具調整感測器的感測時間之電池保護系統及其方法

专利摘要:
一種具調整感測器的感測時間之電池保護系統及其方法，透過控制信號致能至少其中一個感測條件以啟動相應的感測器來感測電池組的電池參數，以及根據電池參數及感測條件的時間參數生成間隔頻率以控制感測器的感測時間，用以達成提升電池使用壽命之技術功效。
公开号:TW201324909A
申请号:TW100146487
申请日:2011-12-15
公开日:2013-06-16
发明作者:Kuan-Yuen Liao；Shen-Wei Chen；Ching-Yu Peng
申请人:Metal Ind Res & Dev Ct；
IPC主号:Y02E60-00

专利说明:
具調整感測器的感測時間之電池保護系統及其方法
本發明為有關於一種具有感測器的電池保護系統及其方法，特別是指能夠根據感測結果控制感測器之具調整感測器的感測時間之電池保護系統及其方法。
近年來，隨著二次電池(亦稱為充電電池)的普及與蓬勃發展，使用者已經逐漸無法單純滿足於電池容量的提升，更開始對電池使用壽命有所要求，因此，如何提高電池使用壽命已成為各家廠商亟欲解決的問題之一。
一般而言，電池使用壽命會受到充電、放電及溫度......等各種因素的影響。舉例來說，放電深度越高，電池使用壽命越短。因此，在電池管理系統中通常具有感測器來監控電池組的各種電池參數，例如：使用電壓感測器來感測充/放電的電壓、使用電流感測器來感測充/放電的電流、使用溫度感測器來感測電池溫度......等等，用以避免電池組因為過充電、過放電或高溫而降低電池使用壽命。然而，持續進行感測的感測器同時也會產生功耗及熱量，其功耗在電池殘電量耗盡時將造成過放電，而感測器運作時產生的熱量則會增加電池溫度，這兩者都將對電池使用壽命造成不利的影響。
有鑑於此，便有廠商提出根據溫度感測器所感測到的電池溫度來調節充電電流，藉以解決溫度影響電池使用壽命的問題，例如：美國專利公告號「US 5,214,370」所揭示的「Battery charger with thermal runaway protection」，另外，亦有廠商提出根據電壓感測器所感測到的電壓來進行過充電及過放電保護，例如：美國專利公告號「US 5,530,336」所揭示的「Battery protection circuit」。不過，上述方式必須皆未考量感測器運作時所造成的影響，故仍然無法有效解決感測器影響電池使用壽命的問題。
綜上所述，可知先前技術中長期以來一直存在感測器影響電池使用壽命之問題，因此實有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。
有鑒於先前技術存在的問題，本發明遂揭露一種具調整感測器的感測時間之電池保護系統及其方法。
本發明所揭露之具調整感測器的感測時間之電池保護系統，其包含：感測單元、儲存單元及微控制單元。其中，感測單元包含感測器，每一感測器與一電池組電性連接，所述感測單元根據一組致能信號選擇啟動至少其中一個感測器以感測電池組的電氣特性並生成一組電池參數；儲存單元用以儲存感測條件，每一感測條件對應不同的感測器，並且分別包含時間參數；微控制單元用以電性連接感測單元及儲存單元，並且根據控制信號致能至少一個感測條件以產生及發送致能信號，以及在接收到電池參數後，依電池參數及時間參數進行計算以產生間隔頻率，並根據間隔頻率發送致能信號以調整啟動的感測器之感測時間。
至於本發明之具調整感測器的感測時間之電池保護方法，其步驟包括：於儲存單元儲存感測條件，每一感測條件對應不同的感測器並且分別包含時間參數；接收控制信號致能至少其中一個感測條件以產生及發送一組致能信號；根據致能信號選擇啟動至少一個感測器以感測電池組的電氣特性並產生一組電池參數；當電池參數產生後，依電池參數及時間參數進行計算以產生間隔頻率，並根據此間隔頻率發送致能信號以調整啟動的感測器之感測時間。
本發明所揭露之系統與方法如上，與先前技術之間的差異在於本發明是透過控制信號致能至少其中一個感測條件以啟動相應的感測器來感測電池組的電池參數，以及根據電池參數及感測條件的時間參數生成間隔頻率以控制感測器的感測時間。
透過上述的技術手段，本發明可以達成提高電池使用壽命之技術功效。
以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。
在說明本發明所揭露之具調整感測器的感測時間之電池保護系統及其方法之前，先對本發明所自行定義的名詞作說明，本發明所述的感測條件是用以指定感測電池組的電壓、電流、溫度及內電阻等設定，而其包含的時間參數則是使用者自行指定的時間範圍、時間間隔......等等，舉例來說，假設感測條件為“溫度”，代表欲感測電池組的電池溫度，而其包含的時間參數為“20；5”，則可代表每隔二十秒感測一次，每次持續五秒鐘，稍後將對如何使用感測條件及其包含的時間參數作詳細說明。
以下配合圖式對本發明具調整感測器的感測時間之電池保護系統及其方法作進一步說明，請參閱「第1圖」，「第1圖」為本發明具調整感測器的感測時間之電池保護系統之系統方塊圖，此系統包含：電池組110、感測單元120、儲存單元130及微控制單元140。其中，電池組110用以提供電源，由於電池組的構成為習知技術，故在此不再多作贅述。
感測單元120包含有感測器，所述感測器至少包含電壓感測器、溫度感測器、電流感測器及內阻值感測器，每一個感測器與電池組110電性連接，此感測單元120根據一組致能信號選擇啟動至少其中一個感測器來感測電池組110的電氣特性並生成一組電池參數，舉例來說，假設有四個感測器由左至右依序排列，倘若致能信號為“1110”，則代表致能(Enable)由左至右第一個至第三個感測器，第四個感測器則禁能(Disable)。在實際實施上，其致能與禁能感測器的控制方式可透過金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor FET,MOSFET)來控制，而感測器更可具有工作模式與節能模式，也就是說在透過微控制單元140產生致能信號來啟動感測器時，以及感測器回傳電池參數給微控制單元140時為工作模式(即提供足夠的功率)，其餘時間則使感測器處於節能模式(即維持感測器最低需求的功率或切斷供應的電源)。
儲存單元130用以預先儲存有感測條件，每一感測條件對應不同的感測器，例如：感測條件為“電壓”則對應至電壓感測器、感測條件為“電流”則對應至電流感測器、感測條件為“溫度”則對應至溫度感測器及感測條件為“內電阻”則對應至內電阻感測器......等等。前述各感測條件皆分別包含有時間參數，由於前述自行定義的名詞中已對感測條件及時間參數作說明，故在此不再多作贅述。
微控制單元140用以電性連接感測單元120及儲存單元130，並且根據控制信號致能至少其中之一個感測條件以產生及發送致能信號來致能感測單元120中相應的感測器，舉例來說，假設儲存單元130存有四個感測條件依序為“電壓”、“電流”、“溫度”及“內阻值”，倘若控制信號為“1000”，則代表致能感測條件“電壓”；控制信號為“0100”則代表致能感測條件“電流”；控制信號為“0010”則代表致能感測條件“溫度”、控制信號為“0001”則代表致能感測條件“內阻值”；控制信號為“1001”則代表同時致能感測條件“電壓”及感測條件“內阻值”......等等，並以此類推至控制信號為“1111”代表同時致能四個感測條件。特別要說明的是，雖然本發明以上述舉例作說明，然而並未以此作限定，任何能夠透過控制信號致能至少其中一個感測條件的控制方式皆不脫離本發明的應用範疇。
承上所述，微控制單元140在接收到感測單元120所回傳的電池參數後，會將此電池參數及儲存單元130中的感測條件之時間參數進行計算，以便產生間隔頻率，並根據此間隔頻率發送致能信號至感測單元120以調整啟動的所述感測器之感測時間。舉例來說，假設感測單元120回傳的電池參數為溫度“50度”，則微控制單元140可將此電池參數與感測條件“溫度”所包含的時間參數，如：“0～30；20,5；10,8”進行計算，此時間參數中的“0～30”為標準溫度範圍、“20,5”代表在標準溫度範圍內時每隔二十秒感測一次，每次持續五秒鐘，“10,8”代表超過標準溫度範圍時每隔十秒感測一次，每次持續八秒鐘，由於此例中電池參數的溫度超過標準溫度範圍，因此計算結果會以每隔十秒感測一次，每次持續八秒鐘作為間隔頻率，並且根據此間隔頻率發送致能信號來調整感測器的感測時間。如此一來，即可依照電池組110的實際狀況來調整感測器的運作，避免感測器因持續運作所產生的功耗及熱量影響電池組的電池使用壽命。
特別要說明的是，本系統更可包含量測單元150用以電性連接微控制單元140，並且根據微控制單元140所接收到的電池參數計算電池使用狀況，如：電池殘電量(State of Charge,SOC)、電池健康狀態(State of Health,SOH)、電池壽命、電池老化係數......等等。接著，將計算出的電池使用狀況提供給微控制單元140調整間隔頻率，舉例來說，假設電池使用狀況為“差”，則將原先計算出的間隔頻率進行縮短間隔及延長感測時間的調整。另外，在實際實施上，所述控制信號可由控制端200透過傳輸線(如：RS-232)進行傳送，此控制端200還可用於編輯感測條件及其包含的時間參數，並且將編輯完成的感測條件及其包含的時間參數儲存至儲存單元130。
接著，請參閱「第2圖」，「第2圖」為本發明具調整感測器的感測時間之電池保護方法之方法流程圖，其步驟包括：於儲存單元130儲存感測條件，每一感測條件對應不同的感測器並且分別包含有時間參數(步驟210)；接收控制信號致能至少其中一個感測條件以產生及發送一組致能信號(步驟220)；根據致能信號選擇啟動至少一個感測器以感測電池組110的電氣特性並產生一組電池參數(步驟230)；當電池參數產生後，依電池參數及所述時間參數進行計算以產生間隔頻率，並根據此間隔頻率發送致能信號以調整啟動的感測器之感測時間(步驟240)。透過上述步驟，即可透過控制信號致能至少其中一個感測條件以啟動相應的感測器來感測電池組的電池參數，以及根據電池參數及感測條件的時間參數生成間隔頻率以控制感測器的感測時間。在實際實施上，更可根據電池參數計算電池使用狀況，並根據此電池使用狀況調整間隔頻率(步驟250)。所述電池使用狀況包含電池殘電量、電池使用近況(如：穩態或變動劇烈)......等等。
以下配合「第3圖」及「第4圖」以實施例的方式進行如下說明，請先參閱「第3圖」，「第3圖」為本發明具調整感測器的感測時間之電池保護之電路示意圖。在實際實施上，所述用於提供電源的電池組110可由多個電池單元(Cell)串聯組成；而感測單元120包含電壓感測器121、電流感測器122、溫度感測器123及內電阻感測器124，每一個感測器皆與電池組110電性連接，感測單元120根據一組致能信號選擇啟動至少其中一個感測器，如：啟動電壓感測器121，或同時啟動電壓感測器121及電流感測器122......等等。接著，被啟動的感測器會基於感測到電池組110的電氣特性來生成一組電池參數，舉例來說，假設同時啟動電壓感測器121及電流感測器122，那麼感測單元120在完成感測後所生成的一組電池參數將包含電池組110的電壓及電流數值，如：“3.6V；600mA”。特別要說明的是，此組電池參數可包含充/放電時的電壓、溫度、電流及內阻值。
前面提到，感測單元120會根據一組致能信號選擇啟動至少其中一個感測器，在實際實施上，這組致能信號是由微控制單元140根據控制信號致能的感測條件所產生，舉例來說，假設控制信號致能的感測條件為“電壓”及“電流”，並且透過控制信號輸入端傳送至微控制單元140，則微控制單元140會根據此控制信號產生相應的致能信號，並且將此致能信號發送至相應的感測器，如：電壓感測器121及電流感測器122，以便啟動所述感測器對電池組110的電壓及電流進行感測並取得相應的電池參數。特別要說明的是，所述根據控制信號致能感測條件是指微控制單元140根據控制信號從儲存單元130內選擇欲使用的感測條件。
接下來，微控制單元140會接收此電池參數，並且根據此電池參數及選擇使用的感測條件之時間參數進行計算以產生間隔頻率，以上例而言，假設電池參數為“3.6V；600mA”、選擇使用的感測條件“電壓”及“電流”所包含的時間參數分別為“4V；10,5；2,1”、“700mA；10,5；2,1”，則微控制單元140將判斷電壓“3.6V”在“4V”以下屬於標準範圍中，故選擇“10,5”作為間隔頻率，此間隔頻率將使電壓感測器121每十秒感測一次，每次感測五秒鐘；微控制單元140亦會判斷電流“600mA”在“700mA”以下屬於標準範圍中，故選擇“10,5”作為間隔頻率，此間隔頻率將使電流感測器122每十秒感測一次，每次感測五秒鐘。反之，倘若微控制單元140判斷電壓超過感測條件所設定的“4V”時，將選擇“2,1”作為間隔頻率，此間隔頻率將使電壓感測器121每二秒感測一次，每次感測一秒鐘；當電流超過“700mA”時，將選擇“2,1”作為間隔頻率，此間隔頻率將使電流感測器122每二秒感測一次，每次感測一秒鐘。特別要說明的是，本發明並未以上述舉例限定間隔頻率的產生方式，任何根據電池參數及時間參數產生間隔頻率的方式皆不脫離本發明的應用範疇。
在實際實施上，前述間隔頻率可再經由量測單元150進行二次計算及調整，舉例來說，量測單元150可根據微控制單元140接收到的電池參數，如：電壓、溫度、電流及內阻值......等等，用以計算電池使用狀況，如：電池殘電量、電池處於變動劇烈或穩態......等等。舉例來說，假設電池殘電量低於“50%”或為“變動劇烈”時，則可增加微控制單元140所計算間隔頻率，例如：將原先間隔頻率“10,5”調整成“8,5”，其代表由原先每十秒感測一次，每次感測五秒鐘的間隔頻率改變為每八秒感測一次，每次感測五秒鐘；反之，假設電池殘電量高於“50%”或為“穩態”時，則可降低微控制單元140所計算間隔頻率，例如：將原先間隔頻率“10,5”調整成“20,5”，其代表由原先每十秒感測一次，每次感測五秒鐘的間隔頻率改變為每二十秒感測一次，每次感測五秒鐘。換句話說，當電池殘電量越低或電池變動劇烈時，其間隔頻率(亦稱之為感測的頻率)將隨之增加，而當電池殘電量越高或電池處於穩定時，其間隔頻率將隨之減少。另外，在實際實施上，亦可當電池殘電量越低或變動越劇烈時，其間隔頻率將隨之減少，而當電池殘電量越高或電池處於穩定時，其間隔頻率將隨之增加，本發明並未對間隔頻率的增加或減少作限定，任何調整間隔頻率的方式皆不脫離本發明的應用範疇。
請參閱「第4圖」，「第4圖」為應用本發明於控制端設定感測條件之示意圖。前面提到，控制信號可透過控制端200經由傳輸線(例如：RS-232)進行傳送。在實際實施上，控制端200可為平板電腦、個人數位助理、個人電腦、......等計算機設備，所述控制信號可由控制端200依據使用者的設定而產生，舉例來說，使用者可執行應用程式以便在設定區塊300中透過勾選元件選擇欲致能的感測條件，同時可在此設定區塊300中設定每一感測條件的時間參數。接著，使用者在設定完成後可利用遊標點選確定按鍵310以產生相應的控制信號，並且在點選傳送按鍵330後將此控制信號依序經由傳輸線及控制信號輸入端傳送至微控制單元140。特別要說明的是，此控制端200更能夠將設定的感測條件及其包含的時間參數儲存至儲存單元130，以提供微控制單元140根據收到的控制信號致能相應的感測條件。
另外，雖然上述舉例係以控制端200依據使用者設定產生控制信號，但本發明並未以此為限，任何能夠產生用以致能至少其中一個感測條件的控制信號之方式皆不脫離本發明的應用範疇。
綜上所述，可知本發明與先前技術之間的差異在於透過控制信號致能至少其中一個感測條件以啟動相應的感測器來感測電池組的電池參數，以及根據電池參數及感測條件的時間參數生成間隔頻率以控制感測器的感測時間，藉由此一技術手段可以解決先前技術所存在的問題，進而達成提高電池使用壽命之技術功效。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
110．．．電池組
120．．．感測單元
121．．．電壓感測器
122．．．電流感測器
123．．．溫度感測器
124．．．內電阻感測器
130．．．儲存單元
140．．．微控制單元
150．．．量測單元
200．．．控制端
300．．．設定區塊
310．．．確定按鍵
320．．．清除按鍵
330．．．傳送按鍵
步驟210　於一儲存單元儲存至少一感測條件，每一感測條件對應不同的感測器並且分別包含一時間參數
步驟220　接收一控制信號致能所述感測條件至少其中之一以產生及發送一組致能信號
步驟230　根據該致能信號選擇啟動至少一感測器以感測一電池組的電氣特性並產生一組電池參數
步驟240　當該組電池參數產生後，依該組電池參數及所述時間參數進行計算以產生一間隔頻率，並根據該間隔頻率發送該組致能信號以調整啟動的所述感測器之感測時間
步驟250　根據該組電池參數計算一電池使用狀況，並根據該電池使用狀況調整該間隔頻率
第1圖為本發明具調整感測器的感測時間之電池保護系統之系統方塊圖。
第2圖為本發明具調整感測器的感測時間之電池保護方法之方法流程圖。
第3圖為本發明具調整感測器的感測時間之電池保護之電路示意圖。
第4圖為應用本發明於控制端設定感測條件之示意圖。
110．．．電池組
120．．．感測單元
130．．．儲存單元
140．．．微控制單元
150．．．量測單元
200．．．控制端

权利要求:
Claims (10)
[1] 一種具調整感測器的感測時間之電池保護系統，該系統包含：一感測單元，該感測單元包含至少一感測器，每一感測器與一電池組電性連接，該感測單元根據一組致能信號選擇啟動所述感測器至少其中之一以感測該電池組的電氣特性並生成一組電池參數；一儲存單元，用以儲存至少一感測條件，每一感測條件對應不同的感測器並且分別包含一時間參數；及一微控制單元，用以電性連接該感測單元及該儲存單元，並且根據一控制信號致能所述感測條件至少其中之一以產生及發送該組致能信號，以及在接收到該組電池參數後，依該組電池參數及所述時間參數進行計算以產生一間隔頻率，並根據該間隔頻率發送該組致能信號以調整啟動的所述感測器之感測時間。
[2] 如申請專利範圍第1項所述之具調整感測器的感測時間之電池保護系統，其中該系統更包含一量測單元，用以電性連接該微控制單元，並且根據該組電池參數計算一電池使用狀況，供該微控制單元根據該電池使用狀況調整該間隔頻率。
[3] 如申請專利範圍第1項所述之具調整感測器的感測時間之電池保護系統，其中所述感測器至少包含電壓感測器、溫度感測器、電流感測器及內阻值感測器。
[4] 如申請專利範圍第1項所述之具調整感測器的感測時間之電池保護系統，其中該組電池參數至少包含電壓、溫度、電流及內阻值。
[5] 如申請專利範圍第1項所述之具調整感測器的感測時間之電池保護系統，其中該控制信號係由一控制端透過傳輸線傳送至該微控制單元，該控制端更用以編輯所述感測條件及其包含的時間參數並儲存至該儲存單元。
[6] 一種具調整感測器的感測時間之電池保護方法，其步驟包括：於一儲存單元儲存至少一感測條件，每一感測條件對應不同的感測器並且分別包含一時間參數；接收一控制信號致能所述感測條件至少其中之一以產生及發送一組致能信號；根據該致能信號選擇啟動至少一感測器以感測一電池組的電氣特性並產生一組電池參數；及當該組電池參數產生後，依該組電池參數及所述時間參數進行計算以產生一間隔頻率，並根據該間隔頻率發送該組致能信號以調整啟動的所述感測器之感測時間。
[7] 如申請專利範圍第6項所述之具調整感測器的感測時間之電池保護方法，其中該方法更包含根據該組電池參數計算一電池使用狀況，並根據該電池使用狀況調整該間隔頻率的步驟。
[8] 如申請專利範圍第6項所述之具調整感測器的感測時間之電池保護方法，其中所述感測器至少包含電壓感測器、溫度感測器、電流感測器及內阻值感測器。
[9] 如申請專利範圍第6項所述之具調整感測器的感測時間之電池保護方法，其中該組電池參數至少包含電壓、溫度、電流及內阻值。
[10] 如申請專利範圍第6項所述之具調整感測器的感測時間之電池保護方法，其中該控制信號係由一控制端透過傳輸線進行傳送，該控制端更用以編輯所述感測條件及其包含的時間參數並儲存至該儲存單元。

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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TWI434448B|2014-04-11|

引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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TW100146487A|TWI434448B|2011-12-15|2011-12-15|具調整感測器的感測時間之電池保護系統及其方法|TW100146487A| TWI434448B|2011-12-15|2011-12-15|具調整感測器的感測時間之電池保護系統及其方法|