CN109888871A - 一种多电池均衡供电装置、供电方法、电子车锁及车辆 - Google Patents

一种多电池均衡供电装置、供电方法、电子车锁及车辆 Download PDF

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杨磊
张明阳
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Abstract

本发明提供一种多电池均衡供电装置、供电方法、电子车锁及车辆，该多电池均衡供电装置，用于均衡若干个电池组件的输出电压，多电池均衡供电装置包括第一节点、第二节点以及若干个开关模块；第一节点和第二节点用于和负载连接，第一节点用于和各电池组件的第一电极电性连接；开关模块的输入端用于和一个电池组件的第二电极电性连接；开关模块的输出端与第二节点电性连接；各开关模块用于在与其连接的电池组件的输出电压大于第一节点和第二节点之间的电压时将输入端以及输出端导通，以使得与该开关模块连接的电池组件放电。通过均衡供电，多个电池组件中发生部分损坏或者没电的情况下，因为均衡供电的原因，整个系统仍可以可靠的稳定工作。

Description

一种多电池均衡供电装置、供电方法、电子车锁及车辆
技术领域
本发明涉及一种供电装置，特别涉及一种多电池均衡供电装置、供电方法、电子车锁及车辆。
背景技术
共享单车的出现，为广大市民出行提供了很大的便利，与此同时，共享单车的运维成本越来越成为共享单车运营商不得不考虑的一项重大开支，而关系到运维成本的一项核心指标是单车系统的最大工作时间，这一项指标与单车系统的电池容量，耗电程度相关。由于受到单车的使用条件的影响，单车不得不使用电池模块进行供电，当单车频繁处于使用中，电池耗电快，这会导致单车的待机工作时长较短，而当前最好的方法就是使用容量更大的电话或者提供更好的低功耗方案。
在上述两种解决方案均存在较大的问题。增大电池的容量会提高对电池制作工艺的要求，大容量电池的稳定性也不如小容量的电池，此外，大容量电池的可靠性较低，一旦电池发生损坏，会使得共享单车无法工作，失去联系。而低功耗的解决方案需要芯片厂商推出更高级的低功耗芯片，这无疑会导致成本进一步提升。将多个小容量电池进行并联供电可以解决上述问题，但是多个小容量电池进行并联存在着供电不均衡的问题。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种多电池均衡供电装置、供电方法、电子车锁及车辆。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种多电池均衡供电装置，用于均衡若干个电池组件的输出电压，所述多电池均衡供电装置包括第一节点、第二节点以及若干个开关模块；其中：
所述第一节点和所述第二节点用于和负载连接，所述第一节点用于和各所述电池组件的第一电极电性连接；
所述开关模块的输入端用于和一个所述电池组件的第二电极电性连接；所述开关模块的输出端与所述第二节点电性连接；
各所述开关模块用于在与其连接的所述电池组件的输出电压大于所述第一节点和所述第二节点之间的电压时将所述输入端以及所述输出端导通，以使得与该所述开关模块连接的所述电池组件放电。
本发明的进一步改进在于，所述开关模块包括开关元件以及比较器；所述开关元件的第一端和所述第二端分别与所述开关模块的所述输入端和所述输出端电性连接；所述开关元件的控制端与所述比较器的输出端电性连接；所述比较器的第一输入端与所述开关模块的所述输出端电性连接；所述比较器的第二输入端与所述开关模块的所述输入端电性连接；所述比较器用于比较其第一输入端以及第二输入端的电压，以控制所述开关元件的开闭。
本发明的进一步改进在于，所述开关元件包括MOS管，所述MOS管的栅极为所述开关元件的控制端。
本发明的进一步改进在于，所述MOS管为NMOS管，所述MOS管的源极为所述开关元件的第二端，所述MOS管的漏极为所述开关元件的第一端。
本发明的进一步改进在于，所述开关模块包括电源端；所述电源端与所述比较器的第一供电端连接；所述比较器的第二供电端与所述开关模块的所述输出端连接。
本发明的进一步改进在于，所述比较器的第一供电端为正极，所述比较器的第二供电端为负极。
本发明的进一步改进在于，所述开关模块包括限流电阻；所述限流电阻连接在所述电源端与所述开关元件的所述控制端之间。
本发明的进一步改进在于，所述多电池均衡供电装置还包括电源模块；所述电源模块的电源输出端与各所述开关模块的电源端连接；所述电源模块包括第一电阻以及稳压二极管；所述第一电阻连接在所述电源输出端与所述第一节点之间；所述稳压二极管连接在所述电源输出端与所述第二节点之间。
本发明的进一步改进在于，所述第一输入端为所述比较器的同向输入端，所述第二输入端为所述比较器的反向输入端。
本发明的进一步改进在于，所述第二节点用于接地；所述第一节点用于输出正电压；所述电池组件的第一电极为正极，第二电极为负极。
本发明的进一步改进在于，所述电池组件包括至少一个电池。
一种多电池均衡供电方法，其包括以下步骤：
将若干个电池组件的第一电极与第一节点电性连接，并分别将各所述电池组件的第二电极与一个开关模块的输入端连接；
所述电池组件的数目为一时，所述开关模块将该所述电池组件的第二电极与第二节点导通；
所述电池组件的数目大于一时，各所述开关模块在与其连接的所述电池组件的输出电压大于所述第一节点和所述第二节点之间的电压时将与该所述开关模块连接的所述电池组件的第二电极与所述第二节点导通；
与所述第二节点导通的所述电池组件在放电过程中其输出电压逐渐降低，以使得所述第一节点和所述第二节点之间的电压逐渐降低。
本发明的进一步改进在于，所述开关模块通过对比所述第二节点的电压与所述电池组件的所述第二电极的电压以判断所述电池组件的输出电压是否大于所述第一节点和所述第二节点之间的电压。
一种电子车锁，其包括上述的多电池均衡供电装置。
一种车辆，其包括上述的多电池均衡供电装置。
本发明的有益效果是：(1)使用简易电路实现多电池均衡供电技术，可避免大容量电池的使用，同时电路成本极低，大大延长了市场上单车的实际可工作时间。(2)多个电池组件中发生部分损坏或者没电的情况下，因为均衡供电的原因，整个系统仍可以可靠的稳定工作，即系统可靠性得到增强。
附图说明
图1是多电池均衡供电装置的原理图；
图2是开关模块的原理图；
图3是电源模块的原理图。
附图标记如下：
10开关模块，20电源模块，N1第一节点，N2第二节点，E电池组件，
a第一电极，b第二电极，in输入端，out输出端，Q1开关元件，
U1比较器，uo输出端，d第一端，s第二端，g控制端，a1第一输入端，
a2第二输入端，Vcc电源端，V1第一供电端，V2第二供电端，
Pout电源输出端，R1第一电阻，Z1稳压二极管，R2限流电阻。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
实施例：如图1至3所示，本发明公开了多电池均衡供电装置，用于均衡若干个电池组件的输出电压，该多电池均衡供电装置包括第一节点N1、第二节点N2以及若干个开关模块10；其中：
第一节点N1和第二节点N2用于和负载连接，负载可以是共享单车的电子锁的电路，多电池均衡供电装置通过第一节点N1以及第二节点N2向负载输出直流电源。第一节点N1用于和各电池组件E的第一电极a电性连接；
开关模块10的输入端in用于和一个电池组件E的第二电极b电性连接；开关模块10的输出端out与第二节点N2电性连接；
各开关模块10用于在与其连接的电池组件E的输出电压大于第一节点N1和第二节点N2之间的电压时将输入端in以及输出端out导通，以使得与该开关模块10连接的电池组件E放电。
第一节点N1和第二节点N2之间的电压由正在放电的电池组件E的电压决定，正在放电的电池组件E的输出电压越大，第一节点N1和第二节点N2之间的电压也越大。根据各开关模块10的特性，电压最大的电池组件E优先放电，随着放电过程的持续，正在放电的电池组件E的输出电压逐渐减小，使得第一节点N1和第二节点N2之间的电压逐渐下降，进而使得其他输出电压较低的电池组件E有机会放电，从而实现各电池组件E之间的均衡放电。
开关模块10包括开关元件Q1以及比较器U1。开关元件Q1的第一端d和第二端s分别与开关模块10的输入端in和输出端out电性连接；开关元件Q1的控制端g与比较器U1的输出端uo电性连接；比较器U1的第一输入端a1与开关模块10的输出端out电性连接；比较器U1的第二输入端a2与开关模块10的输入端in电性连接。比较器U1用于比较其第一输入端a1以及第二输入端a2的电压，以控制开关元件Q1的开闭。开关元件Q1为MOS管，MOS管的栅极为开关元件的控制端g。比较器U1通过调节控制端g的电压以控制作为开关元件Q1的MOS管的导通和断开。
在一个具体实施例中，第二节点N2用于接地；第一节点N1用于输出正电压；电池组件E的第一电极a为正极，第二电极b为负极，每个电池组件E包括至少一个电池，当某个电池组件E中的电池的数目大于一时，该电池组件E中各电池并联构成电池组件E。
比较器U1第一输入端a1为比较器U1的同向输入端，比较器U1的第二输入端a2为所述比较器U1的反向输入端。比较器U1所采用的型号为LM393AD。
开关元件Q1所采用的MOS管为NMOS管，其型号为IRF540N。MOS管的源极为所述开关元件Q1的第二端s，MOS管的漏极为开关元件Q1的第一端d。
开关模块10的输入端与电池组件E的第二电极b(负极)连接，开关模块10的输出端out与第二节点N2连接，比较器U1用于比较电池组件E的第二电极b(负极)以及第二节点N2之间的电压，同时各电池组件E的第一电极a(正极)均与第一节点N1连接，因此比较器U1相当于比较与其连接的电池组件E的输出电压以及第一节点N1和第二节点N2之间的电压U12。
当某个电池组件E的输出电压大于第一节点N1和第二节点N2之间的电压U12时，与其连接的开关模块10的比较器U1输出高电平，开关元件Q1的第二端s(源极)接地，比较器U1输出的高电平使得开关元件Q1的控制端g和第二端s之间的电压Vgs大于导通电压，使得开关元件Q1的第一端d和第二端s导通，进而使得与其连接的电池组件E放电。
当某个电池组件E的输出电压小于第一节点N1和第二节点N2之间的电压U12时，与其连接的开关模块10的比较器U1输出低电平，比较器U1输出的低电平使得开关元件Q1的控制端g和第二端s之间的电压Vgs小于导通电压，使得开关元件Q1的第一端d和第二端s处于断开状态，进而使得与其连接的电池组件E停止放电。
第一节点N1和第二节点N2之间的电压U12由正在放电的电池组件E决定，仅有一个电池组件E接入是一种特殊情况。若只有一个开关模块10接入有电池组件E时，该开关模块10一定会导通。其原因在于，开关模块10的开关元件Q1具有体二极管，电池组件E接入后，体二极管能够导通微弱的电流，使得开关元件Q1的第一端d和第二端s之间存在压降(第一端d的电压小于第二端s的电压)，上述压降会使得比较器U1输出高电平，导致开关元件Q1导通。开关元件导通后，该电压差一直存在。由于此时仅有一个电池组件E放电，第一节点N1和第二节点N2之间的电压U12不受其他电池组件E影响，因此该电池组件E会持续放电直到电量耗尽。
开关元件Q1导通时的压降使得输出电压最高的若干个电池组件E均可放电。本实施例中，开关元件Q1采用MOS管，使得开关元件Q1导通时其第一端d和第二端s之间存在一定的压降，上述压降随着导通电流的增加而增加。开关元件Q1的上述特性使得电池组件E的电量越大，其输出的电流越大，与其连接的开关模块10中的开关元件Q1的压降也越大，这使得第一节点N1和第二节点N2之间的电压U12小于处于放电状态的各电池组件E的输出电压，因此开关元件Q1的导通时的压降使得输出电压最高的若干个电池组件E均可放电。
通过分析可知，当多个电池组件E同时放电时，输出电压越高的电池组件E的放电电流越大，这实现了多个电池组件E的放电均衡。此外，当电池组件E逐渐放电的过程中，会导致其输出电压逐渐降低，使得第一节点N1和第二节点N2之间的电压U12逐渐降低，这会使得其他输出电压较小的电池组件E也有机会放电，从而实现各电池组件E的均衡供电。在均衡供电的过程中，即便各电池组件E的初始电压不尽相同，但是随着供电过程的持续，各电池组件E的输出电压会逐渐降到同一水平，进而使得各电池组件同时为负载供电。
此外，当某一路电池组件发生故障或损毁时，若其输出电压过小，或者输出电压为零，不足以使得电池开关模块10导通，因此故障的电池组件E不会进行供电，其他正常的电池组件E会对负载进行供电，上述特性使得本实施例的均衡供电方式可有效提升供电的可靠性。采用分立的多路电池组件供电，可保障整个系统的工作时长。既可避免因为大容量电池的复杂制造工艺而导致的成本问题，也可保证意外情况下其中一路电池损坏不会影响整个系统的供电。这对于降低单车的管理和维护成本具备着极大的优越性。
在本实施例中，开关模块10包括电源端Vcc；电源端Vcc与比较器U1的第一供电端V1连接；比较器U1的第二供电端V2与输出端out连接。比较器U1的第一供电端V1为正极，比较器U1的第二供电端V2为负极。
如图1、3所示，开关模块10的电源端用于和电源模块20的电源输出端Pout连接。电源模块20的电源输出端Pout与各开关模块10的电源端Vcc连接。电源模块20包括第一电阻R1以及稳压二极管Z1；第一电阻R1连接在电源输出端Pout与第一节点N1之间；稳压二极管Z1连接在电源输出端Pout与第二节点N2之间。电源模块20用于向各开关模块10中的比较器U1供电。
开关模块10包括限流电阻R2；限流电阻R2连接在电源端Vcc与开关元件Q1的控制端g之间。本实施例中，限流电阻R2可起到上拉电阻的作用。
在一个具体实施例中，开关元件Q1采用导通电阻较小的MOS管，使得MOS管导通时可以具有更小的功耗。
在一个具体实施例中，开关元件Q1采用多个MOS管并联构成。并联MOS管可降低开关元件Q1的导通电阻以及功耗。
在一个具体实施例中，各开关模块10采用参数相同的元件进行制作，这样可使得电量相同的条件下，各电池组件E的输出电流尽量相同。
如图1至3所示，本发明还包括一种利用上述多电池均衡供电装置的多电池均衡供电方法，其包括以下步骤：
电池组件E接入前，各开关模块10中的开关元件Q1保持断开。
将若干个电池组件E的第一电极a与第一节点N1电性连接，并分别将各电池组件E的第二电极b与一个开关模块10的输入端in连接；
接入的电池组件E的数目为一时，开关模块10将该电池组件E的第二电极b与第二节点N2导通；接入的电池组件E为负载供电。
接入的电池组件E的数目大于一时，各开关模块10在与其连接的电池组件E的输出电压大于第一节点N1和第二节点N2之间的电压U12时将与该开关模块10连接的电池组件E的第二电极b与第二节点N2导通；与第二节点N2导通的电池组件E进行放电。当多个电池组件E接入时，输出电压最高(电量最充足)的一个或多个电池进行放电。在放电过程中电池组件E的输出电压逐渐降低，以使得所述第一节点N1和第二节点N2之间的电压U12逐渐降低。
本实施例中，开关模块10通过对比第二节点N2的电压与电池组件E的第二电极b的电压以判断电池组件E的输出电压是否大于第一节点N1和第二节点N2之间的电压U12。
本发明还包括一种电子车锁，该车锁包括上述多电池均衡供电装置，且采用上述多电池均衡供电方法进行供电。
本发明还包括一种车辆，其包括上述多电池均衡供电装置，且采用上述多电池均衡供电方法进行供电。车辆可以是单车、电动车。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (15)

1.一种多电池均衡供电装置，用于均衡若干个电池组件的输出电压，其特征在于，所述多电池均衡供电装置包括第一节点、第二节点以及若干个开关模块；其中：
所述第一节点和所述第二节点用于和负载连接，所述第一节点用于和各所述电池组件的第一电极电性连接；
所述开关模块的输入端用于和一个所述电池组件的第二电极电性连接；所述开关模块的输出端与所述第二节点电性连接；
各所述开关模块用于在与其连接的所述电池组件的输出电压大于所述第一节点和所述第二节点之间的电压时将所述输入端以及所述输出端导通，以使得与该所述开关模块连接的所述电池组件放电。
2.根据权利要求1所述的一种多电池均衡供电装置，其特征在于，所述开关模块包括开关元件以及比较器；所述开关元件的第一端和所述第二端分别与所述开关模块的所述输入端和所述输出端电性连接；所述开关元件的控制端与所述比较器的输出端电性连接；所述比较器的第一输入端与所述开关模块的所述输出端电性连接；所述比较器的第二输入端与所述开关模块的所述输入端电性连接；所述比较器用于比较其第一输入端以及第二输入端的电压，以控制所述开关元件的开闭。
3.根据权利要求2所述的一种多电池均衡供电装置，其特征在于，所述开关元件包括MOS管，所述MOS管的栅极为所述开关元件的控制端。
4.根据权利要求3所述的一种多电池均衡供电装置，其特征在于，所述MOS管为NMOS管，所述MOS管的源极为所述开关元件的第二端，所述MOS管的漏极为所述开关元件的第一端。
5.根据权利要求2所述的一种多电池均衡供电装置，其特征在于，所述开关模块包括电源端；所述电源端与所述比较器的第一供电端连接；所述比较器的第二供电端与所述开关模块的所述输出端连接。
6.根据权利要求5所述的一种多电池均衡供电装置，其特征在于，所述比较器的第一供电端为正极，所述比较器的第二供电端为负极。
7.根据权利要求5所述的一种多电池均衡供电装置，其特征在于，所述开关模块包括限流电阻；所述限流电阻连接在所述电源端与所述开关元件的所述控制端之间。
8.根据权利要求5所述的一种多电池均衡供电装置，其特征在于，所述多电池均衡供电装置还包括电源模块；所述电源模块的电源输出端与各所述开关模块的电源端连接；所述电源模块包括第一电阻以及稳压二极管；所述第一电阻连接在所述电源输出端与所述第一节点之间；所述稳压二极管连接在所述电源输出端与所述第二节点之间。
9.根据权利要求2至8任一所述的一种多电池均衡供电装置，其特征在于，所述第一输入端为所述比较器的同向输入端，所述第二输入端为所述比较器的反向输入端。
10.根据权利要求1至8任一所述的一种多电池均衡供电装置，其特征在于，所述第二节点用于接地；所述第一节点用于输出正电压；所述电池组件的第一电极为正极，第二电极为负极。
11.根据权利要求1至8任一所述的一种多电池均衡供电装置，其特征在于，所述电池组件包括至少一个电池。
12.一种涉及权利要求1至11任一所述的多电池均衡供电装置的多电池均衡供电方法，其包括以下步骤：
将若干个电池组件的第一电极与第一节点电性连接，并分别将各所述电池组件的第二电极与一个开关模块的输入端连接；
所述电池组件的数目为一时，所述开关模块将该所述电池组件的第二电极与第二节点导通；
所述电池组件的数目大于一时，各所述开关模块在与其连接的所述电池组件的输出电压大于所述第一节点和所述第二节点之间的电压时将与该所述开关模块连接的所述电池组件的第二电极与所述第二节点导通；
与所述第二节点导通的所述电池组件在放电过程中其输出电压逐渐降低，以使得所述第一节点和所述第二节点之间的电压逐渐降低。
13.根据权利要求12所述的一种多电池均衡供电方法，其特征在于，所述开关模块通过对比所述第二节点的电压与所述电池组件的所述第二电极的电压以判断所述电池组件的输出电压是否大于所述第一节点和所述第二节点之间的电压。
14.一种电子车锁，其特征在于，包括权利要求1至11中任一所述的多电池均衡供电装置。
15.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1至11中任一所述的多电池均衡供电装置。
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