電池組的殘餘電容量的測量校正裝置與方法

2023-09-21 00:02:10

專利名稱：電池組的殘餘電容量的測量校正裝置與方法
技術領域：
本發明涉及一種電池組的殘餘電容量的測量校正裝置與方法，特別是利用充放電時機的設計得到正確的最低電量位置。
背景技術：
在使用可攜式電子設備時，電池容量是關係使用時間的重要參考依據，使用者往往通過顯示屏幕上的電池容量指針提供的信息得知電池容量。而此電池容量的指針更是通過系統內部電路偵測電池容量，或通過接口要求電池組殘餘容量信息，經數據總線傳至系統，並配合系統內的電源管理機制於不同的電量下產生不同的處理手段。舉例來說，如微軟的窗口作業系統繫於電池電力剩下全部電量的百分的十時
發出低電量(battery low)信息，更於電力剩下全部電量的百分之四時，強制電腦系統進入待機模式(standby mode)或是休眠模式(sleepmode)。
但是，可能在電池多次充放電後因為電池的記憶效應(memoryeffect)或累積誤差造成電池殘餘電量的偵測值與顯示值的誤差，如果電池容量的偵測出現誤差，或是缺少校正機制時，整個系統的電源管理將出現嚴重的危害，如系統低電量的偵測錯誤使系統沒有實時進入待機模式或是數據保存的模式，而造成系統損毀。
如圖1顯示在理想電壓內充放電的曲線圖，其中顯示在理想狀態下，電池的充電與放電的曲線在全充電電壓(Full Charge Voltage)與全放電電壓(End of Discharge Voltage)之間來回，電池容量可由全放電電壓充電到全充電電壓，亦能由全充電電壓放電至全放電電壓。
而圖2則顯示在來回重複充放電時，因為電池記憶效應、累積誤差及其它因素，將產生電量測量誤差、溫度校正誤差，或自身放電校正誤差，如圖中所示的實線與虛線來看，在連續充放電時，充放電的曲線將慢慢偏離全充電電壓(電量100%)與全放電電壓(電量0%)，誤差也可能愈來愈大，導致電池容量的測量誤差也愈大。
圖3顯示因為上述誤差更導致充電無法到達全充電電壓，放電亦無法達到全放電電壓的情況，造成電池實際上充滿電與放完電的狀態並非與系統(尤指電腦系統)認定的狀態一致，因而導致系統因為錯誤電力的判斷而發生損壞。圖4為公知技術電池充放電誤差致使系統判斷錯誤的曲線圖，圖式的全充電電壓為電池容量在100%的位置，全放電電壓為電池容量在
0%的位置。然而在電池多次充放電之後，且如圖中所示點a所指的位
置，在未放完電時即進行充電，如此重複多次，將使電池在電量的判斷產生誤差，而如果最低電量的位置設定錯誤，可能減少電池壽命，甚至因為電量判斷錯誤而損壞系統。
舉例來說，如電腦系統中的Windows⑧作業系統於殘餘電量剩下10%時發出低電力警告信息(battery low alarm)，如圖中點b所示，而於殘餘電量剩下4%時發出電量耗盡警告信息(battery dead alarm),如圖中點c所示，此時為了保護電腦系統所暫存的數據，將自動進入待機模式(standby mode)。因此，如果電池電量因為前述的誤差而判斷錯誤，將可能造成系統來不及進入待機模式而損毀，或是其它因為電力判斷錯誤產生的問題。

發明內容
一般顯示於可攜式裝置系統中電池電量的指標並沒有考慮電池殘餘效應，僅以預設的電池電量作為該系統(或是其中作業系統)判斷電池電量是否到達充滿，低電量或是電量耗盡的狀態，進而驅使系統進入正常模式或是待機模式，然而， 一旦判斷的電量並非實際的電池電量時，將導致系統錯誤。本發明所提供的電池組的殘餘電容量的測量校正裝置與方法主要是針對充放電過程中電池剩餘電量的殘餘效應提出的解決方案，主要是利用不同於公知技術的充放電時機的設計，並於系統進入待機階段時，仍繼續放電至全放電電壓，並再重置一最小電量為零，以此為基準可判斷出更精確的電池電量。
為實現上述目的，本發明提供一種電池組的殘餘電容量的測量校
正方法，包括有
測量一電池組的電量；
一系統因電量耗盡而進入一待機模式；
判斷該系統是否連接一充電單元；
若該系統無連接該充電單元，則停止放電；
若該系統連接該充電單元，則執行內部放電；以及
當測量該電池組的電量至一全放電電壓時，重置一最小電量為零，
作為測量該電池組電量的一基準點。
本發明另提供一種電池組的殘餘電容量的測量校正方法，包括有測量一電池組的電量；
當該電池組的電量到達一低電量電壓時，通過一微控制單元對一
6系統發出一第一警示信號；
當該電池組的電量到達一電量耗盡電壓時，通過該微控制單元對 該系統發出一第二警示信號，該系統進入一待機模式；
該微控制單元判斷偵測是否該系統有連接一充電單元；
若該系統沒有連接該充電單元，則停止放電，並同時關閉一充電
開關；
若該系統有連接該充電單元，則執行內部放電；
當該電池組的電量到達一全放電電壓時， 一電池保護單元執行一 重置步驟，設定一最小電量為零，以作為測量該電池組電量的一基準 點；以及
該充電單元對該電池組充電。
本發明還提供了一種電池組的殘餘電容量的測量校正裝置，包括
有
一電池組；
一電池保護單元，電性連接於該電池組，用以防止該電池組免於 過充電、過放電與過電流的損害，並用於重置該電池組的一最小電量；
一充電開關，電性連接該電池保護單元，用於控制一充電單元對 該電池組充電的電路；
一放電開關，電性連接該電池保護單元，用於控制該電池組放電 的電路；
一微控制單元，電性連接該電池保護單元，用以偵測該校正裝置 是否有連接該充電單元，並產生一或多個電量信息；以及
一內部放電開關，電性連接該電池組與該微控制單元，控制該電 池組放電至一全放電電壓。
本發明所揭露的電池組的殘餘電容量偵測的校正裝置的較佳實施 例包括有一電池組，並電性連接至一電池保護單元，並用於重置該電 池組的一最小電量，更包括一充電開關，能用於控制一充電單元對該 電池組充電，接著有一放電開關，用於控制電池組放電的電路，再包 括一微控制單元，此微控制單元電性連接電池保護單元，用以偵測校 正裝置是否有連接充電單元，並能根據電量產生不同的電量信息，包 括低電量警示與電量耗盡警示等，另有一內部放電開關，連接電池組 與微控制單元，能控制電池組放電至一全放電電壓。
而其校正方法的較佳實施例步驟是先測量電池組的電量，當系統 因電量耗盡而進入待機模式時，會判斷系統是否連接充電單元，若系 統並沒有連接充電單元，則將停止放電，等到系統連接到充電單元時， 則開始內部放電，直到測量電池組的電量至一全放電電壓時，重置一最小電量為零，作為測量該電池組電量的一基準點。
其中較佳實施例是於電池組的電量到達低電量電壓時，將通過微 控制單元對系統發出警示信號，接著若電池組的電量到達電量耗盡電
壓時，則會通過微控制單元對系統發出另一警示信號，表示系統進入 待機模式。同樣地，若系統並無連接充電單元，此時不會放電，若微 控制單元判斷系統有連接充電單元，則執行內部放電，並於電池組的 電量到達全放電電壓時，其中的電池保護單元將執行一重置步驟，設 定最小電量為零，以作為測量該電池組電量的一基準點，此時才開始 對電池組充電。
本發明所設計的充放電時機可以讓電池組達到全放電電壓，故能 完全發揮電池的效能，更能測量及顯示準確的殘餘電力。
綜上所述，本發明提供的電池組的殘餘電容量的測量校正裝置與 方法，主要是通過電池組的充放電行為產生校正的目的，於電池組電 量到達電量耗盡時，即使有連接外接電源，仍持續放電至全放電電壓， 並重置最小電量，使之後的電量測量能更準確。


圖1為公知技術於理想電壓內充放電的曲線圖2為公知技術電池充放電產生誤差的曲線圖3為公知技術電池充放電產生誤差的曲線圖4為公知技術電池充放電誤差致使系統判斷錯誤的曲線圖5為利用本發明的方法的充放電曲線圖6為本發明電池組的殘餘電容量的測量校正裝置的實施例示意
圖7顯示本發明電池組的殘餘電容量的測量校正方法流程圖； 圖8顯示本發明電池組的殘餘電容量的測量校正方法實施例的流 程圖。
主要元件附圖標記說明
點a， b, c, d, d，， e， f， g, h 電池組61 電池保護單元63 充電單元65 微控制單元67 測量單元69 開關601, 603， 605 電阻607
通訊端子609, 61具體實施例方式
一般應用於可攜式裝置時，尤其是針對可攜式的電腦系統，如筆 記型電腦、個人數字助理、移動通訊設備等，電力的使用是格外地重 要，而使用者又更倚賴系統中的作業系統所表示的殘餘電量指針，但 是顯示於系統中電池電量的指標並無考慮電池殘餘效應，僅以預設的 電池電量作為系統(或是其中的作業系統)判斷電池電量是否到達充 滿，低電量或是電量耗盡的狀態，進而驅使系統進入正常模式或是待 機模式。然而， 一旦判斷的電量並非實際的電池電量時，將導致系統 錯誤。本發明所提供的電池組的殘餘電容量的測量校正裝置與方法主 要是針對充放電過程中電池剩餘電量的殘餘效應提出的解決方案，主 要是利用不同於公知技術的充放電時機的設計，並於系統進入待機階 段時，仍繼續放電至全放電電壓，並再重置一最小電量為零，以此為 基準可判斷出更精確的電池電量。
圖5所示為利用本發明提供的方法的充放電曲線圖，其中縱軸表 示電池組的電量，100%為該電池組在全充電電壓的狀態，0%則表示該 電池組在全放電電壓的狀態，橫軸為時間軸，當中曲線表示在各時間 點的電池組容量狀態。
當中點d與d'為未到達電量耗盡階段(deadc叩acity)時即進行充 電的曲線，本發明所設計的充放電時機在電量未達耗盡且連接到外接 電源時，將仍進行充電，如點d與點d，之後的電壓曲線向上；點e則 表示電池組容量進入電量耗盡的階段，此時系統接收到電池組電量耗 盡的信號時，將產生電池耗盡或相關的警示內容，或以聲響、畫面警 示系統使用者，而系統或是其中的作業系統隨即進入一待機模式或是 電源休眠的狀態。
點f表示在待機模式中該電池組(或未顯示圖中的電源管理系統) 並未連接到充電單元的時間。舉例來說，筆記型電腦需通過外部電源 轉接器(adapter),而此時內部電池已到達電量耗盡的電壓，卻沒有接 上外部電源。系統在點f所表示的時間則將維持一個待機所需的微小電 力，並無刻意放電；而點g表示系統有連接到充電單元，此時，系統 則先於點g與點h間進行放電，直到點h所表示的全放電電壓(End of Discharge Voltage),並且於點h的時刻，系統將重置(reset) —表示電 池組電量0%的最小電量，以消除電池組在待機前重複充放電產生的電 力殘餘效應或是電池記憶效應所造成的電力測量誤差，並接著以此重 置的最小電量作為基準，使系統能精確測量電池組的電量，並且目的 是能將準確的殘餘電力顯示於一殘餘電量顯示系統(Remaining capacity display system)中。之後，因為充電單元的電力支持，則進行充電的程序，如點h之後所顯示電壓向上的曲線。
因為上述經過本發明所設計的充放電時機可以讓電池組達到全放 電電壓，故能完全發揮電池的效能，更能測量及顯示準確的殘餘電力。
本發明為一種電池組的殘餘電容量的測量校正裝置與方法，特別 是利用充放電時機的設計得到正確的最低電量位置。
第六圖所示為實現上述充放電時機的電池組的殘餘電容量的測量 校正裝置的實施例，此實施例可為應用於使用電池的可攜式裝置(如 筆記型電腦、個人數字助理、移動通訊設備等)中的電源管理系統。
圖中顯示由一或多個電池元(cell)組成的電池組(pack) 61，尤 其是鋰電池組，電池組61通過所電性連接的電池保護單元63所保護， 主要是通過當中的電路設計防止電池組61免於過充電(overcharge)、 過放電(over discharge)與過電流(over current)產生的損害，比如當 電池組61發生過充電的時候，電池保護單元63將關閉充電開關603， 以停止充電；當電池組61發生過放電，或是有大電流產生時，電池保 護單元63則關閉放電開關601，以停止放電。並且，當電池組放電至 全放電電壓時，利用此電池保護單元63重置該電池組61的最小電量。
圖中的電池組61更電性連接至充電單元65，系統通過此處所示 的充電單元連接外部電源，如市電，但是充電單元65並非一直連接置 此電源管理系統，而是視情況連接。通過一電性連接電池保護單元63、 充電單元65與電池組61的充電開關603控制充電單元65對電池組61 充電的電路，當需要充電時，電池保護單元63將開啟(on)充電開關 603，使充電電流通過，進而對電池組61進行充電。
而另有一電性連接電池保護單元63、充電單元65與電池組61的 放電開關601，用於控制電池組61放電的電路，當需要進行放電時， 或是對系統負載(load)供電時，將通過電池保護單元63開啟(on) 放電開關601進行放電。
電源管理系統更包括一微控制單元67，此微控制單元67電性連 接電池保護單元63，上述充電開關603受控於微控制單元67，於系統 進入待機模式且系統已連接充電單元65時，微控制單元67即控制關 閉充電開關603，使充電單元65無法對電池組61充電，系統時序運作 直到電量到達全放電電量時，才開始充電。主要目的是通過信號控制 充電的時機，依據系統不同狀態產生停止充電的信號，或開始充電的 信號。
此微控制單元67可用以偵測是否有連接充電單元65，並通過測 量單元69所測量電池組61的電量產生一或多個電量信息，包括通過 顯示系統顯示的殘餘電量，包括到達低電量電壓時的警示信息，亦包 括電量到達電量耗盡電壓的警示信息。微控制單元67通過圖中所示的通訊端子609與611將電量信息傳遞置系統中的中央處理單元(CPU)。 於一實施例中，微控制單元67由測量單元69得知電池組61的電 量，測量單元69通過經過電阻器的壓降或是電流測量電池組61的電 量。而微控制單元67更電性連接一內部放電開關605，此內部放電開 關605連接一電阻607，並跨接於電池組61的兩極，主要是微控制單 元67藉以控制電池組61於電量耗盡並且有連接充電單元65時，主動 放電至全放電電壓。特別的是，電阻607的電阻值將左右內部主動放 電的速率。
上述微控制單元67主要是本發明藉以控制各個時間點的充電與 放電時機，以此達到更準確測量電池組61容量的目的。
圖7顯示本發明電池組的殘餘電容量的測量校正方法流程圖，步 驟S701表示在本電池運作的際持續通過上述測量單元測量電池組的電 量，並且微控制單元亦隨時由測量單元得知電池組的電量狀態，根據 各種電量狀態產生不同的充放電程序。
當系統進入待機模式時，表示電池組電量到達電量耗盡電壓(步 驟S703)，此時，系統亦停止放電，實施例通過電池保護單元關閉放電 開關。同時，微控制單元判斷是否有連接充電單元？(步驟S705)，若 是沒有連接充電單元，則關閉充電開關，維持電池組於待機模式(步 驟S707)。
步驟S709表示，若是微控制單元偵測到有充電單元連接此電源管 理系統，則將開啟內部放電開關，開始內部放電的程序，如通過當中 的電阻器放電。另外，在實際運作時，電阻值的大小需要考慮放電速 率(到達全放電電壓的時間不能太長)與系統溫度的變化(放電太快 造成溫度過高)，以得到適當的電阻值。接著，將持續放電至全放電電 壓，也就是電池組電量為0%的位置(步驟S711)。
系統於此時將重置此電池組的最小電量為0 (步驟S713)，才開始 充電(步驟S715)。另外，當充電到達一全充電電壓，設定此時電壓為 100%，為另一基準點，以確保殘餘電力偵測的正確性。
圖8則顯示此校正方法的較佳實施例的流程。電池管理模塊將於 流程中持續不斷地測量電池容量(步驟S801)，並隨時由微控制單元通 過測量單元判斷是否到達低電量電壓？(步驟S803)，如在此微控制單
元設定有低於一特定電量值則對系統發出低電量警示信號(步驟 S805)，在低電量警示後， 一般來說，此系統仍可持續運作，而微控制 單元仍隨時判斷電池組電量是否到達電量耗盡電壓？(步驟S807)，當 到達電量耗盡電壓時，微控制單元將以不同的形式產生警示，並通知 系統進入待機模式(步驟S809)或是其它類似的電源模式。
步驟進入S811，此時，微控制單元仍會以微小電力持續運作，並隨時通過負載的量來判斷系統是否連接充電單元？若是並未連接充電 單元，則進入不充電模式，系統保持在待機狀態之下(步驟S813);但 是，若偵測到系統連接有充電單元，微控制單元將開啟一內部放電開 關進行內部放電程序(步驟S815),並同時判斷是否到達全放電電壓？
(步驟S817)。
此時放電的速率將試整體系統而定，參考系統溫度、電力狀況等， 若無到達全放電電壓，即使有連接充電單元，微控制單元仍是控制不
充電，包括控制關閉充電開關，並且持續放電(步驟S819)，直到電池 組的電量到達全放電電壓時，此時系統將電量進行重置(reset),設定 最小電量為0 (步驟S821),以消除各種電池效應產生的誤差，同時將 開始充電(步驟S823)。之後，當充電到達全充電電壓，系統將重置， 設定一最大電量為100%,並作為測量電量的另一基準點，以確保殘餘 電力偵測的正確性。
但是以上所述僅為本發明的較佳可行實施例，非因此即局限本發 明的專利保護範圍，故凡運用本發明說明書及圖示內容所為的等效結 構變化，均同理包含於本發明的保護範圍內，特此說明。
權利要求
1. 一種電池組的殘餘電容量的測量校正方法，其特徵在於，包括有測量一電池組的電量；一系統因電量耗盡而進入一待機模式；判斷該系統是否連接一充電單元；若該系統無連接該充電單元，則停止放電；若該系統連接該充電單元，則執行內部放電；以及當測量該電池組的電量至一全放電電壓時，重置一最小電量為零，作為測量該電池組電量的一基準點。
2. 如權利要求1所述的電池組的殘餘電容量的測量校正方法，其 特徵在於所述的系統為一使用該電池組的電腦系統。
3. 如權利要求1所述的電池組的殘餘電容量的測量校正方法，其 特徵在於，於進入該待機模式時，該電池保護單元關閉一放電開關。
4. 如權利要求1所述的電池組的殘餘電容量的測量校正方法，其 特徵在於，若該系統無連接該充電單元，則關閉一內部放電開關，停 止放電，並同時關閉一充電開關。
5. 如權利要求1所述的電池組的殘餘電容量的測量校正方法，其 特徵在於，若該系統連接該充電單元，則開啟一內部放電開關，則開 始執行內部放電。
6. 如權利要求1所述的電池組的殘餘電容量的測量校正方法，其 特徵在於，當該系統進入該待機模式，且該系統已連接該充電單元時， 使用一微控制單元關閉一充電開關，使該充電單元無法對該電池組充 電。
7. 如權利要求1所述的電池組的殘餘電容量的測量校正方法，其 特徵在於，當測量該電池電量至該全放電電壓時，開始對該電池組充 電。
8. 如權利要求7所述的電池組的殘餘電容量的測量校正方法，其 特徵在於，當測量該電池組的電量至一全充電電壓時，重置一最大電 量為100%，作為測量該電池組電量的另一基準點。
9. 一種電池組的殘餘電容量的測量校正方法，其特徵在於，包括有測量一電池組的電量；當該電池組的電量到達一低電量電壓時，通過一微控制單元對一 系統發出一第一警示信號；當該電池組的電量到達一電量耗盡電壓時，通過該微控制單元對 該系統發出一第二警示信號，該系統進入一待機模式；該微控制單元判斷偵測是否該系統有連接一充電單元；若該系統沒有連接該充電單元，則停止放電，並同時關閉一充電開關；若該系統有連接該充電單元，則執行內部放電；當該電池組的電量到達一全放電電壓時， 一電池保護單元執行一 重置步驟，設定一最小電量為零，以作為測量該電池組電量的一基準 點；以及該充電單元對該電池組充電。
10. 如權利要求9所述的電池組的殘餘電容量的測量校正方法， 其特徵在於所述的系統為一使用該電池組的電腦系統。
11. 如權利要求9所述的電池組的殘餘電容量的測量校正方法， 其特徵在於，於進入該待機模式時，該電池保護單元關閉一放電開關。
12. 如權利要求9所述的電池組的殘餘電容量的測量校正方法， 其特徵在於，該電池保護單元於開啟該充電開關時，該充電單元對該 電池組充電。
13. 如權利要求9所述的電池組的殘餘電容量的測量校正方法， 其特徵在於，若該系統無連接該充電單元，該微控制單元關閉一內部 放電開關，停止放電，同時關閉該充電開關。
14. 如權利要求9所述的電池組的殘餘電容量的測量校正方法， 其特徵在於，若該系統連接該充電單元，該微控制單元開啟一內部放 電開關，開始執行內部放電。
15. 如權利要求9所述的電池組的殘餘電容量的測量校正方法， 其特徵在於，當充電至一全充電電壓時，重置一最大電量為100%，作 為測量該電池組電量的另I基準點
16. —種電池組的殘餘電容量的測量校正裝置，其特徵在於，包括有一電池組；一電池保護單元，電性連接於該電池組，用以防止該電池組免於過充電、過放電與過電流的損害，並用於重置該電池組的一最小電量;一充電開關，電性連接該電池保護單元，用於控制一充電單元對 該電池組充電的電路；一放電開關，電性連接該電池保護單元，用於控制該電池組放電 的電路；一微控制單元，電性連接該電池保護單元，用以偵測該校正裝置 是否有連接該充電單元，並產生一或多個電量信息；以及一內部放電開關，電性連接該電池組與該微控制單元，控制該電 池組放電至一全放電電壓。
17. 如權利要求16所述的電池組的殘餘電容量的測量校正裝置， 其特徵在於，更包括一電性連接該電池組與該微控制單元的一電量測 量單元，用以測量該電池組的電量。
18. 如權利要求16所述的電池組的殘餘電容量的測量校正裝置， 其特徵在於，更包括一電性連接該電池組的電阻，用以控制該電池組 的放電速率。
19. 如權利要求16所述的電池組的殘餘電容量的測量校正裝置， 其特徵在於所述的微控制單元具有一或多個通訊埠，藉以耦接至一 電腦系統。
20. 如權利要求19所述的電池組的殘餘電容量的測量校正裝置， 其特徵在於所述的微控制單元通過該通訊埠傳送該電量信息，包括 該電池組的電量到達一低電量電壓或一電量耗盡電壓的警示信號。
21. 如權利要求16所述的電池組的殘餘電容量的測量校正裝置， 其特徵在於所述的充電開關受控於該微控制單元，於該系統未進入該 待機模式，且該系統己連接該充電單元時，該微控制單元即關閉該充 電開關，使該充電單元無法對該電池組充電。
全文摘要
一種電池組的殘餘電容量的測量校正裝置與方法，主要是通過充放電的時機設定，讓此校正裝置能在每次電池組放電至一全放電電壓時進行重置為零的動作，能精確地測量電量並顯示出來，其中主要實施例是包括一電池組，並一電性連接電池組的電池保護單元，此電池保護單元於該電池組電量到達一全放電電壓時，能重置該電池組的最小電量，校正裝置更包括有控制充電單元對電池組的充電時機的充電開關，與控制電池組放電時機的放電開關，再包括一微控制單元，用以偵測校正裝置是否有連接充電單元，並能產生電量信息，再包括一內部放電開關，能控制電池組放電至全放電電壓。
文檔編號G01R31/36GK101477176SQ20081000042
公開日2009年7月8日 申請日期2008年1月4日 優先權日2007年12月3日
發明者奧藤忠司 申請人:加百裕工業股份有限公司;英屬維京群島商先進智慧工業有限公司