CN1536731A - 具有冗余电池单元的电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有冗余电池单元的电池，由一个以上电池单元串联组成电池组，其特征在于：电池组中具有冗余电池单元，电池组经过恒压控制电路限压后输出；每个电池单元都设有独立切换电路，此电路可以检测故障并切除故障电池单元。本发明通过电池单元独立切换电路切除工作不正常的电池单元，此独立切换电路保证了电池性能的相对稳定，也保证了笔记本电脑的正常使用，还通过设置冗余的电池单元，在切除故障电池时，保证仍然能够提供足够的电压，同时配合恒压控制电路，保证输出电压的稳定，只增加了相当小的成本，而对笔记本电池整体性能的提高却是相当显著的。

Description

具有冗余电池单元的电池
技术领域
本发明涉及一种电池装置，尤其涉及一种具有冗余电池单元的电池，属于供电装置领域。
背景技术
随着科技的进步，大量的智能设备不断产生。其中，许多设备可以随着人们的出行而随身携带。这些可随身携带的设备虽然千差万别，但都具有一个相同的特点：他们都具有可充电电池；例如：笔记本电脑、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)、移动电话等等。目前，这些智能设备所采用的基本上是可充电电池；这种可充电电池是将若干个电池单元串联起来，封装在一起，然后对相应的设备提供电源。其优点是：存储的电能量大，体积小。但是，该电池与其他可充电电池一样，也存在着一些问题：
1、电池都是采用整体充放电，当某一电池单元性能下降时，会致使整个电池的充电电量下降，进而影响整个电池的工作性能。
2、当串联的某一电池单元损坏后，整个电池将因此出现故障而无法正常使用，甚至导致整块电池的报废，不仅造成无谓的浪费，还有可能造成笔记本电脑的损坏。
随着商业的发展，移动办公设备，如笔记本电脑使用的频率越来越高。例如：在外出使用时，笔记本电脑通常采用可充电电池供电，因此，电池的性能对笔记本的性能具有很大的影响。通常，上述的电池大部分采用多个电池单元串联构成，以输出合适的电压。采用电池单元串联供电，虽然线路简单，但如果某一个电池单元出现问题，会影响电池的整体性能，甚至导致整块电池的报废，会造成很大的浪费。
发明内容
本发明的主要目的是针对现有技术的不足提出一种具有冗余电池单元的电池，通过电池单元独立切换电路切除工作不正常的电池单元，有效避免了因某一电池单元出现问题而影响整个电池使用的问题。
本发明的次要目的是针对现有技术的不足提出一种具有冗余电池单元的电池，在切除损坏电池的情况下，利用冗余的电池单元提供足够的电压，同时配合恒压控制电路，保证输出电压的稳定。
本发明的目的是这样实现的：
一种具有冗余电池单元的电池，包括由一个以上可充电电池单元串联组成的电池组，其特征在于：所述的电池组中还串联有冗余电池单元，该电池的输出端连接恒压电路，恒压电路的输出作为电池的输出；且各可充电电池单元都设有独立的切换电路，用于将该可充电电池单元从其所在的电池组中切除或接入。
所述的切换电路至少包括第一开关和第二开关；其中，第一开关与所述的可充电电池单元串联，第二开关并联在第一开关与可充电电池单元串联的回路两端；并且第一开关和第二开关不同时接通；由该第一开关、第二开关与相应的可充电电池单元构成的电路，当该可充电电池单元不能正常工作时，通过将该第一开关断开，同时将第二开关接通，该可充电电池单元从其所在的电池组中切除；反之，将该第一开关接通，同时将第二开关断开，该可充电电池单元接入其所在的电池组。
所述的第一开关和第二开关的控制端分别连接相应的外部控制信号。
所述的恒压控制电路至少包括控制模块和输出模块，控制模块的输入电压信号接电池组的输出，控制模块的输出接输出模块的输入控制端；输出模块的输出端输出电压，同时接控制模块的反馈输入端。
所述的恒压控制电路的控制模块还设有连接外部电压调节信号的输入端，该外部电压调节信号用于调整恒压控制电路的输出电压。
所述的电池组至少为一个；且当该电池组为一个以上时，所有的电池组的正极均串接单向导通元件后，再与其他电池组并联，同时连接到恒压控制电路的输入端；所述单向导通元件的导通方向为电池组放电电流方向。
所述的电池组还通过单向导通元件与外部充电电源连接；且该单向导通元件的导通方向为所述电池组充电电流的方向。
所述的电池组的单向导通元件可为二极管或低阻场效应管。
所述的冗余电池单元为其所在该电池组中任意可充电电池单元。
所述的可充电电池单元为锂电池单元或镍氢电池单元或镍镉电池单元。
本发明与现有技术相比其优点在于：本发明通过电池单元独立切换电路切除工作不正常的电池单元，此独立切换电路保证了电池性能的相对稳定，不会因为一两个电池的故障，而影响电池的正常工作，保证了笔记本电脑的正常使用。
本发明还通过设置冗余电池单元，在切除故障电池时，保证仍然能够提供足够的电压，同时配合恒压控制电路，保证输出电压的稳定。本发明只增加了相当小的成本，却使电池的使用寿命和使用性能都有大幅提高，并且对笔记本电池整体性能的提高都是相当显著的。
附图说明
图1为本发明电池单元独立切换电路的电原理图；
图2为本发明电池单元独立切换电路组成示意图；
图3为本发明具有冗余电池单元的电池的整体连接图；
图4为笔记本电池DC-DC变换器的电压转换曲线；
图5为本发明恒压控制电路的电原理图；
图6为本发明由多个电池组组成时的电路连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本发明做进一步的详细说明。
本发明所述的具有冗余电池单元的电池，是指在提供足够电量的前提下多串入几个电池单元，其中的任何一个电池单元，都为其他电池单元的冗余电池单元。串入数量更多的电池单元必然是输出电压增大，而用电器所需的电压必须是恒定的，所以本发明在电池组的输出端设有恒压控制电路，使电池的输出稳定的电压，同时达到用电器的要求。
本发明实现的基础是单个电池单元的独立切换，即对组成整个可充电电池的每个独立电池单元都设置单独的切换控制电路；当该电池单元不能正常工作时，切换控制电路将该电池单元从其所在的电池组中旁路，以避免其影响整个电池的性能。
图1所示为电池单元独立切换的原理图，电池单元独立切换电路包括电池单元、测控单元、充电单元、放电单元。
电池单元的工作状态分为：充电、放电、和隔断三种状态。本发明通过测控单元和单片机对电池单元的工作状态进行控制。如图1所示，电池的负极顺次连接两个反向对接的MOS管Q1和Q2，Q1的漏级与电池的负极相连，MOS管Q1和Q2的栅极分别连接测控芯片的1脚和3脚，两MOS管分别并联一个二极管，D5跨接在Q1的源级和漏级之间，用于放电过程，Q2与D6并联，D6跨接在Q2的源级和漏级之间，用于充电过程，两二极管的负极相对。当电池处于正常工作的放电状态时，MOS管Q1和二极管D6导通；当电池处于充电状态时，MOS管Q2和二极管D5导通；当检测到电池单元故障时，测控单元发出控制信号使MOS管Q21和MOS管Q2都关断，并给出一个输出信号到外部控制电路，由外部控制电路发出信号使MOS管Q3导通，将故障电池单元从电池组中切除。
电池单元出现故障的故障分为：短路、断路两种状态。
本实施例中测控单元为一测控芯片，芯片的1和3脚为输出信号，2脚为输入信号，本实施例通过2脚采集电池单元的电压信号，5脚接电源，6脚为接地端。电池正常工作时，2脚的电压为低，当故障时，2脚的电压将升高，当芯片检测到电压大于设定的短路电压值时，说明电池工作异常，发生了短路或断路的情况，芯片的1脚输出低电平，将MOS管Q1关断，同时芯片5脚接出一条信号线到外部控制电路，外部控制电路发出控制信号控制电路中MOS管Q3导通，将损坏的电池单元断开，从整个电池组中切除。
图2为本发明电池单元独立切换电路组成示意图，如图所示，切换电路至少包括第一开关K1和第二开关K2；其中，第一开关K1与所述的可充电电池单元串联，第二开关K2并联在第一开关K1与可充电电池单元串联的回路两端；并且第一开关K1和第二开关K2不同时接通；由该第一开关K1、第二开关K2与相应的可充电电池单元构成的电路，当该可充电电池单元不能正常工作时，通过将该第一开关K1断开，同时将第二开关K2接通，该可充电电池单元从其所在的电池组中切除；反之，将该第一开关K1接通，同时将第二开关K2断开，该可充电电池单元接入其所在的电池组。
结合图1，第一开关K1为MOS管Q1或MOS管Q2或两MOS管的组合，第二开关K2为MOS管Q3；当第一开关K1为Q1时，可实现放电控制和切换控制，电池单元正常工作时，Q1处与导通状态，Q3处与截止状态，电池单元放电，当电池单元故障不能正常工作时，由外部控制信号发出指令将Q1关断，Q3导通，将该电池单元从其所在的电池组中旁路，以避免其对整个电池的性能的影响；当第一开关K1为Q2时，可实现充电控制和切换控制，电池单元正常充电状态时，Q2处与导通状态，Q3处与截止状态，电池单元充电，当电池单元出现故障时，由外部控制信号发出指令将Q2关断，Q3导通，将该电池单元从其所在的电池组中旁路，这样就不会影响其他电池单元继续充电，也避免了对电池的整体性能的影响；当第一开关K1为Q1与Q2的组合时，如图1所示的电路所描述的，可以实现放电控制、充电控制及切换控制，此处不再赘述。
可充电电池就是由上述的独立切换的电池单元组成的，整体连接情况如图3所示，所有电池单元的测控单元都与外部控制电路相连接，本实施例中的外部控制电路为单片机，测控单元将检测到的信号发送给单片机，由单片机发出控制信号，将出现故障的电池从其所在的电池组中切除，电池组的输出端连接恒压控制电路限压后，再经过用电器的DC-DC变换后向用电装置输出。
所谓具有冗余电池单元指的是所串联的电池单元的个数比实际的需要的数目要多，并且每个电池单元都可以作为其他电池单元的冗余电池单元。串联电池单元的数目冗余会造成输出电压过高，输出电压过高不仅影响笔记本的性能，而且影响DC-DC变换器的输出效率，笔记本电池DC-DC变换器的电压转换曲线如图4所示，随着电压的增加，转换效率却不一定提高，由图可见，电压接近19v时，曲线已经相当平直；大于19v时，输入效率反而会下降，通常情况下，希望DC-DC变换器工作在线性区域，这样转换效率比较高。DC-DC变换器的转换效率不高所带来的影响是多方面的，首先会造成无功功率增大，发热加剧，其次，会使高次谐波增多，高次谐波对笔记本性能会将产生不利影响。
为了使DC-DC变换器工作在线性区域，本发明在电压输出端设计了恒压控制电路，恒压控制电路至少包括控制模块和输出模块，控制模块的输入电压信号接电池组的输出，控制模块的输出接输出模块的输入控制端；输出模块的输出端输出电压，同时接控制模块的反馈输入端；另外恒压控制电路的控制模块还设有连接外部电压调节信号的输入端，该外部电压调节信号用于调整恒压控制电路的输出电压。
本实施例中恒压控制电路入图5所示，由脉宽调制模块U1、驱动回路、功率输出单元组成；所述脉宽调制模块U1具有两个以上的信号输入端，其中一个信号输入端1脚为所述的反馈电压信号输入端，另一个10脚为外部电压调节信号的输入端，可以是来自单片机的一个参考电压信号，由此信号控制输出电压的幅值；所述脉宽调制模块U1的信号输出端11脚和14脚与驱动回路的两只大功率的电子管的控制端相连，电子管的输出端连接功率输出单元的输入端，即变压器的原边；所述变压器设置为驱动回路的负载，所述功率输出单元变压器的输出端即为所述恒压控制电路的输出端，变压器副边输出电压的同时，将电压作为反馈信号接到脉宽调制模块U1的反馈电压信号输入端U1。
另外整个电池可以由一组和多组电池组并联组成，且当该电池组为一个以上时，如图6所示，所有的电池组的正极均串接单向导通元件后，再与其他电池组并联，同时连接到恒压控制电路的一个输入端，恒压控制电路的另一输入端连接来自单片机的外部电压调节信号；所述单向导通元件的导通方向为电池组放电电流方向。电池组还通过另一单向导通元件与外部充电电源连接；且该单向导通元件的导通方向为所述电池组充电电流的方向；本实施例的单向导通元件为二极管，也可以是低阻场效应管。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1、一种具有冗余电池单元的电池，包括由一个以上可充电电池单元串联组成的电池组，其特征在于：所述的电池组中还串联有冗余电池单元，该电池的输出端连接恒压电路，恒压电路的输出作为电池的输出；且各可充电电池单元都设有独立的切换电路，用于将该可充电电池单元从其所在的电池组中切除或接入。
2、根据权利要求1所述的具有冗余电池单元的电池，其特征在于：所述的切换电路至少包括第一开关和第二开关；其中，第一开关与所述的可充电电池单元串联，第二开关并联在第一开关与可充电电池单元串联的回路两端；并且第一开关和第二开关不同时接通；由该第一开关、第二开关与相应的可充电电池单元构成的电路，当该可充电电池单元不能正常工作时，通过将该第一开关断开，同时将第二开关接通，该可充电电池单元从其所在的电池组中切除；反之，将该第一开关接通，同时将第二开关断开，该可充电电池单元接入其所在的电池组。
3、根据权利要求2所述的具有冗余电池单元的电池，其特征在于：所述的第一开关和第二开关的控制端分别连接相应的外部控制信号。
4、根据权利要求1所述的具有冗余电池单元的电池，其特征在于：所述的恒压控制电路至少包括控制模块和输出模块，控制模块的输入电压信号接电池组的输出，控制模块的输出接输出模块的输入控制端；输出模块的输出端输出电压，同时接控制模块的反馈输入端。
5、根据权利要求4所述的具有冗余电池单元的电池，其特征在于：所述的恒压控制电路的控制模块还设有连接外部电压调节信号的输入端，该外部电压调节信号用于调整恒压控制电路的输出电压。
6、根据权利要求1或4所述的具有冗余电池单元的电池，其特征在于：所述的电池组至少为一个；且当该电池组为一个以上时，所有的电池组的正极均串接单向导通元件后，再与其他电池组并联，同时连接到恒压控制电路的输入端；所述单向导通元件的导通方向为电池组放电电流方向。
7、根据权利要求1或4所述的具有冗余电池单元的电池，其特征在于：所述的电池组还通过单向导通元件与外部充电电源连接；且该单向导通元件的导通方向为所述电池组充电电流的方向。
8、根据权利要求6或7所述的具有冗余电池单元的电池，其特征在于：所述的电池组的单向导通元件可为二极管或低阻场效应管。
9、根据权利要求1或2所述的具有冗余电池单元的电池，其特征在于：所述的冗余电池单元为其所在该电池组中任意可充电电池单元。
10、根据权利要求1所述的具有冗余电池单元的电池，其特征在于：所述的可充电电池单元为锂电池单元或镍氢电池单元或镍镉电池单元。
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