通過測量輸入充電電壓來檢驗智能電池故障的方法及相關系統的製作方法

2023-09-11 21:57:45

專利名稱：通過測量輸入充電電壓來檢驗智能電池故障的方法及相關系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及信息處理系統的智能電池，並且尤其涉及在這種智能電池中的故障檢測。
背景技術：
隨著信息價值和信息使用的持續增加，個人和商業用戶開始尋求另外的方法處理和存儲信息。用戶可用的一個選擇是信息處理系統。信息處理系統通常處理、編譯、存儲和/或傳輸信息或者數據而用於商業、個人或者其它的目的，因此允許用戶利用信息的價值。因為技術和信息處理在不同的用戶或者應用之間需要和要求不同，因此信息處理系統也可以關於何種信息被處理，怎樣處理信息，多少信息被處理、存儲或者傳輸，以及信息如何快地和有效地被處理、存儲或者傳輸而變化。信息處理系統中的變化考慮了信息處理系統是通用型的或者是為特別用戶或為如金融交易處理、航空預定、企業數據存儲或者全球通訊的特別應用而配置的。此外，信息處理系統可以包括多種可配置成處理、存儲和傳輸信息的硬體和軟體部分，並且可以包括一個或者多個計算機系統、數據存儲系統和網絡系統。
一些諸如膝上型計算機系統的信息處理系統具有利用一個或者多個電池作為電源的能力。此外，這些相同的系統也可以經常利用通過耦接到電力網的電源轉換器，如插進牆裝插座的交流轉直流(AC/DC)轉換器而獲得的電源。當將該系統插入所述牆裝插座時，系統中的電池同時能夠充電。隨著電池技術的改進，電池已經變得更智能化，因為它們包括管理它們的運行和將關於電池的運行條件報告給外部電路的電路，如微處理器。這些智能化的電池經常叫做「智能」電池。許多智能電池具有監控充電處理的能力，並且許多電池具有故障檢測裝置以確定電池何時發生故障。為了保護用戶，如果已經檢測到危險的故障那麼智能電池可以被設置為使自身永久地失效。
某些電流電池組取決於充電場效應電晶體(C-FET)和放電FET(D-FET)控制電池的正常充電和放電功能。電池保護典型地由電池管理單元(BMU)管理。如果檢測到電池系統發生故障(諸如超電壓充電或者過載)或者電池組的電池發生故障，那麼現有的這些電池組系統中的BMU或者暫時使C-FET和D-FET失效從而斷開電池組與系統的連接，或者通過燒斷失效保險絲使該電池組永久失效。
關於這個BMU操作的一個重大問題是由於對電池故障的錯誤檢測可能會引起電池失效。這個錯誤檢測能夠導致由於錯誤的故障檢測已經被無效的運行電池組非常多的場復原(return)。例如，對電池故障的錯誤檢測可能經常是由於暫時的環境事件，如強烈的電磁幹擾(EMT)、無線電頻率(RF)信號和/或其它的電磁(EM)影響而造成的，當應該沒有電流存在時，如當電池處於睡眠狀態或者放電模式時所述事件會引起小的將被檢測到的充電電流。當BMU在這樣環境中檢測應該是零的充電電流時，由於這個非零的條件被認為是危急保護故障因此BMU經常把該電池歸於永久故障模式。應該沒有充電電流存在時的充電電流經常與內部電池故障相關聯，所述內部電池故障會逐步發展為災難性事件，如電池短路或者爆炸。同樣地，BMU將使該電池失效以保護用戶。然而，如果電流的存在是由於如上所述的暫時EM事件引起的，那麼使電池的失效將是不必要的。
為了解決這個問題，現有的電池系統已經嘗試了不同的解決方案。一個解決方案是為當不正確的充電電流將被認為是可能引起災難性故障時增加電流保護閾值。另一個解決方案是延長從電池最初檢測這個問題的時間到電池最後確定將該電池歸於永久故障模式的時間之間的反應時間。這兩個解決方案減少了由於EM影響而使電池失效的機會。然而，雖然這些解決方案改進了電池的性能，但這些解決方案也犧牲了安全保護。
所提出另一種解決方案是在電池充電和放電通路中添加一個開關並且檢測異常電流持續的時間量。在所添加的開關斷開的情況下，如果異常電流能夠在預定的時間限度內消失，所述預定的時間限度受BIOS控制，那麼故障可被考慮為是暫時的。在這種情況下，電池將不被永久性地失效掉，並且所添加的開關將被再次閉合。然而，這個解決方案具有較高的成本和功率劣勢。特別的，這個解決方案由於需要額外的開關從而增加了電池組的損耗並且增加了電池內部的功率消耗，由此增加了電池組的內部溫度並且降低了系統可得到的電池容量。

發明內容
本發明提供了一種通過測量輸入充電電壓來檢驗智能電池的充電故障的方法以及相關的系統。在一個實施例中，如下面更具體地描述的，本發明通過利用模擬轉數字(A/D)埠測量輸入的充電電壓來確定充電電流是否指示電池故障。只要所測量的輸入充電電壓低於電池組電壓或者某個設定的電壓值，無論哪一個值較高，BMU將認為充電電流檢測是錯誤的故障表示。如果所測量的充電電壓高於電池組電壓或者一個設定的電壓值，無論哪一個值較低，BMU將會認為充電電流檢測是真實的故障表示。如期望的那樣，然後BMU可以使該電池失效或者在使該電池失效之前執行其它檢驗。


應該注意附圖僅僅闡釋了本發明的典型實施例並且因此不認為限制它的範圍，因為本發明可以允許其它等效實施例。
圖1是信息處理系統的框圖，該信息處理系統具有經由AC/DC轉換器或者從電池汲取(draw)功率的能力，所述電池能夠通過AC/DC轉換器進行充電。
圖2是根據本發明的智能電池的框圖，所述智能電池利用輸入的充電電壓檢測非永久性充電故障。
圖3是能夠利用輸入電壓檢測而用在確定非永久性充電故障中的實例處理步驟的流程圖。
具體實施例方式
為了本公開的目的，信息處理系統可以包括任何手段或者手段集合，以便可操作性地計算、分類、處理、傳輸、接收、取回、產生、轉換、存儲、顯示、顯現、檢測、記錄、再現、處置或者利用任何形式的信息、智能或者數據而用於商業、科學、控制或者其它的目的。例如，信息處理系統可以是個人計算機、伺服器計算機系統、網絡存儲裝置或者任何其它合適的裝置並且可以改變大小、形狀、性能、功能和價格。該信息處理系統可以包括隨機存取存儲器(RAM)、一個或者多個處理資源諸如中央處理單元(CPU)或硬體或軟體控制邏輯器件、ROM和/或其它類型的非易失性存儲器。該信息處理系統另外的組件可以包括一個或者多個盤驅動器，一個或者多個用於與外部裝置通信的網絡埠以及各種輸入和輸出(I/O)裝置諸如鍵盤、滑鼠和視頻顯示器。該信息處理系統也可以包括一個或者多個總線以便可操作性地在各種硬體組件之間傳輸通信。
本發明提供了一種通過測量輸入充電電壓而檢驗智能電池的充電故障的方法以及相關的系統。在下面更具體描述的實施例中，利用模擬轉數字(A/D)埠測量輸入的充電電壓來確定充電電流是不是電池故障的表示。只要測量的輸入充電電壓低於電池組電壓或者某個設定電壓值，無論哪一個值較高，電池管理單元(BMU)將認為充電電流檢測是錯誤的故障表示。如果所測量的充電電壓高於電池組電壓或者一個設定的電壓值，無論哪一個值較低，BMU將認為充電電流檢測是真實的故障表示。然後BMU能夠使該電池組失效或者在使該電池失效之前執行其它的檢驗步驟。應該注意所設定的電壓級能被編程，如果希望如此，並且所設定的電壓級對於3個電池的組是7.5伏而對於4個電池的組是10伏。
圖1是信息處理系統150的框圖，該信息處理系統150具有經由AC/DC轉換器108或者從電池102汲取功率的能力，所述電池102能夠通過AC/DC轉換器108進行充電。在所述的實施例中，負載106表示信息處理系統150中的裝置和電路，所述裝置和電路由電池102或者經由AC/DC轉換器108驅動或者提供電力。插頭130被配置以插進牆裝插座中，所述牆裝插座耦接到交流(AC)電力網或者其它AC電源。該AC/DC轉換器108將AC電源轉換為直流(DC)電源。該AC/DC轉換器108的負極端子114B耦接到地。AC/DC轉換器108的正極端子114A經由開關124、保護電阻器(R)120和開關126耦接到負載106的正極端子118A。負載106的負極端子118B耦接到地。電池102也將負極端子112B耦接到地。電池102的正極端子經由雙向開關122耦接到負載106的正極端子118A和充電器104的正極端子116A。電池102也包括電壓輸入模數轉換器(ADC)100，其將在下面對其進行更具體的描述。充電器104的負極端子116B耦接到地。充電器104也經由保護電阻器(R)120和開關124耦接到AC/DC轉換器108的正極端子114A。
在AC電源運行模式中，開關124和126被閉合，並且負載106經由插頭130從AC電源獲取電力。此外，開關122連接到充電器104的正極端子116A以便電池102能夠被充電。如果電池102確實需要充電，用於該電池102的BMU將啟動電池102的充電運行模式。在電池的運行模式下，開關124和126被斷開，並且開關122連接到負載106的正極端子118A。因此，負載106由電池102提供電力。在這個運行模式下，用於電池102的BMU將啟動電池102的放電運行模式。
圖2是根據本發明的智能電池102的框圖，所述智能電池102測量輸入的充電電壓以檢測非永久充電故障。如上所述，BMU 212包括微控制器205和AFE電路202。BMU 212經由開關216連接到C-FET 218並且經由開關214連接到D-FET 220。在充電運行期間通過閉合開關216接通C-FET 218而在放電運行期間通過斷開開關216關掉C-FET218。例如可以使用在它的源極和漏極之間連接有二極體的NMOS功率MOSFET來實現C-FET 218，以在充電運行期間避免電流流進電池組208。在放電運行期間通過閉合開關214接通D-FET 220而在充電期間通過斷開開關214關掉D-FET 220。例如可以使用在它的源極和漏極之間連接有二極體的NMOS功率MOSFET來實現D-FET 220，以在充電運行期間避免電流從電池組208流出。失效保險絲206從正極端子112A耦接進輸入/輸出通路，使得當失效保險絲206熔斷時電池102永久地失效。如所描述的那樣，BMU 212中的微控制器205被配置為給失效保險絲206提供將引起所述保險絲熔斷的控制信號。電流感應電阻器(RCURRENT)210被包括在負極端子112B和電池組208之間的輸入/輸出通路中。模擬前端(AFE)電路202是BMU 212的一部分並且耦接到電池組208。AFE電路202和微控制器205能夠經由連接215而通信。AFE電路202能夠被配置為經由連接222，例如經由AFE電路202中的模數轉換電路來檢測電池組208的電壓條件。同時應該注意，如果需要，也可以利用電壓輸入ADC 100檢測電池組電壓。如所描述的那樣，電池組包括串聯連接的三個電池。
AFE電路202包括電流輸入ADC 204和電壓輸入ADC 100。電流輸入ADC 204的輸入耦接到電流感應電阻器(RCURRENT)210的任一側。流經電流感應電阻器(RCURRENT)210的電流值能夠被確定，例如通過對電流感應電阻器(RCURRENT)210兩端的電壓降進行數位化，然後除以已知的電阻器(RCURRENT)210的值來確定。電壓輸入ADC 100的輸入耦接到電池102的正極端子112A和負極端子112B。同樣地，電壓輸入ADC 100能夠將輸入端子處的電壓數字值提供給電池102。如上所示，可以使用電壓輸入ADC 100來檢測作為由微控制器205控制的故障檢測檢驗程序的一部分的施加到電池102的輸入充電電壓。
圖3是能利用輸入電壓檢測用在檢驗充電故障中的實例處理步驟的流程圖。在所述的實施例300中，該流程在START方塊302處開始。緊接著，在決定方塊304中，通過使用電流輸入ADC 204來檢測充電電流。在描述的實施例中，已經選取10毫安(mA)作為閾值，高於這個閾值將認為充電電流事件已經發生。如果所檢測的電流低於10mA，那麼流程進入方塊318，在這裡確定電池組是正常功能狀態。然後流程進入結束方塊322。應該注意，如所期望的那樣，可以根據所期望的運行反應來設置電流的閾值。例如可以選取1mA作為閾值級用於實施例300。
如果在決定方塊304中檢測的電流高於10mA，那麼進入到決定方塊306。如果電池處於充電模式，那麼流程穿過方塊318，在這裡如上所述該處理結束。如果電池不是處於充電模式，那麼將認為已經檢測到可能的電池故障。換句話說，當應該沒有電流存在時，則檢測到充電電流。那麼處理進入到方塊308。應該注意如果需要，那麼可以去除決定方塊306，並且圖3的充電故障檢驗步驟僅當電池不處於充電模式時被執行。另外應該注意如果需要，在不偏離本發明的情況下可以實施其它的運行變化和時間變化。
一旦可能的充電故障已經被表示，方塊308就是啟動故障檢驗的步驟。在方塊308中，D-FET被關掉，並且通過電壓輸入ADC 100來測量端子電壓。然後流程進入到決定方塊310。如果所測量的端子電壓大於電池組208的電池組電壓並且大於所設定的電壓級如7.5伏，那麼將認為已經檢驗到充電故障。然後處理將進入決定方塊312的第二次檢驗步驟。在決定方塊310中，如果測量的端子電壓低於電池組208的電池組電壓並且低於所設定的電壓級如7.5伏，那麼充電電流檢測將被認為是錯誤的檢測，並且將進入到用於錯誤檢測的檢驗的方塊320。在方塊320中，將會啟動時間延遲，在時間延遲之後D-FET回到接通狀態。然後繼續回到決定方塊304以確定是否仍然存在高於閾值的充電電流。應該注意方塊320的時間延遲能夠被設定為所期望的。
關於第二次檢驗步驟，當從決定方塊310到達決定方塊312時，啟動時間延遲，在該時間延遲之後使用電流輸入ADC 204再次檢測輸入充電電流。如果這個充電電流高於閾值級如10mA，那麼對於所述實施例，電池故障被認為是存在的。流程繼續進入到方塊314，在這裡例如使用失效保險絲206使電池永久地失效。在決定方塊312中，如果充電電流低於閾值級，那麼流程進入到方塊316，在這裡接通D-FET。然後流程繼續進入到方塊318，在這裡如上所述該處理結束。
因此，在運行中關於圖3的實施例300存在三個基本階段。第一個階段是充電電流監控階段，其餘兩個階段是故障檢驗階段。在第一個階段，使用電流輸入ADC 204監控輸入的充電電流。當檢測到高於所選取的閾值的充電電流時，即某一級別的充電電流流進了電池組208時，則檢查電池的運行模式以查看它是否是充電模式。如果電池不處於充電模式，那麼啟動故障檢驗處理。第一故障檢驗利用電壓輸入ADC100來確定電池102的輸入端子112A和112B處的電壓。如果這個電壓低於電池組電壓或者所選取的電壓級，那麼在非充電運行模式期間充電電流檢測被認為是錯誤的故障檢測。流程然後回到監控階段。然而，如果所檢測的電壓高於電池組電壓和所選取的電壓級，那麼進入第二故障檢驗步驟。該第二故障檢驗步驟利用電流輸入ADC 204來確定在所選取的時間延遲之後是否仍然存在高於閾值的充電電流。如果不存在，那麼已經發生的是錯誤故障檢測。如果存在，那麼故障被確定並且使電池失效。
由本描述來看，本發明另外的實施例和可選實施例對於本領域的普通技術員來說將是明顯的。因此，應該認識到本發明不受這些實例配置的限制。因此，本描述被解釋為僅僅為了闡釋以及為了教導本領域普通技術人員執行本發明的方式的目的。應該理解這裡示出的和描述的本發明的形式被視為目前的優選實施例。在執行中和體系結構中可以做出各種改變。例如這裡舉例的和描述的這些元件可以由等效的元件取代，並且可以獨立於其它特徵的使用而使用本發明的確定特徵，在具有本發明的這個描述的權益之後所有所述這些對於本領域的普通技術人員來說將是顯而易見的。
權利要求
1.一種用於檢驗信息處理系統的電池中的故障的方法，其包括監控電池的充電電流，該電池包括耦接在電池的輸入和電池的電池組之間的放電電晶體(D-FET)；當檢測到高於所期望的電流閾值級的充電電流時並且當該電池不是處於充電模式時，關掉D-FET，如果D-FET是接通的，則測量電池的輸入端電壓級，之後且利用輸入端子電壓級測量以幫助確定所檢測到的充電電流是否表示充電故障。
2.如權利要求1所述的方法，其進一步包括利用充電電流測量以幫助確定所檢測到的充電電流是不是由於充電故障引起的。
3.如權利要求1所述的方法，其中僅僅只有當電池不處於充電模式時監控步驟才被實施。
4.如權利要求1所述的方法，其中不管電池是否處於充電模式監控步驟都被實施，並且進一步包括當檢測到充電電流時確定是否電池處於充電模式的步驟。
5.如權利要求1所述的方法，其中所期望的電流閾值級被設定為使得任何檢測到的充電電流將滿足這個條件。
6.如權利要求1所述的方法，其中所期望的電流閾值級高於大約1mA。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述利用進一步比較輸入端子電壓級和電壓閾值級的步驟，如果超過了電壓閾值級那麼確定充電故障可能已經發生，而如果沒有超過電壓閾值級那麼確定充電故障還沒有發生。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述電壓閾值級包括與電池的電池組相關聯的電壓級。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述電壓閾值級進一步包括與一個選取的值相關聯的第二電壓級，並且其中如果超過兩個電壓閾值級中的任一個，那麼認為充電故障已經發生，而其中如果兩個電壓閾值級沒有一個被超過，那麼認為充電故障還沒有發生。
10.如權利要求7所述的方法，其中如果充電故障被確定已經發生那麼在時間延遲之後重複監控步驟。
11.如權利要求7所述的方法，其中如果充電故障被認為已經發生，那麼該方法進一步包括在時間延遲之後利用充電電流測量以幫助確定是否測量的充電電流是由於充電故障引起的。
12.一種利用輸入的充電電壓檢驗充電故障的電池，其包括正極和負極輸入端子；被耦接以驅動正極和負極輸入端子的電池組；電池管理單元(BMU)，包括微控制器和模擬前端(AFE)電路；耦接在正極輸入端子和電池組之間並且被耦接為由BMU控制的充電電晶體(C-FET)；耦接在在正極輸入端子和電池組之間並且被耦接為由BMU控制的放電電晶體(D-FET)；耦接在負極輸入端子和電池組之間的電流感應電阻器；耦接到電流感應電阻器的電流輸入模數轉換器(ADC)；和耦接到正極和負極輸入端子的電壓輸入模數轉換器(ADC)；其中BMU被設置為利用來自電壓輸入ADC的充電電壓值來檢驗充電故障。
13.如權利要求12所述的電池，其中所述BMU被設置為監控電池的充電電流，並且被設置為當充電電流被檢測為高於閾值時且當電池不處於充電模式時檢驗充電故障。
14.如權利要求13所述的電池，其中所述BMU進一步被設置為如果充電電壓值高於閾值那麼確定充電故障可能已經發生。
15.如權利要求14所述的電池，其中所述BMU進一步被設置為如果在時間延遲之後充電電流高於閾值那麼確定充電故障已經發生。
16.如權利要求15所述的電池，進一步包括失效保險絲，並且其中BMU被設置為如果BMU確定充電故障已經發生那麼熔斷失效保險絲。
17.一種被設置為由電池或者由交流轉直流(AC/DC)轉換器提供電力的信息處理系統，其包括交流轉直流(AC/DC)轉換器；耦接到AC/DC轉換器的負載，該負載表示信息處理系統的耗能電路；耦接到AC/DC轉換器的充電器；耦接到充電器並且耦接到負載的電池，該電池包括正極和負極輸入端子；被耦接以驅動正極和負極輸入端子的電池組；電池管理單元(BMU)，其包括微控制器和模擬前端(AFE)電路；耦接在正極輸入端子和電池組之間並且被耦接為由BMU控制的充電電晶體(C-FET)；耦接在正極輸入端子和電池組之間的並且被耦接為由BMU控制的放電電晶體(D-FET)；耦接在負極輸入端子和電池組之間的電流感應電阻器；耦接到電阻器的電流輸入模數轉換器(ADC)；和耦接到正極和負極輸入端子的電壓輸入模數轉換器(ADC)；其中所述BMU被設置為利用來自電壓輸入ADC的充電電壓值來檢驗充電故障。
18.如權利要求17所述的信息處理系統，其中BMU被設置為監控電池的充電電流，並且被設置為當檢測到高於閾值的充電電流時且當電池沒有處於充電模式時檢驗充電故障。
19.如權利要求18所述的信息處理系統，其中所述BMU進一步被設置為如果充電電壓值高於閾值那麼確定充電故障可能已經發生。
20.如權利要求19所述的信息處理系統，其中所述BMU進一步被設置為如果在時間延遲之後充電電流高於閾值，那麼確定充電故障已經發生。
全文摘要
本發明公開了一種通過測量輸入充電電壓和相關系統來檢驗智能電池的充電故障的方法和相關系統。在一個實施例中，通過利用模擬轉數字(A/D)埠測量輸入的充電電壓來確定充電電流是不是指示電池故障。只要所測量的輸入充電電壓低於電池組電壓或者某一設定電壓值，無論哪一個值較高，BMU將認為充電電流檢測是錯誤的故障表示。如果測量的充電電壓高於電池組電壓或者設定的電壓值，無論哪一個值較低，BMU將認為充電電流檢測是真實的故障表示。如所期望的那樣，然後BMU能夠使電池失效或者在使電池失效之前執行其它檢驗步驟。
文檔編號G01R31/00GK1794001SQ200510135119
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月23日 優先權日2004年12月23日
發明者王力工, 朱光勇 申請人:戴爾產品有限公司