CN109309397B - 一种移动电源 - Google Patents
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Abstract
本申请提出一种移动电源，包括：第一电池、第二电池、电压输出接口和降压直流电压转换器，所述第一电池与所述第二电池串联，所述第一电池的电压输出至所述降压直流电压转换器，经过所述降压直流电压转换器后输出至所述电源输出接口，所述第二电池的电压输出至所述电源输出接口，与所述第一电池的电压输出叠加。一级电源的输出电压，不经过电压转换直接输出，另外一级电源的输出电压，经过降压后，与前一级电源的输出电压叠加输出。高转换效率，能量损失少，发热远低于传统产品，减少能量损失，在一定程度上能改善移动电源的缺陷。可以缩小大容量移动电源的体积和重量，又能适度提高小容量移动电源的充电能力，有明显的市场价值。
Description
技术领域
本发明涉及充放电技术领域，具体涉及一种移动电源。
背景技术
随着移动数字通信和智能手机行业的快速发展，手机的电池越来越不够用，为了解决手机的轻薄和电池容量之间的矛盾，市场上出现了大量的便携式移动电源(俗名充电宝)，它内置锂电池和充放电电路，可随时随地在手机电量不足时给手机充电。
但目前的移动电源产品存在一个明显的不足，在给手机充电时，需要先将电池电压升压转换到5V的标准USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)接口VBUS电压(如图1所示)，随后在手机内部又降压转换到接近电池电压后，才能给手机电池充电。这样经过了2次转换过程，充电效率很低。以10000mAh的移动电源为例，如果升压和降压转换的效率都是90％，则充入手机电池的电量仅为10000*90％*90％＝8100mAh，远低于移动电源的标称容量。
上述的能量损失对移动电源来说会造成很明显的缺陷。第一，大容量的移动电源虽然能给用户提供足够的充电能力，但体积和重量较大不利于便携；而轻薄便携的移动电源，充电能力又很薄弱。
除此之外，电压转换电路还会释放热量，造成温度上升，影响用户体验和电池安全性。
发明内容
本发明提供一种移动电源，解决移动电源效率低下的问题。
为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种移动电源，包括：第一电池、第二电池、电压输出接口和降压直流电压转换器，所述第一电池与所述第二电池串联，所述第一电池的电压输出至所述降压直流电压转换器，经过所述降压直流电压转换器后输出至所述电源输出接口，所述第二电池的电压输出至所述电源输出接口，与所述第一电池的电压输出叠加。
优选地，所述第一电池为锂电池，所述第二电池为锂电池。
优选地，所述降压直流电压转换器的转换电压输出根据所述第二电池的电压输出的变化确定，使得所述第一电池和所述第二电池的电压输出在所述电源输出接口叠加后为预设电压。
优选地，所述的移动电源还包括：比较器和反馈电路，所述反馈电路包括参考电压源、第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，所述第一分压电阻R1和所述第二分压电阻R2串联后电源输出接口的两端，参考电压源和第二分压电阻的电压分别连接至所述比较器的两个比较值输入端，所述比较器的比较输出端连接至所述降压直流电压转换器的控制端，所述降压直流电压转换器根据比较器的使能信号控制转换电压输出，使得所述第一电池和所述第二电池的电压输出在所述电源输出接口叠加后为预设电压。
优选地，所述的移动电源还包括：第一电池输入接口、升压直流电压转换器、第一充电电路和第二充电电路，所述第一电池输入接口的输入电压通过所述升压直流电压转换器和第一充电电路连接至第一电池，通过第二充电电路连接至第二电池。
优选地，所述的移动电源还包括：开关切换电路：
所述第一电池与所述第二电池串联后，经过所述开关切换电路，转换所述第一电池和第二电池的连接状态，使得所述第二电池的电压输出至所述降压直流电压转换器，经过所述降压直流电压转换器后输出至所述电源输出接口，所述第一电池的电压输出至所述电源输出接口，或者，
所述第一电池的电压输出至所述降压直流电压转换器，经过所述降压直流电压转换器后输出至所述电源输出接口，所述第二电池的电压输出至所述电源输出接口。
优选地，所述开关切换电路包括4个联动的单刀双掷开关，当4个所述单刀双掷开关连接在第一触点时，所述第一电池的电压输出至所述降压直流电压转换器，经过所述降压直流电压转换器后输出至所述电源输出接口，所述第二电池的电压输出至所述电源输出接口，当4个所述单刀双掷开关连接在第二触点时，所述第二电池的电压输出至所述降压直流电压转换器，经过所述降压直流电压转换器后输出至所述电源输出接口，所述第一电池的电压输出至所述电源输出接口。
优选地，所述的移动电源还包括：减法器和触发器，所述减法器的两个输入端分别与所述第一电池和所述第二电池相连，所述减法器的输出端输出第一电池与第二电池的电压差值，当所述电压差值大于或者等于预设阈值时，所述触发器发出触发信号至所述开关切换电路，触发4个所述单刀双掷开关切换连接的触点。
优选地，所述的移动电源还包括：第二电池输入接口、充电电路，所述第二电池输入接口的输入电压通过所述充电电路连接至所述开关切换电路。
本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明的技术方案，移动电源由2级电源串联组成，在放电过程中，其中一级电源的输出电压，不经过电压转换直接输出，另外一级电源的输出电压，经过降压后，与前一级电源的输出电压叠加输出。具有传统产品难以达到的高转换效率，能量损失少，发热远低于传统产品，减少能量损失，在一定程度上能改善移动电源的缺陷。可以缩小大容量移动电源的体积和重量，又能适度提高小容量移动电源的充电能力，有明显的市场价值。
附图说明
图1为相关技术的移动电源放电电路的结构示意图；
图2为本发明实施例的移动电源放电电路的结构示意图；
图3为本发明实施例的移动电源放电电路的结构示意图；
图4为本发明实施例3的移动电源放电电路的结构示意图；
图5为本发明实施例3的移动电源充电电路的结构示意图；
图6为本发明实施例4的开关切换电路的结构示意图；
图7为本发明实施例4的移动电源放电电路的结构示意图；
图8为本发明实施例4的移动电源充电电路的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。
如图2所示，本发明实施例提供一种移动电源，包括：第一电池、第二电池、电压输出接口和降压直流电压转换器(降压DC-DC)，所述第一电池与所述第二电池串联，所述第一电池的电压输出至所述降压直流电压转换器，经过所述降压直流电压转换器后输出至所述电源输出接口，所述第二电池的电压输出至所述电源输出接口，与所述第一电池的电压输出叠加。
本发明实施例的第一电池和第二电池容量可以相同或者不同。由于第二电池的输出未经直流电压转换而直接输出，没有电压转换环节，其放电效率接近100％，故而整个移动电源的放电效率能得到明显的提升。
所述的移动电源还包括：开关切换电路，所述第一电池与所述第二电池串联后，经过所述开关切换电路，转换所述第一电池和第二电池的连接状态，
使得所述第二电池的电压输出至所述降压直流电压转换器，经过所述降压直流电压转换器后输出至所述电源输出接口，所述第一电池的电压输出至所述电源输出接口，或者，
所述第一电池的电压输出至所述降压直流电压转换器，经过所述降压直流电压转换器后输出至所述电源输出接口，所述第二电池的电压输出至所述电源输出接口。
开关切换电路受控对所述第一电池和第二电池的连接状态进行转换，保持其中一个电源不经过电压转换直接输出，另一个经过降压后输出。
其中，所述第一电池为锂电池，所述第二电池为锂电池。
所述降压直流电压转换器的转换电压输出根据所述第二电池的电压输出的变化确定，使得所述第一电池和所述第二电池的电压输出在所述电源输出接口叠加后为预设电压。
所述的移动电源还包括：比较器和反馈电路，所述反馈电路包括参考电压源、第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，所述第一分压电阻R1和所述第二分压电阻R2串联后电源输出接口的两端，参考电压源和第二分压电阻的电压分别连接至所述比较器的两个比较值输入端，所述比较器的比较输出端连接至所述降压直流电压转换器的控制端，所述降压直流电压转换器根据比较器的使能信号控制转换电压输出，使得所述第一电池和所述第二电池的电压输出在所述电源输出接口叠加后为预设电压。
本发明实施例通过反馈控制，调整降压直流电压转换器的输出电压，使得所述第一电池和所述第二电池的电压输出在所述电源输出接口叠加后的电压为所需的额定电压。
所述的移动电源还包括：第一电池输入接口、升压直流电压转换器(升压DC-DC)、第一充电电路和第二充电电路，所述第一电池输入接口的输入电压通过所述升压直流电压转换器和第一充电电路连接至第一电池，通过第二充电电路连接至第二电池。
第一充电回路，通过第一充电电路对串联的电路进行充电，即同时给第一电池和第二电池充电，第二充电回路通过第二充电电路对第二电池进行充电。
所述开关切换电路包括4个联动的单刀双掷开关，当4个所述单刀双掷开关连接在第一触点时，所述第一电池的电压输出至所述降压直流电压转换器，经过所述降压直流电压转换器后输出至所述电源输出接口，所述第二电池的电压输出至所述电源输出接口，当4个所述单刀双掷开关连接在第二触点时，所述第二电池的电压输出至所述降压直流电压转换器，经过所述降压直流电压转换器后输出至所述电源输出接口，所述第一电池的电压输出至所述电源输出接口。
本发明实施例中，开关切换电路包括4个联动的单刀双掷开关，根据所述单刀双掷开关的位置分为两个状态；
状态1：当四个开关都连接到上侧触点时，第一电池经过降压直流电压转换器放电，第二电池直接放电；
状态2：当四个开关都连接到下侧触点时，第二电池经过降压直流电压转换器放电，第一电池直接放电。
所述的移动电源还包括：减法器和触发器，所述减法器的两个输入端分别与所述第一电池和所述第二电池相连，所述减法器的输出端输出第一电池与第二电池的电压差值，当所述电压差值大于或者等于预设阈值时，所述触发器发出触发信号至所述开关切换电路，触发4个所述单刀双掷开关切换连接的触点。
所述的移动电源还包括：第二电池输入接口、充电电路，所述第二电池输入接口的输入电压通过所述充电电路连接至所述开关切换电路。
实施例1
本实施例使用不同容量的电池组成串联系统，如附图2所示。容量较大的第二电池，其输出不做降压DC-DC转换；而容量较小的第一电池则通过降压DC-DC转换后输出一个0.8-1.6V左右的可调电压，将输出电压叠加在第一电池的输出电压之上输出给接口。上述降压DC-DC的输出电压随着大容量的第二电池的输出电压而变，确保第一电池经过降压DC-DC的输出电压与第二电池的输出电压叠加后的电压为稳定的5V。
基于串联电路的电流相等，由于小容量的第一电池经降压DC-DC降压后，相当于放大的电流降低了电压，在第一电池自身上的放电电流就比大容量第二电池的放电电流小，这样可以不需要额外的电路，就能让两个电池的放电进度适配。
在本实施例中，为了最大限度的利用电池容量，应保持两个电池的放电进度同步，即当大容量的第二电池和小容量的第一电池同时完成放电。具体的电池容量选择，应根据电路参数和电池的参数进行计算确定，具体的计算可以参考后面的实施例。
因为本方案中两个电池容量不同，在充电时，需要给大容量的第二电池增加额外的充电电流，以维持两个电池的充电进度同步。
实施例2
本实施例使用相同容量的电池串联。因通过降压DC-DC转换的一路电池，其输出电流较小，为了平衡两个电池的放电速率差异，需要增加开关切换电路，如图3。开关切换电路选择一个电池的输出电压不通过降压DC-DC，直接输出到电源输出接口上，而另一个电池的输出电压，则经过DC-DC降压后，叠加在前一电池的电压之上，降压DC-DC的输出电压可调，以确保叠加后的电压为稳定的5V。在放电过程中，开关切换电路根据电池剩余容量的差异，交换两个电池的工作状态，让剩余电量较多的电池输出较大的电流，就可以以维持两个电池的放电进度同步。
本实施例中，因电池容量相同，使用传统的均衡充电即可解决充电的同步问题。
实施例3
本实施例使用不同的容量的电池串联使用，如图4所示，为保证电源输出接口上输出电压为稳定的5.0V，要求图4中降压DC-DC的输出电压能够随着第二电池电压的变化而变化。当第二电池电压随着放电从4.4V逐渐降低到3.4V时，降压DC-DC的输出电压逐渐由0.6V提高到1.6V，以确保叠加后的电压为稳定的5V。
从以上的描述也可以看出，第一电池的放电电流，经过降压DC-DC降压后，才加载到负载上的，第一电池的放电电流远小于降压DC-DC的输出电流。虽然第一电池的电池容量比较小，但由于在放电过程中的放电电流也比较小，因此两个电池的放电进度可以适配。
附图4中还包括有比较器、参考电压源Vref和第一分压电阻R1、第二分压电阻R2。参考电压源Vref和第一分压电阻R1、第二分压电阻R2组成反馈电路，采样移动电源的输出电压，反馈给降压DC-DC调节输出电压，以确保移动电源的输出电压保持稳定。
在本实施中，第二电池选择5000mAh，电池的平均放电电压为3.8V，降压DC-DC转换效率按照90％估算，则第一电池的容量计算如下:
降压DC-DC的平均输出电压:
5V-3.8V＝1.2V
降压DC-DC的输出能量：
1.2V*5000mAh＝6Wh
降压DC-DC的输入能量：
6Wh/90％＝6.67Wh
第一电池容量：
6.67Wh/3.8V＝1755mAh
移动电源的总体放电效率计算如下：
移动电源输出能量：
5V*5000mAh＝25Wh
第一电池和第二电池输出能量：
3.8V*(5000mAh+1755mAh)＝25.7Wh
移动电源的放电效率：
25Wh/25.7Wh＝97.3％
对比市场上的高质量移动电源(90％左右的转换效率)，使用本实施例的移动电源的放电能力显著提升，而移动电源自身发热，更是减少了好几倍。
对于本实施例，由于电池组内的第一电池和第二电池容量不同，充电不能使用传统的电路。图5是针对此种方案的一种充电电路，包含有两个充电回路。
第一充电回路，将输入的5V电源升压后，用第一充电电路通过两个电池的正极和负极，对串联的两个电池充电，所述第一充电电路输出的电流同时充给第一电池和第二电池。
第二充电回路，使用5V电源做输入，使用图5中的第二充电电路输出到两个电池的中间极和负极，只对第二电池充电。
合适的设置两个回路充电电流大小比例，就可以实现两个电池的同步充电。在本实施例中，设置两个回路的电流比例应为1755：(5000-1755)。例如，第一充电回路的电流为175.5mA，则第二充电回路的电流被设置为324.5mA。这样第一电池的充电电流为175.5mA，第二电池上的充电电流为175.5+324.5＝500mA，对两个电池来说都相当于0.1c充电，充电进度相同，可以被同时充满。
实施例4
本实施例使用同样容量的电池串联使用。由于本实施例的两个电池放电速率不一致，为了让两个电池能够均衡放电，需要一组开关切换电路，对两个电池的连接关系进行切换。如附图6所示。
附图6是开关切换电路的电路原理示意图，其中包含有4个联动的单刀双掷开关，根据开关的位置可以分为2个状态：
状态1：当四个开关都连接到上侧触点时
第一电池的正极连接到电池组的正极(PACK+)；
第二电池的负极连接到电池组的负极(PACK-)；
第一电池的负极和第二电池的正极连接到电池组的中间极(PACKM)；
状态2：当四个开关都连接到下侧触点时
第二电池的正极连接到电池组的正极(PACK+)；
第一电池的负极连接到电池组的负极(PACK-)；
第二电池的负极和第一电池的正极连接到电池组的中间极(PACKM)；
在电池组两种不同的切换状态下，第一电池和第二电池的放电状态如下：
状态1：
第一电池经过降压DC-DC降压放电，放电速率慢；
第二电池直接放电，放电速率快；
状态2：
第二电池经过降压DC-DC降压放电，放电速率慢；
第一电池直接放电，放电速率快。
为了确保两个电池放电进度相同，选择一个合适的预设电压阈值，当两个电池的电压差值超过该预设阈值后，控制切换开关，让电压较高的池快速放电，让电压较低的电池慢速放电。这样，就可以实现两个电池的同步放电。
上述预设阈值的选择须满足以下两条原则：第一，预设阈值应该尽可能的小，以尽可能的保证两个电池放电进度同步；第二，在开关切换过程中，不能因为电池内阻引起的压降导致切换发生。例如，如果一个电池因放电过程中内阻引起的压降为0.05V，可以取预设阈值为0.06V，就可以同时满足以上两个条件。
放电电路如图7所示，其工作原理跟实施例1是一样的，可以提高放电效率。
在本实施例中，组成串联电池组的两个电池容量相同，所以可以直接采用9V电源输入，使用支持2节锂电池串联使用的普通充电IC即可，如图8所示。
此外，本实施例上还有一个额外的优点是：由于电池在放电过程中能够通过切换网络实现均衡，可以省掉普通串联锂电池所必须的充电均衡电路。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。
Claims (8)
1.一种移动电源，其特征在于：包括：第一电池、第二电池、电源输出接口和降压直流电压转换器，所述第一电池与所述第二电池串联，所述第一电池的电压输出至所述降压直流电压转换器，经过所述降压直流电压转换器后输出至所述电源输出接口，所述第二电池的电压输出至所述电源输出接口，与所述第一电池的电压输出叠加；
所述移动电源还包括：开关切换电路：
所述第一电池与所述第二电池串联后，经过所述开关切换电路，转换所述第一电池和第二电池的连接状态，使得所述第二电池的电压输出至所述降压直流电压转换器，经过所述降压直流电压转换器后输出至所述电源输出接口，所述第一电池的电压输出至所述电源输出接口，或者，所述第一电池的电压输出至所述降压直流电压转换器，经过所述降压直流电压转换器后输出至所述电源输出接口，所述第二电池的电压输出至所述电源输出接口。
2.如权利要求1所述的移动电源，其特征在于：所述第一电池为锂电池，所述第二电池为锂电池。
3.如权利要求1所述的移动电源，其特征在于：所述降压直流电压转换器的转换电压输出根据所述第二电池的电压输出的变化确定，使得所述第一电池和所述第二电池的电压输出在所述电源输出接口叠加后为预设电压。
4.如权利要求3所述的移动电源，其特征在于：还包括：比较器和反馈电路，所述反馈电路包括参考电压源、第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，所述第一分压电阻R1和所述第二分压电阻R2串联后连接电源输出接口的两端，参考电压源和第二分压电阻的电压分别连接至所述比较器的两个比较值输入端，所述比较器的比较输出端连接至所述降压直流电压转换器的控制端，所述降压直流电压转换器根据比较器的使能信号控制转换电压输出，使得所述第一电池和所述第二电池的电压输出在所述电源输出接口叠加后为预设电压。
5.如权利要求1所述的移动电源，其特征在于：还包括：第一电池输入接口、升压直流电压转换器、第一充电电路和第二充电电路，所述第一电池输入接口的输入电压通过所述升压直流电压转换器和第一充电电路连接至第一电池，通过第二充电电路连接至第二电池。
6.如权利要求1所述的移动电源，其特征在于：所述开关切换电路包括4个联动的单刀双掷开关，当4个所述单刀双掷开关连接在第一触点时，所述第一电池的电压输出至所述降压直流电压转换器，经过所述降压直流电压转换器后输出至所述电源输出接口，所述第二电池的电压输出至所述电源输出接口，当4个所述单刀双掷开关连接在第二触点时，所述第二电池的电压输出至所述降压直流电压转换器，经过所述降压直流电压转换器后输出至所述电源输出接口，所述第一电池的电压输出至所述电源输出接口。
7.如权利要求6所述的移动电源，其特征在于：还包括：减法器和触发器，所述减法器的两个输入端分别与所述第一电池和所述第二电池相连，所述减法器的输出端输出第一电池与第二电池的电压差值，当所述电压差值大于或者等于预设阈值时，所述触发器发出触发信号至所述开关切换电路，触发4个所述单刀双掷开关切换连接的触点。
8.如权利要求6所述的移动电源，其特征在于：还包括：第二电池输入接口、充电电路，所述第二电池输入接口的输入电压通过所述充电电路连接至所述开关切换电路。
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