CN201113460Y - 自切换式电池控制电路及其充电器 - Google Patents

Abstract

一种自切换式电池控制电路及其充电器，控制第一电池与第二电池进行充电或供电，其控制电路包含有：第一切换开关，其第一连接端与第一电池连接；及第二切换开关，其第三连接端与第一切换开关的第一连接端连接，其第四连接端与第一电池连接；其中当第一切换开关与第二切换开关处于第一状态时，第一电池与第二电池构成一并联充电回路；其中当第一切换开关与第二切换开关处于第二状态时，第一电池与第二电池构成一串联供电回路。

Description

自切换式电池控制电路及其充电器

技术领域

本实用新型涉及一种电池控制电路及其充电器，特别是一种自切换式并联充电/串联供电回路的电池控制电路及其充电器。

背景技术

在目前的二次电池种类中，就性能、价格、技术成熟度与额定电压等因素考虑，以铅酸蓄电池最为实用，而目前的电池发展趋势皆以提高能量密度及延长循环使用寿命为目标，然而电池若因过充或未充饱即使用的话，会严重影响循环使用的寿命，请参照图1A，为目前一般电池的充电电路图，由于每一个电池制作过程的些微差异，导致电池具有不同的电池内阻Ra或电池内阻Rb，因此，电池会产生的不同压差(即电池电压Va与电池电压Vb)，如此，将导致电池产生过度充电或未充饱情形，当电池过度充电时，电池的电解液很快就会消耗完，极板容易损坏，当电池未充饱或过度放电时，就会产生硫酸铅化的现象，导致电池内阻又增加，如此恶性循环，电池很快就无法使用。另外，请参照图1B，为目前一般电池的充电电路图，由于每一个电池制作过程的些微差异，导致电池具有不同的电池内阻Ra、电池内阻Rb、电池内阻Rc或电池内阻Rd，因此，图1B的充电电路与图1A的充电电路具有相同的问题。

请参照中国台湾专利公告号第590327号，该专利揭露一种具有单位功率因子输入与能量回送特性的高效率快速充电器。利用不对称半桥电路拓扑中功率开关的柔性切换优点，有效提高充电器的电能转换效率，并结合升压型功率因子修正单元实现一种单级电能转换器，以实际达到电路简化的要求。并在负脉冲放电周期，充电器的能量回送单元暂时将电池的放电能量储存于直流总线电容。然后在正脉冲充电周期，充电器再将这些储存的能量释放至电池。

虽然上述专利通过能量回送架构可提高系统充电效率，但其充电方式同样具有内阻压差的问题，故无法有效延长电池使用寿命。

请参照中国台湾专利公告号第584337号，该专利揭露一种串联式电池组自动维护装置，其藉由微处理机、选择开关、直流转换器、移位器、指示灯等电路设计，在市电正常供电或市电中断下，均能对单一电池实施动态放电测试，且此放电时，能量又能不浪费的回充到该电池组，既不损耗能量又能使该电池组在常态下保持满充电状态以备停电之需，而放电测试数据经统计分析，将蓄电偏高的单一电池实施个别放电，放电能量亦回充到电池组。将蓄电偏低的单一电池实施补充电，充电速度由电池温度感知器的温度高低而定，使电池组的每一单电池均匀化。如电池组因市电中断而必须供电到负载，此一转换器除实施特定的补充电并可供应电流到负载，不致使电池组总电压立刻低落、遭致低压跳脱，而造成中断电池组供电的不良现象，此种预防电池不良，实施自动电池维护，可确保电池组所预期的备电时间与延长电池组的使用寿命。

虽然上述专利可针对蓄电量不同的电池进行个别充电或放电补偿，以使电池组的每一单电池蓄电量均匀化，但其电路架构较为复杂，且电路成本亦较高。

因此，如何能提供一种自切换式电池控制电路及其充电器，以低电路成本方式对电池组进行平衡充电，以避免个别电池内阻问题造成电池过充或未充饱现象，成为研究人员待解决的问题之一。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种自切换式电池控制电路及其充电器，通过自切换式并联充电/串联供电回路，以平衡电池间的不同压差，进而延长电池的使用寿命，提高使用便利性，降低电池充电电路的制造成本与时间。

为了实现上述的目的，本实用新型提供的自切换式电池控制电路，控制第一电池与第二电池进行充电或供电，包含有：第一切换开关，具有第一连接端与第二连接端，其第一连接端与第一电池连接，其中第一切换开关为常闭型或常开型继电器(relay)；及第二切换开关，具有第三连接端、第四连接端及第五连接端，其第三连接端与第一切换开关的第一连接端连接，其第四连接端与第一电池连接，其中第二切换开关为常闭型或常开型继电器。

其中当第一切换开关与第二切换开关处于第一状态时，第一电池与第二电池构成一并联充电回路；其中当第一切换开关与第二切换开关处于第二状态时，第一电池与第二电池构成一串联供电回路。

本实用新型还提供一种自切换式电池控制电路，控制一个以上的电池进行充电或供电，包含有：一第一切换开关，具有一第一连接端与一第二连接端，该第一连接端与一第一电池连接；一第n-1切换开关，具有一第三连接端、一第四连接端及一第五连接端，该第n-1切换开关的该第三连接端与该第一切换开关的该第一连接端连接，该第n-1切换开关的该第四连接端与该第一电池连接；一第n切换开关，具有该第一连接端与该第二连接端，该第n切换开关的该第一连接端与一第n电池连接；及一第n+1切换开关，具有该第三连接端、该第四连接端及该第五连接端，该第n+1切换开关的该第三连接端与该第n切换开关的该第一连接端连接，该第n+1切换开关的该第四连接端与该第一电池连接，该第n+1切换开关的该第五连接端与一第n+1电池连接。

其中当该第一切换开关、第n-1切换开关、该第n切换开关及该第n+1切换开关处于一第一状态时，该第一电池、该第n电池与该第n+1电池构成一并联充电回路；其中当该第一切换开关、第n-1切换开关、该第n切换开关及该第n+1切换开关处于一第二状态时，该第一电池、该第n电池与该第n+1电池构成一串联供电回路。

另外，为了实现上述目的，本实用新型所揭露的自切换式电池充电器，包含有：充电模块，用以对第一电池与第二电池充电；及控制电路，其还包含有：第一切换开关，具有第一连接端与第二连接端，其第一连接端与第一电池连接；及第二切换开关，具有第三连接端、第四连接端及第五连接端，其第三连接端与第一切换开关的第一连接端连接，其第四连接端与第一电池连接。

其中当第一切换开关与第二切换开关处于第一状态时，第一电池与第二电池构成一并联充电回路。

其中当第一切换开关与第二切换开关处于第二状态时，第一电池与第二电池构成一串联供电回路。

本实用新型具有以下有益的效果：藉由本实用新型的实施，至少可以达到下列进步功效：

一、采用并联充电回路，可以平衡各电池因内阻不同产生的电压差，使电池充电均匀化，延长电池使用寿命。

二、利用继电器型切换开关的特性，在电池接上充电电源后，随即自动切换为并联充电回路，无须手动切换充电模式或供电模式，提高使用便利性。

三、电池充电电路结构简单且制作方便，无须复杂的电路设计与零件，进而降低电池充电电路的制造成本与时间。

四、通过时序控制机制确保电路回路中的电池不会产生短路的现象，进而提高自切换式电池控制电路的安全性与质量。

为使能更进一步了解本实用新型的特征及技术内容，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。

附图说明

图1A为现有技术的充电电路图；

图1B为现有技术的充电电路图；

图2A为本实用新型第一实施例的第一切换开关与第二切换开关处于第一状态的电路图；

图2B为本实用新型第一实施例的第一切换开关与第二切换开关处于第二状态的电路图；

图3A为本实用新型第二实施例的第一切换开关与第二切换开关处于第一状态的电路图；

图3B为本实用新型第二实施例的第一切换开关与第二切换开关处于第二状态的电路图；

图4为本实用新型第三实施例的电路图；

图5为本实用新型充电器的电路图；

图6为本实用新型第四实施例的电路图；及

图7为本实用新型第四实施例的电路示意图。

其中，附图标记：

11-第一连接端

12-第二连接端

21-第三连接端

22-第四连接端

23-第五连接端

30-充电模块

40-时序控制模块

BAT1-第一电池

BAT2-第二电池

BATn-第n电池

BATn+1-第n+1电池

C1-第一电容

C2-第二电容

C3-第三电容

D1-第-二极管

Q1-第一晶体管开关

Q2-第二晶体管开关

R1-第一电阻

R2-第二电阻

R3-第三电阻

R4-第四电阻

R5-第五电阻

R6-第六电阻

R7-第七电阻

R8-第八电阻

R9-第九电阻

R10-第十电阻

Ra-电池内阻

Rb-电池内阻

Rc-电池内阻

Rd-电池内阻

SW1-第一切换开关

SW2-第二切换开关

SW3-第三切换开关

SWn-1-第n-1切换开关

SWn-第n切换开关

SWn+1-第n+1切换开关

Va-电池电压

Vb-电池电压

Vc-电池电压

Vd-电池电压

Vcc_in-输入电压

ZD1-第一齐纳二极管

ZD2-第二齐纳二极管

具体实施方式

请参照图2A，为本实用新型第一实施例的第一切换开关与第二切换开关处于第一状态的电路图，包含有：第一切换开关SW1及第二切换开关SW2，其中为方便说明，图中并未将电池内阻绘出。

首先说明电路组件及其电路连接关系：

第一电池BAT1，具有正极端与负极端，而第一电池BAT1实务上可采用铅酸蓄电池、铁镍蓄电池、镍镉蓄电池、银锌蓄电池、镍镉电池、镍氢电池或锂电池，较佳者为铅酸蓄电池，其极板是用铅合金制成的格栅，电解液为稀硫酸，两极板均覆盖有硫酸铅。在第一电池BAT1充电时，正极处极板上的硫酸铅会转变成二氧化铅，而负极处的硫酸铅转变成金属铅；在第一电池BAT1放电时，则发生反方向的化学反应。

第一切换开关SW1，具有第一连接端11与第二连接端12，其第一连接端11与第一电池BAT1的负极端连接，其中第一切换开关SW1实务上可采用常闭型(normal close)继电器(relay)开关、常开型(normal open)继电器开关、半导体开关或晶体管开关，较佳者为单段二接点式继电器开关。

第二切换开关SW2，具第三连接端21、第四连接端22及第五连接端23，其第三连接端21与第一切换开关SW1的第一连接端11连接，其第四连接端22与第一电池BAT1的正极端连接，其第五连接端23与第二电池BAT2的正极端连接，其中第二切换开关SW2实务上可采用常闭型继电器(relay)开关、常开型(normal open)继电器开关、半导体开关或晶体管开关，较佳者为二段三接点式继电器开关。

第二电池BAT2，具有正极端与负极端，第二电池BAT2的正极端与第二切换开关SW2的第五连接端23连接，第二电池BAT2的负极端与第一切换开关SW1的第二连接端12连接，而第二电池BAT2实务上可采用铅酸蓄电池、铁镍蓄电池、镍镉蓄电池、银锌蓄电池、镍镉电池、镍氢电池或锂电池，较佳者为铅酸蓄电池，其极板是用铅合金制成的格栅，电解液为稀硫酸，两极板均覆盖有硫酸铅。在第二电池BAT2充电时，正极处极板上的硫酸铅会转变成二氧化铅，而负极处的硫酸铅转变成金属铅；在第二电池BAT2放电时，则发生反方向的化学反应。

接下来，说明电路动作原理，请参照图2A，为本实用新型第一实施例的第一切换开关与第二切换开关处于第一状态的电路图。

当充电电源接上电池组(即第一电池BAT1与第二电池BAT2)时，此时第一切换开关SW1与第二切换开关SW2处于第一状态时，即第一切换开关SW1的第一连接端11与第二连接点12为电性连接，而第二切换开关SW2的第四连接端22与第五连接端23为电性连接，因此，第一电池BAT1与第二电池BAT2构成一并联充电回路。

请参照图2B，为本实用新型第一实施例的第一切换开关与第二切换开关处于第二状态的电路图，当充电电源未接上电池组(即第一电池BAT1与第二电池BAT2)时，此时第一切换开关SW1与第二切换开关SW2处于第二状态时，即第一切换开关SW1的第一连接端11与第二连接端12为非电性连接，而第二切换开关SW2的第三连接端21与第五连接端23为电性连接，因此，第一电池BAT1与第二电池BAT2构成一串联供电回路，如此，即便各电池放电速率不同，而导致各电池产生压差，通过并联充电回路可平衡各电池产生压差，进而延长电池使用寿命。

请参照图3A，为本实用新型第二实施例的第一切换开关与第二切换开关处于第一状态的电路图；请参照图3B，为本实用新型第二实施例的第一切换开关与第二切换开关处于第二状态的电路图，其中第二实施例与第一实施例不同之处在于第一电池BAT1与第二电池BAT2的电池极性及电源极性与第一实施例相反，其余部分相同，在此不再赘述。

请参照图4，为本实用新型第三实施例的电路图，其包含有：第一切换开关SW1、第二切换开关SW2、第三切换开关SW3、第n-1切换开关SWn-1、第n切换开关SWn、第n+1切换开关SWn+1，其电路组件、连接关系、动作原理与第一实施例相同，在此不再赘述。

请参照图5，为本实用新型充电器的电路图，其包含有：充电模块30、第一切换开关SW1及第二切换开关SW2。

充电模块30，用以对第一电池BAT1与第二电池BAT2，其较佳者具有过充、过流、过压、过放、短路、反接、欠压、平衡电压及均衡充电的保护功能。

其余电路组件、连接关系、动作原理与第一实施例相同，在此不再赘述。

请参照图6，为本实用新型第四实施例的电路图，其包含有：第一切换开关SW1、第二切换开关SW2、第一电池BAT1、第二电池BAT2与时序控制模块40，其部分电路组件、连接关系、动作原理与第一实施例相同，以下不再赘述。

时序控制模块40电性耦接至第一切换开关SW1与第二切换开关SW2，接受输入电压而启动控制程序，主要控制第一切换开关SW1与第二切换开关SW2的切换时间，以避免第一切换开关SW1与第二切换开关SW2于某一时间点的导通回路导致第一电池BAT1或第二电池BAT2形成短路回路。其中时序控制模块40可以例如是由电阻-电容充电电路所构成，或者由机械式延迟开关所构成。

接下来，请参照图7，为本实用新型第四实施例的电路示意图，其包含有：第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第一晶体管开关Q1、第二晶体管开关Q2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第一线圈RL1、第二线圈RL2、第一切换开关SW1、第二切换开关SW2、第一齐纳二极管ZD1与第二齐纳二极管ZD1。在第四实施例中时序控制模块40由电阻-电容充电电路所构成，即第三电阻R3与第三电容C3以及第九电阻R9与第二电容C2，以下说明电路动作原理：

首先，当电池组(第一电池BAT1与第二电池BAT2)由串联使用要接成并联充电时，输入电压Vcc_in输电，利用第三电阻R3与第三电容C3构成的充电回路，产生一个充电时间，而此充电时间使得第一晶体管开关Q1导通较第二晶体管开关Q2来得慢，因此第二切换开关SW2的开关接点会先完成切换，接着，第一切换开关SW1的开关接点才会进行切换，如此，即可避免第一切换开关SW1与第二切换开关SW2在某一时间点的导通回路导致第一电池BAT1或第二电池BAT2形成短路回路。

当电池组(第一电池BAT1与第二电池BAT2)由并联使用要接成串联使用时，输入电压Vcc_in移除，第一切换开关SW1的开关接点会先完成切换，由于第二电容C2、第十电阻R10、第一二极管D1构成的放电回路提供能量给第二晶体管开关Q2，因此，第二切换开关SW2的开关接点会较第一切换开关SW1的开关接点晚完成切换，如此，即可避免第一切换开关SW1与第二切换开关SW2在某一时间点的导通回路导致第一电池BAT1或第二电池BAT2形成短路回路。第一二极管D1用来阻止第四电阻R4对第十电阻R10与第二电容C2构成电阻-电容充电路径。

另外，如熟悉该项此技艺者可以轻易知晓，本实用新型第四实施例中的时序控制模块40亦可应用于本实用新型的第一、二或三实施例中。

藉由这种自切换式电池控制电路及其充电器，在电池充电时，切换为并联充电回路，可平衡各电池因内阻不同产生的电压差，使电池充电均匀化，延长电池使用寿命，且充电电路结构简单且制作方便，无须复杂的电路设计与零件，更进一步达到降低电池充电电路的制造成本与时间。

当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的普通技术人员当可根据本实用新型做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (28)

1. 一种自切换式电池控制电路，控制一第一电池与一第二电池进行充电或供电，其特征在于，该自切换式电池控制电路包含有：

一第一切换开关，具有一第一连接端与一第二连接端，该第一连接端与该第一电池连接；及

一第二切换开关，具有一第三连接端、一第四连接端及一第五连接端，该第三连接端与该第一切换开关的该第一连接端连接，该第四连接端与该第一电池连接；

其中当该第一切换开关与该第二切换开关处于一第一状态时，该第一电池与该第二电池构成一并联充电回路；

其中当该第一切换开关与该第二切换开关处于一第二状态时，该第一电池与该第二电池构成一串联供电回路。

2. 根据权利要求1所述的自切换式电池控制电路，其特征在于，该第一切换开关为一常开型继电器。

3. 根据权利要求1所述的自切换式电池控制电路，其特征在于，该第二切换开关为一常闭型继电器。

4. 根据权利要求1所述的自切换式电池控制电路，其特征在于，该第一连接端与该第一电池的负极端连接，该第四连接端与该第一电池的正极端连接，该第二电池的正极端与该第二切换开关的该第五连接端连接，该第二电池的负极端与该第一切换开关的该第二连接端连接。

5. 根据权利要求1所述的自切换式电池控制电路，其特征在于，该第一连接端与该第一电池的正极端连接，该第四连接端与该第一电池的负极端连接，该第二电池的负极端与该第二切换开关的该第五连接端连接，该第二电池的正极端与该第一切换开关的该第二连接端连接。

6. 根据权利要求1所述的自切换式电池控制电路，其特征在于，该第一状态为该第一连接端与该第二连接端电性连接，该第四连接端与该第五连接端电性连接。

7. 根据权利要求1所述的自切换式电池控制电路，其特征在于，该第二状态为该第一连接端与该第二连接端非电性连接，该第三连接端与该第五连接端电性连接。

8. 根据权利要求1所述的自切换式电池控制电路，其特征在于，该自切换式电池控制电路包含有一时序控制模块，用以依序控制该第一切换开关与该第二切换开关的切换时间。

9. 根据权利要求8所述的自切换式电池控制电路，其特征在于，该时序控制模块由电阻-电容充电电路所构成。

10. 根据权利要求8所述的自切换式电池控制电路，其特征在于，该时序控制模块由机械式延迟开关所构成。

11. 一种自切换式电池控制电路，控制一个以上的电池进行充电或供电，其特征在于，包含有：

一第一切换开关，具有一第一连接端与一第二连接端，该第一连接端与一第一电池连接；

一第n-1切换开关，具有一第三连接端、一第四连接端及一第五连接端，该第n-1切换开关的该第三连接端与该第一切换开关的该第一连接端连接，该第n-1切换开关的该第四连接端与该第一电池连接；

一第n切换开关，具有该第一连接端与该第二连接端，该第n切换开关的该第一连接端与一第n电池连接；及

一第n+1切换开关，具有该第三连接端、该第四连接端及该第五连接端，该第n+1切换开关的该第三连接端与该第n切换开关的该第一连接端连接，该第n+1切换开关的该第四连接端与该第一电池连接，该第n+1切换开关的该第五连接端与一第n+1电池连接；

其中当该第一切换开关、第n-1切换开关、该第n切换开关及该第n+1切换开关处于一第一状态时，该第一电池、该第n电池与该第n+1电池构成一并联充电回路；

其中当该第一切换开关、第n-1切换开关、该第n切换开关及该第n+1切换开关处于一第二状态时，该第一电池、该第n电池与该第n+1电池构成一串联供电回路。

12. 根据权利要求11所述的自切换式电池控制电路，其特征在于，该第一切换开关与第n切换开关为一常开型继电器。

13. 根据权利要求11所述的自切换式电池控制电路，其特征在于，该第n-1切换开关与第n+1切换开关为一常闭型继电器。

14. 根据权利要求11所述的自切换式电池控制电路，其特征在于，该第一状态为该第一连接端与该第二连接端电性连接，该第四连接端与该第五连接端电性连接。

15. 根据权利要求11所述的自切换式电池控制电路，其特征在于，该第二状态为该第一连接端与该第二连接端非电性连接，该第三连接端与该第五连接端电性连接。

16. 根据权利要求11所述的自切换式电池控制电路，其特征在于，该自切换式电池控制电路还包含有一时序控制模块，用以依序控制该第一切换开关、该第n-1切换开关、第n切换开关与该第n+1切换开关的切换时间。

17. 根据权利要求16所述的自切换式电池控制电路，其特征在于，该时序控制模块由电阻-电容充电电路所构成。

18. 根据权利要求16所述的自切换式电池控制电路，其特征在于，该时序控制模块由机械式延迟开关所构成。

19. 一种自切换式电池充电器，控制一第一电池与一第二电池进行充电或供电，其特征在于，该自切换式电池充电器包含有：

一充电模块，用以对该第一电池与该第二电池充电；及

一控制电路，其还包含有：

一第一切换开关，具有一第一连接端与一第二连接端，该第一连接端与该第一电池连接；及

一第二切换开关，具一第三连接端、一第四连接端及一第五连接端，该第三连接端与该第一切换开关的该第一连接端连接，该第四连接端与该第一电池连接；

其中当该第一切换开关与该第二切换开关处于一第一状态时，该第一电池与该第二电池构成一并联充电回路；

其中当该第一切换开关与该第二切换开关处于一第二状态时，该第一电池与该第二电池构成一串联供电回路。

20. 根据权利要求19所述的自切换式电池充电器，其特征在于，该第一切换开关为一常开型继电器。

21. 根据权利要求19所述的自切换式电池充电器，其特征在于，该第二切换开关为一常闭型继电器。

22. 根据权利要求19所述的自切换式电池充电器，其特征在于，该第一连接端与该第一电池的负极端连接，该第四连接端与该第一电池的正极端连接，该第二电池的正极端与该第二切换开关的该第五连接端连接，该第二电池的负极端与该第一切换开关的该第二连接端连接。

23. 根据权利要求19所述的自切换式电池充电器，其特征在于，该第一连接端与该第一电池的正极端连接，该第四连接端与该第一电池的负极端连接，该第二电池的负极端与该第二切换开关的该第五连接端连接，该第二电池的正极端与该第一切换开关的该第二连接端连接。

24. 根据权利要求19所述的自切换式电池充电器，其特征在于，该第一状态为该第一连接端与该第二连接端电性连接，该第四连接端与该第五连接端电性连接。

25. 根据权利要求19所述的自切换式电池充电器，其特征在于，该第二状态为该第一连接端与该第二连接端非电性连接，该第三连接端与该第五连接端电性连接。

26. 根据权利要求19所述的自切换式电池充电器，其特征在于，该自切换式电池充电器还包含有一时序控制模块，用以依序控制该第一切换开关与该第二切换开关的切换时间。

27. 根据权利要求26所述的自切换式电池充电器，其特征在于，该时序控制模块由电阻-电容充电电路所构成。

28. 根据权利要求26所述的自切换式电池充电器，其特征在于，该时序控制模块由机械式延迟开关所构成。

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