CN110867926A - 一种智能电池 - Google Patents
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Abstract
一种智能电池，由电芯、充放电自适应模块和外电极组成；所述电芯为二次电芯；所述充放电自适应模块包括处理器和与该处理器连接的充电电路、放电电路、通讯电路、电芯检测电路和外电路检测电路；所述充电电路包括充电电压调整电路、充电电压检测电路和充电开关；所述放电电路包括放电电压调整电路、放电电压检测电路和放电开关；所述通讯电路负责处理器与外电路的通讯电平转换；所述电芯检测电路包括电芯电压检测电路和电芯充放电电流检测电路；所述外电路检测电路包括电压检测电路、放电电流检测电路。本发明输出电压稳定，适用于不同荷电设备及不同荷电状态下的供电。
Description
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种智能电池。
背景技术
现在生活生产中，电池无处不在，从儿童玩具、遥控器、手机、电脑、电动工具，到电动自行车、电动汽车、电力储能电站，都离不开电池。电池的种类很多，按照电池的使用次数分类，可分为一次性电池和二次电池，一次性电池只能放电一次，二次电池可反复充/放电循环使用多次。近年来，随着电池技术的不断革新以及人们节能环保意识的增强，二次电池的应用更加普遍，常见的有镍氢电池、镍镉电池、铅酸电池、锂离子电池和聚合物锂电池等。不同种类的电池，其输出电压均不相同，且同一类型的电池，其荷电状态不同时，其输出电压也不同。二次电池的实际应用中，都包含有充电电路和放电电路，多数情况下，充电电路和放电电路独立工作，即充电回路工作时，放电回路断开，放电回路工作时，充电回路断开，如电动工具、电动自行车、电动汽车等，有些应用是充电回路和放电回路可同时工作，如有UPS电源，太阳能充电与电池组合的物联网应用等。从整个二次电池的应用来看，普遍存在着这几个方面问题：1)不同类型的电池输出电压不统一，如单节铅酸电池额定输出电压为2V，单节磷酸铁锂电池额定输出电压为3.2V；2)同一类型的电池，不同荷电状态下，电池的输出电压波动范围很大，如磷酸铁锂电池的输出电压在2.0V至3.6V之间波动，将电池作为电源使用，都必须增加稳压电路；3)二次电池的使用有一定的专业要求，其充放电循环次数(使用寿命)与电池保护电路，充电电路和放电电路有密切关系，使用不当还有一定的危险性，而要把这些电路设计好，既要了解电池的电化学特性，还要考虑电池在使用中的节能、效率、经济等诸多因素，技术的参差不齐带来了电池应用的各种问题，如电池寿命短、电池起火甚至爆炸。以上这些问题在一定程度上阻碍了二次电池的应用和推广。
CN109638929A公开了一种智能电池，主要解决了二次电池中的软包电池在电子锁行业中，在结构上电池与其他组件相互配合的问题。
CN109713183A公开了一种智能电池，主要解决了二次电池在无人机行业中，常用的6串电池串联与无人机需要的12串电池串联不匹配的问题，该专利是从结构设计的角度解决问题。
CN107221998A公开了一种智能电池，主要解决了二次电池在电压检测中，采用传统技术容易烧毁电压检测IC和MOS管控制开关的问题，专利采用了一种新的电压检测方法，同时增加了电池的定位功能。
CN103227502A公开了一种智能电池，提供了一种主、副电池组合的方式，在主电池电量不足时，给出报警信号，提示用户及时充电。
CN104104119B公开了一种智能电池，解决了现有技术中电池无法独立自检的问题，包括电量检测、电池老化检测等。
上述专利主要是就某个行业，某个具体的问题提出的一些解决方法，有一定的局限性。二次电池的正确使用要满足安全性、合理性要求，使用过程中既要保证电池电气安全性、化学安全性，同时还不损伤电池，保证电池的使用寿命。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种智能电池。通过将电芯、充放电自适应模块封装在一起，有外接的电池正极、电池负极、通讯电极。电芯的正、负极通过充放电自适应模块与外接的电池正极、外接电池负极相连。该智能电池具有输出电压稳定、输出电压可设定，同时具有电池过充保护、电池过放保护、电池短路保护功能，允许电池与充电电源及负载同时连接，由电池来决定其何时处于充电状态，何时处于放电状态。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种智能电池，由电芯、充放电自适应模块和外电极组成，其输出电压可任意设定；
所述电芯是指普通的二次电芯；
所述充放电自适应模块包括处理器和与该处理器连接的充电电路、放电电路、通讯电路、电芯检测电路和外电路检测电路；
所述处理器与充电电路、放电电路、通讯电路、电芯检测电路和外部检测电路相连，实时检测充电电路电压，放电电路电压、电芯的电压和电芯充放电电流、外电路电压及电池对外电路的放电电流等电气参数并作分析处理，并根据结果控制充电电路、放电电路与外电路接通或关断；
所述充电电路包括充电电压调整电路、充电电压检测电路和充电开关，所述充电电压调整电路负责将充电电压调整为适合给电芯充电的电压，所述充电电压检测电路负责将充电电压调整为处理器可检测的电压，所述充电开关执行充电回路与外电路的接通或关断；
所述放电电路包括放电电压调整电路、放电电压检测电路和放电开关，所述放电电压调整电路负责将电芯电压调整为放电电压，所述放电电压检测电器负责将放电电压调整为处理器可检测的电压，所述放电开关执行放电回路与外电路的接通或关断；
所述通讯电路负责处理器与外电路的通讯电平转换；
所述电芯检测电路包括电芯电压检测电路、电芯充放电电流检测电路，所述电芯电压检测电路负责将电芯电压调整为处理器可检测的电压，所述电芯充放电电流检测电路负责将电芯充放电电流转换为处理器可检测的电压；
所述外电路检测电路包括外电路电压检测电路、放电电流检测电路，所述外电路电压检测电路负责将外电路电压调整为处理器可检测的电压，所述放电电流检测电路负责将电池对外电路的放电电流转换为处理器可检测的电压。
具体地，所述充放电自适应模块具有以下单元与相应功能：
参量值保存单元，所述参量值包括电池充电截止电压门限值U1a、电池充电截止解除电压门限值U1a’、电池放电截止电压门限值U1b、电池放电截止解除电压门限值U1b’、电池输出额定电压值U2和短路电流值Imax，这些参量值可设定。
电池防过充保护单元，其功能通过以下工作方式实现：
所述处理器实时检测所述电芯电压，并与电池充电截止电压门限值U1a和电池充电截止解除电压门限值U1a’对比，当所述电芯电压大于或等于电池充电截止电压门限值U1a时，所述处理器控制所述充电开关关断，断开充电回路，防止所述电芯被过充电；当所述电芯电压小于电池充电截止解除电压门限值U1a’时，所述处理器控制所述充电开关接通，允许充电回路给电芯充电。
电池防过放保护单元，其功能通过以下工作方式实现：
所述处理器实时检测所述电芯电压，并与电池放电截止电压门限值U1b和电池放电截止解除电压门限值U1b’对比，当所述电芯电压小于或等于电池放电截止电压门限值U1b时，所述处理器控制所述放电开关关断，断开放电回路，防止所述电芯被过放电；当所述电芯电压大于电池放电截止解除电压门限值U1b’时，所述处理器控制放电开关接通，允许电芯通过放电回路放电。
电池防短路保护单元，其功能通过以下工作方式实现：
所述处理器实时检测所述电芯充放电电流，并与短路电流门限值Imax对比，当所述电芯充放电电流大于等于短路电流门限值Imax时，所述处理器控制所述充电开关和放电开关同时关断，断开充电回路、放电回路与外电路的连接，防止短路故障。
电池充放电管理单元，其功能通过以下工作方式实现：
所述处理器根据电池输出额定电压值U2，控制放电电压调整输出电压，所述处理器实时检测外电路电压，若外电路电压小于或等于电池输出额定电压值U2，所述处理器控制所述放电开关接通，放电回路工作，此时电池和外电路电源同时给外电路负载供电；设定两个很小的扰动电压值δ1和δ2，且δ2>δ1，若外电路电压大于U2+δ1，所述处理器控制所述放电开关关断，放电回路停止工作，此时外电路电源给外电路负载供电；若外电路电压大于U2+δ2，所述处理器控制所述充电开关接通，充电回路工作，放电开关关断，放电回路停止工作，同时外电路电源给外电路负载供电。
具体地，所述电池输出电压的典型值包括DC5V、DC9V、DC12V、DC24V。
具体地，所述充放电自适应模块的供电电源来自所述电芯。
具体地，所述通讯电极为电池提供通讯通道，使得电池功能可设置，电池充电截止电压门限值U1a、电池充电截止解除电压门限值U1a’、电池放电截止电压门限值U1b、电池放电截止解除电压门限值U1b’、电池输出额定电压值U2和短路电流值Imax等参量可调整。
与现有的技术相比，本发明的有益效果包括：
1)本发明通过将电芯和充放电自适应模块封装在一个外形结构内，独特的电池适配电路设计使得电池在不同的荷电状态下输出的电压基本稳定，这样，本发明中的电池可以作为电子电器设备中的标准电源使用。
2)本发明可适用于不同类型的二次电池，若将不同类型的电池的外形尺寸以及正极触点、负极触点、通讯触点设计成一样，那么不同类型的电池可以实现相互替换。
3)本发明中的电池增加了通讯触点，使得电池的输出电压可以设定，电池输出电压典型值包括DC5V、DC9V、DC12V、DC24V。
4)本发明中的电池，充放电自适应模块是电池的一部分，充放电自适应模块质量的好坏直接影响电池的质量，电池厂家会直接管控质量，因此有助于推广二次电池的应用。
5)本发明实现了电芯特性与应用设计的隔离，用户无需了解具体电芯的技术特性就可以很好的使用二次电池，可以提高用户的设计效率和产品质量。
附图说明
图1是本发明智能电池基本组成及与外电路连接示意图；
图2是本发明智能电池充、放电开关控制逻辑时序图；
图中标记与对应件：1电芯；2充放电自适应模块；4外电路；201处理器；211充电电压调整电路；212充电电压检测电路；213充电开关；221电芯电压检测电路；222电芯充放电电流检测电路；231放电电压调整电路；232放电电压检测电路；233放电开关；234放电单向开关；241通讯电路；251外电路电压检测电路；252放电电流检测电路；301电池正极；302电池负极；303通讯电极；401外电路充电电源；402外电路负载。
具体实施方式
本发明的基本思路是：在传统电芯的基础上，增加一个与之配套的充放电自适应模块，将电芯和充放电自适应模块封装在一个外形结构体内，同时在传统电芯用于电气连接的电池正极、电池负极的基础上，增加一个通讯电极。
具体地，本发明中的一种智能电池，包括：
电芯1、充放电自适应模块2和外接的电池正极301、电池负极302、通讯电极303；
所述电芯1是指普通的二次电芯，电芯可以是单节，或者多节串联、并联及其组合；
所述电芯1和所述充放电自适应模块2被封装在同一外形结构内，电芯的正极、负极通过充放电自适应模块2与外接电池正极301、外接电池负极302相连，充放电自适应模块2与外接通讯电极303相连；
外接电池正极301、外接电池负极302用于连接外电路4；
外接通讯电极303用于连接外电路4通讯回路；
充放电自适应模块2包括：处理器201、充电电路、放电电路、通讯电路241、电芯检测电路和外电路检测电路；其中，
处理器201是所述充放电自适应模块2的核心，与充电电路、放电电路、通讯电路241、电芯检测电路、外电路检测电路相连，实时检测充电电路电压，放电电路电压、电芯1的电压和充放电电流、外电路4的电压及电池对外电路的放电电流等电气参数并作分析处理，再根据检测结果控制充电电路、放电电路与外电路4接通或关断；
所述充电电路包括充电电压调整电路211、充电电压检测电路212和充电开关213，充电电压调整电路211负责将充电电压调整为电芯1的充电电压，充电电压检测电路212负责将充电电压调整为处理器201可检测的电压，充电开关213执行充电回路与外电路4的接通或关断；
所述放电电路包括放电电压调整电路231、放电电压检测电路232、放电开关233和放电单向开关234，放电电压调整电路231负责将电芯电压调整为放电电压，放电电压检测电路232负责将放电电压调整为处理器201可检测的电压，放电开关233执行放电回路与外电路的接通或关断，放电单向开关234只允许放电电路向外电路4放电；
通讯电路241负责处理器241与外电路4通讯回路的电平转换；
所述电芯检测电路包括电芯电压检测电路221和电芯充放电电流检测电路222，电池电压检测电路221负责将电芯1电压调整为处理器201可检测的电压，电芯充放电电流检测电路222负责将电芯充放电电流转换为处理器201可检测的电压；
所述外电路检测电路包括外电路电压检测电路251、放电电流检测电路252，外电路电压检测电路251负责将外电路电压调整为处理器201可检测的电压，放电电流检测电路252负责将电池放电电流转换为处理器201可检测的电压；
充放电自适应模块2具有：
—参量值保存单元。这些参量值包括电池充电截止电压门限值U1a、电池充电截止解除电压门限值U1a’，电池放电截止电压门限值U1b、电池放电截止解除电压门限值U1b’、电池输出额定电压值U2和短路电流值Imax等，这些参量值可设定。
—电池防过充保护单元。处理器201实时检测电芯1电压，并将其对比电池充电截止电压门限值U1a和电池充电截止解除电压门限值U1a’，当电芯1电压大于或等于电池充电截止电压门限值时U1a，处理器201控制充电开关213关断，断开充电回路，以防止电芯被过充电；当电芯1电压小于电池充电截止解除电压门限值U1a’时，处理器201控制充电开关213接通，允许给电芯充电。
—电池防过放保护单元。处理器201实时检测电芯1电压，并将其对比电池放电截止电压门限值U1b和电池放电截止解除电压门限值U1b’，当电芯1电压小于或等于电池放电截止电压门限值U1b时，处理器201控制放电开关233关断，断开放电回路，以防止电芯被过放电；当电芯1电压大于电池放电截止解除电压门限值U1b’时，处理器201控制放电开关233接通，允许电芯放电。
—电池防短路保护单元。处理器201实时检测电芯充放电电流，并将其对比短路电流值门限值Imax，当电芯充放电电流大于或等于短路电流门限值Imax时，处理器201控制充电开关213、放电开关233同时关断，断开充电回路、放电回路与外电路4的连接，防止短路故障。
—电池充放电管理单元。处理器201根据电池输出额定电压值U2，控制放电电压调整电路231，以输出电池输出额定电压值U2，处理器201实时检测外电路电压，若外电路电压小于或等于U2，处理器201控制放电开关233接通，放电回路工作，此时电池和外电路电源401同时给外电路负载402供电；设定两个很小的扰动电压值δ1和δ2，且δ2>δ1，如δ1选定为10mV，δ2选定为30mV。若外电路电压大于U2+δ1，处理器201控制放电开关233关断，放电回路停止工作，此时外电路充电电源401给外电路负载402供电；若外电路电压大于U2+δ2，处理器控制充电开关213接通，放电回路停止工作，充电回路工作，此时外电路充电电源401给外电路负载402供电，同时给电芯充电。参照图2，对电池充放电管理功能作进一步说明，图2中，A曲线为外电路电压曲线，B曲线为放电开关233的关断/接通状态，C曲线为充电开关213的关断/接通状态。设电池连接的外电路电压某一时间段按照A曲线的①②③④⑤五个状态变化，①状态中，外电路电压为U2+δ1，处理器201通过外电路电压检测电路251检测到U2+δ1后，处理器201控制放电开关233和充电开关213关断，此时，外电路电源给外电路负载供电；②状态中，外电路电压为U2，处理器201通过外电路电压检测电路251检测到U2后，处理器201控制放电开关233接通，控制充电开关213关断，此时，电池和外电路电源同时给外电路负载供电；③状态中，外电路电压为U2+δ1，处理器201通过外电路电压检测电路251检测到U2+δ1后，处理器201控制放电开关233和充电开关213关断，此时，外电路电源给外电路负载供电；④状态中，外电路电压为U2+δ2，处理器201通过外电路电压检测电路251检测到U2+δ2后，处理器201控制放电开关233关断，控制充电开关213接通，此时，外电路电源给外电路负载供电，同时给电池充电；⑤状态中，外电路电压为U2，处理器201通过外电路电压检测电路251检测到U2后，处理器201控制放电开关233接通，控制充电开关213关断，此时，电池和外电路电源同时给外电路负载供电。
Claims (9)
1.一种智能电池，其特征是由电芯、充放电自适应模块和外电极组成；
所述电芯为二次电芯；
所述充放电自适应模块包括处理器和与该处理器连接的充电电路、放电电路、通讯电路、电芯检测电路和外电路检测电路；
所述充电电路包括充电电压调整电路、充电电压检测电路和充电开关；
所述放电电路包括放电电压调整电路、放电电压检测电路和放电开关；
所述通讯电路负责处理器与外电路的通讯电平转换；
所述电芯检测电路包括电芯电压检测电路和电芯充放电电流检测电路；
所述外电路检测电路包括电压检测电路、放电电流检测电路。
2.如权利要求1所述的一种智能电池，其特征是所述充放电自适应模块具有参量保存单元，所述参量包括电池充电截止电压门限值U1a、电池充电截止解除电压门限值U1a ’、电池放电截止电压门限值U1b，电池放电截止解除电压门限值U1b ’、电池输出额定电压U2值和短路电流值Imax。
3.如权利要求1所述的一种智能电池，其特征是所述充放电自适应模块具有电池防过充保护单元，所述防过充保护单元其功能通过以下工作方式实现：
所述处理器实时检测所述电芯电压，并与电池充电截止电压门限值U1a和电池充电截止解除电压门限值U1a ’对比，当所述电芯电压大于等于电池充电截止电压门限值U1a时，所述处理器控制所述充电开关关断，断开充电回路，防止所述电芯被过充电；当所述电芯电压小于电池充电截止解除电压门限值U1a ’时，所述处理器控制所述充电开关接通，允许充电回路给电芯充电。
4.如权利要求1所述的一种智能电池，其特征是所述充放电自适应模块具有电池防过放保护单元，所述防过放保护单元其功能通过以下工作方式实现：
所述处理器实时检测所述电芯电压，并与电池放电截止电压门限值U1b和电池放电截止解除电压门限值U1b ’对比，当所述电芯电压小于等于电池放电截止电压门限值U1b时，所述处理器控制所述放电开关关断，断开放电回路，防止所述电芯被过放电；当所述电芯电压大于电池放电截止解除电压门限值U1b ’时，所述处理器控制放电开关接通，允许给电池电芯通过放电回路放电。
5.如权利要求1所述的一种智能电池，其特征是所述充放电自适应模块具有电池防短路保护单元，所述电池防短路保护单元功能通过以下工作方式实现：
所述处理器实时检测所述电芯充放电电流，并与短路电流值门限值Imax对比，当所述电芯充放电电流大于等于短路电流值门限值Imax时，所述处理器控制所述充电开关、所述放电开关同时关断，断开充电回路、放电回路与外电路的连接，防止短路故障。
6.如权利要求1所述的一种智能电池，其特征是所述充放电自适应模块具有电池充放电管理单元，所述电池充放电管理单元通过以下工作方式实现：
所述处理器根据电池输出额定电压值U2，控制放电电压调整输出U2，所述处理器实时检测外电路电压，若外电路电压小于等于电池输出额定电压值U2，所述处理器控制所述放电开关接通，放电回路工作，此时电池和外电路电源同时给外电路负载供电；设定两个很小的扰动电压值δ1和δ2，且δ2>δ1，若外电路电压大于U2+δ1，所述处理器控制所述放电开关关断，放电回路停止工作，此时外电路电源给外电路负载供电；若外电路电压大于U2+δ2，所述处理器控制所述充电开关接通，放电回路停止工作，充电回路工作，此时外电路电源给外电路负载供电，同时给电芯充电。
7.如权利要求1所述的一种智能电池，其特征是所述电池输出额定电压值为DC5V、DC9V、DC12V或DC24V。
8.如权利要求1所述的一种智能电池，其特征是所述充放电自适应模块的供电电源来自所述电池的电芯。
9.如权利要求1所述的一种智能电池，其特征是所述通讯电极为电池提供通讯通道，使得电池功能可设置，电池的过充电压、过放电压、输出电压、短路电流等参数可调整。
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2019
- 2019-11-30 CN CN201911207896.XA patent/CN110867926A/zh active Pending
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