一种提升终端设备充电速率和效率的电池模块及其工作方法与流程

本发明涉及电子设备充电技术，尤其涉及一种提升终端设备充电速率和效率的电池模块及其工作方法。

背景技术：

目前终端设备的功能越来越丰富，对电池容量的需要越来越高，因而对终端设备充电速度的要求也变得越来越高，否则会导致充电时间过长，严重影响用户体验。

现有终端设备的快速充电方法基本都是采用高压充电、大电流直冲的等方式，但是都面临严重的充电发热问题。因为电池有一定的内阻存在，而快速充电时进入电池的电流比较大，内阻消耗的功耗也会比较大，导致充电效率低、电池温度上升比较快，从而引起设备的发热。为了减少设备的发热问题，对电池进行大电流充电一段时间后，必须降低充电电流，对发热进行控制，导致快速充电的持续时间有限，不能完全发挥出快速充电的优势。

现有的终端设备的理电池，大部分电池的输出电压都在3～5v之间，并且输出电压单一，只能输出一种电压值，应用的灵活性不够。

技术实现要素：

本发明目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种提升终端设备充电速率和效率的电池模块及其工作方法，提高终端设备的充电速度和效率，减少终端设备的充电时间和充电带来的设备发热问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术申请：

一种提升终端设备充电速率和效率的电池模块，包括由若干个电池组成的电池组，电池板和设置在电池板上的对外接口；

所述电池组内部各电池的电流、输出电压和内阻一样，各电池通过电池板上的电源管理电路连接；所述电池板上的电源管理电路用于电池模块的电量检测、供电输出管理、充电管理、以及充供电路径的切换；

对外接口包括电池模块输出正极、充电输入正极、电池负极、电池id管脚、电池温度检测管脚；

供电时电池板上的电源管理电路通过检测各电池电量，选择电量高的一个电池或通过切换供电路径将多个电池串联给外围系统供电；充电时通过判断各个电池的电量，优先给电量少的电池进行充电，待各个电池电量一致后切换充电路径，开启高压串联充电模式开始恒流充电过程，待完成恒流充电后，电池电量接近充满时，再切换到单路充电模式，完成各电池最后的恒压充电过程。

进一步，所述电源管理电路包括电压检测模块、ad转换模块和开关控制模块；

电压检测模块分别与电池组内部各电池连接，用于实时检测各电池的电压值及各电池之间的压差；ad转换模块将电压检测模块检测到的电压值转换成数字信号，并发送给开关控制模块；开关控制模块包括与电池组中单个电池数量匹配的多路开关，每个电池正极和负极分别串联有一路开关，与各电池正极串联的开关均与电池模块的输出正极和充电输入正极连接，与各电池负极串联的开关均与电池模块的电池负极连接；开关控制模块收到ad模块发送的信号后，先进行逻辑判断，然后通过控制各路开关的状态完成充供电路径的切换，实现供电输出管理和充电管理。

进一步，所述对外接口中充电输入正极与电池模块输出正极共用管脚。

进一步，所述电池组由2-3块电池封装在一起组成。

电池模块的工作方法，充电时，检测到充电接口有输入电压后，电池板首先判断各个电池的电量是否一致，优先给电量少的电池进行充电；当各个电池电量一致后，通过切换充电路径将各电池串联连接，开启高压串联充电模式，开始快速的恒流充电过程；当完成恒流充电后，各电池电量接近充满时，切换充电路径将各电池并联连接，进入单路充电模式，完成各个电池最后的恒压充电过程；

供电输出时，要求输出电压为单个电池电压时，电路板根据各个电池的电量切换供电路径选择电量最多的电池进行输出供电，供电过程中电路板对各电池电量进行判断，重新确认电量最多的电池，切换到目前电量最多的电池继续供电；要求输出电压为多个电池电压之和时，电路板通过切换供电路径将两路或者多路电池串联在一起进行供电。

本发明具有以下有益效果：

电池模块包括多块完全相同的电池合成的电池组、电池板和对外接口，通过电池板上的电源管理电路进行电池模块的供电输出管理、充电管理、电量检测、电池开关的控制以及充供电路径的切换；对电池模块进行充电时，通过电池板检测电池电量并切换电池模块充电路径，先将各电池串联连接采用高电压的方式进行充电，只需要一个较小的电流，即可获得很大的充电功率，电池电量接近充满时，再切充电路径将各电池并联进行单路充电模式，完成各电池最后的恒压充电过程；前期高电压充电时各电池串联连接，减小了各电池的充电电流，极大地减少电池的热功耗，从而减少电池的发热，充电过程中不再需要为了降低温度而降低充电电流，可以将快速充电持续更长的时间，从而提高电池模块的充电速度，解决快速充电和发热之间矛盾，改善终端设备的用户体验。

供电过程中，通过电池板实时对每个电池的电量进行检测，及时进行电池切换，尽可能将各个电池的电量保持一致，避免过度放电对电池造成损害；同时通过电池板切换供电路径可以将多个电池串联向外供电，可以支持多种电压的输出，使电池的使用更加灵活。对于有otg需求的终端设备，采用这种电池可以直接输出一个高电压，不需要外部的升压电路，极大提升otg高压输出的效率。

附图说明

图1电池组内部结构图

图2电池组供电过程图

图3电池组充电过程图

图4电池板功能结构图

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明的电池模块包括由若干个电池组成的电池组，电池板和设置在电池板上的对外接口；以锂电池模块为例，在一个锂电池模块内部含有完全相同的多块锂电池，每个内部电池的输出电压与终端设备所需电压保持一致，建议采用2-3块电池合成在一个封装内组成电池组，电池组内部各个电池的电流、输出电压和内阻完全一致，各电池对外接口统一为一组。

对外接口包含电池输出正极、电池负极、电池id管脚、电池温度检测管脚，可以单独一个充电输入正极管脚，也可以与电池输出正极共用管脚。

如图2所示，电池板上的电源管理电路用来实现供电输出管理、充电管理、电量检测、电池开关的控制以及充供电路径的切换。供电时，电池板上的电源管理电路通过电量选择一个电池给外围系统供电，可以用开关完成电路的开启或关断，尽量保证各个电池的电量比较接近。电路板还可以选择其中的几个电池串联在一起进行输出，这样可以灵活地提供多种供电电压，可供外围设备选择。

如图3所示，检测到充电接口有输入电压后，电池板首先判断各个电池的电量是否一致，如果某个或某几个电池的电量偏少，优先给电量少的电池进行充电。当各个电池电量一致后，开启高压串联充电模式，开始快速的恒流充电过程。当完成恒流充电后，电池电量接近充满时，再切换到单路充电模式，完成各个电池最后的恒压充电过程。

如图4所示，电池板中的电源管理电路包含电压检测模块、ad转换模块和开关控制模块。电压检测模块分别与电池组内部各电池连接，即可以检测到各个内部电池的电压值，也可以检测到三组电池之间的压差。电压检测模块实时检测这几个电压值，并实时发送给ad转换模块。ad转换模块将电压检测模块检测到的电压值转换成数字信号，并发送给开关控制模块。开关控制模块包括与电池组中单个电池数量匹配的多路开关，保证每个电池正极和负极分别串联有一路开关，与各电池正极串联的开关均与电池模块的输出正极和充电输入正极连接，与各电池负极串联的开关均与电池模块的电池负极连接，通过开关控制模块控制各路开关的通断。

不同电池数量的电源管理电路，各模块数量可以按照具体方案来做相应调整。以3个电池组成的电池组为例，开关控制模块包括s1-s8八个开关，开关控制模块收到ad模块发送的信号后，先进行逻辑判断，然后控制8个开关的状态，完成电源管理部分。

供电过程中，开关控制模块通过ad模块输出的电池状态，选择电池电压最高的电池进行供电。假如电池1的电压最高，则将开关s1、s6调整为关闭状态，其余开关都是断开状态。如果工作一段时间后，该电池与另外两个电池中电压最高的电池2的电压差大于0.1v，开关控制部分先关闭s2、s7，然后断开s1、s6，切换到电池2进行供电。如果三个电池的电压都比较低，接近放电量耗尽状态，可以将切换的条件由0.1v调整为0.3v，防止电池开关的频繁切换。最终，通过电池开关的切换，使得3个电池的电量都比较接近，均衡地使用3块电池，整个电池组的寿命得到保证。如果需要电池组输出其他电压值，将s1、s4、s7开关关闭，则输出电压值为两个电池的和，而将s1、s4、s5、s8开关关闭，则输出电压值为三个电池的总和。

充电过程中，首先给电池电量最低的单个电池充电，充电芯片先输出一段时间低电压。因为供电时有输出电压管理，三个电池的电压值差异不会很大，所以这个过程只需要很短时间即可。通过关闭开关s1/s6、s2/s7或s3/s8可以分别单个控制每个电池的充电，经过低电压充电后，三个电池的电量比较接近，然后进入下一步的高压串联充电。开关控制模块将s1、s4、s5、s8开关关闭，其余开关都断开，这样即可实现串联快速充电。

电池模块包括由若干个电池组成的电池组工作方法为：

供电输出时，如果要求输出电压是单个电池的输出电压，电路板根据各个电池的电量情况，选择电量最多的电池，打开对应的开关，进行输出供电。供电一段时间后，电路板再次进行电量判断，重新确认那个电池的电量最多，切换到目前电量最多的电池进行供电。电路板通过选择电量最多的电池进行供电，达到让各个内部电池的电量尽量接近的目标。

电路板可以通过切换开关，将两路或者多路电池串联在一起进行供电，这样一块电池可以实现多个输出电压的灵活切换。如上述提到的，3个4.5v输出的电池组成的电池组，可以实现4.5、9v和13.5v三种供电电压。如果设备需要支持otg，采用这种电池串联可以直接输出一个高于电池电压的值，不需要在终端设备里加升压电路，既可以降低成本，还可以提升输出效率。

充电过程中，电池板根据各个电池的电量情况，优先给电量较少的电池进行充电。当各个电池电量一致后，开始进入高压串联充电模式，将串联充电通道开启，对所有内部电池同时进行充电，这样只需要一个较小的充电电流就可以实现较大的充电功率，并且引起的热功耗非常小，实现了较高的充电速度和效率。电池电量接近充满时，再回到单路充电模式，完成各个电池最后的恒压充电过程。

例如电池组内包含3个电池，每个电池输出电压均为4.5v，充电时每个电池的内阻是0.1欧姆。如果采用普通一个锂电池的充电方式，充电电流为3a时，内阻产生的热功耗为0.9w。而采用串联的充电方法，用1a的充电电流同时给三个电池充电，可以达到原来3a充电电流的充电效果，每个电池产生热功耗为0.1w，整个电池组产生的热功耗只有0.3w。

参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本专利要求范围当中。