CN106712174B - 锂离子蓄电池组供电及通信自动切换方法 - Google Patents

锂离子蓄电池组供电及通信自动切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子蓄电池组供电及通信自动切换方法，该方法设有控制系统电路组成包括防倒灌电路、输出切换控制电路、充电切换控制电路、切换检测及控制电路、锂离子电池组保护电路、电源电路、与外部充电器通信用电量计及其切换电路和与主机通信用电量计电路。本发明包括的控制电路集电池保护功能、电量计功能、供电切换功能、通信切换等功能于一身，集成度高、兼容性好、占用空间小；能够实现电池组电流过大保护、短路保护、低压保护及过充保护。该方法不仅保证了系统为用电设备不间断供电，更保证了外部供电设备不存在时电路自动控制的安全性；其电路设计安全可靠，功耗小、效率高、成本低，应用效果非常显著。

Description

锂离子蓄电池组供电及通信自动切换方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子蓄电池组应用系统，特别涉及一种锂离子蓄电池组供电及通信自动切换方法。
背景技术
目前，很多的用电设备均采用外部供电设备和备用电源双路供电，以防止外部供电设备突然断电造成损失；锂离子电池由于具有体积小、重量轻等特点，已广泛应用于各种用电设备的备用电源。实际应用中，用电设备在使用过程中要求接入电池组充电器时能够对电池组进行充电，并且用电设备和充电器都需要通过与电池组通信而实现实时监控电池组电量。
现有电源的无缝切换方法主要实现了外部供电设备断电时，电池组能够给用电设备供电，而忽略了电池组在给用电设备供电时电池组的电压会加在外部供电设备输出端，故存在着极大的安全隐患和不必要的电量消耗。
不间断供电系统中外部供电设备的输出直接对电池组进行充电，这会导致外部供电设备一直存在时，电池组一直处于浮充状态，故此会降低电池组的寿命；当外部供电设备不存在时，电池组与充电器进行通信的接口一直处于工作状态，亦存在很大的安全隐患。
因此，如何解决上述难题，提供一种自带保护和电量计功能的锂离子蓄电池组供电及通信自动切换方法，将是该领域技术人员亟待着手解决的问题之一。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种设计合理、性能安全可靠、操作简便、应用效果显著的锂离子蓄电池组供电及通信自动切换方法。
为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：一种锂离子蓄电池组供电及通信自动切换方法，其特征在于：该方法实施步骤如下：
首先，设有控制系统电路组成包括防倒灌电路、输出切换控制电路、充电切换控制电路、切换检测及控制电路、锂离子电池组保护电路、电源电路、与外部充电器通信用电量计及其切换电路和与主机通信用电量计电路；
设有外部供电设备通过防倒灌电路、输出切换控制电路与用电设备连接；四串锂离子蓄电池组通过输出切换控制电路与用电设备连接的同时与电源电路连接，且电源电路分别与输出切换控制电路、充电切换控制电路、切换检测及控制电路、与主机通信用电量计、与外部充电器通信用电量计及其切换电路连接；锂离子电池组保护电路与四串锂离子蓄电池组连接；主机充电器及外部充电器与充电切换控制电路连接，与主机通信用电量计连接主机充电器，与外部充电器通信用电量计及其切换电路连接外部充电器；
所述防倒灌电路由理想二极管及其外围电路组成，分别与外部供电设备、切换检测及控制电路和输出切换控制电路连接；
所述输出切换控制电路由P沟道功率MOS管、N沟道开关MOS管及其外围电路构成，分别与电源电路、防倒灌电路、四串锂离子蓄电池组、切换检测及控制电路和用电设备连接；
所述充电切换控制电路由P沟道功率MOS管、N沟道开关MOS管及其外围电路构成，分别与电源电路、四串锂离子蓄电池组、切换检测及控制电路、主机充电器及外部充电器连接；
所述切换检测及控制电路由双路比较器及其外围电路组成，分别与电源电路、输出切换控制电路、充电切换控制电路和与外部充电器通信用电量计及其切换电路连接；
所述锂离子电池组保护电路由电池组保护芯片及其外围电路组成，分别与电池组连接；
所述电源电路由直流线性稳压电源芯片及其外围电路组成，其输入来自四串锂离子蓄电池组，输出分别与输出切换控制电路、切换检测及控制电路、充电切换控制电路、与主机通信用电量计、与外部充电器通信用电量计及其切换电路连接并为其供电；
所述与主机通信用电量计电路由电量计及其外围电路组成，分别与电源电路、四串锂离子蓄电池组及用电设备连接；
所述与外部充电器通信用电量计及其切换电路由通信开关、开关型N沟道MOS管、电量计芯片及其外围电路组成，分别与切换检测及控制电路、电源电路及外部充电器连接。
本发明的主要工作原理：本发明通过控制N沟道MOS管的栅极电平，实现该MOS管的开关，进而控制主电功率回路的MOS管的开关，从而实现主电的接入与关断。通过光耦实现控制备电部分控制N沟道MOS管的栅极电平，实现实现该MOS管的开关，进而控制备电功率回路的MOS管的开关，从而实现备电的接入与关断输出。
本发明的有益效果是：本发明包括的控制电路集电池保护功能、电量计功能、供电切换功能、通信切换等功能于一身，集成度高、兼容性好、占用空间小；能够实现电池组电流过大保护、短路保护、低压保护及过充保护。该方法不仅保证了为用电设备不间断供电，更保证了外部供电设备不存在时电路的安全性自动控制，其中电路设计安全可靠，功耗小、效率高、成本低，应用效果非常显著。
附图说明
图1是本发明的系统应用电路组成连接框图；
图2是本发明的防倒灌电路原理图；
图3是本发明的输出切换控制电路原理图；
图4是本发明的充电切换控制电路原理图；
图5是本发明的切换检测及控制电路原理图；
图6是本发明的锂离子电池组保护电路原理图；
图7是本发明的电源电路原理图；
图8是本发明的与主机(用电设备)通信用电量计电路原理图；
图9是本发明的与外部充电器通信用电量计及其切换电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征详述如下：
如图1-图9所示，一种锂离子蓄电池组供电及通信自动切换方法，该方法具体实施步骤如下：
参见图1，首先，设有控制系统电路组成包括防倒灌电路、输出切换控制电路、充电切换控制电路、切换检测及控制电路、锂离子电池组保护电路、电源电路、与外部充电器通信用电量计及其切换电路和与主机通信用电量计电路。
设有外部供电设备通过防倒灌电路、输出切换控制电路与用电设备(主机)连接；四串锂离子蓄电池组通过输出切换控制电路与用电设备(主机)连接的同时与电源电路连接，且电源电路分别与输出切换控制电路、充电切换控制电路、切换检测及控制电路、与主机通信用电量计、与外部充电器通信用电量计及其切换电路连接；锂离子电池组保护电路与四串锂离子蓄电池组连接；主机充电器及外部充电器与充电切换控制电路连接，与主机通信用电量计连接主机充电器，与外部充电器通信用电量计及其切换电路连接外部充电器。
所述防倒灌电路由理想二极管及其外围电路组成，分别与外部供电设备、切换检测及控制电路和输出切换控制电路连接。
所述输出切换控制电路由P沟道功率MOS管、N沟道开关MOS管及其外围电路构成，分别与电源电路、防倒灌电路、四串锂离子蓄电池组、切换检测及控制电路和用电设备连接。
所述充电切换控制电路由P沟道功率MOS管、N沟道开关MOS管及其外围电路构成，分别与电源电路、四串锂离子蓄电池组、切换检测及控制电路、主机充电器及外部充电器连接。
所述切换检测及控制电路由双路比较器及其外围电路组成，分别与电源电路、输出切换控制电路、充电切换控制电路和与外部充电器通信用电量计及其切换电路连接。
所述锂离子电池组保护电路由电池组保护芯片及其外围电路组成，分别与电池组连接。
所述电源电路由直流线性稳压电源芯片及其外围电路组成，其输入来自四串锂离子蓄电池组，输出分别与输出切换控制电路、切换检测及控制电路、充电切换控制电路、与主机通信用电量计、与外部充电器通信用电量计及其切换电路连接并为其供电。
所述与主机通信用电量计电路由电量计及其外围电路组成，分别与电源电路、四串锂离子蓄电池组及用电设备连接。
所述与外部充电器通信用电量计及其切换电路由通信开关、开关型N沟道MOS管、电量计芯片及其外围电路组成，分别与切换检测及控制电路、电源电路及外部充电器连接。
本发明中的主要电路有电源电路、防倒灌电路、输出切换控制电路、充电切换控制电路、切换检测及控制电路、锂离子电池组保护电路、与外部充电器通信用电量计及其切换电路和与主机通信用电量计电路；其中输出切换控制电路、充电切换控制电路、切换检测及控制电路以及与外部充电器通信切换电路作为一个整体，统称为供电及通信自动切换电路，其中与外部充电器通信用电量计和与主机通信用电量计电路视为两个相近模块，统称为电量计电路。
以下详细阐述各个电路模块的工作原理：
(1)电源电路
如图7所示，IC3为5V输出线性稳压器，将电池组正极电压作为芯片输入电压，输出电压为5V,该电压作为电量计芯片电源、比较器电源和5V基准电源。该电路成本低，输入电压范围宽，输出电压稳定，保证了整个发明中各个使用5V供电的器件正常工作。
(2)防倒灌电路
如图2所示，IC1是一个理想二极管，内部构造是一个MOS管和一个二极管并联，1-4脚和12-16脚是电源输入管脚，相当于二极管的阳极；17脚和10脚是电源输出管脚，相当于二极管的阴极；电容C5是滤波电容，电阻R19是限流电阻，当电阻R19上没有检测到电压时，内部的MOS管处于关闭状态，当电阻R19上检测到电压时内部的MOS管处于打开状态，如此既可以保证电流不会由INPUT+处流向DCIN+处，也可以保证电流由DCIN+处流向INPUT+处时不会在二极管上产生过多年的功耗，即该理想二极管保证电流不会反向的同时也保证了电流正向时没有产生过多的热量。电阻R3和R9是分压电阻，用于检测外部供电是否接入。
(3)锂离子电池组保护电路
如图6所示，IC6为3-4串电池组保护芯片，图中设计是对四串电池组进行保护。图中的B+、B2、B3、B4、B-分别为四节电池的电压信号接入端，保护芯片的1脚和2脚是电池组充放电MOSFET控制端，4脚为电流采样端。
当某一节单体电池电压低于电池组保护芯片的保护电压时，芯片会控制放电MOSFET关断，从而切断放电回路，保证单体电池不会因过放而降低寿命；当某一节单体电池电压高于电池组保护芯片的过充保护电压时，芯片会控制充电MOSFET关断，从而切断充电回路，保证单体电池不会因过充而发生危险；当4脚检测到电池组充放电电流大于保护电流或电池组输出端发生断路现象时，芯片会控制充放电MOSFET关断，保证电池组不会因为电流过大而发生危险现象。
(4)电量计电路
如图8、图9所示，IC4和IC5是同一款电量计芯片，该芯片的10脚为电池电压检测引脚，电阻R50、R57是分压电阻，将N串电池的总电压Un通过分压电阻分成Uin＝Un/N，作为10脚的输入，该电量计就能检测到当前电池组的电压；9脚是该芯片的电流检测管脚，该脚直接接到检流电阻一端，检流电阻另一端接电量计芯片的6脚(VSS)，这样电量计就能检测到电池组的充放电电流，从而计算电池组的电量；7脚DQ是电量计的通信端口，上位机通过该端口可以与电量计芯片进行数据的读写。
(5)供电及通信自动切换电路
如图2所示，DC_CHECK信号为外部供电设备DCIN电压通过分压电阻进行6:1分压得到的输入检测信号；如图5所示，比较器IC2的两路比较器中比较器A的正相输入端与比较器B的反相输入端都接2V的基准，当比较器A的反相输入端与比较器B的正相输入端的电压检测信号DC_CHECK的电压高于2V时，比较器B输出信号DCIN_EN信号为高电平，比较器A输出信号BAT_EN为低电平；反之，当比较器A的反相输入端与比较器B的正相输入端的电压检测信号DC_CHECK的电压低于2V时，比较器B输出信号DCIN_EN信号为低电平，比较器A输出信号BAT_EN为高电平。
当作为主电源的外部供电设备DCIN接入且电压高于12V时，DC_CHECK电压大于2V，DCIN_EN为高电平，BAT_EN为低电平。此时图3中的Q8导通，导致Q1、Q4这两个P沟道MOSFET的栅-源电压为反向电压，Q1、Q4导通，从而外部供电设备为输出电源；图3中的Q9不导通，导致Q2、Q3这两个P沟道MOSFET的栅-源电压无反向电压，Q2、Q3不导通，从而电池组不作为输出电源且外部供电设备无法为电池组充电；图4中的Q7导通，导致Q5、Q6这两个P沟道MOSFET的栅-源电压为反向电压，Q5、Q6导通，此时当从图中的CHARGE_IN处接入外部充电器可以对电池组进行充电；图9中Q10导通，使得继电器S1闭合，为外部充电器预留的通信端子DQ3与电量计芯片的通信端子DQ2导通，外部充电器可以读取电池组的电量信息。
当外部供电设备DCIN去掉时，DC_CHECK电压小于2V，DCIN_EN为低电平，BAT_EN为高电平。此时图3中的Q8不导通，导致Q1、Q4这两个P沟道MOSFET的栅-源电压无反向电压，Q1、Q4不导通，从而外部供电设备输入端与输出线路断开；图3中的Q9导通，导致Q2、Q4这两个P沟道MOSFET的栅-源电压为无反向电压，Q2、Q3导通，从而电池组作为输出电源；图4中的Q7不导通，导致Q5、Q6这两个P沟道MOSFET的栅-源电压无反向电压，Q5、Q6不导通，此时当从图中的CHARGE_IN处接入外部充电器不可以对电池组进行充电；图9中Q10不导通，使得继电器S1断开，为外部充电器预留的通信端子DQ3与电量计芯片的通信端子DQ2不导通，外部充电器不可以与电池组进行通信。
此种切换方式不仅保证了为用电设备不间断供电，而且保证了外部供电设备不存在时电路的安全可靠性。
本发明电路设计特点如下：
电路设计自带两路电池组电量计，用电设备与外部充电器均可与电池组进行单总线通信而实现对电池组电量的实时监控。
当外部供电设备为用电设备(主机)供电时，电池组输出回路与用电设备断开，此时给电池组充电时需单独用充电器从充电端口对电池组进行充电，用电设备与充电器都可以与电池组进行通信而实现对电池组电量的实时监控；当外部供电设备不存在，电池组为用电设备供电时，电池组输出回路与外部供电设备供电回路断开，与充电器通信回路被切断，此时只有用电设备能够与电池组通信而获取电池组当前电量。
控制电路集电池保护功能、电量计功能、供电切换功能、通信切换功能于一身，集成度高、占用空间小。
该方法适用于单体电压在2.7V-4.3V之间的所有三串、四串锂离子电池组，适用于外部供电设备在12V-17.2V之间的供电切换电路；其兼容性好，电路参数易于修改。
电路中功率回路的开关器件为P沟道MOSFET；内阻低、响应快、功耗小。
通过比较器、N沟道开关MOSFET、P沟道功率MOS管、电阻、电容、二极管等器件实现纯硬件自动控制转换；控制切换电路器件少、成本低、尺寸小；通过采用分立器件实现自动转换，控制转换电路简单、性能安全可靠。
上述参照实施例对锂离子蓄电池组供电及通信自动切换方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的；因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种锂离子蓄电池组供电及通信自动切换控制系统电路，其特征在于：该控制系统电路包括防倒灌电路、输出切换控制电路、充电切换控制电路、切换检测及控制电路、锂离子蓄电池组保护电路、电源电路、与外部充电器通信用电量计及其切换电路和与主机通信用电量计；
设有外部供电设备通过防倒灌电路、输出切换控制电路与用电设备连接；四串锂离子蓄电池组通过输出切换控制电路与用电设备连接的同时与电源电路连接，且电源电路分别与输出切换控制电路、充电切换控制电路、切换检测及控制电路、与主机通信用电量计、与外部充电器通信用电量计及其切换电路连接；锂离子蓄电池组保护电路与四串锂离子蓄电池组连接；主机充电器及外部充电器与充电切换控制电路连接，与主机通信用电量计连接主机充电器，与外部充电器通信用电量计及其切换电路连接外部充电器；
所述防倒灌电路由理想二极管及其外围电路组成，分别与外部供电设备、切换检测及控制电路和输出切换控制电路连接；
所述输出切换控制电路由P沟道功率MOS管、N沟道开关MOS管及其外围电路构成，分别与电源电路、防倒灌电路、四串锂离子蓄电池组、切换检测及控制电路和用电设备连接；
所述充电切换控制电路由P沟道功率MOS管、N沟道开关MOS管及其外围电路构成，分别与电源电路、四串锂离子蓄电池组、切换检测及控制电路、主机充电器及外部充电器连接；
所述切换检测及控制电路由双路比较器及其外围电路组成，分别与电源电路、输出切换控制电路、充电切换控制电路和与外部充电器通信用电量计及其切换电路连接；
所述锂离子蓄电池组保护电路由锂离子蓄电池组保护芯片及其外围电路组成，分别与锂离子蓄电池组连接；
所述电源电路由直流线性稳压电源芯片及其外围电路组成，其输入来自四串锂离子蓄电池组，输出分别与输出切换控制电路、切换检测及控制电路、充电切换控制电路、与主机通信用电量计、与外部充电器通信用电量计及其切换电路连接并为其供电；
所述与主机通信用电量计由电量计及其外围电路组成，分别与电源电路、四串锂离子蓄电池组及用电设备连接；
所述与外部充电器通信用电量计及其切换电路由通信开关、开关型N沟道MOS管、电量计芯片及其外围电路组成，分别与切换检测及控制电路、电源电路及外部充电器连接。
2.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池组供电及通信自动切换控制系统电路，其特征在于：该控制系统电路自带两路锂离子蓄电池组电量计，用电设备和外部充电器均可与锂离子蓄电池组进行单总线通信而实现对锂离子蓄电池组电量的实时监控。
3.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池组供电及通信自动切换控制系统电路，其特征在于：当外部供电设备为用电设备供电时，锂离子蓄电池组输出回路与用电设备断开，此时给锂离子蓄电池组充电时需单独用外部充电器从充电端口对锂离子蓄电池组进行充电，用电设备与外部充电器都可以与锂离子蓄电池组进行通信而实现对电池组电量的实时监控；当外部供电设备不存在，锂离子蓄电池组为用电设备供电时，锂离子蓄电池组输出回路与外部供电设备供电回路断开，与外部充电器通信回路被切断，此时只有用电设备能够与锂离子蓄电池组通信而获取锂离子蓄电池组当前电量。
4.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池组供电及通信自动切换控制系统电路，其特征在于：该控制系统电路适用于单体电压在2.7V-4.3V之间的所有三串、四串锂离子蓄电池组，适用于外部供电设备在12V-17.2V之间的供电切换电路。
5.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池组供电及通信自动切换控制系统电路，其特征在于：所述输出切换控制电路中功率回路的开关器件为P沟道MOSFET。
6.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池组供电及通信自动切换控制系统电路，其特征在于：所述电源电路中的IC3为直流线性稳压电源芯片，将锂离子蓄电池组正极电压作为芯片输入电压，输出电压为5V，该电压作为电量计芯片电源、双路比较器电源和5V基准电源。
7.根据权利要求1所述的锂离子蓄电池组供电及通信自动切换控制系统电路，其特征在于：所述锂离子蓄电池组保护电路中的IC6为锂离子蓄电池组保护芯片，其中的B+、B2、B3、B4、B-分别为四节单体电池的电压信号接入端，锂离子蓄电池组保护芯片的1脚和2脚是锂离子蓄电池组充放电MOSFET控制端，4脚为电流采样端；所述锂离子蓄电池组保护芯片型号为S-8254；电量计芯片具体型号为DS2788；
当某一节单体电池电压低于锂离子蓄电池组保护芯片的保护电压时，锂离子蓄电池组保护芯片会控制放电MOSFET关断，从而切断放电回路，保证单体电池不会因过放而降低寿命；当某一节单体电池电压高于锂离子蓄电池组保护芯片的过充保护电压时，锂离子蓄电池组保护芯片会控制充电MOSFET关断，从而切断充电回路，保证单体电池不会因过充而发生危险；当4脚检测到锂离子蓄电池组充放电电流大于保护电流或锂离子蓄电池组输出端发生断路现象时，锂离子蓄电池组保护芯片会控制充放电MOSFET关断，保证锂离子蓄电池组不会因为电流过大而发生危险现象。
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