CN108199457A - 一种可实现多组电池并联充电、串联放电的电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现多组电池并联充电、串联放电的电路，包括有控制系统和至少两组可充电的电池组以及数量与充电电池相同的充电模块，充电模块跨接于与该充电模块对应的电池组的正负极形成对该电池组的充电结构；相邻电池组之间设有切换开关，通过各切换开关接通或断开相邻的电池组形成串联放电结构或并联单独充电结构。本发明通过设计独特的电路结构，每一电池组配一相应的充电模块和一切换开关，通过控制切换开关实现所有电池组串联输出，或者并联单独充电，从而可实现高效、节能的充电过程，尤其是采用MOS管来作为切换开关时更具有可靠性高、不易老化失效、寿命长、受控性好、响应快、实时性高、无切换噪音、体积小、节约能源等诸多优点。
Description
技术领域
本发明涉及电池充电技术领域，尤其涉及一种可实现电池组并联充电、串联放电的电路结构。
背景技术
随着技术水平的进步，以锂离子电池为代表的新能源技术得到了飞速发展，以锂离子电池为主构成的可充电电池广泛应用于电子产品、汽车、机械设备、航空航天等各种领域。锂电池在使用前都先进行充电，然而，多数情况下需要锂电池能够实现随时能够进行充电和放电，并且整个过程必须保证安全性，还要兼顾节省和确保电池不受损坏，上述要求在具有多组电池的情况下实现的难度较大。专利CN102624052A公开了一种蓄电池组串联并联转换装置以实现电池并联与串联之间的转换，但由于该专利采用齿轮轴加跳线板的机械方式，可靠性及实时性都很差。专利CN105948144A公开了一种具有并联充电串联放电功能的锂离子电池组，该专利使用继电器方式，采用双通道继电器，控制两个锂电池，但其充电时两个电池未分开，并联在一起充电，充电效率较低，且也未实现更多组锂电池并联充电串联放电之功能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷，提供一种控制结构简单、可分开单独充电、充电效率高、更为节能、可靠性和实时性高的可实现多组电池并联充电、串联放电的电路。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种可实现多组电池并联充电、串联放电的电路，其特征在于：包括有控制系统和至少两组可充电的电池组以及数量与充电电池相同的充电模块，每一充电模块对应一电池组(锂电池)，充电模块跨接于与该充电模块对应的电池组的正负极形成对该电池组的充电结构，其中每一电池组的负极均连接与其对应的充电模块的GND脚并在该电池组的负极形成一节点，各充电模块的输入端统一连接充电输入电源；相邻电池组之间设有切换开关，通过各切换开关接通相邻的电池组形成各电池组串联放电结构，或者通过各切换开关断开相邻电池组之间的连接并将每一电池组的负极接地，形成各电池组的并联单独充电结构；控制系统连接充电模块和切换开关形成控制结构。
优选地，所述切换开关为MOS管，每一切换开关包括一个P沟道MOS管和一个N沟道MOS管，即PMOS管QP和和NMOS管QN；PMOS管QP形成常闭触点，NMOS管QN形成常开触点，所有PMOS管QP的S极均接对应电池组的正极，PMOS管QP的D极与NMOS管QN的D极相连并接入下一电池组的负极；所以NMOS管QN的S极均接地，PMOS管QP与NMOS管QN的G极接入控制点；在控制点与各充电模块的输入端之间连接有一电阻R1，电阻R1的阻值为5-100欧姆；控制点通过一电阻R2接地，电阻R2的阻值为1K-20K欧姆。
所述电池组为两组，即第一电池组BT1和第二电池组BT2，充电模块对应也为两组；当未接入+5V电源时，控制点电位受电阻R2下拉至地，为低电平，由于控制点连接PMOS管QP1的G极和NOMS管QN1的G极，G极接地，故NOMS管QN1截止，PMOS管QP1导通，第一电池组BT1的正极连接至第二电池组BT2的负极，形成串联模式，VOUT输出串联电压；
当接入+5V电源时，由于电阻R1的阻值小于电阻R2，控制点的电位受电阻R1上拉至高电平，此时NOMS管QN1导通，PMOS管QP1截止，第二电池组BT2的节点2通过NMOS管QN1的D-S极连接至地，充电模块2形成充电回路，实现并联单独充电。
或者，所述电池组为N组，即第一电池组BT1至第N电池组BTN，充电模块对应也为N组，其中N≥3；当未接入+5V电源时，控制点电位被电阻R2下拉至地，所有NMOS管均截止，而各PMOS管的S极节点，即节点BT1、节点BT2、节点BT3……节点BTN-1均高于对应G极控制点的电位，使所有PMOS管均导通，形成节点1-节点BT1-节点2-节点BT2-节点3-节点BT3……节点N–VOUT的串联结构，提供串联放电；
当接入+5V电源时，控制点被电阻R1上拉至高电平，所有NMOS管都导通，节点1、节点2、节点3……节点N均接地，而节点BT1、节点BT2、节点BT3……节点BTN-1均为各电池组的自身电压，此电压均小于控制端G极电压+5V，使所有的PMOS管都截止，实现并联充电结构。
或者，所述电池组为N组，即第一电池组BT1至第N电池组BTN，充电模块对应也为N组，其中N≥4；第一电池组BT1至第三电池组BT3对应的PMOS管QP1-QP3的G极连接至控制点，从第四电池组BT4起对应的PMOS管通过在其节点BT4与控制点串接一稳压二极管DZ及一限流电阻R3，以限制相应PMOS管的Vgs电压；稳压二极管DZ的稳压值大于PMOS管导通电压的最小值；
稳压二极管DZ采用10V稳压管，未接入+5V时,所有NMOS管截止，PMOS管导通，且第四电池组BT4对应的PMOS管QP4的Vgs电压被限制在-9.85V；
当接入+5V时，控制点被电阻R1上拉至高电平，电压为4.99V，所有NMOS管导通，PMOS管截止，第四电池组BT4对应的PMOS管QP4的S极的节点BT4为4.09V，G极为4.75V，QP4截止，实现并联充电结构。
或者，所述切换开关为拨动开关，所述拨动开关具有常闭触点和常开触点，常闭触点连接前一电池组的正极，常开触点接地；所有拨动开关接通常闭触点时，各电池组形成串联结构，VOUT端输出总电压；所有拨动开关切换到常开触点时，所有电池组负极端均接地，形成并联充电结构；
控制系统由充电输入电压控制，无+5V时，拨动开关处于常闭状态，电池组形成串联放电结构；接入+5V时，拨动开关切换至常开触点，所有充电模块与各自电池组相连，构成充电回路，单独充电，形成并联单独充电结构。
或者，所述切换开关为继电器，未接入+5V时，继电器的常闭触点接通使电池组形成串联放电结构；接入+5V时，继电器吸合使常开触点导通接地，每个充电模块形成单独对各自电池组的充电结构。
进一步地，所有的充电模块具有相同的结构，均包括有充电控制芯片U1，其型号为TP4056(也可以采用其它型号的充电IC)，充电控制芯片U1的PROG脚连接有电阻R形成最大充电电流调整结构，充电控制芯片U1的TEMP脚与BAT脚之间连接有充电电容C，电池组BT的正极连接充电控制芯片U1的BAT脚；充电控制芯片U1的VCC脚和CE脚连接一二极管D的负极，该二极管D的正极接充电输入电源。
本发明通过设计独特的电路结构，每一电池组配一相应的充电模块和一切换开关，通过控制切换开关实现所有电池组串联输出，或者并联单独充电，从而可实现高效、节能的充电过程，尤其是采用MOS管来作为切换开关时更具有可靠性高、不易老化失效、寿命长、受控性好、响应快、实时性高、无切换噪音、体积小、节约能源等诸多优点。
附图说明
图1为本发明采用拨动开关控制的总体电路示意图；
图2为本发明采用拨动开关控制时未接入+5V电源的电路示意图；
图3为本发明采用拨动开关控制时接入+5V电源后的电路示意图；
图4为本发明采用继电器控制时的电路示意图；
图5为两组锂电池采用MOS管控制时的电路示意图；
图6为两组锂电池采用MOS管控制时未接入+5V电源的电路示意图；
图7为本发明采用MOS管控制时接入+5V电源后的电路示意图；
图8为本发明采用MOS管控制时的电路示意图；
图9为本发明采用MOS管控制时未接入+5V电源的电路简化示意图；
图10为本发明采用MOS管控制时未接入+5V电源的空载电路示意图；
图11为本发明采用MOS管控制时接入+5V电源的电路简化示意图；
图12为本发明采用MOS管控制时接入+5V电源的空载电路示意图；
图13为本发明采用MOS管控制时第二种实施方式的电路示意图；
图14为本发明采用MOS管控制时第二种实施方式的空载电路示意图；
图15为本发明采用MOS管控制时第二种实施方式接入+5V电源的电路示意图；
图16为本发明充电模块的电路示意图。
具体实施方式
本实施例中，所述可实现多组电池并联充电、串联放电的电路，包括有控制系统和至少两组可充电的电池组以及数量与充电电池相同的充电模块，每一充电模块对应一电池组(锂电池)，充电模块跨接于与该充电模块对应的电池组的正负极形成对该电池组的充电结构，其中每一电池组的负极均连接与其对应的充电模块的GND脚并在该电池组的负极形成一节点，各充电模块的输入端统一连接充电输入电源；相邻电池组之间设有切换开关，通过各切换开关接通相邻的电池组形成各电池组串联放电结构，或者通过各切换开关断开相邻电池组之间的连接并将每一电池组的负极接地，形成各电池组的并联单独充电结构；控制系统连接充电模块和切换开关形成控制结构。
参照图1，本实施例中使用拨动开关S1、S2、S3……SN实现电池组的并串联切换，当所有开关处于常闭态时，电池BT1、BT2、BT3……BTN串联，VOUT输出总电压。当所有开关切换到常开触点时，所有电池组负极端均接地，实现并联充电功能。
当接入充电模块且未接入+5V时，如图2所示：控制系统由充电输入电压控制，当无+5V时，开关处于常闭状态，电池组串联放电。
当接入+5V时，如图3所示，开关切换至常开触点，所有充电模块与各自电池地相连，构成充电回路，单独充电，实现并联单独充电功能。
作为另一实施例，参照图4，采用继电器替换拨动开关，实现切换功能。当未接入+5V时，常闭触点接通使得电池组串联放电；当接入+5V时，继电器吸合，常开触点导通接地，每个充电模块单独对各自电池充电。
作为第三实施例，单节点两个电池组的电路如图5所示，P沟道的PMOS管QP1充当常闭触点，N沟道的NMOS管QN1充当常开触点，QP1的S极接电池组BT1的正极，QP1的D极与QN1的D极相连并接入电池组BT2的负极，QN1的S极接地，QP1与QN1的G极相连并接入控制点。由于MOS是电压驱动型，故电阻R1取值较小，可选用几十欧姆。而考虑充电状态时输入电源的控制损耗，电阻R2取值较大，一般为几K至十几K欧姆，再增加阻值，会导致NMOS管的关断时间过长，影响电路工作。
当未接入+5V电源时，控制点电位受电阻R2下拉至地，为低电平，由于控制点连接PMOS管QP1的G极和NOMS管QN1的G极，G极接地，故QN1截止，QP1导通，电池组BT1的正极连接至电池组BT2的负极，形成串联模式，VOUT输出串联电压。空载实测电路各节点电压如图6所示。
当接入+5V电源时，由于电阻R1较小，R2较大，控制点电位受R1上拉至高电平，此时QN1导通，QP1截止，节点2通过QN1的D-S连接至地，充电模块2充电回路形成，实现并联单独充电，空载实测电压如图7所示。
对于多组锂电池的切换，如图8所示，所有NMOS的S极均接地，所有PMOS和NMOS的G极连接至控制点，PMOS管的S极接入对应电池组的正极端。
当未接入+5V时，控制点电位被电阻R2下拉至地，所有NMOS均截止，而PMOS管的S极节点BT1、BT2、BT3……BTN-1均高于对应G极控制点电位，故所有的PMOS管均导通，形成：节点1-BT1-节点2-BT2-节点3-BT3……节点N–VOUT的串联形式，提供串联放电功能。电路简化后如图9所示，而相应的空载实测电路如图10所示。
当接入+5V时，控制点被R1上拉至高电平，所有NMOS管都导通，则节点1、节点2、节点3……节点N均接地，故节点BT1、BT2、BT3……BTN-1均为各电池组自身电压，此电压均小于控制端G极电压+5V，故所有的PMOS管都截止，实现并联充电功能，电路简化后如图11所示，而相应的空载实测电路如图12所示。
实际上，图8所示电路对于串联电池组小于一定数目(3组及以下)时，可以直接连接所有PMOS和NMOS的G极连接至控制点，但对更多数目锂电池组，当工作与串联放电模式时，对应PMOS管的GS电压可能会超出PMOS管技术参数。
因此，当电池为四组时，如图10所示，串联放电空载实测PMOS管QP3的G极为0.02V，而S极为11.81V，实测PMOS管QP4的G极为0.02V，而S极为15.69V，故QP4的Vgs为-15.69V，此电压已接近常见PMOS管的技术安全电压。
为保证电路可靠运行，需对PMOS管的控制GS电压加以限定，改进电路如图13所示，从QP4开始，PMOS管的G极不再直接连接至控制点，而是通过在节点BT4与控制点直接串接一稳压二极管DZ及限流电阻R3来限制QP4的Vgs电压，稳压二极管的稳压值可根据选用的PMOS管Vgs电压确定，一般大于PMOS导通电压最小值即可，考虑常见PMOS完全导通情况下Vgs电压，可选在10V稳压管。R3取值由稳压二极管DZ的工作电流及BTN与控制点(串联放电时约为0V)电压确定。
当选用10V稳压管，未接入+5V时,所有NMOS截止，PMOS导通，且QP4的Vgs电压被限制在-9.85V，其空载实测电路电压如图14所示。
当接入+5V时，控制点被R1上拉至高电平，电压为4.99V，所有NMOS导通，PMOS截止。针对QP4的S极BT4节点为4.09V，QP4的G极为4.75V，QP4截止。其实测并联充电电压如图15所示。
参照图16，所有的充电模块具有相同的结构，均包括有充电控制芯片U1，其型号为TP4056(也可以采用其它型号的充电IC)，充电控制芯片U1的PROG脚连接有电阻R形成最大充电电流调整结构，充电控制芯片U1的TEMP脚与BAT脚之间连接有充电电容C，电池组BT的正极连接充电控制芯片U1的BAT脚；充电控制芯片U1的VCC脚和CE脚连接一二极管D的负极，该二极管D的正极接充电输入电源。为保证串联放电时的正常工作，要求控制点电位在未接入+5V时必须为低电平，由R2实现下拉接地功能。但大部分充电IC较难实现锂电池方向倒充的隔离，故使用二级管D，防止锂电池电流反向流动并通过+5V回路影响控制点电位。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (9)
1.一种可实现多组电池并联充电、串联放电的电路，其特征在于：包括有控制系统和至少两组可充电的电池组以及数量与充电电池相同的充电模块，每一充电模块对应一电池组，充电模块跨接于与该充电模块对应的电池组的正负极形成对该电池组的充电结构，其中每一电池组的负极均连接与其对应的充电模块的GND脚并在该电池组的负极形成一节点，各充电模块的输入端统一连接充电输入电源；相邻电池组之间设有切换开关，通过各切换开关接通相邻的电池组形成各电池组串联放电结构，或者通过各切换开关断开相邻电池组之间的连接并将每一电池组的负极接地，形成各电池组的并联单独充电结构；控制系统连接充电模块和切换开关形成控制结构。
2.根据权利要求1所述的可实现多组电池并联充电、串联放电的电路，其特征在于：所述切换开关为MOS管，每一切换开关包括一个P沟道MOS管和一个N沟道MOS管，即PMOS管QP和和NMOS管QN；PMOS管QP形成常闭触点，NMOS管QN形成常开触点，所有PMOS管QP的S极均接对应电池组的正极，PMOS管QP的D极与NMOS管QN的D极相连并接入下一电池组的负极；所以NMOS管QN的S极均接地，PMOS管QP与NMOS管QN的G极接入控制点；在控制点与各充电模块的输入端之间连接有一电阻R1，电阻R1的阻值为5-100欧姆；控制点通过一电阻R2接地，电阻R2的阻值为1K-20K欧姆。
3.根据权利要求2所述的可实现多组电池并联充电、串联放电的电路，其特征在于：所述电池组为两组，即第一电池组BT1和第二电池组BT2，充电模块对应也为两组；当未接入+5V电源时，控制点电位受电阻R2下拉至地，为低电平，由于控制点连接PMOS管QP1的G极和NOMS管QN1的G极，G极接地，故NOMS管QN1截止，PMOS管QP1导通，第一电池组BT1的正极连接至第二电池组BT2的负极，形成串联模式，VOUT输出串联电压；
当接入+5V电源时，由于电阻R1的阻值小于电阻R2，控制点的电位受电阻R1上拉至高电平，此时NOMS管QN1导通，PMOS管QP1截止，第二电池组BT2的节点2通过NMOS管QN1的D-S极连接至地，充电模块2形成充电回路，实现并联单独充电。
4.根据权利要求2所述的可实现多组电池并联充电、串联放电的电路，其特征在于：所述电池组为N组，即第一电池组BT1至第N电池组BTN，充电模块对应也为N组，其中N≥3；当未接入+5V电源时，控制点电位被电阻R2下拉至地，所有NMOS管均截止，而各PMOS管的S极节点，即节点BT1、节点BT2、节点BT3……节点BTN-1均高于对应G极控制点的电位，使所有PMOS管均导通，形成节点1-节点BT1-节点2-节点BT2-节点3-节点BT3……节点N–VOUT的串联结构，提供串联放电；
当接入+5V电源时，控制点被电阻R1上拉至高电平，所有NMOS管都导通，节点1、节点2、节点3……节点N均接地，而节点BT1、节点BT2、节点BT3……节点BTN-1均为各电池组的自身电压，此电压均小于控制端G极电压+5V，使所有的PMOS管都截止，实现并联充电结构。
5.根据权利要求2所述的可实现多组电池并联充电、串联放电的电路，其特征在于：所述电池组为N组，即第一电池组BT1至第N电池组BTN，充电模块对应也为N组，其中N≥4；第一电池组BT1至第三电池组BT3对应的PMOS管QP1-QP3的G极连接至控制点，从第四电池组BT4起对应的PMOS管通过在其节点BT4与控制点串接一稳压二极管DZ及一限流电阻R3，以限制相应PMOS管的Vgs电压；稳压二极管DZ的稳压值大于PMOS管导通电压的最小值；
稳压二极管DZ采用10V稳压管，未接入+5V时,所有NMOS管截止，PMOS管导通，且第四电池组BT4对应的PMOS管QP4的Vgs电压被限制在-9.85V；
当接入+5V时，控制点被电阻R1上拉至高电平，电压为4.99V，所有NMOS管导通，PMOS管截止，第四电池组BT4对应的PMOS管QP4的S极的节点BT4为4.09V，G极为4.75V，QP4截止，实现并联充电结构。
6.根据权利要求2所述的可实现多组电池并联充电、串联放电的电路，其特征在于：所述切换开关为拨动开关，所述拨动开关具有常闭触点和常开触点，常闭触点连接前一电池组的正极，常开触点接地；所有拨动开关接通常闭触点时，各电池组形成串联结构，VOUT端输出总电压；所有拨动开关切换到常开触点时，所有电池组负极端均接地，形成并联充电结构。
7.根据权利要求6所述的可实现多组电池并联充电、串联放电的电路，其特征在于：控制系统由充电输入电压控制，无+5V时，拨动开关处于常闭状态，电池组形成串联放电结构；接入+5V时，拨动开关切换至常开触点，所有充电模块与各自电池组相连，构成充电回路，单独充电，形成并联单独充电结构。
8.根据权利要求2所述的可实现多组电池并联充电、串联放电的电路，其特征在于：所述切换开关为继电器，未接入+5V时，继电器的常闭触点接通使电池组形成串联放电结构；接入+5V时，继电器吸合使常开触点导通接地，每个充电模块形成单独对各自电池组的充电结构。
9.根据权利要求2所述的可实现多组电池并联充电、串联放电的电路，其特征在于：所有的充电模块具有相同的结构，均包括有充电控制芯片U1，其型号为TP4056，充电控制芯片U1的PROG脚连接有电阻R形成最大充电电流调整结构，充电控制芯片U1的TEMP脚与BAT脚之间连接有充电电容C，电池组BT的正极连接充电控制芯片U1的BAT脚；充电控制芯片U1的VCC脚和CE脚连接一二极管D的负极，该二极管D的正极接充电输入电源。
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