CN104779665B - 一种可均衡充电的移动电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可均衡充电的移动电源，包括显示模块、由N个单电池串联构成的电池组、降压模块和充电管理模块，还包括处理器、电流采集电路、N个电压采集电路及N个电池均衡单元，其中N=2~5。本发明的移动电源具有均衡管理功能，采用电压采集电路及电池均衡单元即可解决移动电源电池组的不一致性问题，本发明结构简单，易于实现，可适用于大部分移动电源，有利于延长移动电源的使用寿命，增加安全系数。

Description

一种可均衡充电的移动电源

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种移动电源，尤其是一种可实现均衡充电的移动电源。

背景技术

现如今，智能手机、平板电脑等移动智能电子设备的快速发展给人的生活、工作带来了极大的方便，但是这些移动设备都需要一个能量供应中心——电池。现在大部分电子产品所用电池均为锂离子电池，锂离子电池的容量一般都不是很大，这一方面是技术上有所局限，另外也是考虑到安全的问题。而且现在电子设备的发展趋势都有一个共同的特点，就是屏幕越来越大，不断增大的屏幕将导致屏幕耗电功率也不断增加，屏幕是手机等移动设备的主要耗电源，因此电池续航便成为愈发突出的问题。

在这种背景下，移动电源应运而生，目前市场上大部分移动电源都是串联多节18650型号的锂离子电池来作为电芯，充电时候把手机适配器接上去，再经过一个充电管理电路来给串联的多节锂离子电池集体供电。然而，由于锂离子电池在生产或者安装时难免存在个体差异，且不同的放置位置对锂离子电池的工作温度也有影响，从而使锂离子电池之间产生性能差异，经过长时间的工作，随着循环次数的增多，不同锂离子电池的不一致性越来越大。电池组的不一致性是指在组内单体电池之间存在性能差异的现象，主要表现为电池之间的性能参数出现了不一致，如电池电压、容量、直流内阻、电池剩余电量SOC等方面，不一致性问题不仅会造成很多危害，而且是造成电池成组使用时性能下降的主要原因。首先在容量利用方面，电池组的容量受“短板效应”的影响，容量最小的电池决定了其他电池的放电量；其次在循环寿命方面，容量较小的电池长期工作于极限状态，产生恶性循环，容量衰减也变快；最后在功率输出方面，电池成组使用时，容量最小以及SOC(剩余电量)靠近两端的电池限制了电池组的充放电流和功率输出能力。严重的不一致性会导致当给移动电源充电时会出现有的电池过充，有的电池欠充的现象。长期以往，将使得移动电源性能越来越差，实际使用寿命大大降低甚至有爆炸的危险。因此很有必要通过均衡来维持电池组的各节电池一致性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现均衡充电的移动电源，以解决现有移动电源存在不一致性的问题。

本发明的可均衡充电的移动电源，包括显示模块、由N个单电池串联构成的电池组、降压模块和充电管理模块，还包括处理器、电流采集电路、N个电压采集电路及N个电池均衡单元，其中N＝2～5；

电池组的正极与降压模块的正输入端、充电管理模块的正输出端和电流采集电路的正输入端连接，降压模块的负输入端和充电管理模块的负输出端均与电流采集电路的采集端连接，电流采集电路的负输入端与电池组的负极连接并接地，电流采集电路的输出端连接处理器的一个A/D转换接口，N个单电池的N个正极分别与N个电压采集电路的正输入端连接，N个负极分别与N个电压采集电路的负输入端连接，N个电压采集电路的N个输出端分别与处理器的另外N个A/D转换接口连接，同时N个单电池的N个正极分别与N个电池均衡单元的正输入端连接，N个负极分别与N个电池均衡单元的负输入端连接，N个电池均衡单元的输出端分别与处理器的N个I/O输出口连接，处理器的另一个I/O输出口连接显示模块的输入端。

所述的处理器为Atmega8芯片。

所述的电流采集电路包括采样电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7和运算放大器U3，电流采集电路的正输入端连接负载R的一端，电流采集电路的负输入端连接采样电阻R4的一端，采样电阻R4的另一端、负载R的另一端及电阻R5的一端共接作为电流采集电路的采集端，电阻R5的另一端与运算放大器U3的反相输入端及电阻R6的一端连接，运算放大器U3的同相输入端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端接地，运算放大器U3的输出端与电阻R6的另一端连接作为电流采集电路的输出端。

所述的电压采集电路包括运算放大器U1、运算放大器U2、光耦O1、光耦O2、电容C1、电阻R1、电阻R2、和电阻R3，电压采集电路的正输入端连接运算放大器U1的同相输入端，电压采集电路的负输入端与光耦O2内二极管的负极和电阻R1的一端连接并接地，运算放大器U1的反相输入端与电容C1的一端、电阻R1的另一端和光耦O2内三极管的发射极连接，电容C1的另一端、运算放大器U1的输出端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与光耦O1内二极管的正极连接，光耦O1内二极管的负极连接光耦O2内二极管的正极，光耦O2内三极管的集电极连接+5V输入电压，光耦O1内三极管的集电极连接+5V输入电压，光耦O1内三极管的发射极和电阻R2的一端与运算放大器U2的同相输入端连接，电阻R2的另一端接地，运算放大器U2的反相输入端与运算放大器U2的输出端连接作为电压采集电路的输出端。

所述的电池均衡单元包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q2，电池均衡单元的正输入端与PNP型三极管Q2的发射极和电阻R10的一端连接，电池均衡单元的负输入端与电阻R11的一端连接并接地，电阻R11的另一端连接PNP型三极管Q2的集电极，PNP型三极管Q2的基极和电阻R10的另一端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与NPN型三极管Q1的集电极连接，NPN型三极管Q1的发射极接地，Q1的基极连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端作为电池均衡单元的输出端。

上述技术方案中，为使获得的电池组实时SOC更为准确，需要获得足够精确的采样电流，因此作为优选，所述的采样电阻R4阻值小于负载R阻值的1/10，所述的电阻R5阻值大于1000Ω，电阻R6阻值大于1000Ω。

为了解决移动电源电池组存在不一致性的问题，本发明基于的设计思路如下：采用开路电压法对电池组中的单电池进行实时电压采集，并将采集的电压转换为统一的对地电压，以便进行比较，同时对每节单电池设置均衡电路单元，当检测出某一节电池对地电压相对较高，达到预先设定的触发均衡的条件时，则处理器控制导通该节电池的均衡电路，实现均衡。此外，本发明还对电池组中的电流进行实时采集，处理器通过安时计量法得出电池组的实时SOC，进行显示。

本发明具有的有益效果是：

本发明的移动电源具有均衡管理功能，采用电压采集电路及电池均衡单元即可解决移动电源电池组的不一致性问题，本发明结构简单，易于实现，可适用于大部分移动电源，有利于延长移动电源的使用寿命，增加安全系数。

附图说明

图1为可均衡充电的移动电源的电路原理示意图。

图2为电流采集电路原理示意图。

图3为电压采集电路原理示意图。

图4为电池均衡单元原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1-4，本发明的可均衡充电的移动电源，包括显示模块1、由N个单电池串联构成的电池组2、降压模块3和充电管理模块4，其特征在于还包括处理器5、电流采集电路6、N个电压采集电路7及N个电池均衡单元8，其中N＝2～5；

电池组2的正极与降压模块3的正输入端、充电管理模块4的正输出端和电流采集电路6的正输入端连接，降压模块3的负输入端和充电管理模块4的负输出端均与电流采集电路6的采集端连接，电流采集电路6的负输入端与电池组2的负极连接并接地，电流采集电路6的输出端连接处理器5的一个A/D转换接口，N个单电池的N个正极分别与N个电压采集电路7的正输入端连接，N个负极分别与N个电压采集电路7的负输入端连接，N个电压采集电路7的N个输出端分别与处理器5的另外N个A/D转换接口连接，同时N个单电池的N个正极分别与N个电池均衡单元8的正输入端连接，N个负极分别与N个电池均衡单元8的负输入端连接，N个电池均衡单元8的输出端分别与处理器5的N个I/O输出口连接，处理器5的另一个I/O输出口连接显示模块1的输入端。

所述的处理器为Atmega8芯片。

所述的电流采集电路6包括采样电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7和运算放大器U3，电流采集电路的正输入端E1连接负载R的一端，电流采集电路的负输入端F1连接采样电阻R4的一端，采样电阻R4的另一端、负载R的另一端及电阻R5的一端共接作为电流采集电路的采集端C，电阻R5的另一端与运算放大器U3的反相输入端及电阻R6的一端连接，运算放大器U3的同相输入端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端接地，运算放大器U3的输出端与电阻R6的另一端连接作为电流采集电路的输出端G1。

上述的电流采集电路，为使采集的电流更加精确，采样电阻R4阻值最好小于负载R阻值的1/10，所述的电阻R5阻值大于1000Ω，电阻R6阻值大于1000Ω。

所述的电压采集电路7包括运算放大器U1、运算放大器U2、光耦O1、光耦O2、电容C1、电阻R1、电阻R2、和电阻R3，电压采集电路的正输入端E2连接运算放大器U1的同相输入端，电压采集电路的负输入端F2与光耦O2内二极管的负极和电阻R1的一端连接并接地，运算放大器U1的反相输入端与电容C1的一端、电阻R1的另一端和光耦O2内三极管的发射极连接，电容C1的另一端、运算放大器U1的输出端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与光耦O1内二极管的正极连接，光耦O1内二极管的负极连接光耦O2内二极管的正极，光耦O2内三极管的集电极连接+5V输入电压，光耦O1内三极管的集电极连接+5V输入电压，光耦O1内三极管的发射极和电阻R2的一端与运算放大器U2的同相输入端连接，电阻R2的另一端接地，运算放大器U2的反相输入端与运算放大器U2的输出端连接作为电压采集电路的输出端G2。

所述的电池均衡单元8包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q2，电池均衡单元的正输入端E3与PNP型三极管Q2的发射极和电阻R10的一端连接，电池均衡单元的负输入端F3与电阻R11的一端连接并接地，电阻R11的另一端连接PNP型三极管Q2的集电极，PNP型三极管Q2的基极和电阻R10的另一端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与NPN型三极管Q1的集电极连接，NPN型三极管Q1的发射极接地，Q1的基极连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端作为电池均衡单元的输出端G3。

在上述每个单电池的电压采集电路中，使用了两个普通光耦器件和两个LM324运算放大器，采取光耦隔离取样的方法可以实现电平转化，将普通光耦线性化连接即可实现电压的采集和实时监控。两个光耦中，光耦O1用于输出，光耦O2用于反馈。反馈用来补偿发光二极管时间、温度特性上的非线性。根据理想运算放大器工作在线性区的特性可以知道，对于上述电路，满足虚短虚断的特点，因此最后输出电压与单电池电压满足以下方程：

式中，U_O、U_B分别为图3中O点、B点的电压，以上公式表示该电路的电压放大倍数，其中测量电路的电压增益只与电阻R1，R2的阻值有关，与光耦的电流传输参数等无关，从而实现了对电压信号的线性隔离。经如图3所示电路转化后电池电压被转化为具有统一参考地的输出电压U_O，该电压经由ATmega8单片机A/D转化为数字信号，由CPU来进行比较，决定是否发出均衡的命令。

当电池组中有一节单电池处于比其它的单电池电量高的状态，则ATmega8单片机判断出这一节单电池的开路电压明显高于其它电池开路电压且达到预先设定的需均衡条件时，处理器将控制端口拉高，则Q1导通，Q2基极电位被拉低，Q2导通，部分电能从功率电阻R11以焦耳热耗散掉，以使得这节电池的能量减少，从而使得电池组一致性变好。

由图4可知，均衡电流为：

均衡功率为：

均衡电流的大小会直接影响移动电源的工作性能，电流大，整体系统的发热量大，电流小，均衡效率低，效果不明显。可以通过调整电阻R11的大小获得适当的均衡电流，一般取均衡电流为1/10左右的电池额定充电电流。

如图2所示，本发明采用一个小电阻即可实现电流取样，可以使电路简化且易于实现。采样电阻R4和负载的等效电阻R相比很小，R4阻值小于负载电阻R的1/10，而R5与R6很大，为千欧级别，再加上运放的虚断特性，所以R5的电流微乎其微，可以忽略，相当于在电池上所串电阻为负载电阻和采样电阻R4，又因为采样电阻和负载的等效电阻相比很小，所以负载电流(电池电流以放电方向为正)近似为：

所以节点C点的电压Uc为：

又因为得到的电压经过一个LM324运放放大以后，变成A点电压U_A，根据虚短虚断，可得到运放输出电压为：

因为LM324工作电压为0-5V，所以输出电压范围0-5V，可直接经由ATmega8单片机A/D转化后作为电流信号处理，在进行电池剩余电量SOC估计时使用。

所以其中流经负载的电流I₂与测得的电压U_A的函数关系是：

本发明采用安时计量法通过采集实时电流得出移动电源实时SOC，安时计量法的原理如下所示：

其中SOC₀为初始SOC，Qn为电池的额定容量,η为库伦效率或充放电效率，是电流的函数，在移动电源里可根据实际效率取定,t₀是充放电初始时刻，t为时间，i是充放电电流，放电为正，充电为负。安时计量法从SOC的定义出发，通过负载电流的积分计算SOC，简单易用，算法稳定。

通过采集由单电池串联而成电池组电路中的电流，从而实时监测电池组的SOC，并通过显示模块进行显示。

Claims (3)

1.一种可均衡充电的移动电源，包括显示模块（1）、由N个单电池串联构成的电池组（2）、降压模块（3）和充电管理模块（4），其特征在于还包括处理器（5）、电流采集电路（6）、N个电压采集电路（7）及N个电池均衡单元（8），其中N=2~5；

电池组（2）的正极与降压模块（3）的正输入端、充电管理模块（4）的正输出端和电流采集电路（6）的正输入端连接，降压模块（3）的负输入端和充电管理模块（4）的负输出端均与电流采集电路（6）的采集端连接，电流采集电路（6）的负输入端与电池组（2）的负极连接并接地，电流采集电路（6）的输出端连接处理器（5）的一个A/D转换接口，N个单电池的N个正极分别与N个电压采集电路（7）的正输入端连接，N个负极分别与N个电压采集电路（7）的负输入端连接，N个电压采集电路（7）的N个输出端分别与处理器（5）的另外N个A/D转换接口连接，同时N个单电池的N个正极分别与N个电池均衡单元（8）的正输入端连接，N个负极分别与N个电池均衡单元（8）的负输入端连接，N个电池均衡单元（8）的输出端分别与处理器（5）的N个I/O输出口连接，处理器（5）的另一个I/O输出口连接显示模块（1）的输入端；

所述的电流采集电路（6）包括采样电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7和运算放大器U3，电流采集电路的正输入端（E1）连接负载R的一端，电流采集电路的负输入端（F1）连接采样电阻R4的一端，采样电阻R4的另一端、负载R的另一端及电阻R5的一端共接作为电流采集电路的采集端（C），电阻R5的另一端与运算放大器U3的反相输入端及电阻R6的一端连接，运算放大器U3的同相输入端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端接地，运算放大器U3的输出端与电阻R6的另一端连接作为电流采集电路的输出端（G1）；

所述的电压采集电路（7）包括运算放大器U1、运算放大器U2、光耦O1、光耦O2、电容C1、电阻R1、电阻R2和电阻R3，电压采集电路的正输入端（E2）连接运算放大器U1的同相输入端，电压采集电路的负输入端（F2）与光耦O2内二极管的负极和电阻R1的一端连接并接地，运算放大器U1的反相输入端与电容C1的一端、电阻R1的另一端和光耦O2内三极管的发射极连接，电容C1的另一端、运算放大器U1的输出端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端与光耦O1内二极管的正极连接，光耦O1内二极管的负极连接光耦O2内二极管的正极，光耦O2内三极管的集电极连接+5V输入电压，光耦O1内三极管的集电极连接+5V输入电压，光耦O1内三极管的发射极和电阻R2的一端与运算放大器U2的同相输入端连接，电阻R2的另一端接地，运算放大器U2的反相输入端与运算放大器U2的输出端连接作为电压采集电路的输出端（G2）；

所述的电池均衡单元（8）包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、NPN型三极管Q1和PNP型三极管Q2，电池均衡单元的正输入端（E3）与PNP型三极管Q2的发射极和电阻R10的一端连接，电池均衡单元的负输入端（F3）与电阻R11的一端连接并接地，电阻R11的另一端连接PNP型三极管Q2的集电极，PNP型三极管Q2的基极和电阻R10的另一端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端与NPN型三极管Q1的集电极连接，NPN型三极管Q1的发射极接地，Q1的基极连接电阻R9的一端，电阻R9的另一端作为电池均衡单元的输出端（G3）。

2.根据权利要求1所述的可均衡充电的移动电源，其特征在于所述的处理器（5）为Atmega8芯片。

3.根据权利要求1所述的可均衡充电的移动电源，其特征在于所述的采样电阻R4阻值小于负载R阻值的1/10，所述的电阻R5阻值大于1000Ω，电阻R6阻值大于1000Ω。