CN109066831A - 一种适用于盲操作的多功能电池保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于盲操作安装电池的多功能电池保护装置，其包括四个MOSFET和一个主控制模块的桥式模块，四个MOSFET导通方向相同，首尾依次连接成环形，电池的两端分别连接第一MOSFET和第二MOSFET之间的节点及第三MOSFET和第四MOSFET之间的节点，该桥式模块的输出端分别连接第二MOSFET和第三MOSFET之间的节点及第一MOSFET和第四MOSFET之间的节点，主控制模块通过采样导通状态下的MOSFET输入电压和输出电压，依据采样得到的输入电压和输出电压的电压差，自动调节导通状态下的MOSFET的控制引脚GATE的电压，使得导通状态下的MOSFET输入电压和输出电压的压降稳定为50毫伏，以此方式实现电池任意方向接入时输出端的极性不变，且该装置的功耗小，从而提高了电池的利用率。
Description
技术领域
本发明属于电池领域，具体涉及一种适用于盲操作的多功能电池保护装置。
背景技术
随着技术的飞速发展，电池已被广泛地应用于各种电子仪器中，如集光机电于一体的现代化光电瞄具装一般使用一节或两节锂电池进行供电，由于锂电池的正负极很难分辨，在夜晚更换电池时不能进行盲操作，装错电池轻则该光电瞄具不能工作，重则导致光电瞄具彻底损坏，为了让士兵能够在夜晚快速安装电池，在军事斗争中取得有利条件，设计出一种适用于盲操作的多功能电池保护电路显得尤为重要。
然而，现有的电池保护电路有以下几种：1、单向二极管的防反接电路，通过串联单向二极管实现电路保护，然而其仅在正确接入电时后产品能正常工作，电池反接后是不能正常工作的，同时由于二极管压降造成的功耗较大影响设备正常使用时间；2、MOS管防反接电路，通过设置MOS管实现电路保护，然而其仅在正确接入电时后产品能正常工作，电池反接后是不能正常工作的，同时由于MOS管的内阻较大使得其功耗较大影响设备的正常使用；3、桥式电路，如图1所示，使用四个二极管首尾相连成菱形的桥式电路，其中一条对角线的两点作为输入，另一条对角线的两点作为输出，电源输入为IN+/IN-，输出为OUT+/OUT-，当电池正向接入时，其电流流向为IN+→D2→OUT+→OUT-→D4→IN-,因此，共经过D2D4两个二极管；电池反向接入时，其电流流向为IN-→D3→OUT+→OUT-(OUT接负载)→D1→IN-，经过两个二极管且其输出给负载的电源方向不变，从而实现任意方向接入电池负载均可正常工作，然而其缺点在于电源到负载的连接串联有两个二极管，导通后的二极管输入端和输出端的压降较大，硅二极管一般为0.6V，锗二极管一般为0.3V，从而使得电源的压降及功耗更大，如果考虑用压降较小、内阻小的MOS管替代二极管，由于MOS管比较敏感，当输入电压或电流出现较大波动容易导致输出不稳定甚至出现MOS管栅极和源极之间的绝缘层被击穿的现象。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于盲操作的多功能电池保护装置，其采用包括四个MOSFET和一个主控制模块的桥式模块，其主控制模块依据采样得到的MOSFET的两端电压调整MOSFET控制端的电压，保证MOSFET输出稳定，以此方式实现电池任意方向接入时输出端的极性不变，且该装置的功耗小，从而提高了电池的利用率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于盲操作的多功能电池保护装置，该装置包括桥式模块，其中，桥式模块包括第一MOSFET、第二MOSFET、第三MOSFET、第四MOSFET和一个主控制模块，四个MOSFET导通方向相同，并首尾依次连接成环形，电池的两端分别连接第一MOSFET和第二MOSFET之间的节点及第三MOSFET和第四MOSFET之间的节点，该桥式模块的输出端分别连接第二MOSFET和第三MOSFET之间的节点及第一MOSFET和第四MOSFET之间的节点；
主控制模块分别与四个MOSFET的输入端、输出端和控制引脚GATE连接，主控制模块用于采样导通状态下的各MOSFET的输入电压和输出电压，并依据采样得到的输入电压和输出电压的电压差，调节导通状态下的MOSFET的控制引脚GATE的电压，使得导通状态下的各MOSFET的输入电压和输出电压的压降稳定在设定阈值。
作为本发明的进一步改进，主控制模块还包括有四个运算放大器和四个比较器，一个运算放大器的两个输入端连接有对应的MOSFET的输入端和输出端，该运算放大器的输出端连接对应的比较器的输出端，该比较器的输出端连接对应的MOSFET的控制引脚GATE，设定运算放大器的放大倍数以及比较器的阈值电压，以实现导通状态下的各MOSFET的输入电压和输出电压的压降稳定在设定阈值。
作为本发明的进一步改进，运算放大器的放大倍数设置为20，比较器的阈值电压设定为1伏，从而使得主控制模块控制导通状态下的各MOSFET的输入电压和输出电压的压降稳定在50毫伏。
作为本发明的进一步改进，该装置中桥式模块为多个，每个桥式模块对应一个电池。
作为本发明的进一步改进，该装置还设置有串并联选择模块，串并联选择模块的输入端连接全部桥式模块的输出端，可通过该串并联选择模块实现桥式模块输出端的串联或并联。
作为本发明的进一步改进，多个桥式模块输出端处于并联时，其对应的电池电压可以为相同或不同。
作为本发明的进一步改进，多个桥式模块输出端处于并联时，其对应的电池容量可以为相同或不同。
作为本发明的进一步改进，该装置还设置有电源开关模块，电源开关模块包含开关电路、采样电路和控制模块，开关电路和采样电路的输入端分别电连接串并联选择模块的输出端，开关电路的输出端连接负载，采样电路的输出端电连接控制模块的输入端，控制模块的输出端连接开关电路的控制端，采样电路用于采样串并联选择模块的输出端电压值并发送给控制模块，控制模块依据采样的串并联选择模块的输出端电压值判断当前串并联状态。
作为本发明的进一步改进，控制模块用于依据当前串并联状态和预设的电压阈值判断开关模块的输出是否处于欠压状态，并在开关模块的输出为欠压状态时输出关闭电源指令给开关模块，以关闭对负载的电压输出实现电池的过放保护。
作为本发明的进一步改进，开关模块还设置有非自锁轻触开关的开关输入，以实现开关使能电源。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明的适用于盲操作的多功能电池保护装置，采用包括四个MOSFET和一个主控制模块的桥式模块，使用主控制模块依据采样得到的MOSFET的两端电压调整MOSFET控制端的电压，保证MOSFET输出稳定，以此方式实现电池任意方向接入时输出端的极性不变，且该装置的功耗小，从而提高了电池的利用率。
本发明的适用于盲操作的多功能电池保护装置，可设置多个电池和与电池对应的桥式模块，并通过串并联选择模块对其进行串并联管理，实现了不同电压的电池并联接入时，高电压的电池工作而低电压的电池不工作；实现了等电压不同容量的电池并联接入时，容量大的电池一直会持续输出，容量低的电池则间断性输出。
本发明的适用于盲操作的多功能电池保护装置，其通过电源开关模块采样输入电压值来判断当前的串并联状态，结合当前的串并联状态进一步判断是否处于欠压状态，处于欠压状态时则关闭整个装置以实现电池的欠压保护，同时电源开关模块还设置有连接非自锁轻触开关的开关输入，以实现按一下开关使能电源，再按一下关闭电源输出，配合控制软件可实现长按关机。
附图说明
图1是现有技术中的桥式电路结构示意图；
图2是本发明实施例的适用于盲操作的多功能电池保护装置结构示意图；
图3是本发明实施例的适用于盲操作的多功能电池保护装置的MOSFET子电路示意图；
图4是本发明实施例的适用于盲操作的多功能电池保护装置的桥式模块结构示意图；
图5是本发明实施例的适用于盲操作的多功能电池保护装置的串并联模块连接示意图；
图6是本发明实施例的适用于盲操作的多功能电池保护装置的电源开关模块示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
图2是本发明实施例的适用于盲操作的多功能电池保护装置结构示意图。如图2所示，该适用于盲操作的多功能电池保护装置包含桥式模块、串并选择模块以及电源开关模块，其中，电池I和电池II分别接入桥式模块I和新型桥式模块II，其用于实现电池任意方向接入均可正常工作，串并选择模块的输入端设置连接桥式模块I和桥式模块II的输出端，其用于实现电池I和电池II的串联或并联连接，串并选择模块的输入端设置连接电源开关模块，电源开关模块用于控制整个电路的连通或断开。
图3是本发明实施例的适用于盲操作的多功能电池保护装置的MOSFET子电路示意图。如图3所示，主控制模块分别连接MOSFET的输入电源Vin和输出电源Vsense，其中主控制模块还设置有运算放大器和比较器，运算放大器的两个输入端分别设置连接MOSFET的输入电源Vin和输出电源Vsense，运算放大器的输出端连接比较器的输入端，该比较器的输出端连接接MOSFET的控制引脚GATE，其中运算放大器的放大倍数设置为20，比较器的阈值设置为1V，当Vin与Vsense的压差大于50毫伏时，GATE端的电压被拉高，从而使得Vin与Vsense的压差降低，而当Vin与Vsense的压差小于50毫伏时，GATE端的电压被拉低，从而使得Vin与Vsense的压差升高，从而实现Vin与Vsense的压差维持在50毫伏。主控制模块的状态引脚ST电压为高时，表示MOSFET处于导通状态，此时主控制模块通过采样输入电源Vin和输出电源Vsense的值，并自动调节MOSFET的控制引脚GATE的电压，使得输入电源Vin和输出电源Vsense的压降为50毫伏，状态引脚ST电压为低时，表示MOSFET处于断开状态。
图4是本发明实施例的适用于盲操作的多功能电池保护装置的桥式模块结构示意图。如图4所示，桥式模块包含四个相同的MOSFET和一个主控制模块，四个MOSFET首尾依次相连，导通方向相同，主控制模块分别连接四个MOSFET的控制端，用于控制MOSFET的状态，其中，电池的一端即输入A连接第一MOSFET与第二MOSFET的节点，电池的另一端即输入B连接第三MOSFET与第四MOSFET的节点，一个输出端口即输出C连接第二MOSFET与第四MOSFET的节点，另一个输出端口即输出D连接第一MOSFET与第三MOSFET的节点。以图4中MOSFET导通方向是从左到右为例，当电池的正极连接输入A、负极连接输入B时，第二MOSFET和第三MOSFET处于导通状态，其中输出C为高电平，输出D为低电平；当电池的负极连接输入A、正极连接输入B时，第一MOSFET和第四MOSFET处于导通状态，其中输出C为高电平，输出D为低电平，以图4中MOSFET导通方向是从右到左为例，当电池的正极连接输入A、负极连接输入B时，第一MOSFET和第四MOSFET处于导通状态，其中输出C为低电平，输出D为高电平；当电池的负极连接输入A、正极连接输入B时，第二MOSFET和第三MOSFET处于导通状态，其中输出C为低电平，输出D为高电平，从而实现无论输出C和输出D的极性固定，并不随输入A和输入B的极性变化而变化，同时通过主控制模块来控制上述MOSFET，从而实现输出C和输出D的压降可以稳定控制为100mV，从而减少了电源的压降和功耗。当然，上述MOSFET的导通方向仅为示例，当其导通方向为反方向时，也可实现输出C、D的极性固定并不随输入A和输入B的极性变化而变化。
图5是本发明实施例的适用于盲操作的多功能电池保护装置的串并联模块连接示意图。如图5所示，桥式模块I的输入端A、B分别连接电池I的两端，桥式模块I的输出端C、D分别连接串并联选择模块的输入端，桥式模块II的输入端E、F分别连接电池II的两端，桥式模块II的输出端G、H分别连接串并联选择模块的输入端；当串并联选择模块选择为串联模式时，输出D和输出G直接连接，而输出C和输出H分别连接串并联选择模块输出端的两端，从而实现电池I和电池II的串联；当串并联选择模块选择为并联模式时，输出C和输出G均连接串并联选择模块输出端的一端，输出D和输出H均连接串并联选择模块输出端的另一端，从而实现电池I和电池II的并联。当电池I和电池II处于并联状态，输出端C、G为正极，输出端D、H为负极，若电池I为高电压而电池II为低电压，即输出端C的电压高于输出端G的电压，则电池II桥式电路原本应导通的MOSFET输出端的电压高于输入端电压，电池II桥式电路所有MOSFET均处于截止状态，因此只有输出端C输出电压而输出端G无输出，只有当输出C与输出G电压相等时，电池II桥式电路应导通的MOSFET导通，输出G有输出，从而实现了不同电压的电池同时并联接入时，高电压电池有输出，低电压电池无输出，直至两个电池电压相等低电压电池才能有输出。对于容量不同且电压相同的电池并联接入时，相同的放电时间内，容量高的电池电压下降小，而容量低的电池电压下降大，因此，容量高的电池一直会持续输出，而容量低的电池会间断性输出，从而实现了不同容量的电池可同时并联接入。当然，上述电池个数仅为示例，电池个数为3个以上时同样也可以实现上述功能。
图6是本发明实施例的适用于盲操作的多功能电池保护装置的电源开关模块示意图，电源开关模块包含开关电路、采样电路和控制模块，开关电路的输入端连接串并选择模块的输出端，开关电路的输出端用于连接负载，其中采用电路对输入端的电压进行采样并将其发送给控制模块，控制模块根据电压值判断当前串并状态：以工作电压为2.6伏～4.2伏的锂电池为例，其中，串联电压值范围为2.6N伏～4.2N伏(N为串联个数)、并联电压值范围为2.6伏～4.2伏，控制模块依据当前串并状态进一步判断欠压状态：其中并联欠压阈值为2.8V，串联欠压阈值为5.6V，主控制模块检测到欠压状态后通过控制引脚发送关闭电源的指令给开关模块，以关闭对负载的电压输出实现电池过放保护。同时开关模块还设置有开关输入，用于连接非自锁轻触开关，以实现按一下开关使能电源，再按一下关闭电源输出，配合控制软件可实现长按关机。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于盲操作的多功能电池保护装置，其特征在于，该装置包括桥式模块，其中，所述桥式模块包括第一MOSFET、第二MOSFET、第三MOSFET、第四MOSFET和一个主控制模块，四个MOSFET导通方向相同，并首尾依次连接成环形，电池的两端分别连接第一MOSFET和第二MOSFET之间的节点及第三MOSFET和第四MOSFET之间的节点，该桥式模块的输出端分别连接第二MOSFET和第三MOSFET之间的节点及第一MOSFET和第四MOSFET之间的节点；
所述主控制模块分别与四个MOSFET的输入端、输出端和控制引脚GATE连接，所述主控制模块用于采样导通状态下的各MOSFET的输入电压和输出电压，并依据采样得到的输入电压和输出电压的电压差，调节导通状态下的MOSFET的控制引脚GATE的电压，使得导通状态下的各MOSFET的输入电压和输出电压的压降稳定在设定阈值。
2.根据权利要求1所述的一种适用于盲操作的多功能电池保护装置，其中，所述主控制模块还包括有四个运算放大器和四个比较器，一个运算放大器的两个输入端连接有对应的MOSFET的输入端和输出端，该运算放大器的输出端连接对应的比较器的输出端，该比较器的输出端连接对应的MOSFET的控制引脚GATE，设定运算放大器的放大倍数以及比较器的阈值电压，以实现导通状态下的各MOSFET的输入电压和输出电压的压降稳定在设定阈值。
3.根据权利要求2所述的一种适用于盲操作的多功能电池保护装置，所述运算放大器的放大倍数设置为20，所述比较器的阈值电压设定为1伏，从而使得所述主控制模块控制导通状态下的各MOSFET的输入电压和输出电压的压降稳定在50毫伏。
4.根据权利要求2所述的一种适用于盲操作的多功能电池保护装置，其中，该装置中桥式模块为多个，每个桥式模块对应一个电池。
5.根据权利要求4所述的一种适用于盲操作的多功能电池保护装置，其中，该装置还设置有串并联选择模块，所述串并联选择模块的输入端连接全部桥式模块的输出端，可通过该串并联选择模块实现桥式模块输出端的串联或并联。
6.根据权利要求5所述的一种适用于盲操作的多功能电池保护装置，其中，多个桥式模块输出端处于并联时，其对应的电池电压可以为相同或不同。
7.根据权利要求5所述的一种适用于盲操作的多功能电池保护装置，其中，多个桥式模块输出端处于并联时，其对应的电池容量可以为相同或不同。
8.根据权利要求5所述的一种适用于盲操作的多功能电池保护装置，其中，该装置还设置有电源开关模块，所述电源开关模块包含开关电路、采样电路和控制模块，所述开关电路和采样电路的输入端分别电连接所述串并联选择模块的输出端，所述开关电路的输出端连接负载，所述采样电路的输出端电连接所述控制模块的输入端，所述控制模块的输出端连接所述开关电路的控制端，所述采样电路用于采样所述串并联选择模块的输出端电压值并发送给所述控制模块，所述控制模块依据采样的所述串并联选择模块的输出端电压值判断当前串并联状态。
9.根据权利要求8所述的一种适用于盲操作的多功能电池保护装置，其中，所述控制模块用于依据当前串并联状态和预设的电压阈值判断开关模块的输出是否处于欠压状态，并在开关模块的输出为欠压状态时输出关闭电源指令给所述开关模块，以关闭对负载的电压输出实现电池的过放保护。
10.根据权利要求8或9所述的一种适用于盲操作的多功能电池保护装置，所述开关模块还设置有非自锁轻触开关的开关输入，以实现开关使能电源。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20181221 |