CN1302091A - 电池组件,电源装置及充放电方法 - Google Patents

Abstract

为变压器T次级侧的绕组Ta和Tb装设包含二极管和电容器的整流电路(a)和(b)。连接到电路(a)的一输出端的充电装置Ra连接到二次电池E1的+侧。二次电池E1的+侧连接到输出端Tol和通过开关电路Sl连接到二次电池E3的+侧。电池E1的－侧连接到电路(a)的另一输出端及通过开关电路S2连接到二次电池E3的一侧。连接到整流电路(b)的充电装置Rb、二次电池E2、开关电路S2、二次电池E4相似连接。

Description

电池组件，电源装置及充放电方法

本发明涉及一种电池组件，电源装置及充放电方法，其中通过利用开关电路可以切换由多个二次电池组成的并联结构和串联结构。

通常公知一种由可充电和再次使用的多个二次电池串联配置组成的结构，可用作电子设备的电源。在这种情况下，会出现多个串联配置的二次电池特性例如二次电池的容量不同的现象。如果在串联配置的状态下将具有不同特性的二次电池充电，会引起二次电池不完全充电或二次电池过充电。如上所述在这种状态下难于向串联配置的多个二次电池充电。随着二次电池的老化，二次电池特的特性不同变得越来越明显。

因此，提出了一种如在JP-A-4-248332中公开的使串联配置的多个二次电池逐个充电和所有二次电池全充电的方法。例如，如图1中所示的方法，使串联配置的两个二次电池E51和E52逐个充电。在利用充电装置Rc向二次电池E51充电的情况下，开关电路S51和S53导通，开关电路S52和S54关断。在利用充电装置Rc向二次电池E52充电的情况下，开关电路S51和S53关断，开关电路S52和S54导通。

此外，参照图2介绍向4个二次电池E61、E62、E63和E64逐个充电的方法。为了向4个二次电池E61、E62、E63和E64分别充电，从充电装置Re输出电压和电流。例如，当开关电路S61和S65导通时，向二次电池E61充电，当开关电路S62和S66导通时，向二次电池E62充电。当开关电路S63和S67导通时，向二次电池E63充电，当开关电路S64和S68导通时，向二次电池E64充电。

如图3A中所示，从输入端Ti提供电压和电流。当仅开关电路S77导通时，向二次电池E71充电。当仅开关电路S74和S78导通时，向二次电池E72充电。当仅开关电路S75和S79导通时，向二次电池E73充电。当仅开关电路S76导通时，向二次电池E74充电。在从输出端To放电的情况下，开关电路S71、S72和S73导通，如图3B中所示。

然而，当向多个串联配置的二次电池充电时，由于逐个向它们充电，存在的问题是要花费时间，直到所有的二次电池全充电。

因此，本发明的目的是提供一种二次电池组件，电源装置及充放电方法，其中可以按这样一种方式切换和使用多个二次电池，即它们在放电时串联连接，在充电时并联连接。

根据权利要求1的本发明，提供一种具有多个二次电池的二次电池组件，该组件包含：N(N≥2)个串联回路，用于连接到并联的M(M≥1)个二次电池；充电线路，用于向并联的(M×N)个二次电池充电，其中该充电线路是由多个开关元件形成的；以及，放电线路，用于利用多个开关元件使(M×N)个二次电池放电。

根据权利要求3的本发明，提供一种具有多个二次电池的电源装置，该电源装置包含：用于输入交流电源的输入端；电池组件，其中有N(N≥2)个串联回路，用于连接到并联的M(M≥1)个二次电池；充电线路，用于向并联的(M×N)个二次电池充电，其中该充电线路是由多个开关元件形成的；以及，放电线路，用于利用多个开关元件使(M×N)个二次电池放电；充电电力发生装置，用于向电池组件充电；以及连接端，用于连接负载。

根据权利要求4的本发明，提供一种对多个二次电池充放电的方法，该方法包含的步骤有：连接N(N≥2)个串联回路，每个串联回路包含M(M≥1)个并联的二次电池；向并联的(M×N)个二次电池充电，以及，将(M×N)个二次电池串联放电。

当利用M个充电装置向(M×N)个二次电池充电时，到其上并联(M×N)个二次电池的(N-1)列中的(M+1)个开关电路导通，其上串联(M×N)个二次电池的(N-1)开关电路关断。

通过参照附图的如下详细介绍和提出的权利要求，将会使本发明的上述和其它目的及特征变得更加清楚。

图1是用于解释直流/直流开关电源的方块图；

图2是用于解释二次电池按常规方式充电的方块图；

图3A和3B是用于解释二次电池按常规方式充电和放电的方块图；

图4是本发明的一个实施例的方块图；

图5是本发明的第一实施例的方块图；

图6是用于解释第一实施例中充电时的状态的示意图；

图7是用于解释第一实施例中放电时的状态的示意图；

图8是第一实施例的详细电路图；

图9是本发明的第二实施例的方块图；

图10是用于解释第二实施例中放电时的状态的示意图；

图11是本发明的第三实施例的方块图；

图12是用于解释第三实施例中放电时的状态的示意图；

图13是用于解释第三实施例中放电时的状态的示意图；

图14是本发明的第四实施例的方块图；

图15是用于解释第四实施例中充电时的状态的示意图；

图16是用于解释第四实施例中放电时的状态的示意图；

图17是用于解释第四实施例中放电时的状态的示意图；

图18是可应用本发明的直流/直流开关电源的一个实例；

图19是可应用本发明的直流/直流开关电源的另一个实例。

下面参照附图介绍本发明的各实施例。图4表示本发明的一个实施例。充电装置R的一个输出提供到输出端部件To中的输出To1和二次电池E1的+(正)侧。开关电路S1装设在充电装置R的一个输出端和二次电池E2的+侧之间。开关电路S3装设在二次电池E1的-(负)侧和二次电池E2的+侧之间。充电装置R的另一输出端连接到二次电池E2的-侧。开关电路S2装设在充电装置R的另一输出端和二次电池E1之间。输出端部件To中的输出To2接地。

在向二次电池E1和E2充电时，开关电路S1和S2导通，开关电路S3关断。在将二次电池E1和E2放电时，开关电路S1和S2关断，开关电路S3导通。按照这种结构，可以将具有不同的特性(例如容量等)的二次电池全充电。

图5表示本发明的第一实施例。为变压器T次级侧的绕组Ta装设包含二极管Da和电容器Cc的整流电路(a)。与之相似，为变压器T次级侧的绕组Tb装设包含二极管Db和电容器Cb的整流电路(b)。连接到整流电路(a)一个输出端的充电装置Ra连接到二次电池E1的+侧。二次电池E1的+侧通过开关电路S1连接到输出端To1和二次电池E3的+侧。二次电池E1的-侧通过开关电路S2连接到整流电路(a)的另一个输出端和二次电池E3的-侧。

连接到整流电路(b)的一个输出端的充电装置Rb到二次电池E2的+侧。二次电池E2的+侧通过开关电路S2连接到二次电池E4的+侧。二次电池E2的-侧通过开关电路S3连接到整流电路(b)的另一个输出端和二次电池E4的-侧。二次电池E4的-侧连接到输出端To2。开关电路S4装设在二次电池E1的+侧和二次电池E4的-侧之间。

图6表示第一实施例中二次电池E1、E2、E3和E4充电时各开关电路的状态。具有与上述相同功能的部件使用相同的标号标注，省去对它们的介绍。如图6中所示，开关电路S1、S2和S3导通，开关电路S4关断。在这种情况下，利用来自整流电路(a)的电压和电流向二次电池E1和E3充电，利用来自整流电路(b)的电压和电流向二次电池E2和E4充电。

图7表示在将二次电池E1、E2、E3和E4放电时各开关电路的状态。如图7中所示，开关电路S4导通。虽然未表示出来，但开关电路S1、S2和S3关断。在这种情况下，二次电池E1、E2、E3和E4串联，从输出端To1输出综合电压。

当假设沿竖直方向的二次电池的数目为M，沿横向方向的二次电池的数目为N时，用(M×N)代表沿竖直方向的二次电池的数目和横向方向的二次电池的数目，在第一实施例中，为易于解释，装设(2×2)个二次电池。然而，也可以沿竖直方向和横向方向装设三个或更多个二次电池。具体地说，如图5中所示，如上述在第一实施例中尽管按照(2×2)阵列的形式配置二次电池，但也可以按照(3×3)、(3×4)或(4×2)阵列的形式配置二次电池。即，将M和N设定为2或更多的整数就足够了。

图8表示第一实施例的详细电路。可获得的市用电源通过输入端部件Ti10提供。变压器T初级侧的一端连接到输入端Ti11，另一端连接到通过PWM(脉宽调制)电路1接地。利用PWM电路1控制变压器T，并在变压器T次级侧产生与PWM电路1的开/关操作相应的电压和电流。上述整流电路(a)和充电装置Ra连接到变压器T次级侧的绕组Ta。上述整流电路(b)和充电装置Rb连接到变压器T次级侧的绕组Tb。

充电装置Ra的输出提供到P沟道型的FET F1的漏极以及控制电路2。FET F1的栅极连接到控制电路2，其源极连接到输出端To1。FET F1形成有一寄生二极管。

充电装置Rb的输出提供到P沟道型的FET F2的源极。FET F1的栅极连接到控制电路2，其漏极连接到二次电池E3的-侧及二次电池E4的+侧。FET F2形成有一寄生二极管。

P沟道型的FET F3的漏极连接到二次电池E4的-侧，其栅极连接到控制电路2，其源极接地。FET F3形成有一寄生二极管。

充电装置Ra的输出提供到P沟道型的FET F4的漏极。FET F4的源极连接到二次电池E4的-侧，其栅极连接到控制电路2。FET F4形成有一寄生二极管。

在图8中使用的FET F1为上述的开关电路S1，由控制电路2控制开关电路S1的开/关操作。与之相似，FET F2、F3和F4为开关电路S2、S3和S4，由控制电路2控制开关电路S2、S3和S4的开/关操作。

图9表示本发明的第二实施例，其中各充电装置串联配置，在充电时各二次电池并联，在放电时各二次电池串联。充电装置Ra的一个输出端连接到二次电池E1的+侧。开关电路S1装设在二次电池E1的+侧和二次电池E3的+侧之间。开关电路S2装设在二次电池E3的+侧和二次电池E5的+侧之间。二次电池E5的+侧连接到输出端To1。充电装置Ra的另一个输出端连接到二次电池E1的-侧。开关电路S2装设在二次电池E1的-侧和二次电池E3的-侧之间。开关电路S6装设在二次电池E3的-侧和二次电池E5的-侧之间。

充电装置Ra的另一个输出端连接到充电装置Rb的一个输出端。充电装置Rb的一个输出端连接到二次电池E2的+侧。开关电路S2装设在二次电池E2的+侧和二次电池E4的+侧之间。开关电路S6装设在二次电池E4的+侧和二次电池E6的+侧之间。充电装置Rb的另一个输出端连接到二次电池E2的-侧。开关电路S3装设在二次电池E2的-侧和二次电池E4的-侧之间。开关电路S7装设在二次电池E4的-侧和二次电池E6的-侧之间。

开关电路S4装设在二次电池E1的+侧和二次电池E4的-侧之间。开关电路S8装设在二次电池E3的+侧和二次电池E6的-侧之间。

如上所述，按照充电装置Ra并联配置二次电池E1、E3和E5，按照充电装置Rb并联配置二次电池E2、E4和E6。充电装置Ra和充电装置Rb，二次电池E1和E2，二次电池E3和E4，二次电池E5和E6串联配置。

图10表示将二次电池E1到E6放电时各开关电路的状态。如图10中所示，开关电路S4和S8导通。虽然未表示出来，但开关电路S1、S2、S3、S5、S6和S7关断。在这种情况下，二次电池E1到E6串联，从输出端To1输出综合电压。

当将二次电池E1到E6充电时，开关电路S1、S2、S3、S5、S6和S7导通，开关电路S4和S8关断。利用这种方法，可以将各二次电池充电，同时在充电时维持良好的均衡。

图11表示本发明的第三实施例。在第三实施例中，将特性几乎一致的各二次电池串联连接。充电装置R的一个输出端连接到二次电池E11的+侧。开关电路S11配置在二次电池E11的+侧和二次电池E13的+侧之间。二次电池E13的+侧连接到输出端To1。二次电池E11的-侧连接到二次电池E12的+侧。二次电池E13的-侧连接到二次电池E14的+侧。充电装置R的另一个输出端连接到二次电池E12的-侧。开关电路S12配置在二次电池E12的-侧和二次电池E14的-侧之间。开关电路S13配置在二次电池E11的+侧和二次电池E14的-侧之间。

图12表示在将二次电池E11、E12、E13和E14放电时各开关电路的状态。如图12中所示，开关电路S13导通。虽然未表示出来，但开关电路S11和S12关断。在这种情况下，二次电池E11到E14串联连接，从输出端To1输出综合电压。

此外，如在图13中所示，在放电时开关电路S11和S12导通，开关电路S13关断。在这种情况下，二次电池E11和E12以及二次电池E13和E14并联连接。具体地说，从输出端To1输出根据(E11+E12)∥(E13+E14)得到的综合电压。如上所述，利用各开关电路的开/关操作可以切换输出电压。

图14表示本发明的第四实施例。充电装置Ra的一个输出端连接到另一个输出端To3和二次电池E21的+侧。开关电路S21配置在二次电池E21的+侧和二次电池E23的+侧之间。开关电路S25配置在二次电池E21的+侧和二次电池E25的+侧之间。二次电池E25的+侧连接到输出端To1。开关电路S27配置在二次电池E23的+侧和二次电池E25的-侧之间。

充电装置Ra的另一个输出端连接到二次电池E21的-侧。开关电路S22配置在二次电池E21的-侧和二次电池E23的-侧之间。开关电路S26配置在二次电池E21的-侧和二次电池E25的-侧之间。

充电装置Rb的一个输出端连接到二次电池E22的+侧。开关电路S22配置在二次电池E22的+侧和二次电池E24的+侧之间。充电装置Rb的另一个输出端连接到二次电池E22的-侧。开关电路S23配置在二次电池E22的-侧和二次电池E24的-侧之间。开关电路S24配置在二次电池E21的+侧和二次电池E24的-侧之间。

图15表示将第四实施例中使用的二次电池E21到E25充电时的一个实例。如图中所示，开关电路S21、S22、S23、S25和S26导通。虽然未表示出来，但开关电路S24和S27关断。

图16表示将第四实施例中使用的二次电池E21到E25放电时的第一实例。如图中所示，开关电路S24和S27导通。虽然未表示，开关电路S21、S22、S23、S25和S26关断。因此，二次电池E21到E25串联连接，从输出端To1输出综合电压。

图17表示将第四实施例中使用的二次电池E21到E25放电时的第二实例。如图中所示，开关电路S21、S22、S23和S27导通。虽然未表示，开关电路S24、S25和S26关断。在这种情况下，从输出端To3输出二次电池E21、E22、E23和E24综合电压。具体地说，从输出端To3输出根据(E21+E22)∥(E23+E24)得到的该综合电压。从输出端To1输出二次电池E21、E22、E23、E24和E25的综合电压。具体地说，从输出端To1输出根据E25+(E21+E22)∥(E23+E24)得到的该综合电压。

18.1图18表示其中将多个二次电池组合用作直流/直流开关电源的一个实例。二次电池E31、E32、E33和E34串联连接。二次电池E31的+侧连接到n沟道型FET F31的源极。FET F31的栅极连接到PWM电路31和其漏极连接到p沟道型FET F32的漏极。FET F31形成有寄生二极管。FET F32的栅极连接到PWM电路31。FET F32的源极接地。FET F32形成有寄生二极管。电感器L31装设在FETF31的漏极和输出端To1之间。电容器C31装设在输出端To1和地之间。该直流/直流开关电源的的变换效率在从95％到98％的范围内。

图19类似地表示其中将多个二次电池组合用作直流/直流开关电源的另一个实例。串联的二次电池E41和E42与串联的E43和E44并联连接。电感器L41装设在二次电池E41的+侧和FET F41的漏极之间。FET F41的栅极连接到PWM电路31和其源极接地。FET F41形成有寄生二极管。二极管D41的阳极连接到FET F41的漏极和其阴极连接到输出端To1。电容器C41装入在二极管D41的阴极和地之间。该直流/直流开关电源的的变换效率在从85％到90％的范围内。

如上所述，当将各二次电池充电时，它们稳定地充电，通过将各二次电池串联连接并使用可以得到高的电压。在放电时，由于可以切换二次电池的并联结构和串联结构，因此得到高的电压，作为直流/直流开关电源使用时可以成为高效系统。

虽然在各实施例中通过利用开关电路切换二次电池的并联结构和串联结构，正如在公开号为4-99671的日本实用新型登记申请的官方公报中所公开的那样，也可以为了提供适合于电子设备的电压和电流，通过利用其中配置UM-3型电池的电源壳体的顶盖切换二次电池的并联结构和串联结构。

虽然在各实施例中通过利用开关电路切换二次电池的并联结构和串联结构，但也可以利用多个二次电池根据所需电压和电流将二次电池放电。

在各实施例中，锂离子二次电池、镍钙二次电池和镍氢二次电池优先用作二次电池。每个电池单元可以分别输出的电压范围从2.5到4.2伏。

在各实施例中，作为二次电池的保护电路，为每一个二次电池装有PTC(正温度系数)元件，以此检测温度。

根据本发明，即使在二次电池具有不同特性的情况下，也可以在保持均衡的状态的情况下充电。当将并联连接的二次电池串联连接放电时使用的开关电路的数目可以降低。由于可以切换二次电池的并联结构和串联结构，可以提高直流/直流开关电源的效率。

本发明并不局限于上述各实施例，而是可以在对本发明提出的权利要求的构思和范围内进行改进和变化。

Claims (4)

1．一种具有多个二次电池的电池组件，该组件包含：

N(N≥2)个串联回路，用于连接到并联的M(M≥1)个二次电池；

充电线路，用于向并联的所述(M×N)个二次电池充电，其中所述充电线路是由多个开关元件形成的；以及

放电线路，用于利用多个开关元件使所述(M×N)个二次电池放电。

2．根据权利要求所述的电池组件，其中将具有几乎一致特性的M(M≥1)个二次电池串联连接到所述充电线路。

3．一种具有多个二次电池的电源装置，该电源装置包含：

用于输入交流电源的输入端；

电池组件，其中有N(N≥2)个串联回路，用于连接到并联的M(M≥1)个二次电池；

充电线路，用于向并联的所述(M×N)个二次电池充电，其中该充电线路是由多个开关元件形成的；以及

放电线路，用于利用多个开关元件使所述(M×N)个二次电池放电；

充电电力发生装置，用于向电池组件充电；以及

连接端，用于连接负载。

4．一种对多个二次电池充放电的方法，该方法包含的步骤有：

连接N(N≥2)个串联回路，每个串联回路包含M(M≥1)个并联的二次电池；

向并联的所述(M×N)个二次电池充电，以及，将所述(M×N)个二次电池串联放电。

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