电池模块及过充电保护方法

文档序号:7014486阅读:306来源:国知局
电池模块及过充电保护方法
【专利摘要】一种电池模块及过充电保护方法。过充电保护方法包括以下步骤:于充电过程中检测充电电池的电池电压;判断电池电压是否大于或等于上限电压;若判断为否,持续进行充电直至电池电压达到充电截止电压后结束充电过程;若判断为是,中止充电过程,调降充电截止电压的设定值,并且以调降后的充电截止电压作为下次充电过程的充电截止电压。在往后的充电过程中,一旦判断充电电池发生过充电,所述方法皆会以上述方式持续调降充电截止电压的设定值,直至充电电池于充电过程中不再发生过充电。
【专利说明】电池模块及过充电保护方法
【技术领域】
[0001]本发明是有关于一种充电电池的充电保护技术,且特别是有关于一种电池模块及过充电保护方法。
【背景技术】
[0002]在现有的可携式电子产品的应用中,一般会采用没有记忆效应且电容量高的锂电池作为内建的充电电池。当锂电池应用于电子产品时,往往需要将多个锂电池单元串联使用,以达到电子产品所需的电压。例如,在笔记本电脑上,通常会将3至4个锂电池单元相互串联,以形成电池电压为11.1V或14.8V的锂充电电池。然而,串联电池单元由于电池单体的电压、电气特性差异,会出现每组串联电池单元中每个电池单元的电压和容量皆有差异,所述差异经过多次的充放电循环后会变得越来越明显(也就是充电电池逐渐劣化/老化)。
[0003]上述充电电池劣化/老化的影响,尤其是在采用目前常用的快速充电器进行充电时,影响还加明显。具体地说,以锂电池为例,当持续以大电流对锂电池充电时,锂电池中劣化程度较严重的电池单元会很容易地被充电至过高的电池电压(此即为过充电的现象)。而当过充电的现象发生时,锂电池的电芯(Lithium 1n cell)内部会发生材料的分解,导致阻抗增加,进而造成温度上升并同时产生可燃性气体。如此一来,若过充电的现象持续发生,则锂电池很可能会发生过热起火燃烧甚至爆炸的危险。
[0004]在现有的技术手段下,一般的过充电保护机制皆是在充电电池达到特定的电压值时即停止充电,藉以避免过充电现象持续发生。然而,此种过充电保护机制仅能在过充电现象已经发生之后才对充电电池进行保护,但并无法抑制或避免过充电现象的发生。而若充电电池一再的发生过充电的现象,其劣化/老化的速度将会还加剧烈,从而严重影响充电电池的使用寿命和可靠性。

【发明内容】

[0005]本发明提供一种电池模块及其过充电保护方法,其可有效地避免充电电池发生过充电的现象。
[0006]本发明的充电电池的过充电保护方法包括以下步骤:于充电过程中检测充电电池的电池电压;判断电池电压是否大于或等于上限电压;若判断为否,持续进行充电直至电池电压达到充电截止电压后结束充电过程;若判断为是,中止充电过程,调降充电截止电压的设定值,并且以调降后的充电截止电压作为下一次充电过程的充电截止电压。
[0007]本发明的可重复充放电(rechargeable)的电池模块包括充电电池以及过充电保护装置。其中,所述过充电保护装置包含检测单元以及处理单元。检测单元于充电过程中检测充电电池的电池电压。处理单元耦接检测单元,其中处理单元于充电过程中判断电池电压是否大于或等于上限电压。当处理单元判断电池电压小于上限电压时,令充电电池持续进行充电直至电池电压达到充电截止电压后结束充电过程。当处理单元判断电池电压大于或等于上限电压时,处理单元中止充电过程并调降充电截止电压的设定值,其中处理单元以调降后的充电截止电压作为下一次充电过程的充电截止电压。
[0008]基于上述,本发明实施例提出一种电池模块及过充电保护方法。所述过充电保护方法可在充电电池发生过充电(overcharge)时,动态地调整充电电池的充电截止电压,以令充电电池于下次充电过程中以较低的充电截止电压作为基准来进行充电,从而避免因频繁地过充电而造成充电电池的使用寿命缩减,以及避免电池发生燃烧起火爆炸的风险。
[0009]为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂,下文特举实施例,并配合所附图式作详细说明如下。
【专利附图】

【附图说明】
[0010]图1为本发明一实施例的电池模块的示意图。
[0011]图2为本发明一实施例的过充电保护方法的步骤流程图。
[0012]图3A与3B为本发明不同实施例的充电电池的充电过程示意图。
[0013]图4为应用本发明的过充电保护方法与应用传统充电方法的充电电池的电池寿命比较示意图。
[0014]图5A与5B为依照图2的不同实施例的过充电保护方法的步骤流程图。
【具体实施方式】
[0015]为了使本发明的内容可以被还容易明了,以下特举实施例作为本发明确实能够据以实施的范例。另外,凡可能之处,在图式及实施方式中使用相同标号的元件/构件/步骤,即代表相同或类似部件。
[0016]图1为本发明一实施例的电池模块的示意图。请参照图1,本实施例的电池模块100包括充电电池110以及过充电保护装置120。在本实施例中,充电电池110,例如为锂电池(lithium 1n battery),其可由多个相互串接的电池单元(本实施例是以三个电池单元112_1?112_3为例,但不仅限于此)所组成。过充电保护装置120例如为微控制器(micro-controller unit, MCU)、电池管理单兀(batter management unit, BMU)或其它具逻辑演算及控制能力的控制电路,本发明对此不加以限制。
[0017]更具体地说,本实施例的过充电保护装置120可例如包括检测单元122以及处理单元124。检测单元122用以于充电电池110的充电过程中检测其电池电压。而处理单元124则可依据检测单元122的电压检测结果而在充电电池110发生过充电(overcharge)时执行如图2所示的过充电保护方法。其中,图2为本发明一实施例的过充电保护方法的步骤流程图。
[0018]请同时参照图1与图2,在本实施例的过充电保护方法中,首先,在充电电池110的充电过程开始后,于充电过程中检测/监控充电电池I1的电池电压(步骤S210),并且判断所述电池电压是否大于或等于默认的上限电压(于此所述的上限电压即启动过充保护的设定电压值,后续内容皆以上限电压来表示)(步骤S220)。其中,于此所述的电池电压可为每一电池单元112_1?112_3的个别跨压Vcl、Vc2及Vc3,或是充电电池110的整体跨压Vt (即等同于个别跨压Vcl?Vc3的串联电压),本发明不以此为限。
[0019]接着,若上述步骤S220的判断结果为电池电压小于上限电压,则表示充电电池110处于可正常充放电的状态,故允许充电电池110持续进行充电直至电池电压达到充电截止电压(指示充电电池已充电完成的设定电压值)后结束充电过程(步骤S230)。
[0020]另一方面,若上述步骤S220的判断结果为电池电压已经大于或等于上限电压,则表示充电电池110可能因本身的电池特性劣化/老化而造成电池电压非预期且异常地上升(即,发生过充电的现象),因此在本实施例中,会进一步地执行过充电保护程序以中止充电过程,并且调降充电截止电压的设定值,且以调降后的充电截止电压作为下一次充电过程的充电截止电压(步骤S240)。
[0021]更具体地说,在本实施例中,每当充电电池110在充电过程中发生过充电,则处理单元124即会调降一阶的充电截止电压(所调降的每一阶单位电压例如为0.1V)。换言之,若是充电电池110持续地在充电过程中发生过充电,则过充电保护装置120的处理单元124会在每一次的充电过程中逐步地调降(step-down)充电截止电压的设定值,直至所设定的充电截止电压不再令充电电池110发生过充电的现象(B卩,电池电压小于上限电压)时,才以最终的充电截止电压作为此后的充电过程的设定基准。此外,若之后的充电过程中充电电池110又发生过充电,则本实施例所述的过充电保护方法则会依据上述步骤流程而再次调降充电截止电压的设定值,其中相似或重复的步骤流程说明不再赘述。
[0022]于此值得注意的是,上述的步骤流程可由处理单元124通过特定的硬件配置来执行或者采用软件的形式来实现,本发明对此不加以限制。
[0023]此外,上述的充电截止电压可针对充电电池中的个别电池单元112_1?112_3而设定,或者针对整体充电电池110而设定,本发明不以此为限。举例来说,以锂电池为例,在针对个别电池单元112_1?112_3设定充电截止电压的范例下,各个电池单元112_1?112_3的充电截止电压可例如为4.2V ;针对整体充电电池110设定充电截止电压的例子,充电电池的充电截止电压可例如为12.6V。另外,上述步骤流程中所采用的上限电压,可由设计者根据充电电池110的电池特性而选定,以锂电池为例,在针对各别电池单元112_1?112_3上限电压可例如为4.3V ;针对整体充电电池110上限电压可例如为12.9V,但本发明同样不以此为限。
[0024]底下搭配图3A与3B的充电过程来举例说明图2的步骤流程。其中,图3A与3B为本发明不同实施例的充电电池的充电过程示意图。
[0025]请先同时参照图2与图3A,于充电电池处于正常状态下的充电过程中,如第一次充电过程CPl,充电电池会从放电截止电压Ved逐渐被充电至预设的充电截止电压Vec (例如4.2V),并且在电池电压达到充电截止电压Vec时停止充电。于此状态下,过充电保护装置即会判定充电电池并未发生过充电的现象(电池电压小于上限电压Vlim(例如4.3V)),因此在下一次充电过程CP2中,充电保护装置还是会以充电截止电压Vec作为其充电截止电压设定值。更进一步地说,只要充电电池在后续的充电过程中尚未发生过充电的现象,则过充电保护装置会持续的以设定值Vec作为充电过程中预设的充电截止电压。
[0026]另一方面,当过充电保护装置在第η次的充电过程CPn中判定充电电池发生过充电的现象时(电池电压大于或等于上限电压Vlim),则过充电保护装置会执行如前述实施例所述的过充电保护程序以中止充电过程CPn,并且将充电截止电压的设定值从Vec调降至Vec’(例如4.1V)。因此,在下一次的充电过程CPn+Ι中,充电电池即会基于默认的充电截止电压Vec ’进行充电。
[0027]在本实施例的充电过程CPn+Ι中,因为基于充电截止电压Vec’进行充电的充电电池已不再发生过充电的现象,因此在后续的充电过程CPn+2中,过充电保护装置仍会以设定值Vec’作为预设的充电截止电压。而其后的充电过程亦可以此类推。
[0028]请接着同时参照图2与图3B,本实施例是描述充电电池的过充电现象较为严重而致使过充电保护装置会在多个充电过程中连续地降低充电截止电压的设定值的实施态样。
[0029]详细而言,在充电过程CPl中,过充电保护装置的检测单元会检测出电池电压持续地上升至大于上限电压Vlim的电压VI,故此时过充电保护装置的处理单元会判定充电电池发生过充电的现象,从而执行过充电保护程序,以中止充电过程CPl,并且将充电截止电压的设定值从Vec降至Vec’ (例如从4.2V降至4.1V)。
[0030]在下次的充电过程CP2中,虽然充电截止电压已从Vec调降至Vec’,但由于充电电池仍会在充电过程CP2中发生过充电的现象而使电池电压持续地上升至大于上限电压Vl im的电压V2 (但相较于前一充电过程CPl的电压Vl,已较为接近上限电压Vl im),因此过充电保护装置会再次地执行过充电保护程序,以中止充电过程CP2,并且将充电截止电压的设定值进一步地从Vec’降至Vec’ ’ (例如从4.1V降至4.0V)。
[0031]在下次的充电过程CP3中,因为基于充电截止电压Vec’’进行充电的充电电池已不会超过上限电压Vlim。此时过充电保护装置会在电池电压达到充电截止电压Vec’’时判断充电电池已充电完成,而且没有发生过充电的情形,因此正常地结束充电过程CP3。于此,过充电保护装置会于判断充电电池再次发生过充电之前,皆以设定值Vec’’作为每一充电过程的充电截止电压。
[0032]由上述可知,在本实施例的过充电保护方法下,过充电保护装置在每一充电过程中所设定的充电截止电压皆是以前一充电过程中最后的充电截止电压作为基准。换言之,当充电电池每发生一次过充电的现象,过充电保护装置即会参照前次充电过程最后所设定的充电截止电压而调整此次充电过程预设的充电截止电压,藉以避免过充电的现象于下次充电过程中再次发生。
[0033]本发明实施例的过充电保护方法不仅可有效地降低充电电池被过充的机会,其还可连带地延长充电电池的使用寿命。其中,应用本发明实施例的过充电保护方法与应用传统充电方法的充电电池的电池寿命比较示意图可如图4所示。
[0034]在图4中,纵轴是标示充电电池的实际放电电容量与第一次实际放电电容量的比例,例如:100%表充电电池的实际放电电容量等同于第一次实际放电电容量、80%表不充电电池的实际放电电容量为第一次实际放电电容量的80%。而横轴则标示充放电循环次数。
[0035]在本实施例中,实线为应用本发明实施例的过充电保护方法的充电电池的特性曲线,而虚线则为应用传统充电方法(即,充电截止电压为固定)的充电电池的特性曲线。由图式可明显看出,在经过同样的充放电循环次数后,应用本发明实施例的过充电保护方法的充电电池可具有较高的实际电容量。例如在经过多次的充放电循环之后,应用本发明实施例的充电电池尚具有约80%的实际电容量,而应用传统充电方法的充电电池仅余约60%的实际电容量。由此可知,应用本发明实施例的过充电保护方法的充电电池可具有较长的电池寿命。
[0036]除上述藉由判断电池电压是否超过上限电压Vlim以作为决定是否停止充电过程的依据之外,本发明实施例的过充电保护方法还可在执行过充电保护程序的期间,藉由判断充电电池是否符合一充电停止条件来确认充电电池是否还处于可正常充放电的状态,进而决定是否停止充电过程,并且启用一二次保护功能来禁止充电电池再次充放电。底下以图5A与图5B的步骤流程来说明过充电保护方法的充电停止条件的范例。
[0037]在一实施例中,如图5A所示,在执行过充电保护程序的步骤S240后,过充电保护装置会累计调降充电截止电压的调降次数(步骤S510),并且比较所累计的调降次数与预设的最高允许调降次数(可由设计者设定),以判断所累计的调降次数是否大于最高允许调降次数(步骤S520)。若判断为是(调降次数大于最高允许调降次数),则过充电保护装置会判定充电电池符合充电停止条件,并且禁止充电电池再次进行充电(步骤S530);反之,若判断为否(调降次数小于或等于最高允许调降次数),则过充电保护装置会判定充电电池不符合充电停止条件,并允许充电电池可再次进行充电(步骤S540)。换言之,在本实施例中,所述充电停止条件即调降充电截止电压的调降次数。
[0038]举例来说,以预设的最高允许调降次数设定为10次为例,当过充电保护装置在累计调降充电截止电压超过10次而充电电池仍会发生过充电的现象时,过充电保护装置即会判断充电电池可能已经劣化/老化至无法正常的充放电的状态,从而启用二次保护功能以禁止充电电池再次充放电。于此,所述的二次保护功能可例如为烧断充电电池内的保险丝(fuse),使得充电电池无法进行充放电。
[0039]在另一范例实施例中,如图5B所示,在执行过充电保护程序的步骤S240后,过充电保护装置会比较充电截止电压与一预设的最低允许截止电压,藉以判断充电截止电压是否小于最低允许截止电压(步骤S510’)。若判断为是(充电截止电压小于最低允许截止电压),则过充电保护装置会判定充电电池符合充电停止条件,并且禁止充电电池再次进行充电(步骤S520’);反之,若判断为否(充电截止电压大于等于最低允许截止电压),则过充电保护装置会判定充电电池不符合充电停止条件,并允许充电电池可再次进行充电(步骤S530’)。换言之,在本实施例中,所述充电停止条件即充电截止电压的大小。
[0040]举例来说,以预设的最低允许截止电压为3.5V为例,当过充电保护装置在将充电截止电压调降至低于3.5V而充电电池仍会发生过充电的现象时,过充电保护装置即会判断充电电池可能已经劣化/老化至无法正常的充放电的状态,从而启用二次保护功能以禁止充电电池再次充放电。
[0041]虽然本发明已以实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明,任何所属【技术领域】中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作些许的还动与润饰,故本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
【权利要求】
1.一种充电电池的过充电保护方法,其特征是,包括: 于充电过程中检测上述充电电池的电池电压; 判断上述电池电压是否大于或等于上限电压; 若判断为否,持续进行充电直至上述电池电压达到充电截止电压后结束上述充电过程;以及 若判断为是,中止上述充电过程,调降上述充电截止电压的设定值,并且以调降后的上述充电截止电压作为下一次充电过程的上述充电截止电压。
2.如权利要求1所述的充电电池的过充电保护方法,其特征是,其中每一充电过程的上述充电截止电压是以前一充电过程最后的充电截止电压作为基准。
3.如权利要求1所述的充电电池的过充电保护方法,其特征是,于上述充电过程中检测上述充电电池的上述电池电压的步骤后,还包括: 判断上述充电电池是否符合充电停止条件;以及 若判断为是,结束上述充电过程。
4.如权利要求3所述的充电电池的过充电保护方法,其特征是,判断上述充电电池是否符合上述充电停止条件的步骤包括: 累计调降上述充电 截止电压的调降次数; 比较上述调降次数与最高允许调降次数;以及 当上述调降次数大于上述最高允许调降次数时,判定上述充电电池符合上述充电停止条件。
5.如权利要求3所述的充电电池的过充电保护方法,其特征是,判断上述充电电池是否符合上述充电停止条件的步骤包括: 比较上述充电截止电压与最低允许截止电压;以及 当上述充电截止电压小于上述最低允许截止电压时,判定上述充电电池符合上述充电停止条件。
6.如权利要求3所述的充电电池的过充电保护方法,其特征是,其中当判定符合上述充电停止条件时,上述过充电保护方法还包括: 启用二次保护功能,藉以禁止上述充电电池再次充放电。
7.—种可重复充放电的电池模块,其特征是,包括: 充电电池;以及 过充电保护装置,上述过充电保护装置包含: 检测单元,于充电过程中检测上述充电电池的电池电压;以及 处理单元,耦接上述检测单元,其中上述处理单元于上述充电过程中判断上述电池电压是否大于或等于上限电压;当上述处理单元判断上述电池电压小于上述上限电压时,令上述充电电池持续进行充电直至上述电池电压达到充电截止电压后结束上述充电过程;当上述处理单元判断上述电池电压大于或等于上述上限电压时,上述处理单元中止上述充电过程并调降上述充电截止电压的设定值,其中上述处理单元以调降后的充电截止电压作为下一次充电过程的充电截止电压。
8.如权利要求7所述的电池模块,其特征是,其中于每一充电过程中,上述处理单元依据前一充电过程最后的上述充电截止电压设定为上述充电截止电压。
9.如权利要求7所述的电池模块,其中上述处理单元还判断上述充电电池是否符合充电停止条件,当上述处理单元判断上述充电电池符合上述充电停止条件时,结束上述充电过程。
10.如权利要求7所述的电池模块,其特征是,其中上述处理单元累计调降上述充电截止电压的调降次数,并且依据比较上述调降次数与最高允许调降次数的结果判断上述充电电池是否符合上述充电停止条件,其中当上述调降次数大于上述最高允许调降次数时,上述处理单元判定上述充电电池符合上述充电停止条件。
11.如权利要求7所述的电池模块,其特征是,其中上述处理单元依据比较上述充电截止电压与最低允许截止电压的结果判断上述充电电池是否符合上述充电停止条件,其中当上述充电截止电压小于上述最小允许截止电压时,上述处理单元判定上述充电电池符合上述充电停止条件。
12.如权利要求7所述的电池模块,其特征是,其中当上述处理单元判定上述充电电池符合上述充电停止条件时,上述处理单元启用二次保护功能,藉以禁止上述充电电池再次充放电。
【文档编号】H01M10/44GK104037462SQ201310695357
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年3月8日
【发明者】苏钰修, 洪克仁, 沈育成 申请人:华硕电脑股份有限公司
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