CN212969138U

CN212969138U - 一种利用电容模拟可充电电池特性的装置

Info

Publication number: CN212969138U
Application number: CN202022153745.5U
Authority: CN
Inventors: 黄雄凯; 王轶
Original assignee: Changsha Hengdian Juneng Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Changsha Hengdian Juneng Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2020-09-27
Filing date: 2020-09-27
Publication date: 2021-04-13
Anticipated expiration: 2030-09-27

Abstract

本实用新型公开了一种利用电容模拟可充电电池特性的装置，包括电源接口、充电模块、电容组、放电模块和升压模块；电源接口与充电模块、电容组、放电模块和升压模块依次连接，同时电源接口连接升压模块；电源接口在充电时连接外部的电源并取电，在放电时连接外部的工作电路并供电；电容模块包括若干个电容；充电模块将外部的电源的电能通过电源接口后进行充电动作；放电模块在电压达到一定程度时通过电源接口将电容组中存储的电能输出到升压模块；升压模块将放电模块释放的电压提高。本实用新型能够用电容来模拟可充电电池的特性，并用电容的长寿命弥补了可充电电池使用次数少的不足，提高了电子产品的使用寿命。

Description

一种利用电容模拟可充电电池特性的装置

技术领域

本实用新型具体涉及一种利用电容模拟可充电电池特性的装置。

背景技术

随着信息技术以及电子科技的进步，越来越多低功率的消费类和工业类电子产品，为了减小体积和增加便携性，选取以电池供电。同时，电子产品已经运用到了生活和工业中的各个方面，在生活方面出现了各种小巧的电子设备，如可穿戴设备等；在工业中已经越来越多使用远程控制以及自动化控制的产品，如机器人等。使用电池供电则无需固定电源，可以在不同场景使用，同时产品的电源电压无需使用电网的高压电源，方便控制。可充电电池作为电池中的一大类别，更是因为其成本优势得到大量应用。

但可充电电池存在充电次数有限的不足，进而影响了整个电子产品的使用寿命，尤其是对于工业类产品来说，可充电电池作为产品的主供电源或后备电源，需要经常性且有针对性地进行维护，大大增加了管理的难度和成本。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种利用电容模拟可充电电池特性的装置，该装置能够用电容模拟可充电电池的特性，并在对电压和功率要求不大的场合，使电子产品获得更长的使用寿命。

本实用新型提供的这种利用电容模拟可充电电池特性的装置，包括电源接口、充电模块、电容组、放电模块和升压模块；电源接口与充电模块、电容组、放电模块和升压模块依次连接，同时电源接口连接升压模块；电源接口在充电状态时连接外部的电源并取电，在放电状态时连接外部的工作电路并供电；电容模组包括若干个电容，并用于模拟可充电电池和存储电能；充电模块将外部的电源的电能通过电源接口后进行充电动作，将电能通过充电模块存储到电容组中；放电模块在电压达到设定电压时通过电源接口将电容组中存储的电能进行放电动作，将电能释放到升压模块中；升压模块将放电模块释放的电压提高，输出到外部的工作电路中。

充电模块包括第二电压监测芯片、第三电压监测芯片、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第七MOS管、充电第一限流电阻和充电第二限流电阻；第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管作为充电开关，并控制充电电流的通断；第三电压监测芯片的输入端连接电容组的输出端并取电；第三电压监测芯片的输出端连接第七MOS管的栅极，为第七MOS管提供控制电平，并控制第七MOS管的通断；第七MOS管控制充电电流的通断；第七MOS管的源极直接接地；第七MOS管的漏极连接第三MOS管的栅极，第七MOS管控制第三MOS管的通断；第二电压监测芯片的输入端连接电源接口并取电；第二电压监测芯片的输出端连接第三MOS管的栅极，为第三MOS管提供控制电平，并控制第三MOS管的通断；第三MOS管的源极直接接地；第三MOS管的漏极同时连接第一MOS管的栅极和第二MOS管的栅极，第三MOS管用于控制第一MOS管的通断和第二MOS管的通断；第二MOS管的漏极连接电源接口并取电；第二MOS管的源极连接第一MOS管的源极；第一MOS管的漏极为充电模块的输出端；第三MOS管的栅极还通过充电第一限流电阻连接电源接口的正极；充电第二限流电阻并接在第一MOS管的栅极和源极之间；电容组充电时，第三电压监测芯片工作，并输出高电平控制第三MOS管导通，从而控制第一MOS管和第二MOS管同时导通，此时外部电源通过充电模块给电容组充电；第二电压监测芯片用于监测电容组的电压信号，并在电容组的电压达到第二电压监测芯片的工作电压时，输出驱动信号控制第七MOS导通，从而将第三MOS管的栅极电平拉低到低电平，控制第三MOS管关断，从而控制第一MOS管和第二MOS管同时关断，此时电容组的充电过程停止。

所述的充电模块还包括稳压二极管；稳压二极管的阳极接地，稳压二极管的阴极连接第二电压监测芯片的输入端；稳压二极管用于在外部电源电压过高时保护充电模块。

所述的充电模块还包括若干个滤波电容；滤波电容并接在第二电压监测芯片的输入端和地之间，用于滤波。

所述的充电模块还包括充电输出限流电阻；充电输出限流电阻串接在第一MOS管的漏极上，用于对电容组的充电电流进行限流。

所述的充电模块还包括输出保护二极管；保护二极管串接在第一MOS管的漏极上，保护二极管的阳极连接第一MOS管的漏极；保护二极管用于单向保护，防止电容漏电。

所述的电容组包括若干个并联的电容；电容的正极连接充电模块的输出端，电容的负极接地；电容的正极为电容组的输出端。

放电模块包括第一电压监测芯片、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管、放电第一限流电阻、放电第二限流电阻和放电第三限流电阻；第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管作为放电开关，并控制放电电流的通断；第一电压监测芯片的输入端连接电容组的输出端；第一电压监测芯片的输出端连接第六MOS管的栅极，为第六MOS管提供控制电平，并控制第六MOS管的通断；第六MOS管的栅极还通过放电第一限流电阻接地；第六MOS管的漏极串接放电第二限流电阻之后，同时连接第四MOS管的栅极和第五MOS管的栅极，第六MOS管为第四MOS管和第五MOS管提供控制电平，并控制第四MOS管和第五MOS管的通断；第四MOS管的漏极连接电容组的输出端，第四MOS管的源极连接第五MOS管的源极；第五MOS管的漏极为放电模块的输出端，并连接升压模块；放电第三限流电阻并接在第四MOS管的栅极和源极之间；放电时，当电容组的输出端电压高于第一电压监测芯片的工作电压时，第一电压监测芯片工作，并输出控制信号控制第六MOS管导通，从而控制第四MOS管和第五MOS管导通，将电容组储能的电能输入到升压模块；当电容组的输出端电压低于第一电压监测芯片的工作电压时，第一电压监测芯片不工作，此时第六MOS管截止，同时第四MOS管和第五MOS管截止，此时电容组停止放电。

所述的升压模块包括DC-DC升压芯片电路和三个采样电阻；DC-DC升压芯片电路将电容组的电压抬升到预定的电压值，并通过电源接口对外供电；采样电阻对DC-DC升压芯片电路输出的电压进行采样，并将采样电压反馈到DC-DC升压芯片电路中，从而维持DC-DC升压芯片电路输出电压的稳定。

所述的第一电压监测芯片的型号为XC61CC3002MR；第二电压监测芯片的型号为XC61CC3602MR；第三电压监测芯片的型号为XC61CN4802MR；DC-DC升压芯片电路为由型号为MP1524DK的升压芯片构成的电路。

本实用新型提供的这种利用电容模拟可充电电池特性的装置，能够用电容来模拟可充电电池的特性，并用电容的长寿命弥补了可充电电池使用次数少的不足，提高了电子产品的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的硬件装置的功能模块图。

图2为本实用新型的硬件装置的电路示意图。

图3为本实用新型的硬件装置的具体实施例的效果示意图。

具体实施方式

如图1为本实用新型的硬件装置的功能模块图：本发明提供的这种利用电容模拟可充电电池特性的装置，包括电源接口、充电模块、电容组、放电模块和升压模块；电源接口与充电模块、电容组、放电模块和升压模块依次连接，同时电源接口连接升压模块；电源接口在充电状态时连接外部的电源并取电，在放电状态时连接外部的工作电路并供电；电容组包括若干个电容，电容是模拟可充电电池的存储电能的工作器件；充电模块将外部的电源的电能通过电源接口后进行充电动作，将电能通过充电模块存储到电容组中；放电模块在电压达到设定电压时通过电源接口将电容组中存储的电能进行放电动作，将电能释放到升压模块中；升压模块将放电模块释放的电压提高，输出到外部的工作电路中。

在具体实施时，充电模块包括若干个电压监测芯片和若干个MOS管，电压监控芯片提供电平，MOS管作为充电开关控制充电电流的通断。电容组由多个电容组成。放电模块包括若干个电压监测芯片和MOS管，电压监控芯片提供电平，MOS管作为放电开关控制放电电流的通断。升压模块包括DC-DC升压芯片，将电容的电压抬升到预定的电压值。

如图2为本实用新型的硬件装置的电路示意图。电源接口是XS1，XS1的1脚接地。稳压二极管D2的阳极连接电源接口XS1的1脚，稳压二极管D2的阴极连接电源接口XS1的2脚，稳压二极管防止外部充电电源电压过高损坏后级电路。电容C5和电容C6构成充电模块的滤波电容；电容C6的正极连接电源接口XS1的2脚，电容C6的负极接地，并滤波。电容C5的一端连接电源接口XS1的2脚，电容C5的另一端接地，并滤波。芯片U1是DC-DC升压芯片，芯片U2为第一电压监测芯片，芯片U3为第三电压监测芯片，芯片U4为第二电压监测芯片。T1～T7是起开关作用的MOS管(分别对应第一MOS管～第七MOS管)。芯片U3的3脚连接电源接口XS1的2脚，芯片U3的2脚接地，芯片U3的1脚串接电阻R4(充电第一限流电阻)后连接MOS管T2的3脚。MOS管T2的3脚连接电源接口XS1的2脚，MOS管T2的1脚连接MOS管T3的漏极，MOS管T2的2脚连接MOS管T1的2脚。电阻R3(充电第二限流电阻)的一端连接MOS管T2的2脚，另一端连接MOS管T2的1脚。MOS管T3的源级和MOS管T7的源级接地，MOS管T3的栅极连接芯片U3的1脚。MOS管T7的漏极连接芯片U3的1脚，MOS管T7的栅极连接芯片U4的1脚。芯片U4的2脚接地。MOS管T1的3脚依次串接电阻R1(充电输出限流电阻)和保护二极管D1(输出保护二极管)后连接芯片U4的3脚，同时保护二极管D1的负极连接芯片U2的3脚。电容C2的正极连接保护二极管D1的阳极，电容C2的负极接地，并滤波，二极管D1防止电容漏电。电容C3的正极连接二极管D1的阴极，电容C3的负极接地，是本装置充当可充电电池的工作电容。电容C4的正极连接二极管D1的正极，电容C4的负极接地，是本装置充当可充电电池的工作电容。芯片U2(第一电压监测芯片)的2脚、芯片U1的4脚和MOS管T6的源级接地，芯片U2的1脚连接MOS管T6的栅极。电阻R14(放电第一限流电阻)的一端连接芯片U2的1脚，另一端接地。MOS管T4的漏级连接芯片U2的3脚，MOS管T4的栅极串接电阻R10(放电第二限流电阻)后连接MOS管T6的漏极。电阻R8(放电第三限流电阻)的一端连接MOS管T4的源极，另一端连接MOS管T4的栅极。MOS管T5的源极连接MOS管T4的源极，MOS管T5的栅极连接MOS管T4的栅极。MOS管T5的漏级连接芯片U1的3脚。芯片U1的1脚依次串接补偿电容C7和电阻R12后接地。电源接口XS1的2脚依次串接采样电阻R9、电阻R11和电阻R13后接地，并通过芯片U1的2脚输入采样信号。电容C8的正极连接电源接口XS1的2脚，电容C8的负极接地，并滤波。二极管D3的阳极连接芯片U1的5脚，二极管D3的阴极连接电源接口XS1的2脚，并保护芯片U1。电感L1的一端连接芯片U1的5脚，另一端连接芯片U1的6脚。芯片U1的6脚连接芯片U1的7脚，芯片U1的7脚连接芯片U1的3脚。芯片U1的8脚串接电容C9后接地，电容C9滤波。芯片U1的7脚为电能输入端，5脚为电能输出端并输出稳定的升压电源信号；芯片U2的3脚为输入引脚，用于输入电容组的电源电压信号；芯片U2的1脚为输出引脚，输出电源信号并控制第六MOS管的通断；芯片U3的3脚为输入引脚，用于输入外部电源的电源电压信号；芯片U3的1脚为输出引脚，输出电源信号并控制第三MOS管的通断；芯片U4的3脚为输入引脚，用于输入电容组的电源电压信号；芯片U4的1脚为输出引脚，输出电源信号并控制第七MOS管的通断。

第一电压监测芯片(U2)的型号为XC61CC3002MR；第二电压监测芯片(U4)的型号为XC61CC3602MR；第三电压监测芯片(U3)的型号为XC61CN4802MR；DC-DC升压芯片电路为由型号为MP1524DK的升压芯片(U1)构成的电路。

电路工作过程中，外部接口是XS1，充电电流和放电电流都从该接口通过；电容组可以由多个电容组成，图中只设计了电容C3和电容C4；充电部分由稳压二极管D2为充电的限压保护管，防止外部充电电源电压过高损坏后级电路，MOS管T1、MOS管T2和MOS管T3组成充电开关，由芯片U3和芯片U4提供的电平控制通断；充电状态时，芯片U3的3脚取电，芯片U3的1脚输出高电平，MOS管T3导通，驱动MOS管T1和MOS管T2导通，为电容C3和电容C4供电；电阻R1和电阻R2(充电输出限流电阻)为保护电阻；当充电达到U_{c_p}时，芯片U4输出高电平，MOS管T7导通，MOS管T3关闭，关断充电开关；放电部分由MOS管T4、MOS管T5和MOS管T6组成放电开关，由芯片U2提供的电平控制通断；在放电状态时，芯片U2输出高电平，MOS管T6导通，驱动MOS管T4和MOS管T5导通；芯片U1为DC-DC升压芯片，将电容的电压抬升到预定的电压值，该电压值由采样电阻R9、电阻R11和电阻R13将电压采样后反馈给芯片U1，输出稳定的电压。

当外部连接了电路时；设外部电源电压为U_o、电容电压为U_c、DC-DC电路预定电压为U_{o_p}；另电容为保证良好的电气寿命，存在防过充电压U_{c_p}和防止过放电压U_{d_p}；

充电过程：满足以下条件时，电路工作在充电状态，对电容组充电：

一是外部电源电压U_o大于DC-DC电路预定电压为U_{o_p}，说明外部电源有电，可以对电容进行充电，此时电压监测芯片U3输出高；二是电容电压U_c小于U_{c_p}，那么电容组允许充电，不会被过充，电压监测芯片U4输出为低，MOS管T7关断，此时MOS管T3导通，MOS管T1和T2均导通，打开充电开关，对电容组进行充电；直到电容电压升高到U_{c_p}时，U4输出拉低，关断充电开关；

放电过程：满足以下条件时，电路工作在放电状态，电容组开始放电：

一是外部电源电压U_o小于DC-DC电路预定电压为U_{o_p}，说明外部电源缺电，需要电容组放电，此时电压监测芯片U3输出低，将充电功能禁止；二是电容电压U_c大于U_{d_p}，那么电容组允许放电，电压监测芯片U2输出为高，打开放电开关，电容组通过DC-DC芯片进行放电；直到电容电压下降到U_{d_p}时，U2输出拉低，关断放电开关。

以上过程均由电压监测芯片和MOS管通过电压的变化完成工作，不涉及到程序设计和逻辑控制。

如图3为本实用新型的硬件装置的具体实施例的效果示意图：其中实线为在电源接口测量得到的电压曲线；带有斜杠的曲线为电容组的电荷量曲线；其中在时间T0开始，电源接口外接充电电源，同时给负荷设备和电容组充电；然后，在时间T2开始，断开外接电源，直接由电容组(所述利用电容模拟可充电电池特性的装置)给负荷设备供电。

可以看到，当电容组放电完全后，此时为了防止电容组的电容过放，电容组的电容还保留有一定的电荷量，此时电容组两端的电压为Ud_p；而此时电源接口未外接电源，电源接口的电压为0；

在T0时刻，电源接口外接充电电源，同时给负荷设备和电容组充电；此时电容组通过充电模块获取电能并充电；在T1时刻充电完成，此时电容组两端的电压到达Uc_p；同时为了防止电容组的电容过充，电容电压到达Uc_p后，此时充电模块断开，电容两端的电荷量保持稳定，同时电容组两端的电压也保持稳定；

在T2时刻，断开外部电源，此时有电容组独立为外部负荷设备供电；由于此时由电容组供电，所以T2～T3时刻，电容组两端的电荷量持续下降，电容组两端的电压也持续下降；同时由于升压芯片电路的存在，电源接口的电压保持稳定为Uo_l，且略低于之前连接的外部电源的电压水平Uo_h(但是能保证负荷设备的正常运转)；

在T3时刻，此时电容组的电荷量基本耗尽；此时，为了防止电容组的电容过放，放电模块断开放电电路，停止电容组的电容放电；此时电源接口测量得到的电压信号降为0；但是，电容组的电荷量维持在一个较低的水平(防止过放)，同时电容组两端的电压也维持在电压水平Ud_p。

从图3的曲线可以看到，本实用新型提供的这种利用电容模拟可充电电池特性的装置，能够稳定可靠的对外部设备进行供电，并保证外部设备的可靠稳定运行；同时，该装置又能够较好的模拟可充电电池供电时的外部电压曲线；最后，采用电容及相应的电路设计，实现了利用电容模拟可充电电池特性的功能，成本更加低廉，而且可靠性相对较好。

Claims

1.一种利用电容模拟可充电电池特性的装置，其特征在于包括电源接口、充电模块、电容组、放电模块和升压模块；电源接口与充电模块、电容组、放电模块和升压模块依次连接，同时电源接口连接升压模块；电源接口在充电状态时连接外部的电源并取电，在放电状态时连接外部的工作电路并供电；电容模组包括若干个电容，并用于模拟可充电电池和存储电能；充电模块将外部的电源的电能通过电源接口后进行充电动作，将电能通过充电模块存储到电容组中；放电模块在电压达到设定电压时通过电源接口将电容组中存储的电能进行放电动作，将电能释放到升压模块中；升压模块将放电模块释放的电压提高，输出到外部的工作电路中。

2.根据权利要求1所述的利用电容模拟可充电电池特性的装置，其特征在于充电模块包括第二电压监测芯片、第三电压监测芯片、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第七MOS管、充电第一限流电阻和充电第二限流电阻；第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管作为充电开关，并控制充电电流的通断；第三电压监测芯片的输入端连接电容组的输出端并取电；第三电压监测芯片的输出端连接第七MOS管的栅极，为第七MOS管提供控制电平，并控制第七MOS管的通断；第七MOS管控制充电电流的通断；第七MOS管的源极直接接地；第七MOS管的漏极连接第三MOS管的栅极，第七MOS管控制第三MOS管的通断；第二电压监测芯片的输入端连接电源接口并取电；第二电压监测芯片的输出端连接第三MOS管的栅极，为第三MOS管提供控制电平，并控制第三MOS管的通断；第三MOS管的源极直接接地；第三MOS管的漏极同时连接第一MOS管的栅极和第二MOS管的栅极，第三MOS管用于控制第一MOS管的通断和第二MOS管的通断；第二MOS管的漏极连接电源接口并取电；第二MOS管的源极连接第一MOS管的源极；第一MOS管的漏极为充电模块的输出端；第三MOS管的栅极还通过充电第一限流电阻连接电源接口的正极；充电第二限流电阻并接在第一MOS管的栅极和源极之间；电容组充电时，第三电压监测芯片工作，并输出高电平控制第三MOS管导通，从而控制第一MOS管和第二MOS管同时导通，此时外部电源通过充电模块给电容组充电；第二电压监测芯片用于监测电容组的电压信号，并在电容组的电压达到第二电压监测芯片的工作电压时，输出驱动信号控制第七MOS导通，从而将第三MOS管的栅极电平拉低到低电平，控制第三MOS管关断，从而控制第一MOS管和第二MOS管同时关断，此时电容组的充电过程停止。

3.根据权利要求2所述的利用电容模拟可充电电池特性的装置，其特征在于所述的第二电压监测芯片的型号为XC61CC3602MR；第三电压监测芯片的型号为XC61CN4802MR。

4.根据权利要求2所述的利用电容模拟可充电电池特性的装置，其特征在于所述的充电模块还包括稳压二极管；稳压二极管的阳极接地，稳压二极管的阴极连接第二电压监测芯片的输入端；稳压二极管用于在外部电源电压过高时保护充电模块；所述的充电模块还包括若干个滤波电容；滤波电容并接在第二电压监测芯片的输入端和地之间，用于滤波；所述的充电模块还包括充电输出限流电阻；充电输出限流电阻串接在第一MOS管的漏极上，用于对电容组的充电电流进行限流；所述的充电模块还包括输出保护二极管；保护二极管串接在第一MOS管的漏极上，保护二极管的阳极连接第一MOS管的漏极；保护二极管用于单向保护，防止电容漏电。

5.根据权利要求1～4之一所述的利用电容模拟可充电电池特性的装置，其特征在于所述的电容组包括若干个并联的电容；电容的正极连接充电模块的输出端，电容的负极接地；电容的正极为电容组的输出端。

6.根据权利要求1～4之一所述的利用电容模拟可充电电池特性的装置，其特征在于放电模块包括第一电压监测芯片、第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管、放电第一限流电阻、放电第二限流电阻和放电第三限流电阻；第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管作为放电开关，并控制放电电流的通断；第一电压监测芯片的输入端连接电容组的输出端；第一电压监测芯片的输出端连接第六MOS管的栅极，为第六MOS管提供控制电平，并控制第六MOS管的通断；第六MOS管的栅极还通过放电第一限流电阻接地；第六MOS管的漏极串接放电第二限流电阻之后，同时连接第四MOS管的栅极和第五MOS管的栅极，第六MOS管为第四MOS管和第五MOS管提供控制电平，并控制第四MOS管和第五MOS管的通断；第四MOS管的漏极连接电容组的输出端，第四MOS管的源极连接第五MOS管的源极；第五MOS管的漏极为放电模块的输出端，并连接升压模块；放电第三限流电阻并接在第四MOS管的栅极和源极之间；放电时，当电容组的输出端电压高于第一电压监测芯片的工作电压时，第一电压监测芯片工作，并输出控制信号控制第六MOS管导通，从而控制第四MOS管和第五MOS管导通，将电容组储能的电能输入到升压模块；当电容组的输出端电压低于第一电压监测芯片的工作电压时，第一电压监测芯片不工作，此时第六MOS管截止，同时第四MOS管和第五MOS管截止，此时电容组停止放电。

7.根据权利要求6所述的利用电容模拟可充电电池特性的装置，其特征在于所述的第一电压监测芯片的型号为XC61CC3002MR。

8.根据权利要求1～4之一所述的利用电容模拟可充电电池特性的装置，其特征在于所述的升压模块包括DC-DC升压芯片电路和三个采样电阻；DC-DC升压芯片电路将电容组的电压抬升到预定的电压值，并通过电源接口对外供电；采样电阻对DC-DC升压芯片电路输出的电压进行采样，并将采样电压反馈到DC-DC升压芯片电路中，从而维持DC-DC升压芯片电路输出电压的稳定。

9.根据权利要求8所述的利用电容模拟可充电电池特性的装置，其特征在于所述的DC-DC升压芯片电路为由型号为MP1524DK的升压芯片构成的电路。