本发明涉及电池保护电路，特别涉及一种电池装置及电池保护方法。
背景技术
现今的便携式电子产品中，例如是智能手机、平板计算机、及笔记型计算机等等，均需要使用电池以提供电力。然而，现今市面上的便携式电子产品经常发生电池爆炸的事件，不论是新上市的产品或是旧的产品，都有机会发生电池自燃或是在充电中烧毁的事件。因此，这表示目前市面上便携式电子产品的电池设计并非绝对安全。
因此，需要一种电池装置及其电池保护方法以解决上述问题并增加电池使用的安全性。
技术实现要素：
本发明提供一种电池装置，包括：一电池组，包括一或多个电池芯；一保险装置；一电池管理电路，用以管理该电池组的充电及放电、以及该保险装置；以及一电池保护电路，其中当该电池装置处于一充电模式，该电池保护电路定时检查并计算该电池组的一直流充电内阻，且同时判断该电池组之一操作温度，并决定该操作温度所相应的一温度区间，其中当该电池保护电路判断该直流充电内阻大于该温度区间所相应的一预定倍数乘以一第一阈值时，该电池保护电路通知该电池管理电路断开该保险装置。
本发明更提供一种电池保护方法，用于一电池装置，该电池装置包括一电池组、一保险装置、一电池管理电路、及一电池保护电路，该方法包括下列步骤：当该电池装置处于一充电模式时，利用该电池保护电路执行下列步骤：定时检查并计算该电池组的一直流充电内阻；判断该电池组的一操作温度，并决定该操作温度所相应的一温度区间；当判断该直流充电内阻大于该温度区间所相应的一预定倍数乘以一第一阈值时，通知该电池管理电路断开该保险装置。
附图说明
图1是显示依据本发明一实施例中的电池装置的功能方块图。
图2是显示依据本发明一实施例中的电池保护电路的等效电路图。
图3是显示依据图2的实施例中的基本应用原理的等效电路图。
图4是显示依据本发明一实施例中的电池保护方法的流程图。
【符号说明】
100～电池装置；
110～电池管理电路；
111～电池保护电路；
120～辅助电池管理电路；
130～保护装置；
131～充电开关；
132～放电开关；
133～感测电阻；
140～电池组；
140a～140d～电池芯；
vref～参考电压；
q1～晶体管；
d1～二极管；
d2～萧基二极管；
r1、r2～电阻；
c1～电容；
a、b、c、d、e～节点；
p+～正输入端；
p-～负输入端；
smbus_clock～总线时钟信号；
smbus_data～总线数据信号；
battery_id～电池辨识码；
system_id～系统辨识码；
s410－s430～步骤。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。
首先，需了解的是、不同类型的电池会具有不同的电池内阻。即使是相同类型的电池，也有可能由于内部的化学特性不同，而导致其电池内阻不同。一般而言，在正常情况下，电池内阻小的电池的电池其放电能力较强，电池内阻大的电池其放电能力较弱。在大部分的情况下，电池容量较大的电池，其电池内阻较小，且在温度较低时，其电池内阻较大。
对于可充电电池(rechargeablebattery)来说，其在出厂时的电池内阻是比较小的，但经过长期使用之后，由于电池内部的电解液的枯竭及电池内部的化学物质的活性降低，其电池内阻会逐渐增加，直到其电池内阻大到电池内部的电量无法正常释放，此时即可将此电池视为寿命终止。
需了解的是，电池内阻并非一固定值，而是可分为两种类型，例如为充电内阻及放电内阻。其中充电内阻是指电池充满电时所测量到的电池内阻，放电内阻则是指电池放电后(例如放电至标准的截止电压时)所测量到的电池内阻。
在一般情况下，放电内阻是不稳定的数值，且测量的结果也会比正常的电池内阻高出许多。相对地，充电内阻的数值则较为稳定，故在电池的测量过程中，通常都以充电内阻做为测量的标准。
图1是显示依据本发明一实施例中的电池装置的功能方块图。如图1所示，电池装置100包括电池管理电路110、电池保护电路111、辅助电池管理电路120、保护装置130、充电开关131、放电关关132、感测电阻133、以及一电池组140，其中电池管理电路110可检测整个电池装置100的各种状态，例如充放电电流、温度、电池内阻等等，并控制电池组140的充放电，例如可分别通过充电开关131及放电开关132以控制电池组140的充电及放电，并可控制保险装置130(例如是一保险丝)断开。举例来说，电池管理电路110例如可为一电池电力测量集成电路(gasgaugeic)。在一些实施例中、电池保护电路111可为单独的保护电路用以检测电池组140的状态，并进行电池管理电路110的功能之外的额外电池保护机制。在一些实施例中，电池保护电路111也可整合至电池管理电路110(例如为电池电力测量集成电路)之中。
辅助电池管理电路120则可检测在电池组140中的各电池芯(cell)140a～140d的电流。若有任何一个电池芯的电流产生异常，则辅助电池管理电路120可控制保护装置130(例如可为一保险丝或切换电路)切换至断路状态，藉以确保电池组140不会因为过大的电流而导致意外。
表1绘示使用一特定电池芯以在不同情况下所测量的直流充电内阻(directcurrentinternalimpedance，dcir)，且其充电电流/放电电流的条件为0.5c/0.5c。对于放电电流来说，1c的定义为电池容量在1小时内放完电所需的电流大小。对于充电电流来说，1c的定义为电池容量在1小时内充满电所需的电流大小。一般而言，充电电流/放电电流取0.5c及0.5c为最适合的条件。
表1
表1中所使用的电池芯以prismaticcell4960803s1pw/opcb的情况为例，并在不同情况下测量其直流充电内阻。举例来说，充电循环次数可为1、100、200、300、400、及500次，500次为在一般使用情况下的电池寿命。且电池芯的操作温度可在10、25、及45℃的情况。
从表1中可得知，若温度相同的情况下，电池芯的充电循环次数增加，其直流充电内阻约增加1倍左右，例如在10℃的情况下，直流充电内阻从308mohm增加至618mohm。在25℃的情况下，直流充电内阻从250mohm增加至482mohm。在45℃的情况下，直流充电内阻从200mohm增加至340mohm。
若以相同的充电循环次数来看，当电池芯的操作温度愈高，其直流充电内阻就愈低。此外，电池芯的直流充电内阻一旦增加之后，并无法降低其直流充电内阻。
表2绘示使用一特定电池芯以在不同情况下所测量的交流充电内阻，且其充电电流/放电电流的条件为0.5c/0.5c。
表2
从表2中可得知，若温度相同的情况下，电池芯的充电循环次数增加，其直流充电内阻几乎维持不变。在相同的充电循环次数下，其交流充电内阻亦变动不大。
因此，本申请中的电池保护电路111的计算以直流充电内阻为准，更有利于电池的管理及保护。更进一步而言，本发明中可预先建立在不同充电循环次数及不同操作温度下的直流充电内阻的关系表，例如表1，并先计算在最差情况(worstcase)下的直流充电内阻，例如在充电循环次数为1且操作温度为45时的直流充电内阻，例如为200mohm，以及操作温度为10且充电循环次数为500次时的直流充电内阻，例如为618mohm。举例来说，在最差情况下的两个不同的直流充电内阻可做为直流充电内阻的第一阈值(例如200mohm)及第二阈值(例如618mohm)。
本发明更依据所计算出的不同情况下的直流充电内阻的关系来决定电池组140是否有产生异常情况。一般而言，电池组140在正常使用下的直流充电内阻并不会超过最差情况下的直流充电内阻。若电池组140在某些正常操作情况下的直流充电内阻超过最差情况下的直流充电内阻，则可判断电池组140已发生异常，故电池保护电路111可采取相应的预防措施以中止电池的使用功能。
在一实施例中，电池保护电路111可通知电池管理电路110对电池组140施加一个固定频率及固定电流，例如可使用1khz及50ma的充电电流，接着对电池组140的电压进行采样，并经过整流及滤波等相关电路处理后通过一运算电路计算出电池组140的直流充电内阻值。上述流程的细节将详述于后。
图2是显示依据本发明一实施例中的电池保护电路的等效电路图。如图2所示，vref为参考电压，其连接至运算放大器210的正输入端。运算放大器210的供电端分别连接至电池的阴极(cathode)及阳极(anode)。本领域技术人员当可了解在本发明图2中的各个电路元件可用相应的电路实现，或其他具有相同功能的等效电路实现。
图3是显示依据图2的实施例中的基本应用原理的等效电路图。图2中的电源管理电路例如可用图3的基本应用原理的等效电路图来进行相关说明。
请同时对照图1及图3。图1中的a节点连接至电池装置100所连接的电子装置的正输入端p+，e节点连接至电池装置100所连接的电子装置的负输入端p-。b节点及d节点则分别位于电池组140的两端，c节点则位于电池管理电路110中，用以检测电池组140的其中一端(d节点)的状态。此外，电池管理电路110亦连接至所连接的电子装置的总线(例如smbus)的总线时钟信号smbus_clock及总线数据信号smbus_data，且也可通过e节点传送电池辨识码battery_id至电子装置并可从电子装置取得系统辨识码system_id。
如图3所示，电池组140的直流充电内阻，意即b节点及d节点之间的电阻，约可用一等效电阻r1来表示。d节点及e节点之间的电阻约可用一等效电阻r2来表示。图2中的运算放大器210则可利用一萧基二极管以做为等效元件。图2中的晶体管及二极管则可用一电容以做为等效元件。
因此，若c节点的电压为vc，d节点的电压为vd，从图3的电路可计算出c节点的电压vc＝(1+r1/r2)vd。若依表1中的同样的电池芯prismaticcell496080为例，在施加充电电流的情况下，a节点至b节点之间的电阻值约为充电开关及放电开关的电阻值串联(4.5mohm*2)再加上保护装置的电阻值(约为1mohm)，共约10mohm。b节点至d节点之间的电阻值即为电池组140的直流充电内阻，正常情况应介于200mohm至618ohm之间。d节点至e节点之间的电阻值r2即为感测电阻133的电阻值，约为10mohm。d节点的电压vd为内建参考电位，约为1.25v。b节点同样亦有连接至电池管理电路110，故可视为等同于c节点。
更进一步而言，在一实施例中、为了达到判断电池组的异常状态的高准确率，电池保护电路111测量电池组140的充电容量分别为50％及100％时的直流充电内阻。一般而言，电池在充电容量为50％及100％时具有相当稳定的充电电流，意即其相应的直流充电内阻的变化亦相当稳定。
举例来说，当电池组140的充电容量为50％时，电池保护电路111可通知电池管理电路110对电池组140施加一充电电流icharge50(例如为50ma)，且会先测量施加充电电流前的电池组140的两端的电压vpack_50a，以及施加充电电流10秒后的电池组140的两端的电压vpack_50b。故电池保护电路111可由下列方程式计算出在电池组140的充电容量为50％时的直流充电内阻dcir50％：
dcir50％＝(vpack_50a–vpack_50b)/icharge50(1)
类似地，当电池组140的充电容量为100％时，电池保护电路111可通知电池管理电路110对电池组140施加一充电电流icharge100(例如为200ma或0.1c)，且会先测量施加充电电流前的电池组140的两端的电压vpack_100a，以及施加充电电流10秒后的电池组140的两端的电压vpack_100b。故电池保护电路111可由下列方程式计算出在电池组140的充电容量为100％时的直流充电内阻dcir100％：
dcir100％＝(vpack_100a–vpack_100b)/icharge100(2)
若在电池组140的电池容量到达50％或100％时所测量到的直流充电内阻值是异常的，则可在充电模式下就可检测到该异常情况，因此得以事先采取保护措施，例如断开保护装置。
在一些实施例中，电池保护电路111可定时通知电池管理电路110以施加充电电流至电池组140，且电池保护电路111得以定时测量电池组140在不同时间下的直流充电内阻。此时，电池保护电路111即可依据表1中所预先设定的各种直流充电内阻的数值来判断电池组140是否已出现异常情况。
现今的电源电力检测集成电路均是检测放电时阻抗与ocv@t的对照补偿点，ocv表示开路电压(opencircuitvoltage，ocv)。例如ocv可为放电深度(depthofdischarge，dod)及时间t的函数。此外，现今的电源电力检测集成电路利用此技术来计算电池剩余容量均是特别针对放电时的情况，与本发明来预测爆炸或预测异常的技术不同，本发明更可用于充电与静置时的情况。
图4是显示依据本发明一实施例中的电池保护方法的流程图。在一实施例中，本发明可依据操作温度以及所测量出的直流充电内阻是否超过一预定直流充电内阻的一特定倍数来判断电池组140是否产生异常状态。
举例来说，此处搭配表1进行说明，当操作温度介于0至15℃之间，判断目前直流充电内阻是否为第一阈值(例如为200mohm)的3倍。若是，则判断电池组140为异常，并断开保护装置。当操作温度介于16至35℃之间，判断目前直流充电内阻是否为第一阈值(例如为200mohm)的2.5倍。若是，则判断电池组140为异常，并断开保护装置。当操作温度介于36至60℃之间，判断目前直流充电内阻是否为第一阈值(例如为200mohm)的2倍。若是，则判断电池组140为异常，并断开保护装置。若在上述情况下均判断电池组无异常，则会持续定时检测电池组140的直流充电内阻，并进行相应的判断。若操作温度超过60度，则电池管理电路110则会直接停止电池组140的使用以避免危险。需注意的是，上述不同情况所使用的第一阈值的倍数可视实际情况调整。
在步骤s410，判断是否进入充电模式？若是，则执行步骤s412，若否，该此流程结束。
在步骤s412，定时检查电池组的直流充电内阻。
在步骤s414，计算电池组的直流充电内阻。电池组的直流充电内阻的计算方式可参考前述实施例，例如可在电池组的不同剩余电量时进行不同的测量方式。
在步骤s416，检查电池装置的一目前操作温度。当该目前操作温度介于0至15℃，则执行步骤s418。当该目前操作温度介于16至35℃，则执行步骤s420。当该目前操作温度介于36至60℃，则执行步骤s422。
在步骤s418，判断电池组的直流充电内阻是否超过第一阈值t1的一第一倍数(例如3倍)，若是，则执行步骤s430。若否，则回到步骤s412。
在步骤s420，判断电池组的直流充电内阻是否超过第一阈值t1的一第二倍数(例如2.5倍)，若是，则执行步骤s430。若否，则回到步骤s412。
在步骤s422，判断电池组的直流充电内阻是否超过第一阈值t1的一第三倍数(例如2倍)，若是，则执行步骤s430。若否，则回到步骤s412。需注意的是，在步骤s418～s422中所述的第一倍数、第二倍数、及第三倍数可依实际情况进行调整。
在步骤s430，断开保护装置。执行此步骤s430即表示检测到电池组140的直流充电内阻已产生异常情况，故需要断开保护装置(例如熔断保险丝)以避免电池装置产生危险。
综上所述，本发明提供一种电池装置及其电池保护方法，且电池保护电路111其可在电池装置中的电源管理电路(例如可为电源电力检测集成电路)110的保护机制之外再提供额外的电池保护机制。本发明可通过检测电池组140的直流充电内阻并在不同的操作温度下进行相应的判断，藉以检测电池组是否产生异常情况。
本发明虽以优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。