专利名称：可充电电池的能量效率及快速充电模式的制作方法
可充电电池的能量效率及快速充电模式相关申请案本发明主张2009年5月18日提出申请的美国临时专利申请案第61/179，182号的权益，其全部教示并入于本文中作为参考。
背景技术：
可携式电力产业在对电子装置进行充电时，传统上一直是使用介于0.7C和IC间的充电速率，此是使用于膝上型电脑的速率。此电流允许笔记型电脑的电池组(battery pack)被以电池额定容量数值70%至100%的电流进行充电。举例而言，在一内含18650电池单体的电池组中，额定容量2. 2Ah，2p3s组态(二并联电池单体，三串联电池单体区块)， IC的充电电流相当于对该电池组以4. 4A的电流充电。此充电电流持续直到抵达一最大电压(Vmax)为止，该最大电压通常设定在大约4. 2V。一旦到达Vmax，该电流通过控制电路被降低以禁止，就此例而言，前述三个二并联电池区块中的任一个抵达高于4. 2V的电压位准。 除了限制电流之外，在到达Vmax之后，甚至充电速率亦被减缓。管理此类功能的电子电路是相关领域所熟知，且已实施于笔记型电脑中的电池套件。就笔记型电脑而言，典型的充电时间需要数个小时以将电池的电力充饱。安全性及电池寿命是提供更快速充电所要面对的主要问题。实务上，在锂离子 (Li-ion)电池快速充电期间，电池可能局部地显现出过度充电的情形，其可能使锂沉积至碳阳极之上。此种锂沉积降低电池的安全性，可能更容易地造成热能失控，增加其内部气体压力，而终至爆炸。快速充电的另一个问题在于电极尺寸的快速改变，诸如厚度变化。电极结构在此等快速充电中其机械性退化比慢速充电的情况明显。所有锂离子电池均无法免除该等问题，只是取决于电池设计而在程度上有所差异。电池的设计可以致力于通过限制不利特性的影响而使充电更快，诸如在安全性及电池寿命方面。然而，对于内含多个并联电池单体的电池而言，对电池组迅速地充电会遭遇特别的问题。此问题与并联电池单体的不均衡状态有关。由于制造期间和产出后暴露环境(例如，温度、震动、机械性冲撞，等等)的差异，不同电池单体在阻抗及容量的降低上亦有所不同。此意味二个就容量及阻抗而言具有类似初始状况的电池单体在使用数个月之后将显现出不同的效能表现。每一个并联电池单体的区块将被具有最低容量及/或最高阻抗的最弱电池单体拖累，因为该电池单体将比其它特性较佳的电池单体更早充抵vmax。此周而复始持续进行的过程，最弱的电池单体将恶化得更快，因为其将一直是承受最极端条件的电池单体。效能减少的同时，安全性亦是一个问题。效能最差的电池单体被过度充电的机会通常最高，从而造成安全上的威胁。
发明内容
现有的笔记型个人电脑及其它电池供电装置并未对使用者提供机制以启动电池组、交流转接器(AC adapter)及装置在电源上的环保且有效率的充电和放电模式。此外， 电池组、交流转接器及装置之间并不存在一个经济的通信方法将所选的电力状态知会此等组件。诸如笔记型个人电脑的现有装置亦未提供使用者一个机制以启动电池的加速充电模式。甚且，该快速充电模式加上正常系统负载所需的电流通常超过一般交流转接器的电力容量而需要笔记型电脑降低其本身的电力消耗以提供足够电力予电池进行加速充电。本发明的实施例致能能量效率电力模式及快速充电模式于一笔记型个人电脑或其它电池供电装置、电池组以及交流转接器。本发明的实施例包含提供电力予电子装置的方法。当侦测到一电池抵达一充电的高门槛值状态之后，通过切换一电路而进入一第一电力状态，藉以禁能在一交流至直流转接器的电流并致能该电池以提供主要电力予该电子装置。当侦测到该电池抵达一充电的低门槛值状态之后，通过切换该电路而进入一第二电力状态，藉以在该交流至直流转接器处提供一高电流，以对该电池充电并提供主要电力予该电子装置。该第一及第二状态，当随着该电池的状态周而复始进行，可以通过以一高电流输出的高效率性来操控该交流至直流转接器而提供一供予该电子装置电力的能量效率方法。在本发明的其它实施例之中，该交流至直流转接器在该第二电力状态以一高速率对该电池充电，该高速率大于1C、1. 5C或一 IC的更大倍数，取决于该电池的一最大安全充电速率。该电池可以提供一最大安全充电速率的指示，其被侦测并被用以选择该交流至直流转接器的一电流输出。此外，该第一及第二电力状态可以依据侦测该电池的高和低门槛值充电状态在时间上交替。在本发明的更多其它实施例中，其可以依据一使用者对以一能量效率电力模式供予电子装置电力的选择而致能该第一及第二电力状态。其可以在多个不同电力及充电模式中做出此选择，包含一"正常"电力模式和一"快速"充电模式。此等模式可以包含其中一电路被切换以在交流至直流转接器提供一低电流而以一低速率对电池充电并提供主要电力至电子装置的一电力状态。该低充电速率可以是小于1C，诸如一典型的0.7C充电速率。该第二电力状态提供的电流愈高，可以致使该交流至直流转接器的能量效率运作愈高。在本发明的更多其它实施例中，其可以侦测交流至直流转接器的特性，包括输出电流以及在一特定输出电流下的一效率指示，以决定在该第二电力状态下的一输出电流选择。其亦可以侦测该电池的特性以决定输出电流，包括该电池的一最大安全充电量。该电池可以是一锂离子(Li-ion)电池，特别是一个能够在一大于1C、1. 5C或一 IC的倍数速率下安全充电的锂离子电池。在本发明的更多其它实施例中，其可以选择多个交流至直流转接器以在该第二电力状态下提供高电流。此一选择可以是依据在每一该多个交流至直流转接器的一最大输出电流指示。该选择可以更包含交流至直流转接器之外的电源，诸如直流对直流转接器以及一外部电池。在多个电源中的选择可以依据对应至每一电源的一特定电流输出的一能量效率指不。本发明的其它实施例包含一种用以提供电力予电子装置的装置。此装置可以包含一电源电路，配置以致能及禁能自一电池和一交流至直流转接器对该电子装置的供电。一电源电路配置以致能及禁能自一电池和一交流至直流转接器对该电子装置的供电。此外， 一控制器耦接至该电源电路并组构成在如前所述的第一及第二电力状态之间转换。本发明的更多其它实施例可以包含一种用以提供电力予电子装置的系统。此系统可以包含一电池和一交流至直流转接器，各自组构以提供电力予该电子装置，以及一控制器，如前所述地在第一及第二电力状态之间转换。本发明的其它实施例可以包含一种电子装置，该电子装置包含一装置外壳以及一电荷储存电源供应器耦接至该装置外壳。装置外壳中的电子元件是由该电荷储存电源供应器供电。一充电电路具有多种运作模式自一外部电源以不同充电速率对该电荷储存电源供应器进行充电。一启动模式开关改变该充电电路的充电速率。在一实施例中，该启动模式开关加速充电速率。在另一实施例中，该启动模式开关减速充电速率。在又另一实施例中， 该启动模式开关使该电池放电。该启动模式开关可以手动式地操作或者可以自动地运作。
图1显示本发明实施例可以实施于其上的电子电路的一功能方块图；图2例示一示范性快速充电方法的一流程图；图3A例示在一电池组上的快速充电按键及显示机制，电池组的充电状态可以显示其上；图;3B提供一可携式装置的电池组上的前述快速充电按键及显示机制的一特写视图；图4A例示一笔记型电脑，具有一〃 FAST CHARGE(快速充电)〃按键位于其键盘上；图4B例示位于一笔记型电脑键盘上的〃 FAST CHARGE〃按键的特写视图；图4C显示一示范性使用者接口显示窗口，其可以提供使用者选项以起始执行可携式装置电池组"快速充电"选项的软件；图5A是一电子装置及一连接充电系统的功能方块图，本发明的实施例可以实施于其中；图5B是显示图5A系统进一步细节的功能方块图；图6是一描绘一交流电源转接器的电力效率及操作负载间的关系图；图7是一状态图(state diagram)，例示用以充电一电池的多个模式；图8A是一流程图，其例示起始一能量效率充电模式的方法；图8B是一流程图，其例示一参照图5B的系统实行一能量效率充电模式的方法；图9A-C是例示多个充电模式各自运作期间交流转接器电流及电池组电流的时序图。
具体实施例方式以下是本发明示范实施例的说明。文中引用的所有专利、公开申请案以及参考数据的教示均以参照的方式并入于本说明书而成为构成其整体的一部分。图1显示本发明实施例可以实施于其上而于实务上所用的一电池组中的电子电路100的一功能方块图。在图1之中，一多单体电池101可以连接至一独立的过电压保护 ^](overvoltage protection integrated circuit ；OVP) 102>—1 " ! ^^] ￠, (Analog Front End protection integrated circuit ；AFE) 104> 1 -成电路微控制器(microcontroller) 106。相关领域的熟习者应理解本发明并不受限于前述例示于图1示意图中的电子电路。OVP 102可以通过比较每一数值和一内部参考电压而监测电池组中的每一电池单体。通过如此，若电池单体电压以非预期的方式运作时，例如超过理想位准的电压， OVP 102可以起始一防护机制。OVP 102的设计使得若其超过现在的过电压数值(意即， 4. 35V.4. 40V、4. 45V、以及4. 65V) 一段预设的时间则触发非重置型保险丝(non-resetting fuse) 110并提供一第三层级的安全性防护。OVP 102可以透过电池单体4、电池单体3、电池单体2、及电池单体1的端点(其依序分别是从最正端的电池单体到最负端的电池单体)监测该多单体电池101的每一个别电池单体。OVP 102是由多单体电池101供电且可以组构以容许对于多单体电池101中任一个别单体的电池单体控制。系统主控制器可以使用AFE 104以监测电池组状况、分别经由充电FET 118和放电FET 116提供充电及放电控制、以及对系统提供电池状态的更新。AFE 104通连至微控制器106以增进效率及安全性。AFE 104可以利用来自电源(例如，多单体电池101)的输入经由VCC连接提供电力予微控制器106，此将排除周边稳压电路的需要。AFE 104和微控制器106 二者均可以具有连接端点，可以连接至一串联电阻112，使其可以进行电池充电及放电的监测。利用CELL端点，AFE 104可以针对多单体电池101的一个别电池单体输出一电压值至电池监测集成电路微控制器106的VIN端点。微控制器106经由SCLK(时脉)和 SDATA (数据)端点与AFE 104通信。微控制器106可被用以监测多单体电池101的充电及放电。微控制器106可以利用安置于多单体电池101的负电池单体和电池组的负端点间的串联电阻112监测充电及放电活动。微控制器106的模拟至数字转换器(analog-to-digital converter ；ADC)可用以通过监测串联电阻112端点而量测充电及放电电流。微控制器106的ADC可用以产生控制信号以起始多单体电池101的最佳或适当的安全预防措施。若微控制器106侦测到不正常或不安全的状况，其将通过触发前述的非重置型保险丝110禁能该电池组。当微控制器106的ADC监测跨越串联电阻112两端的电压时，微控制器106(经由其VIN端点)可以利用AFE 104的CELL端点监测多单体电池101的每一个电池单体。ADC 可以使用一计数器以进行一段时间内接收信号的积分。积分转换器可以允许连续的取样以通过对多单体电池101的每一电池单体与一内部参考电压的比较量测并监控电池的充电及放电电流。微控制器106的显示端点可用以播放多单体电池101的LED显示108。此显示可以通过关闭一开关114而起始。微控制器106可用以监测多单体电池101的状况并透过一序列通信总线(SMBus) 回报此信息至主系统控制器。该SMBus通信端点(SMBC及SMBD)可以使得一系统主控制器、SMBus兼容装置、或类似装置(本文以下称"处理器")可以与微控制器106通信。一处理器可用以透过SMBC和SMBD接脚起始与微控制器106间的通信，使得系统可以有效率地监测及管理多单体电池101。处理器可以是微控制器106本身且可以包含内部数据闪存， 其可以被设定以包含诸多信息，诸如容量、内部参考电压、或其它类似的可编程信息。AFE 104和微控制器106在充电及放电控制之外亦提供安全防护的主要及次要机制。现行实际主要安全措施的实例包含电池单体及电池组电压保护、充电及放电过电流保护、短路保护、以及温度保护。现行使用的次要安全措施实例包含监测电压、电池单体、电流、以及温度。多单体电池101的连续取样使得电子电路可以监测或计算多单体电池101的特性，诸如充电状态、温度、电量、或类似项目。由电子电路100控制的参数之一是容许充电电流(allowed charging current ；ACC) 0揭示实施例的一特色是允许一可携式装置的使用者具有通过选择快速或慢速充电模式而控制此参数的选项。当选择充电模式之时，ACC参数及控制电池在安全范围之内充电所需的其它参数从而改变。此使得电池可以选择性地以相较于传统上有提供的速率更快速的方式进行充电。可携式装置的使用者亦可以通过允许使用者以等级(例如，正常、快速、超快速、极快速、等等)或连续尺度(例如，1Χ、&、3χ3χ、 等等)的方式调整快速充电模式，而对充电模式加以控制。使用者可能喜好对快速充电模式参数有更多的控制，因为其允许使用者在效能(例如，电池周期寿命)和充电的两难选择间取得平衡。储存以做为电池监测集成电路微控制器106的程序可以被修改以实施本说明书所述的快速充电指示。图1中的电子电路可以以适于使用于电池101中各个电池的参数加以编程。每一电池生产者对于电池如何使用于最佳模式以提供长周期寿命、高容量、和高安全性均提供独特的化学性质和诠释。相关领域的熟习者应理解本发明所使用的微控制器并不限于图1的设计。由于电池单体的不同阻抗，多单体电池101中的电池单体最好是采串联的形式，虽然其不一定要如此。阻抗不均衡可能是由于电池组内的温度梯度(temperature gradient)及/或不同电池单体间生产的变异性。二个具有不同阻抗值的电池单体在缓慢充电时可能具有大约相同的容量。其可能发现具有较高阻抗的电池单体比其它电池单体在一量测仪器下较早达到其电压上限(Vmax，例如，4. 2V)。若该二电池单体在电池组内是呈并联的形式，充电电流将因此受限于单一电池单体的效能，其过早中断其它并联电池单体的充电。此降低了电池组容量以及电池组充电速率。为了避免此等不利的影响，故目前的实施例最好是使用具有一快速充电选项的仅包含单一电池单体或所有电池单体呈串联形式的电池组。此较佳组态描述于PCT/US2005/047383以及编号60/639，275,60/680, 271和 60/699，285的美国暂时性申请案，该等文件均以参照的方式并入于此而构成本说明书整体的一部分。一较佳电池揭示于编号11/474，081的美国申请案(美国公开案2007/(^98314)， 标题〃 Lithium Battery With External Positive Thermal Coefficient Layer(具有夕卜部正热系数层的锂电池)〃，提申于2006年6月幻日，发明人Phillip Partin及Yarming Song，以参照的方式并入于此而构成本说明书整体的一部分。图2例示一示范性快速充电流程200的流程图，其中选择可携式装置电池组正常充电模式的选项呈现予一使用者(步骤20幻。若使用者选择使用快速充电模式(步骤204)，则使用者可以经由以下三种手段其中之一达成可携式装置上的一个开关(步骤 206)、电池组上的一个开关(步骤207)、或是可携式装置显示控制面板或选单上的一个图示(步骤208)，其中可用的任何一个或多个均可。从上述三种手段中的任一个，使用者均可以起始快速充电功能(步骤210)。快速充电功能起始(步骤210)的执行可以通过充电电池监测集成电路微控制器106中的一个供选择的韧体设定(步骤21 或者用于快速充电的逻辑及充电电路(步骤214)。充电电池监测集成电路微控制器106中的供选择韧体设定(步骤212)接着使用用于快速充电的逻辑及充电电路(步骤214)。在使用该用于快速充电的逻辑及充电电路之后(步骤214)，此流程将显示充电状态予使用者(步骤216)，其可以透过以下数种手段中之一达成可携式装置控制面板或选单上的一个图示(步骤218)、 可携式装置上的一个指示器(意即，LED显示108)(步骤220)、或是可携式装置电池组上的一个指示器(步骤22幻。在使用上述三种手段中的任一种显示充电状态予使用者之后 (步骤216)，快速充电流程200即完成(步骤224)。在快速充电流程200完成之后(步骤 224)，可携式装置电池组可以返回正常充电模式(步骤202)。图3A例示位于一电池组上的一快速充电按键300，电池组的快速充电状态亦可以显示于其上。当按下按键300之时，其关闭开关114(参见图1)并触发快速充电的启动，其使得电池可以以快于正常容许的速率进行充电。选择按键按压的数目可以区分透过开关 114控制的不同功能。快速充电按键300的实施亦可以经由例如允许使用鼠标点击的软件 (参见图4C)。可携式装置电池组的快速充电状态的显示可以利用发光二极管(LED) 302的显示达成。图3B提供依据本揭示的一可携式装置电池组上的前述快速充电按键300及LED 显示302的一特写视图。图4A例示一典型膝上型电脑，具有一〃 FAST CHARGE"按键400位于其键盘之上。 图4B显示位于该典型膝上型电脑键盘上的"FAST CHARGE"按键的特写视图。图4C显示一示范性弹出窗口，其出现可以提供使用者选项以起始将会执行电池"快速充电"选项的软件。在按压位于膝上型电脑键盘上的"FAST CHARGE"按键后或是透过该膝上型电脑的选单操作，可以呈现经由标准模式或快速充电模式对可携式装置电池组进行充电的选项予使用者。该显示可以显现各个模式可能耗费的大致时间。习于斯艺者应理解前述说明仅是用以示范而非限制本发明的范畴。该功能按键使得电子装置使用者察觉到快速充电选项(相对于原有的正常充电周期)的存在。此按键可以位于膝上型电脑装置的正面、侧面或底部以使得使用者可以选择快速充电。使用该功能按键流程的第一步是选择电池组的快速充电协议。其次，使用者应该选择一电路的"启动模式"，以在具有适于快速充电的机制的电子电路中启动参数。 该功能按键可以是直接位于该电池组之上、该装置之上、该软件之中、或该等项目的任意组
I=I O该功能按键可以实施于多种可携式电力型态装置，诸如膝上型电脑、行动电话、 DVD播放器、或摄录象机(camcorder)。该功能按键的目的在于允许使用者在缩减的时间内"快速充电"至小于100%的电力状态。该功能按键同时亦可以连结至显示参数性数值的显示机制，诸如充电状态(State of Charge ；S0C)的百分比(％ )、到达100% SOC的剩余时间、局部％ SOC的估计电量、以及有关于让使用者能判断何时适于提前(意味在100% SOC之前)中断充电程序的其它参数。前述的"开关"一词包含按键式、实体式及显示式开关，且可以是呈旋钮(knob)、 双态触换器(toggle)、及类似的形式。本发明的实施例致能一能量效率模式，其通过一相连交流转接器对一电子装置供电和对一相连电池进行充电/放电。该能量效率模式(亦称为"绿色"或"eco"模式) 可以由使用者通过启动位于电池组、装置及/或交流转接器的一或多个开关(意即，“绿色按键"或"eco按键")而起始或终止。该等开关可以是配置成一种相当于上述"快速充电"开关的方式。使用者可以在任何适当的时间进入能量效率模式，并在之后返回一正常、“快速充电"或其它模式。更多其它使用者按键位于电池组装置或交流转接器之上， 用以选择充电或放电的其它模式，诸如快速充电(“高效能")或正常使用模式。一些致能能量效率电力模式以及相关方法的系统组态配合图5A至图9C描述如下。相关领域的一般熟习者应能理解图1的电子电路、图2的方法以及例示于图3A至4C的装置可用以致能一如下所述的能量效率电力模式。装置上的一软件式⑶I (Graphical User Interface ；图形使用者接口)致能类似前述按键的功能。该软件GUI具有允许使用者在一范围内调整一选择模式的额外优点，类似在一音讯系统中增进使用者控制性的音量滑轨，而非简单的二元式开关选择。其可以使用一电池组装置和交流转接器的环保能量效率模式。在按下该eco模式按键后，即进入新的能量效率电力状态。电池组、装置及交流转接器以彼此协调配合的方式运作，以增进此组合系统的整体能量效率。举例而言，利用交流转接器在较高负载等级执行更有效率的现有特性，交流转接器在一高负载(具有相对的高效率)将执行一段较短的时间，从而对电池组快速充电，并在其后切换至一闲置待机模式。之后系统的主要电力将由电池组供应，即使仍然连接着交流转接器。在一充电的特定门槛值状态，电池组将从交流转接器要求快速充电，直到其再次充饱为止。其可以运用一通信方法和协议将选定的能量模式(例如，eco快速充电、高效能、 或正常模式)告知电池组、装置及交流转接器，使每一装置可以被设成预定的模式，即使该模式是从电源系统中的其它组件启动。以此方式，使得系统的相关组件可以彼此配合运作以最佳化所选模式的电力使用。举例而言，当使用者按下交流转接器上的eco按键，该通信方法将使得笔记型个人电脑及电池组均能获知系统已经进入一能量效率eco模式。其随之采取适当的行为以启动能量效率动作，诸如使显示器变模糊、使光驱和硬盘机转速减慢或者是降低处理器的频率。此外，电力状态的重要状况可以在组件之间传递。例如，电池可以通知转接器其充电状态。在另一实例中，转接器可以通知电池和装置其目前的能量转换效率并提供是否降低、持平或增加电力消耗的指示，以增进能量转换效率。一连接器在一交流转接器和一装置或电池组之间传输电力和收送数据。在一可能的实施方式中，该连接器具有一用于电力传输的标准式二导体筒型连接以及一额外的第三导体数据连接，于其上实施一单线通讯协议以实行前述的通信方法。在另一可能的实施方式中，该交流转接器、装置、和电池组可以利用标准的无线、红外线、或射频通信技术进行彼此间的通信。一指示器显示目前所选能量效率模式在环保上的影响。例如，其可以是一绿色指示灯或显示相当于C02节约量或电力节省瓦时数的数值显示。其可以采用显示电池组、装置或交流转接器上目前电力状态的双重、三重或更高模式多重波长指示灯。指示灯的实施方式之一是具有红色(高效能模式)、黄色(正常模式)及绿色(eco模式)的三模式LED (发光二极管)。一使用者按键可以启动快速充电模式且具有取消快速充电模式的额外功能。以此方式，使用者在一适当的时间进入一快速充电模式，并在之后返回正常充电模式。快速模式将增加充电速率至大于典型的0. 7C(例如，介于IC和2. OC之间的充电速率)，其中C代表
10串联电池单体的容量。因此，当使用者选择快速充电模式之时，充电速率可以维持于大约 1.5C或一更高的速率，而当使用者取消快速充电模式或者机器关机之时，充电速率可以介于0. 5C至0. 7C之间。多于一种外部电源(意即，交流转接器、外部直流电源-电池或直流对直流转接器)可以连接至笔记型电脑，取决于使用者的便利性。举例而言，笔记型电脑可以支持四个交流转接器的连接，用以同时或独立地对笔记型电脑充电。当连接单一转接器之时，其以正常充电速率对笔记型电脑的电池进行充电。若连接二或更多独立的交流转接器，则笔记型电脑将具有足够电力以加速的充电速率对电池进行充电。操作系统可以进入一新的电力状态(其它此类现有状态包含"休眠 (hibernate)“以及"睡眠(sleep)“)。在按下快速充电模式按键后，其进入新的快速充电电力状态，直到符合要求的充电状态被满足(例如，固定的电流周期完成或是当电池达到一特定的充电状态)，此时该快速充电电力状态才被操作系统取消。此新的快速充电电力状态在笔记型个人电脑上可以具有各种使用者可选择的电力缩减行为选项，诸如使显示器变暗或关闭、暂停光驱马达、暂停硬盘机马达、降低中央处理器速度、减少绘图处理及/或降低作用中的系统存储器数量。一使用者按键启动快速充电模式且具有取消该快速充电模式的额外功能。以此方式，使用者可以在一适当的时间进入一快速充电模式，并在之后返回正常充电模式。合上笔记型电脑外盖可以做为一个触发动作以进入快速充电模式或快速充电电力状态。具有增强充电功能的交流转接器利用硬件感测技术或通过对笔记型电脑的软件通信(例如，SMBus) 触发笔记型电脑使其进入快速充电模式。一 IC充电器包含多个同时电力输入(例如，同时自一交流转接器及一外部电池储存装置充电)以及输出(例如，输出至接受快速充电的笔记型电脑及笔记型电脑电池组)。 在一实施例中，一简单电路对交流电力线电压加以整流并以大约等于该交流电压强度均方根值(root-mean-square ；例如120/sqrtQ)或M0/sqrt(》V)的理论电压值直接对一叠电池单体进行充电。笔记型电脑可以直接插入一 POTS (Plain Old Telephone krvice ；传统式电话服务)电路或P0E(Power Over Ethernet ；以太网络供电)以自电话网络取用电力。一装置及连接的充电电路可以包含以下架构1) 一交流转接器-对交流电力线电压加以整流并将其向下转换至某一较低直流电压输出(通常在12 MV的范围)的一外部装置。2) 一电池充电器IC- 一集成电路，位于电池组或笔记型电脑之内，接收上述的直流输入电压并依据系统当时的需求供应电力予笔记型电脑及/或电池。供应至笔记型电脑的电压被调控至接近4. 2V*N，其中N是串联的电池单体数目。对系统的供应电压可以是从 3. 0V*N到直流输入电压间的任一数值，且可以透过一通信接口由外部电阻或韧体加以设定。3) 一电池电量监测(gas gauge)及AFE芯片组-此是位于电池组内部的IC，控制电池充电器IC的输出是否连接至电池单体。图5A是一系统500的功能方块图，其包含一电子装置以及其连接的一支持多个充电模式的充电系统。一电子装置510(例如，一膝上型电脑或其它可携式电子装置)耦接至一电池组520以及一交流转接器530用以选择性地供应电力予该装置。装置510处的一电源管理控制器(Power Management Controller ;PMC) 515配置以与电池组520处的一电池管理系统(battery management system ；BMS)以及交流转接器530进行通信，以管理装置 510的供电及电池组的充电和放电。此通信可以是通过一系统管理总线(SMBUS) 545的辅助达成，其可以经由一序列通信连结540延伸至交流转接器。电池组520、装置510及交流转接器530中的每一个，或只是其中的一或二个，可以包含一或多个使用者可操控的开关550a-C、551a-C(实施成软件及/或实体接口)，用以起始对电池组520充电的一或多个不同模式并提供电力予装置510。按键可以包含用以起始及/或终止一能量效率(“eco充电")模式的开关550a-c，以及用以起始及/或终止一"快速"充电模式的开关，诸如前述参照图2-4C的快速充电模式。以下参照图5B进一步详述系统500。图5B是显示图5A中系统500进一步细节的功能方块图。电池组520包含一电池管理系统(BMS) 525，其调控电池527(包含数个供电电池单体)的充电及放电。BMS 525可以包含如前参照图1所述的电路100中的部分或整体。BMS 525可以进一步包含一或多个暂存器5 配置以储存有关电池527特性的信息(例如，在"快速"或"eco"充电期间以一高速率充电的能力)、电池527的充电状态、及/或一目前所选充电模式的指示器。BMS 可以通过控制一开关Tl (例如，一晶体管)控制相关的电路而促使电池527充电及放电的进行。交流转接器530包含一交流转接器充电器控制器(AC adapter charger controller ；ACA) 535，配置以依据一所选的电力模式控制交流转接器530的运作，包含输出电流I。ha,ge。ACA 535可以进一步包含多个暂存器536，配置以储存有关交流转接器530 运作的信息，包含运作效率、充电电流及/或目前所选充电模式的指示。电子装置510包含一电源管理控制器(PMC) 515，其管理供予装置510的电力以及使用者所选择的电力模式(例如，正常、“快速"充电及"eco"模式)。PMC515可以包含如前参照图1所述的电路100中的部分或整体。PMC 515在"主要电源节点"处经由开关 T2、T3(例如，晶体管)控制供予装置其余电路(未显示于图中)的电力。PMC 515可以进一步配置以依据使用者输入决定一所选择的电力模式，并透过系统管理总线(SMBUS) Μ5，与BMU 525和ACA 535通信以控制整体系统500在数个电力模式间的转换。举例而言，使用者可以触动位于装置510的开关550b、551b其中之一以分别进入一能量效率(“eco")电力模式或一快速充电模式。(或者，触动一开关550b、551b 可以离开一特定模式，返回一"正常"充电模式。)PMC的回应是将选择的模式传送至BMS 525及ACA 535，其又依据该选择模式分别操控电池组520以及交流转接器530。有关〃快速充电"模式的方法参照图2说明如前；有关"eco"电力模式的方法参照图8A及8B说明如下。或者，使用者可以触动位于电池组的开关^0a、551a，或是位于交流转接器的开关 550c、551c，以进入或离开一〃快速〃充电模式或一"eco"电力模式。此种情况下，BMS 525或ACA 535 二者之一可以侦测到该选择而传送信息至PMC 515以如前所述地转变电力模式。在本发明的其它实施例中，系统500在交流转接器530之外尚可以包含多个电源 (未显示于图中)，PMC自电源中选择以对电池充电并提供电力予装置510。额外的电源可以包含直流对直流电源转接器、外部电池、额外的交流至直流转接器、或其它电力装置。在电源的选择上，PMC可以包含依据一些输入决定一最佳能量效率的逻辑，包括在一特定电流输出下的电源能量效率以及电源的最大电流输出。此外，其可以召用多个电源以组合方式提供所选定的高电流而以一高速率对电池527进行充电。图6是一描绘一交流电源转接器的电力效率及操作负载间的关系图。所示的关系乃用以例示一些交流至直流电源转接器所展现的效率相对于负载的一般原理，不必然依比例呈现，亦不必然精确地对应至本发明一实施例的一特定交流转接器。如图6所示，当一交流转接器运作于较高负载时比运作于较低负载时在电力转换上展现高出许多的效率。因此，不同运作模式可以对应至不同效率。参照图5B的系统500， 举例而言，当电池充电被禁能且装置完全由交流转接器供电之时，交流转接器运作于一低负载(例如，50% )，导致较低的效率(例如，87% ) (I)0正常充电期间(交流转接器提供电流给电池充电并供予装置电力)，交流转接器的负载相对较高(例如，75% )，导致较高的效率(例如，93%M2)。此外，一能量效率(“eco")电力模式可以在二状态间周期性地转换一电池以高速率充电(例如，高于1C)且装置由交流转接器供电的第一模式(3)；以及一充电被禁能而装置由电池供电的第二模式G)。因此，一"eco"电力模式提供以高效率使用一交流转接器，其同时供予装置运作并对电池充电。图7是一状态图，例示用以对一电池充电的多个模式。在一初始(“未充电") 状态710，一装置和连接的充电电路(例如，图5A至5B的系统500)主要依赖一交流转接器供应装置电力，其时充电器处于闲置状态，意味未连接电池而无法充电或放电。从初始状态710，系统可以进入多个状态中之一以对电池充电并供应装置电力，且依据使用者的选择 (例如，触动一开关)进入相对的状态。在一"正常充电"状态720，电池被以一正常充电电流充电，同时装置由交流转接器供电。当侦测到电池已抵达充饱的状态时，电池充电器变成闲置，而装置持续依靠交流转接器供电(725)。移除交流转接器的连接之后，装置将转变至使用来自电池的电力。在一"快速充电"状态730，电池被以一高充电电流充电，同时装置由交流转接器供电。当侦测到电池已抵达充饱的状态时，电池充电器变成闲置，而装置持续依靠交流转接器供电(735)。在一能量效率"eco"电力状态740，电池被以一使得交流转接器运作于高效率的充电电流(例如，最大安全电流)充电，同时装置由交流转接器供电。当侦测到电池已抵达充饱的状态，电池充电器变成闲置，而转换至从电池而非交流转接器汲取电力 (745)。因此，在"eco"电力状态740、745的运作是以一较高效率使用交流转接器(举例而言，参见图6)。图8A是一流程图，例示起始一能量效率(“eco")电力模式的方法，其可以由图 5A至5B所提出的系统500实施。在起始此模式之前，系统可以被组构于一"正常充电" 或其它状态(805)。使用者经由连接至装置的一显示器上的一图形使用者接口(810d)、 或者通过触动电池组上(810a)、交流转接器上(810b)或装置上(810c)的一开关，起始该"eco"电力模式(806)。系统从而启动"eco"电力模式(815)。在"eco"电力模式之初，系统可以撷取所连接的交流转接器可达成的运作及效率的相关信息(820)。此等信息可能在交流转接器的一或多个暂存器中可以取得，且可以被用以决定该交流转接器的运作电流。因此，其可以选择已知可以致能交流转接器高效率的
13运作电流。装置(例如，装置内的一电源管理控制器(PMC))可以从而与交流转接器(例如， 交流转接器充电器控制器(ACA))进行通信以要求前述的运作电流来致能由交流转接器进行一"快速"、能量效率充电(825)。在此电池的充电期间，装置自交流转接器汲取主要电力，进一步增加交流转接器的负载，此又进一步增加交流转接器的效率。此充电状态持续直到电池完全充饱为止(拟6)。电池充电的状态可以在电池组由电池管理单元(battery management unit ；即BMU)监测，其又可以于一暂存器指示充电状态，以让PMU读取。抵达完全充饱状态之后，装置自主要电源输入端移除交流转接器的连接，并连接电池组以自其处汲取电力(830)。装置持续自电池汲取主要电力直到电池抵达一〃低充电"门槛值(835)。系统的回应则是返回一"正常充电"模式(805)、〃 eco"电力模式(806)或其它模式以对电池充电并继续供应电力至装置。图8B是一流程图，例示实行一能量效率充电模式的方法，其可以由图5A至5B所提出的系统500实施。此方法可以包含如前所述参照图8A的一或多个动作，且可以相关于上述参照图5A至5B在BMS 525、PMC 515以及ACA 535的动作。参照图5B，在利用交流转接器530供应装置510电力的〃 normal"运作模式期间，PMC 515和BMS 525控制开关T3使其关闭且控制开关T1、T2使其开启，从而连接交流转接器530至装置510的主要电源节点(855)。针对侦测到一"eco"模式开关被触动(856)， PMC的回应是询问ACA决定交流转接器530是否支持"eco"电力模式的动作(860)。做出此决定可以是依据交流转接器530的特性(例如，最大电流输出)，其可以是指示于某一暂存器536处。若有提供〃 eco"电力模式，则BMS 525关闭开关Tl且PMC 515开启开关 T3并关闭开关T2，从而连接电池527至装置510的主要电源节点(862)。之后，PMC 515持续地或周期性地询问BMS决定电池是否需要充电(865)。此决定的做出可以是通过将电池 527的一充电状态(如暂存器5 所指示)与一低充电门槛值进行比较。若需要充电，则 BMS 525和PMC 515关闭Tl、T2、T3，连接交流转接器530电流源至装置510的主要电源节点和电池527(870)。此外，ADA 535选择一连结能量效率"eco"电力模式的高电流输出。当电池充电的状态，如BMS 525所指示，抵达一特定门槛值之时，可以判定电池充电完成(875)。完成之后，装置可以回复到使用电池做为主要电力(862)，重复电池放电周期(865)，接着在一高电流"eco"充电模式之下对电池充电(870)。此周期可以无限定地重复，只要使用者持续触动"eco"开关。或者，系统500可以返回一"正常"电力模式，依靠交流转接器530提供主要电力予装置510 (855)。图9A-C是例示多个充电模式各自运作期间交流转接器电流及电池组电流的时序图。相关的电流对应至图2所示的数字标记，但未成比例绘制。图9A例示如前参照图8B 所述的"eco"电力模式的数个周期期间的交流转接器电流和电池组电流。在时间0-T1、 T2-T3和T4+，交流转接器未连接电池组和装置，因此无电流输出0)。因此，电池提供电力予装置，以0. 5C的速率使电池放电(随装置的负载而变动)。在时间T1-T2和T3-T4，交流转接器提供一高电流输出13，以IC或更高的速率对电池充电且对装置供电(3)。图9B例示一"快速"充电模式的数个周期期间的交流转接器电流和电池组电流。在时间0-Τ1、Τ2-Τ3和T4+，电池的充电被禁能，而交流转接器提供主要电力予装置(1)。 因此，电池无电流输出。在时间Τ1-Τ2和Τ3-Τ4，交流转接器提供一高电流输出13 (此可以等于或异于"eco"电力模式中的电流13)，以IC或更高的速率对电池充电且对装置供电⑶。图9C例示一"正常"充电模式的数个周期期间的交流转接器电流和电池组电流。在时间0-Τ1、Τ2-Τ3和T4+，电池的充电被禁能，而交流转接器提供主要电力予装置(1)。 因此，电池无电流输出。在时间Τ1-Τ2和Τ3-Τ4，交流转接器提供一正常电流输出12，以0. 7C 的"正常"速率对电池充电且对装置供电O)。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种提供电力予电子装置的方法，其特征在于，包含当侦测到一电池抵达一充电的高门槛值状态之后，通过切换一电路而进入一第一电力状态，藉以禁能在一交流至直流转接器的电流，以致能该电池以提供主要电力予该电子装置；以及当侦测到该电池抵达一充电的低门槛值状态之后，通过切换该电路而进入一第二电力状态，藉以在该交流至直流转接器处提供一高电流，以对该电池充电并提供主要电力予该电子装置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该交流至直流转接器在该第二电力状态中以一高速率对该电池充电，该高速率大于1C。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该高速率大于1.5C。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，更包含在进入该第二电力状态之前侦测该电池是否能在该高速率下被安全地充电。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，更包含在侦测到该电池抵达充电的高门槛值状态之后，返回至该第一电力状态。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，更包含回应于侦测该充电的该高和低门槛值状态，在时间上交替该第一及第二电力状态。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，更包含回应于一使用者对以一能量效率电力模式供予该电子装置电力的选择而致能该第一及第二电力状态。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，更包含回应于一使用者对以该能量效率电力模式之外的一电力模式的选择而进入一第三电力状态，该充电模式是一正常电力模式及一快速充电模式的其中之一。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，更包含在该使用者选择通过切换该电路来提供一低电流于该交流至直流转接器处以对该电池以一低速率充电并提供主要电力予该电子装置之前进入一第三电力状态。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该低速率小于1C，且该高速率大于1C。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该交流至直流转接器在该高电流处比在该低电流处运作于一较高的能量效率。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，更包含在进入该第二电力状态之前侦测该交流至直流转接器是否能提供该高电流。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该电池是一锂离子Li-ion电池。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，更包含依据该交流至直流转接器的特性和该电池的特性选择该交流至直流转接器电流输出的一速率。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，该交流至直流转接器的该特性包含一最大电流输出，且该电池的该特性包含一最大安全充电速率。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，该交流至直流转接器的该特性包含一对应至一特定电流输出的预测能量效率。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，更包含在多个交流至直流转接器中进行选择以在该第二电力状态下提供该高电流，该选择是依据在该多个交流至直流转接器中各自的一最大电流输出指示。
18.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，更包含在多个电源中进行选择以在该第二电力状态下提供该高电流，该选择是依据在该多个电源中各自的一最大电流输出指示， 该电源包含一交流至直流转接器、一直流至直流转接器、以及一外部电池的其中的一或多个。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，该选择是依据对应至该多个电源中各自的一特定电流输出的能量效率。
20.一种用以提供电力予电子装置的设备，其特征在于，包含一电源电路，配置以致能及禁能自一电池和一交流至直流转接器对该电子装置的供电；以及一控制器，耦接至该电源电路并配置以在第一及第二状态之间转换，该第一状态包含回应于侦测到一充电的高门槛值状态而禁能该交流至直流转接器的电流并致能该电池以提供主要电力予该电子装置，该第二状态包含回应于侦测到一充电的低门槛值状态而致能该交流至直流转接器以提供主要电力予该电子装置并对该电池充电。
21.一种用以提供电力予电子装置的系统，其特征在于，包含一电池，配置以提供电力予一电子装置；一交流至直流转接器，配置以提供电力予该电子装置；以及一控制器，配置以在第一及第二状态之间转换，该第一状态包含回应于侦测到一充电的高门槛值状态而禁能该交流至直流转接器的电流并致能该电池以提供主要电力予该电子装置，该第二状态包含回应于侦测到一充电的低门槛值状态而致能该交流至直流转接器以提供主要电力予该电子装置并对该电池充电
全文摘要
一种以能量效率方式提供电力予电子装置的方法，包含在对应至电池充电及放电的电力状态之间转换。侦测电池的充电状态。在侦测到充电的一高门槛值状态时，禁能一诸如交流至直流转接器的外部电源，且使电池提供主要电力至电子装置。在侦测到充电的一低门槛值状态时，控制交流至直流转接器使其提供一高电流输出以对电池充电并提供主要电力至电子装置。该等电力状态，当依据该电池的状态在一段时间内周而复始进行，提供一供予该电子装置电力的能量效率方法。
文档编号H02J7/02GK102422504SQ201080021338
公开日2012年4月18日 申请日期2010年5月17日 优先权日2009年5月18日
发明者史考特·米那, 普尔·欧娜鲁德, 艾卡特·W·颜森, 菲利普·E·帕汀 申请人:波士顿电力公司