節點與第一電源端，並依據來自這些感測節點的多個第一感測電壓來提供一保護機制。所述多個分壓單元連接至少部分的感測節點，以提供分壓的多個第二感測電壓。低壓計量晶片連接分壓單元，並依據這些第二感測電壓來檢測這些電池單元的電量。

在本發明之一實施例中，上述之高壓保護晶片依據這些第一感測電壓來檢測這些電池單元的特性參數，且當這些電池單元的特性參數超出第一正常值時，高壓保護晶片不導通保護開關，以切斷這些電池單元的迴路。

在本發明之一實施例中，上述之低壓計量晶片包括一保護單元。保護單元依據這些第二感測電壓來檢測這些電池單元的特性參數，且當這些電池單元的特性參數超出第二正常值時，保護單元切斷這些電池單元的迴路。

在本發明之一實施例中，上述之高壓保護晶片包括預充電開關。預充電開關具有第一端、第二端與控制端。預充電開關的第一端與第二端並聯於保護開關的第一端與第二端，且高壓保護晶片依據這些第一感測電壓或是一預充電訊號來控制預充電開關。

本發明更提出一種電池電源管理系統，具有第一電源端，且電池電源管理系統包括電池組、保護開關、高壓保護晶片、多個分壓單元以及低壓計量晶片。電池組包括多個電池單元，並具有多個感測節點。部份的感測節點分別位於這些電池單元之間，且這些感測節點提供多個第一感測電壓。保護開關連接於第一電源端與電池組之間。高壓保護晶片連接這些感測節點與保護開關，並依據這些第一感測電壓來控制保護開關。所述多個分壓單元分別連接這些感測節點，並對這些第一感測電壓分壓以提供多個第二感測電壓。低壓計量晶片連接這些分壓單元，並依據這些第二感測電壓來檢測電池組的電量。

從另一觀點來看，本發明提出一種電池電源管理方法，適用於一電池組，電池組包括多個電池單元並具有多個感測節點，且部份的感測節點分別位於這些電池單元之間。所述電池電源管理方法包括下列步驟：透過這些感測節點提供多個第一感測電壓；將一保護開關連接於第一電源端與電池組之間；依據這些第一感測電壓來控制保護開關；分壓這些第一感測電壓，以提供多個第二感測電壓；以及，依據這些第二感測電壓來檢測電池組的電量。

基於上述，本發明是將高壓保護晶片配置在系統的前端，並藉由高壓保護晶片來控制保護開關。藉此，儘管高壓保護晶片因應異常現象而被損毀，電池電源管理系統依舊可以正常運作，進而提升系統的可靠度與使用壽命。除此之外，高壓保護晶片與低壓計量晶片皆以多端輸入的架構，來取得與各個電池單元相關的電壓，進而可以更精準地進行電池的保護與電池電量的判斷。

為讓本發明之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。

圖2為依據本發明之一實施例之電池電源管理系統的方塊示意圖。參照圖2，電池電源管理系統200具有第一電源端TM21與第二電源端TM22，並包括保護開關SW21、電池組210、高壓保護晶片220、多個分壓單元231~233以及低壓計量晶片240。電池電源管理系統200可透過第一電源端TM21與第二電源端TM22連接外部的電源變壓器(power adapter)，以對電池組210進行充電。此外，在實際應用上，電池電源管理系統200可應用在可攜式電腦的電池模組中，或是也可應用在太陽能電池的電池模組中。

在整體架構上，保護開關SW21具有第一端、第二端與控制端。保護開關SW21的第一端連接第一電源端TM21，且保護開關SW21的第二端連接電池組210。電池組210包括多個電池單元BT21~BT24，且電池單元BT21~BT24串接在保護開關SW21的第二端與第二電源端TM22之間，並形成多個感測節點N21~N24。藉此，當保護開關SW21導通時，電池單元BT21~BT24將可與系統外接的電路形成一迴路，進而致使外部的電源電壓對電池單元BT21~BT24進行充電。

高壓保護晶片220連接感測節點N21~N24與保護開關SW21的控制端，並採用高壓製程技術來實現。在運作上，高壓保護晶片220會依據來自感測節點N21~N24的多個第一感測電壓VB21~VB24來提供一保護機制，例如：控制保護開關SW21。舉例來說，高壓保護晶片220會依據第一感測電壓VB21~VB24檢測電池單元BT21~BT24的特性參數，例如，電池單元的電壓、電流、以及溫度...等。此外，當檢測結果為電池單元BT21~BT24的特性參數超出第一正常值時，高壓保護晶片220將不導通保護開關SW21，進而切斷電池單元BT21~BT24的迴路。如此一來，高壓保護晶片220將可形成電池組210的第一道保護機制，以防止電池組210受到過電壓、過電流、過溫...等異常現象的影響。

分壓單元231~233連接部分的感測節點，例如：感測節點N21~N23，並對第一感測電壓VB21~VB23進行分壓，以產生多個第二感測電壓VS21~VS23。舉例來說，在本實施例中，分壓單元231由電阻R21與電阻R22相互串接而成，並用以對第一感測電壓VB21進行分壓，以產生第二感測電壓VS21。相似地，分壓單元231由電阻R23與電阻R24相互串接而成，並用以對第一感測電壓VB22進行分壓，以產生第二感測電壓VS22。以此類推，第二感測電壓VS23的產生方式。

低壓計量晶片240連接分壓單元231~233，因此就電池電源管理系統200的整體架構而言，高壓保護晶片220設置在系統的前端。因此，第一電源端TM21所傳送的高壓會最先傳送到高壓保護晶片220。之後，第一電源端TM21所傳送的高壓會壓降在電池組210與分壓單元231~233上，進而形成低壓傳送至低壓計量晶片240。如此一來，本實施例之低壓計量晶片240可採用低壓製程技術來加以實現。

在運作上，低壓計量晶片240會接收第二感測電壓VS21~VS23。藉此，低壓計量晶片240將可依據第二感測電壓VS21~VS23來檢測電池單元BT21~BT24的電量，進而取得電池單元BT21~BT24的最佳電量預測值。此外，在實際應用上，低壓計量晶片240可透過多工器與類比至數位轉換器(analog to digital converter)，來將第二感測電壓VS21~VS23轉換成相應的電壓感測資訊。多工器用以接收第二感測電壓VS21~VS23，並將第二感測電壓VS21~VS23逐一輸出至類比至數位轉換器。藉此，類比至數位轉換器將可逐一產生相應於第二感測電壓VS21~VS23的電壓感測資訊。

在實際應用上，低壓計量晶片240可將由第二感測電壓VS21~VS23轉換而來的電壓感測資訊，與其內部的預設資訊進行比對，以判別電池單元BT21~BT24的特性參數是否正常。低壓計量晶片240內部的預設資訊可例如是嵌入式控制器(EC)或是主機(host )所傳來的資訊。此外，當低壓計量晶片240判別出電池單元BT21~BT24的特性參數不正常時，其將發出一警示訊號給相關的元件，例如：嵌入式控制器或是其它保護元件等，進而形成電池組210的第二道保護機制。

除此之外，本實施例更列舉了低壓計量晶片240的內部架構。在本實施例中，低壓計量晶片240包括保護單元241與微控制單元(micro control unit，MCU)242。保護單元241會依據第二感測電壓VS21~VS23來檢測電池單元BT21~BT24的特性參數。此外，當檢測結果為電池單元BT21~BT24的特性參數超出第二正常值時，保護單元241將提供一警示訊號給嵌入式控制器或是主機。在其他實施例中，保護單元241亦可切斷電池單元BT21~BT24的迴路。換言之，保護單元241將可形成電池組210的第二道保護機制，以進一步地防止電池組210受到異常現象的影響。另一方面，微控制單元242用以監視電池電源管理系統200，以記錄電池單元BT21~BT24的剩餘電力、剩餘供電時間、第一感測電壓、溫度和平均電流等資料。

雖然本實施例列舉了低壓計量晶片240的內部結構，但其並非用以限定本發明。舉例來說，本領域具有通常知識者可依據設計所需移除低壓計量晶片240中的微控制單元242。此時，電池電源管理系統200可透過匯流排來連接外部的控制器，進而達到監視整體系統的目的。例如，當電池電源管理系統200應用在電腦裝置時，電池電源管理系統200可透過匯流排來連接電腦裝置的嵌入式控制器，以透過嵌入式控制器來監測系統。

更進一步來看，電池電源管理系統200更包括電阻RT2，且高壓保護晶片220包括預充電開關SW22。電阻RT2連接在電池組210與第二電源端TM22之間。此外，低壓計量晶片240更連接電阻RT2的兩端，並可以依據來自電阻RT2之兩端的電壓來檢測流經電池單元BT21~BT24的電流值。此外，所檢測出的電流值可經由低壓計量晶片240內部的類比至數位轉換器轉換成相應的電流感測資訊。藉此，低壓計量晶片240將可依據電流感測資訊、電壓感測資訊以及其它相關的參數(例如：溫度)，來更進一步地判斷電池單元BT21~BT24的電量。

圖3為依據本發明之另一實施例之電池電源管理系統的方塊示意圖。請同時參照圖2與圖3，兩者主要的差異在於，在圖2實施例中，電池組210不具有智慧型充電器(smart charger)的功能。因此，圖2中的低壓計量晶片240並不會傳送相關的訊號給高壓保護晶片220。然而，在圖3實施例中，電池組210則具有智慧型充電器的功能，因此圖3中的低壓計量晶片240會傳送相關的訊號給高壓保護晶片220。

再者，就圖3實施例而言，低壓計量晶片240會選擇性地傳送預充電訊號S2給高壓保護晶片220，以藉此對電池單元BT21~BT24進行預充電。進行預充電的主要原因在於，在某些情況下，電池組210可能會因過放電而使得電池單元BT21~BT24的電壓過低。此時，將不宜使用大電流來對電池單元BT21~BT24進行充電，而是適合以預充電的方式利用小電流來對電池單元BT21~BT24進行充電。

因此，在實際應用上，如圖3所示，低壓計量晶片240會透過第二感測電壓VS21~VS2來判別電池單元BT21~BT24的電壓是否低於一最低電壓值。倘若第二感測電壓VS21~VS2皆低於最低電壓值，則表示電池組210過放電。此時，低壓計量晶片240會發出預充電訊號S2訊號給高壓保護晶片220，以讓高壓保護晶片220啟動電池組210的預充電功能。反之，當低壓計量晶片240依據電流感測資訊判別出流經電池單元BT21~BT24的電流高於一電流預設值時，低壓計量晶片240將停止傳送預充電訊號S2，以停止電池組210的預充電功能。此時，電池組210將從預充電模式恢復到原本的大電流充電模式。

低壓計量晶片240是透過預充電開關SW22來啟動電池組210的預充電功能。其中，預充電開關SW22具有第一端、第二端與控制端。預充電開關SW22的第一端與第二端並聯於保護開關SW21的第一端與第二端。當低壓計量晶片240判別出要進行預充電時，其將產生預充電訊號S2，亦即將預充電訊號S2從低位準切換至高位準。藉此，高壓保護晶片220將可依據預充電訊號S2導通預充電開關SW22，並致使保護開關SW21不導通。此時，由第一電源端TM21流向電池單元BT21~BT24的電流將為小電流，進而達到預充電的目的。反之，當低壓計量晶片240停止產生預充電訊號S2時，亦即預充電訊號S2由高位準切換至低位準時，高壓保護晶片220將導通保護開關SW21，並致使充電開關SW22不導通。此時，電池組210將恢復大電流的充電模式。

此外，高壓保護晶片220也可依據第一感測電壓VB21~VB23來控制預充電開關SW22。舉例來說，高壓保護晶片220可依據第一感測電壓VB21~VB23來判別電池單元BT21~BT24是否需要進行預充電。當判別結果為需要進行預充電時，高壓保護晶片220將導通預充電開關SW22，並致使保護開關SW21不導通。反之，當判別結果為無需要進行預充電時，高壓保護晶片220則將導通保護開關SW21，並致使充電開關SW22不導通。

圖4為依據本發明之一實施例之電池電源管理方法的流程圖。其中，所述電池電源管理方法適用於一電池組。此外，電池組包括多個電池單元並具有多個感測節點，且部份的感測節點分別位於這些電池單元之間。

參照圖4，如步驟S410與步驟S420所示，將透過所述多個感測節點來提供多個第一感測電壓，並將保護開關連接於第一電源端與電池組之間。此外，如步驟S430所示，將依據這些第一感測電壓來控制保護開關。其中，在保護開關的控制上，如步驟S431與步驟S432所示，將依據這些第一感測電壓來檢測這些電池單元的特性參數。此外，當這些電池單元的特性參數超出第一正常值時，將控制保護開關，以切斷第一電源端與電池組之間的迴路。藉此，將可形成電池組的第一道保護機制。

再者，針對具有智慧型充電器功能的電池組而言，更可透過步驟S441與步驟S442來達成預充電的功能。相對地，倘若電池組不具有智慧型充電器的功能，則步驟S441與步驟S442則可適時地移除。在預充電的控制上，如步驟S441與步驟S442所示，將預充電開關與保護開關相互並聯，並依據預充電訊號來控制預充電開關。藉此，當預充電開關導通時，由第一電源端流向電池單元的電流將為小電流，進而達到預充電的目的。

另一方面，如步驟S450所示，分壓這些第一感測電壓，以提供多個第二感測電壓。在應用上，倘若要對電池組進行二次保護，則如步驟S461與步驟S462所示，可利用這些第二感測電壓來作為第二道保護機制的判別標準。相對地，本領域具有通常知識者可依據設計所需而適時地移除步驟S461與步驟S462。其中，在二次保護的實現上，如步驟S461與步驟S462所示，將依據這些第二感測電壓來檢測這些電池單元的特性參數。此外，當這些電池單元的特性參數超出第二正常值時，將切斷這些電池單元的迴路。藉此，將可形成電池組的第二道保護機制。

再者，如步驟S473所示，所述多個第二感測電壓更可作為電池組之電量的檢測標準。此外，為了提升檢測的精確度，如步驟S471與步驟S472所示，可將電阻連接在電池組與第二電源端之間，並透過所連接的電阻來檢測流經這些電池單元的電流值，進而產生電流感測資訊。藉此，如步驟S473所示，將可依據電流感測資訊、這些第二感測電壓以及這些電池單元的特性參數，來更進一步地檢測這些電池單元的電量。至於本實施例之電池電源管理方法的細部說明已包含在上述各實施例中，故在此不予贅述。

綜上所述，本發明是將高壓保護晶片配置在系統的前端，並藉由高壓保護晶片來控制保護開關。藉此，當系統發生異常現象(例如：過電壓、過電流等)時，儘管高壓保護晶片被燒毀，電池電源管理系統依舊可以透過低壓計量晶片來執行電池組的計量與保護，進而提升系統的可靠度與使用壽命。除此之外，由於第一感測電壓是透過分壓單元的分壓之後才傳送至低壓計量晶片，因此低壓計量晶片可以利用低壓製程技術來實現，進而有助於降低電池電源管理系統的佈局面積以及量產成本。此外，低壓計量晶片也不易受到異常現象(過電壓)的影響。再者，高壓保護晶片與低壓計量晶片皆配置成多端輸入(multi-input)的架構，以取得與各個電池單元相關的電壓，進而可以更精準地進行電池的保護與電池電量的判斷。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．現有之電池電源管理系統

110．．．電池組

TM11、TM12．．．電池電源管理系統100的電源端

R11、R12．．．電阻

C1．．．電容

200．．．電池電源管理系統

TM21．．．第一電源端

TM22．．．第二電源端

SW21．．．保護開關

210．．．電池組

BT21~BT24．．．電池單元

N21~N23．．．感測節點

220．．．高壓保護晶片

SW21．．．預充電開關

VB21~VB24．．．第一感測電壓

231~233．．．分壓單元

R21~R26、RT2．．．電阻

VS21~VS23．．．第二感測電壓

240．．．低壓計量晶片

241．．．保護單元

242．．．微控制單元

S2．．．預充電訊號

S410~S430、S441、S442、S450、S461、S462、S471~S473．．．用以說明圖4實施例之各步驟流程

圖1為現有之電池電源管理系統的方塊示意圖。

圖2為依據本發明之一實施例之電池電源管理系統的方塊示意圖。

圖3為依據本發明之另一實施例之電池電源管理系統的方塊示意圖。

圖4為依據本發明之一實施例之電池電源管理方法的流程圖。

200．．．電池電源管理系統

TM21．．．第一電源端

TM22．．．第二電源端

SW21．．．保護開關

210．．．電池組

BT21~BT24．．．電池單元

N21~N23．．．感測節點

220．．．高壓保護晶片

SW22．．．預充電開關

VB21~VB24．．．第一感測電壓

231~233．．．分壓單元

R21~R26、RT2．．．電阻

VS21~VS23．．．感測電壓

240．．．低壓計量晶片

241．．．保護單元

242．．．微控制單元

Claims (8)

1. 一種電池電源管理系統，具有一第一電源端，該電池電源管理系統包括：一電池組，包括多個電池單元，並具有多個感測節點，部份該些感測節點分別位於該些電池單元之間，該些感測節點提供多個第一感測電壓；一保護開關，連接於該第一電源端與該電池組之間；一高壓保護晶片，連接該些感測節點與該保護開關，並依據該些第一感測電壓來控制該保護開關，且該高壓保護晶片包括：一預充電開關，其中該預充電開關與該保護開關相互並聯，且該高壓保護晶片依據一預充電訊號來控制該預充電開關；多個分壓單元，分別連接該些感測節點，並對該些第一感測電壓分壓，以提供多個第二感測電壓；以及一低壓計量晶片，連接該些分壓單元，並依據該些第二感測電壓來檢測該電池組的電量，其中該低壓計量晶片連接該高壓保護晶片，該低壓計量晶片提供該預充電訊號至該高壓保護晶片。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電池電源管理系統，其中該高壓保護晶片依據該些第一感測電壓來檢測該些電池單元的特性參數，且當該些電池單元的特性參數超出一第一正常值時，該高壓保護晶片控制該保護開關，以切斷該第一電源端與該電池組的迴路。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電池電源管理系統，其中該低壓計量晶片包括：一保護單元，依據該些第二感測電壓來檢測該些電池單元的特性參數，且當該些電池單元的特性參數超出一第二正常值時，該保護單元切斷該些電池單元的迴路；以及一微控制單元，用以監視該電池電源管理系統。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電池電源管理系統，更包括：一電阻，連接在該電池組與該第二電源端之間，其中該低壓計量晶片更連接該電阻的兩端，以檢測流經該些電池單元的電流值，並據以產生一電流感測資訊，該低壓計量晶片更依據該電流感測資訊、該些第二感測電壓以及該些電池單元的特性參數來檢測該些電池單元的電量。
5. 一種電池電源管理方法，適用於一電池組，其中該電池組包括多個電池單元並具有多個感測節點，且部份該些感測節點分別位於該些電池單元之間，該電池電源管理方法包括：透過該些感測節點提供多個第一感測電壓；將一保護開關連接於一第一電源端與該電池組之間；依據該些第一感測電壓來控制該保護開關；分壓該些第一感測電壓，以提供多個第二感測電壓；依據該些第二感測電壓來檢測該電池組的電量；將一預充電開關與該保護開關相互並聯；以及依據一預充電訊號來控制該預充電開關。
6. 如申請專利範圍第5項所述之電池電源管理方法，其中依據該些第一感測電壓來控制該保護開關的步驟包括：依據該些第一感測電壓來檢測該些電池單元的特性參數；以及當該些電池單元的特性參數超出一第一正常值時，控制該保護開關，以切斷該第一電源端與該電池組的迴路。
7. 如申請專利範圍第5項所述之電池電源管理方法，更包括：依據該些第二感測電壓來檢測該些電池單元的特性參數；以及當該些電池單元的特性參數超出一第二正常值時，切斷該些電池單元的迴路。
8. 如申請專利範圍第5項所述之電池電源管理方法，更包括：將一電阻連接在該電池組與一第二電源端之間；透過該電阻檢測流經該些電池單元的電流值，並據以產生一電流感測資訊；以及依據該電流感測資訊、該些第二感測電壓以及該些電池單元的特性參數來檢測該些電池單元的電量。