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CN110535199A - 电池装置及其操作方法 - Google Patents

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CN110535199A CN201810585050.9A CN201810585050A CN110535199A CN 110535199 A CN110535199 A CN 110535199A CN 201810585050 A CN201810585050 A CN 201810585050A CN 110535199 A CN110535199 A CN 110535199A
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Abstract

一种电池装置，包括至少一电芯，被配置以存储电力；以及一管理晶片，耦接至上述电芯，上述管理晶片控制上述电芯以固定功率放电，其中在上述管理晶片中设定有多个电压范围或多个电量范围，以及对应上述电压范围或电量范围的过放电电流保护值，在上述管理晶片检测且决定上述电芯的电压或电量落在上述电压范围或上述电量范围之一后，上述管理晶片将对应上述电压范围或电量范围的过放电电流保护值设定为上述电池装置当前的过放电电流保护值。

Description

电池装置及其操作方法
技术领域
本公开是关于一种电池装置，特别是关于可以调整过放电电流保护值的电池装置。
背景技术
锂离子电池是一种二次电池。现存的许多电子装置通过锂离子电池被提供电力，例如服务器、电动车、行动装置等等。锂离子电池有许多优点，例如较高的能量密度、较大的输出功率以及无记忆效应等等。
在具有锂离子电池的现存电池装置中，电池制造商建立了一些保护机制。举例来说，电池制造商设定了电池装置的放电电流不能超过一既定的C-rate(保护值)，以避免电池装置发生损坏或发生危险。
然而，现存的电池装置的电流保护点是固定的，电池装置多以固定电流来放电，并且电池装置的电压随着使用而下降，此造成电池装置的功率输出下降。因为电池装置的功率输出下降，电池装置所提供电力的电子装置的效能会下降。
因此，需要一种固定功率放电的电池装置，以保持电子装置的效能。对于这种固定功率放电的电池装置，需要有对应的保护值调整。
发明内容
本公开提供一种电池装置，此电池装置包括至少一电芯，被配置以存储电力；以及一管理晶片，耦接至上述电芯，上述管理晶片控制上述电芯以固定功率放电，其中在上述管理晶片中设定有多个电压范围或多个电量范围，以及对应上述电压范围或电量范围的过放电电流保护值，在上述管理晶片检测且决定上述电芯的电压或电量落在上述电压范围或上述电量范围之一后，上述管理晶片将对应上述电压范围或电量范围的过放电电流保护值设定为上述电池装置当前的过放电电流保护值。
本公开提供一种电池装置操作方法，此电池装置操作方法包括通过一管理晶片控制至少一电芯以固定功率放电，并且检测上述电芯的电压或电量；以及基于设定在上述管理晶片中的多个电压范围或多个电量范围，以及对应上述电压范围或电量范围的过放电电流保护值，在上述管理晶片检测且决定上述电芯的电压或电量落在上述电压范围或上述电量范围之一后，上述管理晶片将对应上述电压范围或电量范围的过放电电流保护值设定为上述电池装置当前的过放电电流保护值。
附图说明
为了使本公开的描述方式能涵盖上述的举例、其他优点及特征，上述简要说明的原理，将通过图式中的特定示例做更具体的描述。此处所示的图式仅为本公开的示例，并不能对本公开的范围形成限制，本公开的原理是通过附图以进行具有附加特征与细节的描述与解释，其中：
图1是为根据本公开实施例的电池装置的示意图。
图2A至图2D是是为电池装置的放电电流曲线图。
图3是为根据本公开实施例的电池装置的调整保护值的方法的流程图。
图4是为根据本公开实施例的电池装置的调整保护值的方法的流程图。
具体实施方式
本公开可呈现以多种不同实施形式。其表现于图式并于此进行详述。本公开的代表具体实施例是为用来了解本公开原理的示例或图式，并且不限制本公开所公开范围。举例来说，公开于摘要、先前技术、发明内容(但无明确设于申请专利范围)的范围、要素及限制，该范围、要素及限制不应单独地或集体地以暗示、推论或其他方式体现在申请专利范围。为本公开内容的详述目的，除非特定否认，单数词包含多个词，反之亦然。并且字词“包含”其意为“非限制性地包含”。此外，进似性的(approximation)用语例如“大约”、“几乎”、“相当地”、“大概”等，可用于本公开实施例，其意义上如“在、接近或接近在”或“在3至5％内”或“在可接受制造公差内”或任意逻辑上的组合。
图1是为根据本公开实施例的电池装置的示意图。电池装置100包括一或多个电芯102、管理晶片104、感测电阻106、至少一晶体管108、子管理晶片110、保险丝112。应了解在电池装置100中，亦可能采用其他配置以及不同物件或省略某此物件，并且电池装置100仅为一示例，并且不限制本公开。
电芯102可以存储电力。在此实施例中，电芯102是为锂离子电池。锂离子电池是一种充电电池(二次电池)，通过锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂离子电池的正极一般是由含有锂离子的金属氧化物组成，负极一般是由石墨构成的晶格。在充电时，锂离子向石墨的晶格移动。在放电时，锂离子向金属氧化物移动。锂离子进入正极(金属氧化物)的过程叫嵌入(intercalation)，离开的过程叫脱嵌(deintercalation)；锂离子进入负极(石墨的晶格)的过程叫插入(insertion)，离开的过程叫脱插(extraction)。
如图1所示，管理晶片104连接至电芯102，以检测电芯102的电压或电量。晶体管108耦接在电芯102与电池装置100的正极P+之间。管理晶片104连接至晶体管108，以控制晶体管108的开/关(导通/关闭)，从而控制电池装置100的充电与放电。举例来说，当电池装置100连接到一外部电源(例如，直流电源、或由交流电源转换而成的直流电源)，并且管理晶片104开启晶体管108时，可以使电芯102与外部电源相连，让接收到的电力可存储在电芯102。当管理晶片104关闭晶体管108时，可以使电芯102与外部电源断路，使电池装置100停止被充电。同样地，当电池装置100连接到一外部电子装置(例如行动装置)，并且管理晶片104开启晶体管108时，可以使电芯102与外部电源相连，让电池装置100提供电力至外部电子装置。当管理晶片104关闭晶体管108时，可以使电芯102与外部电子装置断路，使电池装置100停止提供电力。
管理晶片104是一种积体电路装置，其可以包括处理器、微处理器、控制器、记忆体、其他合适积体电路或上述的组合。管理晶片104可以检测电芯102(或电池装置100)的电压、电量、温度等，并且根据检测到的数据控制电池装置100。在本公开实施例中，管理晶片104可以控制电池装置100(或电芯102以固定功率放电。在一些实施例中，管理晶片104每一分钟检测一次电芯102。在其他实施例中，管理晶片104持续检测电芯102。
感测电阻106耦接至电芯102、管理晶片104以及电池装置100的负极P-，感测电阻106可以检测电池装置100的放电电流。在本公开实施例中，电子装置100连接到一外部电子装置(未图示)时，管理晶片104可以通过感测电阻106所检测的电池装置100的放电电流，检查放电电流是否超过当前所设定的保护值。当电池装置100的放电电流超过当前所设定的保护值时，管理晶片104关闭晶体管108，使电池装置100停止提供电力，以避免电池装置100发生损坏或发生危险。
在本公开实施例中，保护值的表示方式是C-rate，其意义等同于电流。在本公开实施例中，有各种保护值，例如过放电电流保护值、峰值放电电流保护值以及涌出放电电流保护值。C-rate与各种保护值的说明将于后续讨论。
保险丝112耦接在电芯102与晶体管108之间，子管理晶片110耦接至保险丝112、管理晶片104以及电芯102。子管理晶片110与保险丝112作为电池装置100的第二保护。举例来说，当主管理晶片104检测到晶体管108失效而无法关闭以使电池装置100停止提供电力时，主管理晶片104指示子管理晶片110断开保险丝112，使得电池装置100停止提供电力。
子管理晶片110亦是一种积体电路装置，其可以包括处理器、微处理器、控制器、记忆体、其他合适积体电路或上述的组合。
在本公开实施例中，电池装置100还包括多个引脚。如图1所示，电池装置100还包括时钟引脚SMBus_Clock、数据引脚SMBus_Data、识别引脚Battery_ID以及识别引脚System_ID。电池装置100可以通过时钟引脚SMBus_Clock与数据引脚SMBus_Data与电池装置100所提供电力的电子装置进行通讯。识别引脚Battery_ID可以使电池装置100所提供电力的电子装置识别电池装置100。识别引脚System_ID可以使电池装置100识别电池装置100所提供电力的电子装置。
在本公开实施例中，在管理晶片104的记忆体(未显示)中设定有多个电压范围或多个电量范围，以及对应电压范围或电量范围的保护值(过放电电流保护值、峰值放电电流保护值以及涌出放电电流保护值)。管理晶片104检测到电池装置100(电芯102)的当前电压或电量落在对应的电压范围或电量范围后，管理晶片104将对应电压范围或电量范围的保护值设定为当前电池装置100的保护值。后续将说明本公开实施例的保护值以及管理晶片104设定保护值的程序。
一般除了以安培(A)或毫安培(mA)表示电池装置的电流单位，亦使用C-rate(C)作为电流单位。C-rate与时间成反比。举例来说，1C代表在1小时内将电池装置的电量被全部释放，2C代表在0.5小时内将电池装置的电量被全部释放。在本公开实施例中，一个具有3000mAh电量的电池装置表示如果电池装置以3A放电，可以放电1小时。如果电池装置的放电电流为3A，代表以1C放电，如果电池装置的放电电流为6A，代表以2C放电。
下面的表格显示现有的电池装置的各种参数。
如上表所示，电池装置的电量为3000mAh，并且以固定电流6A放电(即以2C放电)。随着电池装置放电，电池装置的电压会下降。在此实施例中，电池装置的操作电压为4.4V至3V，当电池装置的电压小于3V时，电池装置会不能放电以保护其内的锂离子电池(电芯)。因此当电池装置的电压为4.4V时，定为电池装置的电量为100％，当电池装置的电压为3V时，定为电池装置的电量为0％。
如上表所示，电池装置的过放电电流保护值为2.1C，代表在电池装置稳定放电后，当电池装置的放电电流大于过放电电流保护值(2.1C)时(即放电不正常)，电池装置会停止提供电力，以避免电池装置发生损坏或发生危险。
电池装置的峰值放电电流保护值为2.63C，代表电池装置开始放电到稳定放电的期间，当电池装置的放电电流的峰值大于2.63C(即7.89A)，并且没有在10秒内达到稳定放电时，电池装置会停止提供电力。
电池装置的涌出放电电流保护值为3.47C，代表电池装置开始放电到稳定放电的期间，当电池装置的放电电流大于3.47C(即10.41A)，并且持续30毫秒时，电池装置会停止提供电力。后续将以图2A至图2D作为示例进一步显示电池装置的放电电流曲线图以说明过放电电流保护值、峰值放电电流保护值以及涌出放电电流保护值。
图2A是电池装置的放电电流曲线图，放电电流在0秒开始放电，并且在8秒达到稳定放电。在图2A中，在开始放电到稳定放电的期间，放电电流的峰值虽然有大于2.63C，但是在10秒内达到稳定放电(在8秒稳定放电)。因此，电池装置没有达到峰值放电电流保护值的条件而停止提供电力。另外，在开始放电到稳定放电的期间，放电电流虽然有大于3.47C，但是持续时间不超过30毫秒。因此，电池装置亦没有达到涌出放电电流保护值的条件而停止提供电力。
图2B是电池装置的放电电流曲线图，放电电流在0秒开始放电，并且在11秒达到稳定放电。在图2B中，在开始放电到稳定放电的期间，放电电流虽然有大于3.47C，但是持续时间不超过30毫秒。因此，电池装置没有达到涌出放电电流保护值的条件。然而，在开始放电到稳定放电的期间，放电电流的峰值大于2.63C，并且超过10秒才达到稳定放电(在11秒稳定放电)。因此，电池装置达到峰值放电电流保护值的条件而停止提供电力。
图2C是电池装置的放电电流曲线图，放电电流在0秒开始放电，并且在8秒达到稳定放电。在图2C中，在开始放电到稳定放电的期间，放电电流有大于3.47C，并且持续时间超过30毫秒。因此，电池装置达到涌出放电电流保护值的条件而停止提供电力。
图2D是电池装置的放电电流曲线图，放电电流在0秒开始放电，并且在8秒达到稳定放电。在图2D中，在开始放电到稳定放电的期间，放电电流的峰值虽然有大于2.63C，但是在10秒内达到稳定放电(在8秒稳定放电)。因此，电池装置没有达到峰值放电电流保护值的条件。另外，在开始放电到稳定放电的期间，放电电流虽然有大于3.47C，但是持续时间不超过30毫秒，电池装置没有达到涌出放电电流保护值的条件。然而，放电电流在8秒达到稳定放电后，放电电流在11秒大于过放电电流保护值2.1C，使得电池装置停止提供电力。
如上表所示，现有的的电池装置为以固定电流放电。然而，电池装置的电压随着使用而下降，此造成电池装置的功率输出下降。因为电池装置的功率输出下降，电池装置所提供电力的电子装置的效能会下降。因此，在本公开实施例中，管理晶片104控制电池装置100(或电芯102)以固定功率放电，保持了电子装置的效能，并且可以调整保护值以对应因为固定功率放电而上升的放电电流。
下面的表格显示本公开实施例的电池装置100的各种参数。
如上表所示，电池装置100的电量为3000mAh，并且以固定功率26.4W放电。随着电池装置100放电，电池装置100的电压会下降，并且电池装置100的放电电流会上升。如上面所述，在此实施例中，电池装置100的操作电压为4.4V至3V，当电池装置100的电压为4.4V时，电池装置的电量为100％，当电池装置100的电压为3V时，电池装置的电量为0％。应了解此电池装置100的参数数值仅为一示例，并不限于此。
如上面所述，电池装置100的放电电流会上升，因此电池装置100的保护值需要调整，以避免电池装置100的放电电流在通常操作中大于保护值，使得电池装置100停止提供电力。
如上表所示，在本公开实施例中，电池装置100的电压以及电量被分成四个范围，但不限于此。每一个电压以及电量范围分别对应三个保护值(即过放电电流保护值、峰值放电电流保护值以及涌出放电电流保护值)。举例来说，当电池装置100的电压在4.2V至3.8V以及电量在80％至41％时，对应的即过放电电流保护值为2.4C、峰值放电电流保护值为3C以及涌出放电电流保护值为3.96C。在本公开实施例中，如上面所述，电压以及电量范围与对应的保护值存储在管理晶片104的记忆体(未显示)中。在其他实施例中，电压范围、电量范围以及对应的保护值存储或设定在管理晶片104外部的记忆体中。
如上面所述，管理晶片104检测到电池装置100(电芯102)的当前电压或电量落在对应的电压范围或电量范围后，管理晶片104将对应电压范围或电量范围的保护值设定为当前电池装置100的保护值。举例来说，当管理晶片104检测到电池装置100的当前电压为4V时(在4.2V至3.8V之间)，管理晶片104将当前过放电电流保护值设定为2.4C、当前峰值放电电流保护值设定为3C以及当前涌出放电电流保护值设定为3.96C。因此，当电池装置100在电压4.2V至3.8V的区间中放电时，上升的放电电流不会大于过放电电流保护值2.4C(即7.2A)，使得电池装置100停止提供电力。
图3是根据本公开实施例的电池装置100的调整保护值的方法的流程图。在此实施例中，电池装置100的各种参数如上表所示。在操作302中，检测电池装置100是否有连接一交流电源。如果电池装置100连接一交流电源，在操作304中，电池装置100被充电。如果电池装置100没有连接一交流电源，在操作306中，检测电池装置100的电量是否大于0％(或电压大于3V)。如果电池装置100大于0％，在操作308中，电池装置100开始放电。如果电池装置100没有大于0％，在操作310中，电池装置100不放电。
电池装置100开始放电后，在操作312中，开始检测电池装置100的电压或电量。在一些实施例中，开始检测之后每一分钟再检测一次电池装置100的电压(或电量)。在其他实施例中，在开始检测之后，持续检测电池装置100的电压(或电量)。
在操作314中，检测电池装置100的电压是否小于4.2V(或电量是否小于81％)。如果电池装置100的电压小于4.2V，在操作316中，将对应电压范围4.2V至3.8V的保护值设定为当前保护值。举例来说，如果电池装置100的电压小于4.2V，管理晶片104将当前过放电电流保护值设定为2.4C、当前峰值放电电流保护值设定为3C以及当前涌出放电电流保护值设定为3.96C。
如果电池装置100的电压没有小于4.2V，在操作318中，将对应电压范围4.4V至4.2V的保护值设定为当前保护值。举例来说，如果电池装置100的电压没有小于4.2V，管理晶片104将当前过放电电流保护值设定为2.1C、当前峰值放电电流保护值设定为2.63C以及当前涌出放电电流保护值设定为3.47C。
在操作320中，检测电池装置100的电压是否小于3.8V(或电量是否小于41％)。如果电池装置100的电压小于3.8V，在操作322中，将对应电压范围3.8V至3.4V的保护值设定为当前保护值。举例来说，如果电池装置100的电压小于3.8V，管理晶片104将当前过放电电流保护值设定为2.6C、当前峰值放电电流保护值设定为3.25C以及当前涌出放电电流保护值设定为4.29C。
在操作324中，检测电池装置100的电压是否小于3.4V(或电量是否小于21％)。如果电池装置100的电压小于3.4V，在操作326中，将对应电压范围3.4V至3V的保护值设定为当前保护值。举例来说，如果电池装置100的电压小于3.4V，管理晶片104将当前过放电电流保护值设定为3C、当前峰值放电电流保护值设定为3.75C以及当前涌出放电电流保护值设定为4.95C。
在操作328中，检测电池装置100的电压是否小于3V(或电量是否达到0％)。如果电池装置100的电压小于3V，在操作330中，电池装置100停止提供电力。
图4是根据本公开实施例的电池装置的调整保护值的另一个方法的流程图。在操作402中，通过管理晶片控制电池装置(或电池装置中的电芯)以固定功率放电，并且检测电池装置的电压或电量。举例来说，通过管理晶片104控制电池装置100(或电芯102)以固定功率放电，并且检测电压或电量。
在操作404中，通过管理晶片检测且决定电压或电量落在哪一个电压范围或电量范围。其中，电压范围或电量范围是预先存储或设定在管理晶片的记忆体中，并且记忆体亦存储或设定对应电压范围或电量范围的保护值(过放电电流保护值、峰值放电电流保护值以及涌出放电电流保护值)。举例来说，当管理晶片104检测到电池装置100的当前电压为4V时，检测且决定落在4.2V至3.8V之间。
在操作406中，在检测且决定电压或电量落在哪一个电压范围或电量范围后，通过管理晶片将对应电压范围或电量范围的保护值设定为电池装置的当前保护值。举例来说，当管理晶片104因为检测到电池装置100的当前电压为4V时，检测且决定落在4.2V至3.8V之间后，管理晶片104将当前过放电电流保护值设定为2.4C、当前峰值放电电流保护值设定为3C以及当前涌出放电电流保护值设定为3.96C。
此处所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不限制本公开。如此处所使用的，除非上下文另外清楚的指出，否则单数形式“一”、“一个”以及“该”意旨在也包括多个形式。此外，就被用于详细描述及/或申请专利范围中的“囊括”、“包含”、“具有”、“有”、“含”或其变体的术语来说，这些术语旨在以相似于“包括”的方式而具有包容性。
除非另外定义，否则此处所使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与所属技术领域具有通常知识者通常理解的相同含义。此外，诸如在通用字典中定义的那些术语应该被解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义中相同的含义，并且不会被理解为理想化或过度正式，除非在此处有明确地如此定义。
尽管上面以描述了本公开的各种实施例，但应该理解它们仅作为示例呈现，而不是限制在此。在不背离本公开的精神或范围的情况下，可以根据此处的公开对所公开的实施例进行各种改变。因此，本公开的广度及范围不应受到任何上述实施例的限制。具体来说，本公开的范围应根据以下申请专利范围以及其等价物来定义。
虽然本公开已由一或多个实施例来呈现和描述，但是在阅读和理解本说明书及附图后，所属技术领域具有通常知识者将会想到等价的变化和修改。另外，尽管本公开的一个特定特征可能已公开在仅仅几个实施例中的一个，但这种特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征组合，此对于任何给定或特定应用可能为需要的或有利的。
[符号说明]
100～电池装置
102～电芯
104～管理晶片
106～感测电阻
108～晶体管
110～子管理晶片
112～保险丝
P+～正极
P-～负极
SMBus_Clock～时钟引脚
SMBus_Data～数据引脚
Battery_ID～识别引脚
System_ID～识别引脚
302-330～操作
402-406～操作

Claims (10)

1.一种电池装置，包括：
至少一电芯，被配置以存储电力；以及
一管理晶片，耦接至上述电芯，上述管理晶片控制上述电芯以固定功率放电，其中在上述管理晶片中设定有多个电压范围或多个电量范围，以及对应上述电压范围或电量范围的过放电电流保护值，在上述管理晶片检测且决定上述电芯的电压或电量落在上述电压范围或上述电量范围之一后，上述管理晶片将对应上述电压范围或电量范围的过放电电流保护值设定为上述电池装置当前的过放电电流保护值。
2.如权利要求1所述的电池装置，其中上述管理晶片中设定有对应上述电压范围或电量范围的峰值放电电流保护值，在上述管理晶片检测且决定上述电芯的电压或电量落在上述电压范围或上述电量范围之一后，上述管理晶片将对应上述电压范围或电量范围的峰值放电电流保护值设定为上述电池装置当前的峰值放电电流保护值。
3.如权利要求2所述的电池装置，其中上述管理晶片中设定有对应上述电压范围或电量范围的涌出放电电流保护值，在上述管理晶片检测且决定上述电芯的电压或电量落在上述电压范围或上述电量范围之一后，上述管理晶片将对应上述电压范围或电量范围的涌出放电电流保护值设定为上述电池装置当前的涌出放电电流保护值。
4.如权利要求3所述的电池装置，还包括：
至少一晶体管，耦接至上述电芯以及上述管理晶片，且上述电芯通过上述晶体管的导通而输出电力；以及
一感测电阻，耦接至上述电芯以及上述管理晶片，用以检测上述电池装置的放电电流，其中当上述电池装置的放电电流超过上述当前过放电电流保护值、上述当前峰值放电电流保护值或上述当前涌出放电电流保护值时，上述管理晶片关闭上述晶体管，使得上述电池装置停止提供电力。
5.如权利要求4所述的电池装置，还包括：
一保险丝，耦接至上述电芯以及上述晶体管；以及
一子管理晶片，耦接至上述电芯以及上述保险丝，其中当上述晶体管失效而无法关闭以使上述电池装置停止提供电力时，上述子管理晶片断开上述保险丝，使得上述电池装置停止提供电力。
6.一种电池装置操作方法，包括：
通过一管理晶片控制至少一电芯以固定功率放电，并且检测上述电芯的电压或电量；以及
基于设定在上述管理晶片中的多个电压范围或多个电量范围，以及对应上述电压范围或电量范围的过放电电流保护值，在上述管理晶片检测且决定上述电芯的电压或电量落在上述电压范围或上述电量范围之一后，上述管理晶片将对应上述电压范围或电量范围的过放电电流保护值设定为上述电池装置当前的过放电电流保护值。
7.如权利要求6所述的电池装置操作方法，还包括：
基于设定在上述管理晶片中的对应上述电压范围或电量范围的峰值放电电流保护值，在上述管理晶片检测且决定上述电芯的电压或电量落在上述电压范围或上述电量范围之一后，上述管理晶片将对应上述电压范围或电量范围的峰值放电电流保护值设定为上述电池装置当前的峰值放电电流保护值。
8.如权利要求7所述的电池装置操作方法，还包括：
基于设定在上述管理晶片中的对应上述电压范围或电量范围的涌出放电电流保护值，在上述管理晶片检测且决定上述电芯的电压或电量落在上述电压范围或上述电量范围之一后，上述管理晶片将对应上述电压范围或电量范围的涌出放电电流保护值设定为上述电池装置当前的涌出放电电流保护值。
9.如权利要求8所述的电池装置操作方法，还包括：
通过一感测电阻检测上述电池装置的放电电流，其中当上述电池装置的放电电流超过上述当前过放电电流保护值、上述当前峰值放电电流保护值或上述当前涌出放电电流保护值时，上述管理晶片关闭一晶体管，使得上述电池装置停止提供电力。
10.如权利要求9所述的电池装置操作方法，还包括：
当上述晶体管失效而无法关闭以使上述电池装置停止提供电力时，通过一子管理晶片断开一保险丝，使得上述电池装置停止提供电力。
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