CN110391472A - 一种电池管理装置和移动终端 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种电池管理装置和移动终端，其中，所述电池管理装置，包括充电单元、电池单元和电源管理电路，还包括隔离单元，其中，所述充电单元、电池单元、隔离单元和电源管理电路依次相连，所述电池单元包括至少两块电池，所述隔离单元用于使一块或多块电池与所述电源管理电路连通，并阻断电池之间的倒灌电流。本发明实施例中，通过采用隔离单元避免高电压电池对低电压电池倒灌电流，而且，可以使一块或多块电池为移动终端供电，在不增加安全风险的前提下提高移动终端允许的最大电池容量，从而可以延长续航时间。

Description

一种电池管理装置和移动终端
技术领域
本申请涉及电池管理领域，尤指一种电池管理装置和移动终端。
背景技术
随着智能手机等移动终端的功能与性能不断演进与发展，整机耗电也不断增加。为了改善移动终端的续航时间，此类产品内部的电池的容量与体积也在不断增加。但容量和体积过大的单个电池电芯的安全风险也在日益加大。近几年来国内外多起手机起火事故，尤其是某国外大品牌手机多次发生起火最终都认定为大容量电池内部缺陷导致。为了适当规避安全风险，双电池乃至多电池成为了一种可行的解决途径。
目前市面上已有部分手机等移动终端采用了双电池(电芯)设计。例如国内某品牌的手机的6020mAh电池就采用了两个电芯封装成一个电池模组的设计方案。国外某知名手机品牌在其最新推出一个机型也采用了一大一小两个电池串联供电的设计方案。这样看来双电池乃至多电池逐步成为一种在保证安全的前提下提升电池容量的技术趋势。由于移动终端内部绝大多数电路所需的供电电压都很低，多电池并联接入移动终端供电系统应该会是未来多电池方案发展的主要方向。
但多个电池并联同时接入移动终端供电系统时，如果各电池的电压存在差异，就不能直接并接在一起，否则电池间的电压差会形成从电压高的电池流向电压较低电池的倒灌电流，这有可能形成严重的安全隐患。
发明内容
本发明实施例提供了一种电池管理装置和移动终端，以避免电池间的倒灌电流。
本发明实施例提供了一种电池管理装置，包括充电单元、电池单元和电源管理电路，还包括隔离单元，其中，
所述充电单元、电池单元、隔离单元和电源管理电路依次相连，所述电池单元包括至少两块电池，所述隔离单元用于使一块或多块电池与所述电源管理电路连通，并阻断电池之间的倒灌电流。
本发明实施例还提供了一种移动终端，包括上述的电池管理装置。
本发明实施例的电池管理装置，包括充电单元、电池单元和电源管理电路，还包括隔离单元，其中，所述充电单元、电池单元、隔离单元和电源管理电路依次相连，所述电池单元包括至少两块电池，所述隔离单元用于使一块或多块电池与所述电源管理电路连通，并阻断电池之间的倒灌电流。本发明实施例中，通过采用隔离单元避免高电压电池对低电压电池倒灌电流，而且，可以使一块或多块电池为移动终端供电，在不增加安全风险的前提下提高移动终端允许的最大电池容量，从而可以延长续航时间。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1是本发明实施例的电池管理装置的示意图；
图2是本发明另一实施例的电池管理装置的示意图；
图3为本发明实施例的理想二极管电路的示意图；
图4为本发明实施例的理想二极管电路的传输特性图；
图5为本发明实施例的采用差分输入反相放大器作为理想二极管控制模块的示意图；
图6为本发明应用实例的充电方式一的示意图；
图7为本发明应用实例的充电方式二的示意图；
图8为本发明应用实例的充电方式三的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
目前应用在移动终端中的多电池管理电路多为数字式负载开关配合外围的电压检测电路、精密电压基准源、比较器以及连接移动终端内部处理器芯片GPIO(GeneralPurpose Input Output，通用输入/输出)管脚的逻辑控制电路构成。此类方案的缺点包括：电路复杂；可扩展性差；切换时间较长；非常难以在保证供电不间断的前提下安全平稳的在各电池间切换，瞬时电压跌落和两电池间倒灌电流很难同时消除；一次只能有一个电池接入，当移动终端内部个功能电路系统需要的电流比较大时，由于最大输出电流不足，小容量电池就难以用于为移动终端供电的场景。
本发明实施例提供的电池管理装置，可以在多电池并联为移动终端供电的场景下对多个电池之间进行隔离。在保证各电池能够正常为移动终端供电的前提下，隔离各电池间由于种种原因引起电压不相等时从高电压的电池流向低电压的电池的倒灌电流。同时还可以将较早放电完的电池(电压已经很低)自动与其他电池隔离开来，从而不影响移动终端的继续运作。
如图1所示，本发明实施例的电池管理装置包括：依次相连的充电单元11、电池单元12、隔离单元13和电源管理电路14，所述电池单元12包括至少两块电池121，所述隔离单元13用于使一块或多块电池121与所述电源管理电路14连通，并阻断电池121之间的倒灌电流。
本发明实施例中，通过采用隔离单元避免高电压电池对低电压电池倒灌电流，而且，可以使一块或多块电池为移动终端供电，在不增加安全风险的前提下提高移动终端允许的最大电池容量，从而可以延长续航时间。另外，由于电路简单，提高了内部空间利用效率，必要时可以让出部分电池空间给天线等功能模块，从而可以改善移动终端的性能。
本发明实施例可以应用于由于电池容量较大或结构空间限制，需要将多于一个电池并联使用的手机或平板电脑、便携式PC机等类似消费类便携移动终端产品。
下面对每个单元进行说明。
充电单元11：利用从移动终端外部供电接口引入的电源经其处理后对电池121进行充电；一般还兼具对电池121的温度、剩余可用电量、充电电流、放电电流、内部阻抗等功能与性能参数进行监测，同时在对应软件模块的配合下可以向用户提供电池状态和性能相关内容的报告或信息显示。
电池单元12：包括至少两块电池121，电池121作为储能元件，为手机等移动终端在与外部供电系统断开的情况下提供电源，使得移动终端得以在脱离外部电源的移动场景下继续为用户提供各种功能与服务。
隔离单元13：这是本发明实施例提出的单元，该隔离单元在保证连续可靠地为移动终端内部电路供电的前提下，可靠而有效的阻断各个电池间的倒灌电流。也就是将放电结束或由于内部故障等原因导致电压过低的电池与其他电池隔离，避免对移动终端供电造成影响。此单元可以用二极管等具备单向导电特性的电子元器件实现，也可利用各种电路或软件配合相应的开关类元器件实现。
电源管理电路14：通常由多路开关电源和线性电源以及配套的控制电路构成，用于将外部输入电源或电池提供的电源变换为移动终端内部各功能电路所需的不同电压。
下面对隔离单元13进行详细介绍。
如图2所示，在一实施例中，所述隔离单元13可以使电压最高的一块或多块电池12与所述电源管理电路14连通，其包括至少两个隔离电路131，每个隔离电路131与所述电池121一一对应，也就是说，所述隔离电路131的数量与电池的数量相等。所述隔离电路131串联在对应的电池121和电源管理电路14之间，所述隔离电路131与电池连接端的电压大于所述隔离电路131与电源管理电路连接端的电压指定阈值时，所述隔离电路131导通；所述隔离电路131与电池连接端的电压小于等于所述隔离电路与电源管理电路连接端的电压指定阈值时，所述隔离电路131关断。
所述隔离电路131可以采用多种电路或芯片实现，例如，可以用二极管等具备单向导电特性的电子元器件实现，也可利用各种电路或软件配合相应的开关类元器件实现。
在本发明一实施例中，所述隔离电路131为理想二极管电路，所述理想二极管电路的阳极端与对应的电池的正极相连，阴极端与电源管理电路相连。
本发明实施例中，可以利用二极管的单向导电性来实现对同时接入系统的电池间倒灌电流的隔离，二极管的单向导电性既可以阻断流入电池的倒灌电流又可以允许电池为移动终端供电的电流正常通过，但实际的半导体功率二极管等元器件的正向压降、反向漏电流、热耗散功率等参数很难满足移动终端的严苛要求(例如要求正向压降在数十毫伏之内，反向漏电流在数十微安之内，热耗散功率在数十毫瓦之内)。
理想二极管一种理想中的电路元件模型，其特点是：只能从一个方向传输电流，当其阳极电压高于阴极电压时，元件导通，电流沿从阳极到阴极方向流动。反之元件关断，电流无法流动。
在本发明实施例中，所述理想二极管电路可以采用专用理想二极管电路芯片实现，也可以采用理想二极管控制模块与MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)配合实现，其中，理想二极管控制模块可以是专用控制芯片，也可以采用分立放大器电路实现。MOSFET由于其导通电阻非常小，可以达到仅有几毫欧的水平，使得模拟的理想二极管正向导通压降远小于半导体功率二极管。
如图3所示，本发明实施例的所述理想二极管电路可包括MOSFET和理想二极管控制模块31，所述理想二极管控制模块31的输出端连接所述MOSFET的栅极，所述理想二极管控制模块31的两个输入端分别连接对应的电池的正极和电源管理电路，所述理想二极管电路的两端分别为所述MOSFET的漏极和源极，所述理想二极管控制模块31根据两个输入端的电压差控制所述MOSFET导通或关断。
如图4所示，为本发明实施例的理想二极管电路的传输特性图，模拟出来的理想二极管的反向漏电流为微安量级，几乎为0，正向压降一般在三十毫伏之内，比同样电流下半导体二极管小很多，从而避免了目前实际半导体二极管器件存在反向漏电流以及随电流上而升增加的正向压降带来的负面影响。而且各个电池电压存在差异时，只有电压最高的电池才会与电源管理电路接通，电压比较低的电池在二极管的单向导通作用下被隔离开，不会影响其他电压较高的电池。当电压相同时，各个电池同时对电源管理电路供电，各个电池输出的电流取决于其内阻等内部放电特性，按照一定比例分配。这样各个电池接入供电系统与否可以完全由硬件电路自动确定，并且能够自动在各个电池之间平衡分配电流负荷，无需软件干预。
如图5所示，为理想二极管电路中采用差分输入反相放大器作为理想二极管控制模块31的一实施例，其中Anode为理想二极管的阳极，Cathode为阴极。此理想二极管电路的特性模拟了理想二极管，当阳极电压高于阴极电压时此电路导通，反之则关断。本例中的MOSFET T1为P沟道增强型MOSFET，所述MOSFET T1的漏极为所述理想二极管电路的阳极端，所述MOSFET T1的源极为所述理想二极管电路的阴极端。所述差分输入反相放大器包括运算放大器U1和六个电阻R1～R6。其中，电阻R1的一端接MOSFETT1的漏极，另一端接运算放大器U1的负向输入端和电阻R2；电阻R2的一端接运算放大器U1的负向输入端和电阻R1，另一端接运算放大器U1的输出端和MOSFET T1的栅极；电阻R3的一端接MOSFET T1的源极，另一端接运算放大器U1的正向输入端和电阻R4；电阻R4一端接运算放大器U1的正向输入端和电阻R3，另一端接在电阻R5和R6之间；电阻R5一端接电源VCC，另一端接电阻R4和R6；电阻R6一端接电阻R4和R6，另一端接地；运算放大器U1的负向输入端接在电阻R1和R2之间，正向输入端接在电阻R3和R4之间，输出接电阻R2和MOSFET T1的栅极。差分输入反相放大器的输入信号就是MOSFET两端的电压差，输出信号用于驱动P沟道MOSFET T1。当MOSFET T1左侧电压高于右侧时，放大器输出电压接近0V，P沟道MOSFET T1导通，反之放大器输出电压接近电源电压，P沟道MOSFET T1关断。电路的行为特征非常接近理想二极管。
除了用分立元件构成的理想二极管实现电路之外，还可以选用专用的理想二极管控制芯片，或专用的理想二极管电路芯片来实现理想二极管功能。通过配合外接MOSFET的专用的理想二极管控制芯片，或具有内置MOSFET的专用的理想二极管电路芯片，实现的理想二极管电路具有对组成电路的各元器件参数离散性不敏感、成品电路参数一致性较好、大批量生产时直通率高，维修简单便利等优点。
需要说明的是，上述理想二极管电路可以有多种形式，本申请的理想二极管电路包括但不限于上述方案。
如图6～8所示，用理想二极管电路实现的隔离单元13串联在每个电池到电源管理电路14之间。由于二极管会阻断流入电池的电流，充电单元11和电池121之间的通路不经过理想二极管，直接连接到电池。
充电单元11可包括充电接口和一个或多个充电电路。对于多电池移动终端的充电方案有多种选择，例如，可采用如下几种方式：
方式一：所有电池共用一个充电电路，通过负载开关来切换为对应的电池充电。
如图6所示，所述充电单元11包括相连的充电接口111和充电电路112；所述电池单元12还包括至少两个负载开关122，每个负载开关122与所述电池121一一对应，所述负载开关122的一端与所述充电电路112相连，另一端与对应的电池121的正极相连。
在这种方式中，仅使用一个充电电路112，通过控制负载开关122的开关状态以对指定的一块或多块电池121充电。
方式二：每个电池配备一个对应的充电电路
如图7所示，所述充电单元11包括充电接口111和至少两个充电电路112，每个充电电路112与所述电池121一一对应，所述充电电路112的一端与所述充电接口111相连，另一端与对应的电池121的正极相连。
在这种方式中，采用多个充电电路112，每个充电电路112对应一电池121，无需方式一中的负载开关，但是增加了充电电路112的数量。
方式三：方式一和方式二的结合方案，将电池分成几组，每一组配置一个充电电路，组内用负载开关切换。
如图8所示，所述电池单元12包括至少两组电池组，每组电池组包括一块或多个块电池121以及与所述电池121一一对应的负载开关122；所述充电单元11包括充电接口111和至少两个充电电路112，每个充电电路112与所述电池组一一对应，所述充电电路112的一端与所述充电接口111相连，另一端与对应的电池组相连；所述负载开关122的一端与对应的充电电路112相连，另一端与对应的电池121的正极相连。
在这种方式中，通过采用电池组的方式，相对于方式二来说，减少了充电电路112数量，增加了负载开关122。
另外，如图6～8所示，电池单元12还包括至少两个电量计123，每个电量计与所述电池121一一对应，用于采集对应电池121的电量。
本发明实施例还提供一种移动终端，所述移动终端包括上述的电池管理装置。
移动终端可以以各种形式来实施。例如，本发明实施例中描述的移动终端可以包括诸如移动电话、智能电话、笔记本电脑、数字广播接收器、PDA(Personal DigitalAssistant，个人数字助理)、PAD(平板电脑)、PMP(Portable Media Player，便携式多媒体播放器)、导航装置等等的移动终端。然而，本领域技术人员将理解的是，除了特别用于移动目的的元件之外，根据本发明的实施方式的构造也能够应用于固定类型的终端。以及诸如数字TV、台式计算机等等的固定终端。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种电池管理装置，包括充电单元、电池单元和电源管理电路，其特征在于，还包括隔离单元，其中，
所述充电单元、电池单元、隔离单元和电源管理电路依次相连，所述电池单元包括至少两块电池，所述隔离单元用于使一块或多块电池与所述电源管理电路连通，并阻断电池之间的倒灌电流。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔离单元用于使电压最高的一块或多块电池与所述电源管理电路连通，所述隔离单元包括至少两个隔离电路，每个隔离电路与所述电池一一对应，所述隔离电路串联在对应的电池和电源管理电路之间，所述隔离电路与电池连接端的电压大于所述隔离电路与电源管理电路连接端的电压指定阈值时，所述隔离电路导通；所述隔离电路与电池连接端的电压小于等于所述隔离电路与电源管理电路连接端的电压指定阈值时，所述隔离电路关断。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述隔离电路为理想二极管电路，所述理想二极管电路的阳极端与对应的电池的正极相连，阴极端与电源管理电路相连。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述理想二极管电路包括金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET和理想二极管控制模块，所述理想二极管控制模块的输出端连接所述MOSFET的栅极，所述理想二极管控制模块的两个输入端分别连接对应的电池的正极和电源管理电路，所述理想二极管电路的两端分别为所述MOSFET的漏极和源极，所述理想二极管控制模块根据两个输入端的电压差控制所述MOSFET导通或关断。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述理想二极管控制模块为差分输入反相放大器或理想二极管控制芯片。
6.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述MOSFET为P沟道增强型MOSFET，所述MOSFET的漏极为所述理想二极管电路的阳极端，所述MOSFET的源极为所述理想二极管电路的阴极端。
7.如权利要求1～5中任意一项所述的装置，其特征在于，所述充电单元包括相连的充电接口和充电电路；所述电池单元还包括至少两个负载开关，每个负载开关与所述电池一一对应，所述负载开关的一端与所述充电电路相连，另一端与对应的电池的正极相连。
8.如权利要求1～5中任意一项所述的装置，其特征在于，所述充电单元包括充电接口和至少两个充电电路，每个充电电路与所述电池一一对应，所述充电电路的一端与所述充电接口相连，另一端与对应的电池的正极相连。
9.如权利要求1～5中任意一项所述的装置，其特征在于，所述电池单元包括至少两组电池组，每组电池组包括一块或多个块电池以及与所述电池一一对应的负载开关；所述充电单元包括充电接口和至少两个充电电路，每个充电电路与所述电池组一一对应，所述充电电路的一端与所述充电接口相连，另一端与对应的电池组相连；所述负载开关的一端与对应的充电电路相连，另一端与对应的电池的正极相连。
10.一种移动终端，其特征在于，包括如权利要求1～9中任意一项所述的电池管理装置。
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