CN111404212A - 电池组件及充放电模块 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于锂电池的电池组件及充放电模块。该充放电模块包括：串联连接在第一外部端子和锂电池的负极端之间的第一晶体和第二晶体管；串联连接在锂电池的正极端和负极端之间的第三晶体和第四晶体管；连接在第一节点和第二节点之间的电感；以及控制电路，用于控制第一至第四晶体管的导通状态，其中，控制电路在充电状态下维持第三晶体管恒定导通以及第四晶体管恒定关断以形成正向降压拓扑结构，在放电状态下维持第一晶体管恒定导通以及第二晶体管恒定关断以形成反向降压拓扑结构。该充放电模块采用开关电源方案进行充电和放电且复用电感，因而可以提高电路效率和减小电路体积。

Description

电池组件及充放电模块

技术领域

本申请涉及电池充放电技术，更具体地，涉及用于替代通用型电池的电池组件及充放电模块。

背景技术

通用型电池是指符合中国标准GB/T8897-2008和国际电工委员会标准IEC 60086:2007的标称电压为1.5V的标准化电池。通用型电池具有标准的尺寸规格和标称电压，已经广泛地用于遥控器、电子玩具和数码设备中。虽然通用型电池与应用设备的兼容性良好，但在电性能方面存在着续航能力弱、无法循环使用、放电电压不稳定的缺点。此外，通用型电池自身的化学构成对环境污染的影响大。

采用可充电的镍氢电池以弥补通用型电池不能循环使用的缺点。然而，镍氢电池的标称电压为1.2V，低于通用型电池的1.5V标称电压，使其不能完全替代通用型电池。锂离子二次电池(以下简称为“锂电池”)不仅可以弥补通用型电池不能循环使用的缺点，而且具有比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小、可快速充放电、无公害、无记忆效应等优点，是用于替代通用型电池较理想的二次电池。随着锂电池技术的不断发展及普及，采用锂电池替代通用型电池的呼声也越来越高。

锂电池具有良好的充放电性能，但也存在着不耐受过放电、不耐受超倍率放电、不耐受过充电等问题，若对锂电池的充放电控制不当会造成锂电池损伤以及寿命减少，甚至会产生燃烧乃至爆炸。此外，锂电池的输出电压一般在2.5V～4.2V，高于通用型电池和镍氢电池，锂电池不能直接用来替代通用型电池和镍氢电池。因此，在实际的锂电池产品中，将锂电池、电池管理单元和双向降压型变换器封装成一体的电池组件。电池管理单元用于控制锂电池充放电的电流电压以及电池温度，防止其过充、过放、过载、过热。双向降压型变换器用于对锂电池的充电电压和放电电压进行降压，例如将锂电池的输出电压降压到1.5V。

锂电池的电池组件应当具有与通用型电池相同的尺寸规格和标称电压。因此，充放电模块的设计对电池组件的尺寸和效率有重要的影响。然而，现有的电池组件中的双向降压型变换器需要占用的电路面积大，导致难以兼顾电路体积、充电效率和放电效率三方面的需求。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供用于锂电池的电池组件及充放电模块，其中，在充电状态和放电状态中采用不同的电路拓扑结构且复用电感，兼顾电路体积、充电效率和放电效率三方面的需求。

根据本发明的一方面，提供一种用于锂电池的充放电模块，包括：串联连接在第一外部端子和锂电池的负极端之间的第一晶体和第二晶体管，在所述第一晶体管和所述第二晶体管之间具有第一节点；串联连接在锂电池的正极端和负极端之间的第三晶体和第四晶体管，在所述第三晶体管和所述第四晶体管之间具有第二节点；连接在所述第一节点和所述第二节点之间的电感；以及控制电路，用于控制所述第一至所述第四晶体管的导通状态，其中，所述控制电路在充电状态下维持所述第三晶体管恒定导通以及第四晶体管恒定关断以形成正向降压拓扑结构，在放电状态下维持所述第一晶体管恒定导通以及第二晶体管恒定关断以形成反向降压拓扑结构。

优选地，所述控制电路包括：第一降压控制单元，与所述第一晶体管的控制端相连接以提供第一控制信号，以及与所述第二晶体管的控制端相连接以提供第二控制信号；以及第二降压控制单元，与所述第三晶体管的控制端相连接以提供第三控制信号，以及与所述第四晶体管的控制端相连接以提供第四控制信号，其中，在充电状态下所述第一降压控制单元控制所述第一晶体管和所述第二晶体管工作于开关模式，在放电状态下所述第二降压控制单元控制所述第三晶体管和所述第四晶体管工作于开关模式。

优选地，所述控制电路还包括：长通控制单元，与所述第一晶体管的控制端相连接以提供第五控制信号，以及与所述第三晶体管的控制端相连接以提供第六控制信号，其中，在充电状态下所述长通控制单元控制所述第三晶体管恒定导通，在放电状态下所述长通控制单元控制所述第一晶体管恒定导通。

优选地，所述第一至所述第四晶体管分别为N型MOSFET和P型MOSFET中的任意一种。

根据本发明的另一方面，提供一种电池组件，包括：锂电池；以及上述的充放电模块，其中，所述充放电模块在所述电池组件的第一外部端子与所述锂电池的正极端之间提供充电环路或放电环路，所述锂电池的负极端连接至所述第二外部端子。

优选地，还包括：电池管理单元，与所述第一外部端子和所述第二外部端子相连接以获得检测信号，根据检测信号产生状态信号，以及与所述充放电模块相连接以提供所述状态信号，其中，所述充放电模块根据所述状态信号调整电路拓扑结构。

优选地，在已连接外部电源或所述第一外部端子和所述第二外部端子之间的电压高于参考电压时，所述状态信号指示所述锂电池进入充电状态，在未连接外部电源或所述第一外部端子和所述第二外部端子之间的电压低于参考电压时，所述状态信号指示所述锂电池进入放电状态。

优选地，所述电池管理单元还监测充放电的电流、电压、电池温度，以及提供以下功能至少之一：过充保护、过放保护、过载保护、过热保护。

优选地，所述锂电池、所述充放电模块和所述电池管理单元封装为一体。

优选地，所述电池组件具有与通用型电池相同的尺寸规格和标称电压。

优选地，所述电池组件的所述第一外部端子和所述第二外部端子在充电状态下连接USB接口。

根据本实施例的电池组件，电池组件的充放电模块包括第一桥臂和第二桥臂的组成的对称电路结构，在第一桥臂和第二桥臂的中间节点之间连接电感。充放电模块中的长通控制单元根据状态信号维持选定部分晶体管的恒定导通状态以调整电路拓扑结构，在充电状态下形成正向降压拓扑结构以提供充电环路，在放电状态下形成反向降压拓扑结构以提供放电环路。因此，该电池组件在充电状态和放电状态下均采用开关电源方案，与线性充电方案相比，不仅电路效率高而且可以减小高压差或大电流情况下的芯片发热量，与现有技术的开关电源方案相比，在充电环路和放电环路中共用同一个电感，不仅可以减小元件成本而且可以增大锂电池的电量。

在优选的实施例中，电池组件中的锂电池、所述充放电模块和所述电池管理单元封装为一体，具有与通用型电池相同的尺寸规格和标称电压。该电池组件可直接替换到通用型电池的应用场合，如数码相机，电子仪器仪表，遥控器，玩具等等。该电池组件可以与USB接口的框架或者电池充电装置相连接，采用AC-DC充电器或者电脑/USB接口对锂电池进行充电，因而可以便利地使用现有的充电器作为外部电源。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据现有技术的一种用于替代通用型电池的电池组件的示意性电路图。

图2示出根据现有技术的另一种用于替代通用型电池的电池组件的示意性电路图。

图3示出根据本发明实施例的用于替代通用型电池的电池组件的示意性电路图。

图4a和4b分别示出图3所示电池组件在充电状态下的等效电路图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

图1示出根据现有技术的一种用于替代通用型电池的电池组件的示意性电路图。

电池组件100包括正极端111和负极端112、锂电池105、电池管理单元101、以及锂电池105的充电环路和放电环路。电池组件100的正极端111和负极端112分别作为外部端子，用于连接外部电源或外部用电设备。电池组件100的负极端与锂电池105的负极端相连接。在电池组件的正极端111和锂电池的负极端112之间的电容C1、连接在锂电池的正极端和负极端之间的电容C2。

充电环路包括充电控制模块102、反相器104、晶体管M1和M2、电感L2。充电控制模块102、晶体管M1和电感L2依次连接在电池组件100的正极端与锂电池105的正极端之间。晶体管M2连接在晶体管M1和电感L2的中间节点与锂电池105的负极端之间。充电控制模块102向晶体管M1的控制端提供第一控制信号，经由反相器104向晶体管M2的控制端提供第二控制信号，使得晶体管M1和M2工作于开关模式并且周期性地互补导通，例如将外部电源的5V电压转换成锂电池105的电压，在充电状态下向锂电池105提供充电电流。放电环路包括依次连接在锂电池105的正极端与电池组件100的正极端之间的电感L1和降压型变换器103，例如将锂电池105的电压转换成提供给用电设备的1.5V电压，在放电状态下从锂电池105提供放电电流。锂电池105的电压范围一般在2.5～4.5V，锂电池在充满状态下电池电压一般在4.2V-4.5.V

电池管理单元101用于控制锂电池充放电的电流电压以及电池温度，以及防止其过充、过放、过载、过热。电池管理单元101根据外部条件选择锂电池105工作在充电状态还是放电状态。当外部电源接在电池组件100的正极端111和负极端112之间时，电池管理单元101检测到电池组件100的正极端111和负极端112之间的电压超过参考电压，则关闭放电环路，启用充电环路，使得锂电池105进入充电状态。当外部电源移除时，电池管理单元101检测到电池组件100的正极端111和负极端112之间的电压小于参考电压，则关闭充电环路，启用放电环路，使得锂电池105进入放电状态。在锂电池105的充电状态，外部电源提供的充电电流经由充电环路到达锂电池105的正极端。在锂电池105的放电状态，锂电池105提供的放电电流经由放电环路到达电池组件100的正极端111。

根据该现有技术的电池组件在充电环路和放电环路中均采用开关电源的方式，分别包括各自的控制芯片和电感，大大增加了元件成本以及电路板的面积。由于电池组件采用通用型电池的尺寸规格，电池组件的充电环路和放电环路导致电路板的面积和元件体积增加，相应地只能减小锂电池的体积，进而导致电池组件的电量减小。

图2示出根据现有技术的另一种用于替代通用型电池的电池组件的示意性电路图。

电池组件200包括正极端111和负极端112、锂电池105、电池管理单元101、以及锂电池105的充电环路和放电环路。电池组件200的正极端111和负极端112分别作为外部端子，用于连接外部电源或外部用电设备。电池组件200的负极端与锂电池105的负极端相连接。在电池组件的正极端111和锂电池的负极端112之间的电容C1、连接在锂电池的正极端和负极端之间的电容C2。

充电环路采用线性充电方案，包括线性充电控制模块201和晶体管M1。晶体管M1连接在电池组件200的正极端与锂电池105的正极端之间。线性充电控制模块201向晶体管M1的控制端提供控制信号，使得晶体管M1工作于线性模式，例如将外部电源的5V电压转换成锂电池105的充电电压，从而在充电状态下向锂电池105提供充电电流。放电环路包括依次连接在锂电池105的正极端与电池组件200的正极端之间的电感L1和降压型变换器103，例如将锂电池105的放电电压转换成提供给用电设备的1.5V电压，从而在放电状态下从锂电池105提供放电电流。

电池管理单元101用于控制锂电池充放电的电流电压以及电池温度，以及防止其过充、过放、过载、过热。电池管理单元101根据外部条件选择锂电池105工作在充电状态还是放电状态。当外部电源接在电池组件200的正极端111和负极端112之间时，电池管理单元101检测到电池组件200的正极端111和负极端112之间的电压超过参考电压，则关闭放电环路，启用充电环路，使得锂电池105进入充电状态。当外部电源移除时，电池管理单元101检测到电池组件200的正极端111和负极端112之间的电压小于参考电压，则关闭充电环路，启用放电环路，使得锂电池105进入放电状态。在锂电池105的充电状态，外部电源提供的充电电流经由充电环路到达锂电池105的正极端。在锂电池105的放电状态，锂电池105提供的放电电流经由放电环路到达电池组件200的正极端111。

根据该现有技术的电池组件在充电环路采用无电感的线性充电方案，在放电环路中采用有电感的开关电源。该电池组件包含单电感，因此可以减少元件成本以及电路板的面积。然而，该电池组件采用的线性充电方案效率低，在高压差或大电流情况下芯片发热严重。

图3示出根据本发明实施例的用于替代通用型电池的电池组件的示意性电路图。

电池组件300包括正极端111和负极端112、锂电池105、电池管理单元101、以及锂电池105的充放电模块。电池组件300的正极端111和负极端112分别作为外部端子，用于连接外部电源(例如，USB接口)或外部用电设备(例如，遥控器)。电池组件300的负极端与锂电池105的负极端相连接。在电池组件的正极端111和锂电池的负极端112之间的电容C1、连接在锂电池的正极端和负极端之间的电容C2。

充放电模块包括电感L1、晶体管M11至M14及其控制电路。控制电路例如包括降压控制单元301和302、长通控制单元303。在该实施例中，晶体管M11至M14分别作为开关管，例如是N型或P型的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)中的任意一种。在优选的实施例中，晶体管M11和M13分别为P型MOSFET，晶体管M12和M14分别为N型MOSFET，采用不同类型的MOSFET分别作为高侧开关管和低侧开关管可以简化降压控制单元301和302的电路设计。

晶体管M11和M12串联连接在电池组件300的正极端和锂电池105的负极端之间，二者共同形成第一桥臂且二者之间形成第一节点。晶体管M13和M14串联连接在锂电池105的正极端和负极端之间，二者共同形成第二桥臂且二者之间形成第二节点。电感L1连接在第一节点和第二节点之间。在电池组件300的充电状态，降压控制单元301分别向晶体管M11和M12提供控制信号，使得晶体管M11和M12在充电状态中工作于开关模式。在电池组件300的放电状态，降压控制单元302分别向晶体管M13和M14提供控制信号，使得晶体管M13和M14在放电状态中工作于开关模式。长通控制单元203分别向晶体管M11和M13提供控制信号，在充电状态中维持晶体管M13始终处于导通状态，从而将电感L1与锂电池105的正极端连接，在放电状态中维持晶体管M11始终处于导通状态，从而将电感L1与电池组件300的正极端连接。

电池管理单元101，与电池组件300的正极端和负极端相连接以获得检测信号，以及与充放电模块中的降压控制单元301和302以及长通控制单元303相连接，用于根据检测信号判断电池的充电状态和放电状态以产生状态信号，以及向充放电模块提供相应的状态信号。电池管理单元101根据外部条件选择锂电池105工作在充电状态还是放电状态。

当外部电源接在电池组件300的正极端111和负极端112之间时，电池管理单元101检测到电池组件300的正极端111和负极端112之间的电压超过参考电压(例如，大于1.5V且小于5V的任意电压)，则充放电模块中的长通控制单元203将充放电模块变换为正向降压拓扑结构，形成充电环路，使得锂电池105进入充电状态，如图4a所示。在充电状态中，晶体管M13始终处于导通状态，晶体管M14始终处于关断状态。该充电环路例如将外部5V电源对内部锂电池105进行充电。

当外部电源移除时，电池管理单元101检测到电池组件300的正极端111和负极端112之间的电压小于参考电压，则充放电模块中的长通控制单元203将充放电模块变换为反向降压拓扑结构，形成放电环路，使得锂电池105进入放电状态。在锂电池105的充电状态，外部电源提供的充电电流经由充电环路到达锂电池105的正极端。在锂电池105的放电状态，锂电池105提供的放电电流经由放电环路到达电池组件300的正极端111，如图4b所示。在放电状态中，晶体管M12始终处于关断状态，晶体管M11始终处于导通状态。该放电环路例如将锂电池105的电压转换成提供给用电设备的1.5V电压。

此外，电池管理单元101还可以用于控制锂电池充放电的电流电压以及电池温度，以及防止其过充、过放、过载、过热。

根据本实施例的电池组件，充放电模块包括第一桥臂和第二桥臂的组成的对称电路结构，在第一桥臂和第二桥臂的中间节点之间连接电感。充放电模块中的长通控制单元根据状态信号维持选定部分晶体管的恒定导通状态以调整电路拓扑结构，在充电状态下形成正向降压拓扑结构以提供充电环路，在放电状态下形成反向降压拓扑结构以提供放电环路。因此，该电池组件在充电状态和放电状态下均采用开关电源方案，与线性充电方案相比，不仅电路效率高而且可以减小高压差或大电流情况下的芯片发热量，与现有技术的开关电源方案相比，在充电环路和放电环路中共用同一个电感，不仅可以减小元件成本而且可以增大锂电池的电量。

在上述的实施例中，描述了在电池组件的正极端和负极端之间，采用5V电压的外部电源进行充电，采用1.5V电压向外部用电设备进行放电，锂电池的标称电压例如为4.2V。然而，本发明的电池组件的上述电压参数仅仅作为示例，本发明不限于上述电压参数，而是可以应用于任何需要双向降压拓扑的电池组件。

本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种用于锂电池的充放电模块，包括：

串联连接在第一外部端子和锂电池的负极端之间的第一晶体和第二晶体管，在所述第一晶体管和所述第二晶体管之间具有第一节点；

串联连接在锂电池的正极端和负极端之间的第三晶体和第四晶体管，在所述第三晶体管和所述第四晶体管之间具有第二节点；

连接在所述第一节点和所述第二节点之间的电感；以及

控制电路，用于控制所述第一至所述第四晶体管的导通状态，

其中，所述控制电路在充电状态下维持所述第三晶体管恒定导通以及第四晶体管恒定关断以形成正向降压拓扑结构，在放电状态下维持所述第一晶体管恒定导通以及第二晶体管恒定关断以形成反向降压拓扑结构。

2.根据权利要求1所述的充放电模块，其中，所述控制电路包括：

第一降压控制单元，与所述第一晶体管的控制端相连接以提供第一控制信号，以及与所述第二晶体管的控制端相连接以提供第二控制信号；以及

第二降压控制单元，与所述第三晶体管的控制端相连接以提供第三控制信号，以及与所述第四晶体管的控制端相连接以提供第四控制信号，

其中，在充电状态下所述第一降压控制单元控制所述第一晶体管和所述第二晶体管工作于开关模式，在放电状态下所述第二降压控制单元控制所述第三晶体管和所述第四晶体管工作于开关模式。

3.根据权利要求2所述的充放电模块，其中，所述控制电路还包括：

长通控制单元，与所述第一晶体管的控制端相连接以提供第五控制信号，以及与所述第三晶体管的控制端相连接以提供第六控制信号，

其中，在充电状态下所述长通控制单元控制所述第三晶体管恒定导通，在放电状态下所述长通控制单元控制所述第一晶体管恒定导通。

4.根据权利要求1所述的充放电模块，其中，所述第一至所述第四晶体管分别为N型MOSFET和P型MOSFET中的任意一种。

5.一种电池组件，包括：

锂电池；以及

根据权利要求1至6中任一项所述的充放电模块，

其中，所述充放电模块在所述电池组件的第一外部端子与所述锂电池的正极端之间提供充电环路或放电环路，所述锂电池的负极端连接至所述第二外部端子。

6.根据权利要求5所述的电池组件，还包括：

电池管理单元，与所述第一外部端子和所述第二外部端子相连接以获得检测信号，根据检测信号产生状态信号，以及与所述充放电模块相连接以提供所述状态信号，

其中，所述充放电模块根据所述状态信号调整电路拓扑结构。

7.根据权利要求6所述的电池组件，其中，在已连接外部电源或所述第一外部端子和所述第二外部端子之间的电压高于参考电压时，所述状态信号指示所述锂电池进入充电状态，

在未连接外部电源或所述第一外部端子和所述第二外部端子之间的电压低于参考电压时，所述状态信号指示所述锂电池进入放电状态。

8.根据权利要求6所述的电池组件，其中，所述电池管理单元还监测充放电的电流、电压、电池温度，以及提供以下功能至少之一：过充保护、过放保护、过载保护、过热保护。

9.根据权利要求6所述的电池组件，其中，所述锂电池、所述充放电模块和所述电池管理单元封装为一体。

10.根据权利要求9所述的电池组件，其中，所述电池组件具有与通用型电池相同的尺寸规格和标称电压。

11.根据权利要求9所述的电池组件，其中，所述电池组件的所述第一外部端子和所述第二外部端子在充电状态下连接USB接口。

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