多组电池供电自动切换装置及控制方法与流程

本发明涉及一种多组电池供电电池自动切换的装置及控制方法，尤其是电动车中多组电池的自动切换装置及其控制方法。

背景技术：

为了延长电动车特别是电动自行车的续航里程，有的电动车可以配备多组电池。为了避免电动势不同的电池并联时产生异常的放电电流和反灌充电电流，现有技术的多组电池供电自动切换装置一般采用功率继电器或者功率mos管等器件作为大电流回路切换开关，分时选择其中一组电池供电。

因功率继电器存在触点寿命问题，功率mos管的内阻增加了切换开关的功率损耗，且功率继电器和功率mos管的价格均较贵及体积也较大，因此增加了自动切换装置的体积与成本，采用继电器作大电流切换开关还存在切换瞬间电压跌落、高压直流在大电流负荷分断时触点灭弧困难等缺点。

现有技术中，可以大电流放电的电池特别是锂电池必需带有充放电管理系统，充放电管理系统在电池充电时电压过高或电流过大、放电时电压过低或电流过大等异常情况时，须及时切断电池的输出/输入回路以保证电池的使用安全，有的电池组的充放电管理系统还有与其他设备通信的回路。

电池充放电管理系统一般由充放电管理集成电路、串联在电池输出/输入回路的充电mos管及放电mos管组成的功率开关、电池充/放电流检测电路等电路构成，充电mos管和放电mos管受充放电管理集成电路的控制开启(导通)或者关闭(截止),有与其他设备通信回路的电池充放电管理系统还具有通信接口电路。

现有技术中，充放电管理集成电路在连接电池上电后控制充电mos管与放电mos管处于开启状态以向负载供电或者接受充电，电池在充电或放电出现异常情况时，充放电管理集成电路根据不同的异常情况分别控制关闭充电mos管或者关闭放电mos管。

带通信回路的电池充放电管理系统经通信接口电路可以向其他设备提供电池的充放电状态、电池电压、充电电流、放电电流、剩余容量等信息，还可以接受其他设备的命令开启或者关闭充电mos管及放电mos管。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种不需要功率继电器或者功率mos管器件作为大电流回路切换开关的切换控制电路，由切换控制电路经与电池组通信，控制开启或关闭电池组充放电管理系统中已有的功率mos管来进行多组电池供电的自动切换装置。

本发明还提供了一种多组电池供电自动切换装置的控制方法。

本发明提供的技术方案是：

多组电池供电自动切换装置，包括多个电池组以及切换控制电路；每个电池组由电池、电池充放电管理电路和通信接口电路构成；电池充放电管理电路由充放电管理集成电路、串联在电池充放电回路中的功率充/放电开关、电池充/放电流检测电路等电路组成；功率充/放电开关由受充放电管理集成电路控制开启或关闭的充电mos管和放电mos管组成；电池充/放电流检测电路由作为采样回路的电阻构成；电池组经通信接口电路接通切换控制电路以提供本组电池的充放电状态、电池电压、充电电流、放电电流、剩余容量信息，还接受切换控制电路的指令开启或者关闭充电mos管及放电mos管；

切换控制电路由单片微处理器、通信接口电路和稳压电路构成；

其特征在于：

电池组的充放电管理集成电路在连接电池上电后控制充电mos管与放电mos管均处于关闭状态；多个电池组的输出是正极与正极相联、负极与负极相联后接负载。

每个电池组内还接有一个与功率充/放电开关并联的作为启动电源的小功率放电电路。

负载是电动车运行控制器或者其他用电设备。

多组电池供电自动切换装置的控制方法，按以下步骤进行控制：

1)电池组的充放电管理集成电路在电池充放电过程中按照电池充放电保护功能的要求，在电池组充放电异常情况下关闭充电mos管或放电mos管；

2)电池组的充放电管理集成电路连接电池上电后未接收到切换控制电路发来的功率放电指令前，控制充电mos管与放电mos管均处于关闭状态，

3)电池组的充放电管理集成电路在接收到功率放电指令后才开启充电mos管与放电mos管以进行功率放电；

4)在电池组功率放电过程中切换控制电路定时发送功率放电指令，电池组的充放电管理集成电路在收到停止功率放电指令，或者在约定的时间内收不到功率放电指令时关闭充电mos管与放电mos管。

切换控制电路在运行时，通过与电池组的定时通信获得电池组在线情况和剩余电量信息；如果正在进行功率放电的电池组的电量即将放尽，当还有另一组允许功率放电的电池连接在线时，电池自动切换装置进行二组电池供电的切换；切换控制电路经与二组电池通信按以下步骤进行控制：

1)切换控制电路先指令电量即将放尽的电池组关闭充电mos管；

2)切换控制电路然后指令另一组电池开启放电mos管；

3)切换控制电路再指令电量即将放尽的电池组关闭放电mos管；

4)切换控制电路最后指令另一组电池开启充电mos管。

本发明的有益效果是：

本发明充分利用电池组的电池充放电管理电路的功率开关作为多组电池供电自动切换装置的大电流回路切换开关，切换控制电路中无功率切换器件，降低了电池自动切换装置的成本和缩小了体积；切换控制电路根据多组电池在线情况及剩余电量情况自动进行电池组的切换，切换过程无需人工进行操作，因而具有使用简单、方便与安全的特点。

附图说明

图1是现有技术的一种双组电池供电自动切换装置的原理图。

图2是现有技术最基本的充放电管理系统的电池组原理图。

图3是现有技术带通信回路的充放电管理系统的电池组原理图。

图4是本发明的结构框图。

图5是本发明双组电池供电的切换控制电路的原理图。

图6是本发明实施例1的电池组的原理图。

图7是本发明实施例2的电池组的原理图。

具体实施方式

以下结合附图对实施例(以两个电池组为例)作进一步说明。

图1是现有技术的一种双组电池自动切换装置的原理图，由图1可知现有技术的双组电池自动切换装置由单片微处理器(ic1)、4个功率mos管(bg1、bg2、bg3、bg4)、3个通信接口电路(ic2、ic3、ic4)和稳压电路(ic5)及二极管(d5、d6)构成，

图1中：

bg1的漏极与bg2的漏极相连，bg1的栅极和bg2的栅极相连后与ic1的输出(k1)连接，构成第一组电池的功率放电开关回路，

bg3的漏极与bg4的漏极相连，bg3的栅极和bg4的栅极相连后与ic1的输出(k2)连接，构成第二组电池的功率放电开关回路，

二极管(d1、d2、d3、d4)分别是功率mos管bg1、bg2、bg3、bg4的寄生体二极管。

图1中：

第一电池组正极输出(bat1_out+)和第二电池组正极输出(bat2_+)相连后接负载的输入正极(in+)，

第一电池组负极输出(bat1_out－)接bg1的源极，经bg1的漏极、bg2的漏极、bg2的源极接负载的输入负极(in－)，

第二电池组负极输出(bat2_out－)接bg3的源极，经bg3的漏极、bg4的漏极、bg4的源极接负载的输入负极(in－)，

单片微处理器ic1的第一通信发收信号线(tx_1、rx_1)与第一通信接口电路ic2的通信发收信号线(t_in、r_out)相连，ic2的发信输出(t1_out)和收信输入(r1_in)连接第一电池组相应的通信端子，构成单片微处理器与第一电池组的通信回路。

单片微处理器ic1的第二通信发收信号线(tx_2、rx_2)与第二通信接口电路ic3的通信发收信号线(t_in、r_out)相连，ic3的发信输出(t2_out)和收信输入(r2_in)连接第二电池组相应的通信端子，构成单片微处理器与第二电池组的通信回路。

单片微处理器ic1的第三通信发收信号线(tx_3、rx_3)与第三通信接口电路ic4的通信发收信号线(t_in、r_out)相连，ic4的发信输出(t3_out)和收信输入(r3_in)连接负载相应的通信端子，构成单片微处理器与负载的通信回路。

稳压电路ic5的电压输入端(v_in)与第一、及第二组电池组输出的正极bat1_out+、bat2_out+相连，稳压后的输出(v_out)接vcc，以提供各个电路的工作电源，

隔离二极管(d5)的负极接第一组电池的输出bat1_out－，隔离二极管(d6)的负极接第二组电池的输出bat2_out－，d5与d6的正极相连作为切换控制装置的公共地(gnd)。

图1所示的双电池组供电自动切换装置的单片微处理器ic1经与2组电池通信，可以得知2组电池的在线情况和剩余容量，ic1选择k1或k2输出高电平以开启某一个功率放电开关，使其中1组电池向负载供电。

图1电路所示的双电池自动切换装置需4个功率mos管(bg1、bg2、bg3、bg4)作为功率开关以进行2组电池供电的切换，电池大电流放电回路须流经电池组内充放电管理系统的2个mos管及自动切换装置的bg1、bg2或者bg3、bg4合计4个mos管。显然放电回路增加多个功率mos管的内阻增加了切换开关的功率损耗，且功率mos管的价格均较贵及体积也较大，因此增加了自动切换装置的体积与成本。

图2是现有技术最基本的充放电管理系统的电池组原理图，从图2可知最基本的充放电管理系统的电池组由电池(bat)、充放电管理集成电路(ic6)、放电mos管(bg1)、充电mos管(bg2)、充/放电电流采样电阻(r1)构成，

ic6的正电源输入(vdd)和负电源输入(gnd)分别接电池(bat)的正极和负极，bat的正极还与电池组的正极输出端(out+)相连，bat的负极连接电流采样电阻(r1)，r1的另一端经放电mos管(bg1)的源极、bg1的漏极、充电mos管(bg2)的漏极、bg2的源极接电池组的负极输出端(out－)，ic6的电流采样输入(i_in)连接在r1与bg1的源极相连处以采样电池的充电电流与放电电流，ic6对功率mos管的控制输出端(chg、dsg)分别与bg2、bg1的栅极连接以控制bg1、bg2的开启或关闭。

图2所示的现有技术最基本的充放电管理系统的电池组在ic6上电后经控制线chg、dsg开启bg1、bg2，以向负载供电或者接受充电，电池充电时在电压过高或电流过大、放电时在电压过低或电流过大等异常情况时，充放电管理集成电路ic6根据不同的异常情况分别控制关闭bg1或者bg2。

图3是现有技术带通信回路的充放电管理系统的电池组原理图，与现有技术最基本的充放电管理系统的电池组图2比较，图3电路增加了电池组与其他设备通信的功能，图3在图2电路的基础上增加了通信接口电路(ic4)，ic4的通信发收信号线(t_in、r_out)与充放电管理集成电路(ic6)的通信发收信号线(t_out、r_in)相连，ic4的发信输出(tx)和收信输入(rx)与其他设备相应的通信端子连接，图3其余电路连接及功能与图2电路所述相同不再重复描述。

图4为本发明的结构框图，如图4所示，本发明电池自动切换装置由具有充放电管理系统及通信回路的第一电池组(1)和第二电池组(2)、切换控制电路(3)构成，第一电池组(1)或者第二电池组(2)在切换控制电路(3)的控制下向负载(4)提供功率供电。

图4中：

第一电池组(1)的正极输出端(out+)与第二电池组(2)的正极输出端(out+)相连后接负载(4)的电源正极输入端(in+)，

第一电池组(1)的负极输出端(out－)与第二电池组(2)的负极输出端(out－)相连后接负载(4)的电源负极输入端(in－)，

切换控制电路(3)的第一通信发送与接收回路(t1_out、r1_in)与第一电池组(1)的通信接收与发送回路(rx、tx)相连，

切换控制电路(3)的第二通信发送与接收回路(t2_out、r2_in)与第二电池组(2)的通信接收与发送回路(rx、tx)相连，

切换控制电路(3)的第三通信发送与接收回路(t3_out、r3_in)与负载(4)的通信接收与发送回路(rx、tx)相连，

切换控制电路(3)正电源输入端(v_in)与2组电池的正极输出端(out+)相连，

切换控制电路(3)负电源输入端(gnd)与2组电池的负极输出端(out－)相连。

本发明中的电池组在充放电管理电路连接电池上电后，程序控制在未接收到切换控制电路发来功率放电指令前，充电mos管与放电mos管是处于关闭(截止)状态的，电池组无功率电流输出，所以允许多组电池的输出并联在一起后接负载。

图5是本发明双组电池供电的切换控制电路的原理图，由图5所示，切换控制电路由单片微处理器(ic1)、3个通信接口电路(ic2、ic3、ic4)和稳压电路(ic5)构成，

图5电路与现有技术双组电池供电自动切换装置图1电路相比较，去除了图1电路中作为功率放电开关的4个功率mos管bg1、bg2、bg3、bg4和二极管d5、d6，同时将第一电池组输出负极(bat1_out－)和第二电池组输出负极(bat2_－)改为相连后接负载的输入负极(in－)，第一电池组输出负极(bat1_out－)和第二电池组输出负极(bat2_－)的相连点为公共地(gnd)，图5其余电路连接及功能与图1电路所述相同不再重复描述。

图5电路经与电池组通信，控制电池组的充放电管理系统的功率mos管的开启或关闭，以实现图1电路所述装置的功能。

图6是本发明实施例1的电池组原理图，与现有技术带通信回路的充放电管理系统的电池组图3电路比较，图6电路电池组在图3电路中增加了由依次相连的小功率mos管(bg5)、限流电阻(r2)、防倒灌二极管(d4)所构成的启动电源回路，二极管(d5)为小功率mos管bg5的寄生体二极管，bg5的源极与bg1的源极相连，d4的正极与bg2的源极相连，bg5的栅极连ic6的输出(qddy_dsg)，bg5的开启与关闭受充放电管理集成电路ic6的控制，图6其余电路连接及功能与图3电路所述相同不再重复描述。

图7是本发明实施例2的电池组原理图，适合图2所示无通信回路的充放电管理系统电池组的改进，图7电路与图2电路相比较，图7电路在图2电路的基础上增加了单片微处理器(ic9)、通信接口电路(ic4)、2个与门电路(ic7、ic8)、由依次相连的小功率mos管(bg5)、限流电阻(r2)、防倒灌二极管(d4)构成的启动电源回路及稳压电路(ic5)，二极管(d5)为小功率mos管bg3的寄生体二极管。

图7中，与门电路ic7的2个输入端(a、b)分别接ic6的放电mos管控制端(dsg)和ic9的输出(k1)，ic5的输出端(y)接放电mos管bg1的栅极，也就是说bg1的开启与关闭受ic6和ic9的共同控制，只有在dsg与k1均是高电平时ic7的y端才输出高电平开启bg1，dsg与k1只要有一个低电平bg1即关闭，

图7中，与门电路ic8的2个输入(a、b)分别接ic6的充电mos管控制端(chg)和ic9的输出(k2)，ic8的输出端(y)接充电mos管bg2的栅极，也就是说bg2的开启与关闭受ic6和ic9的共同控制，只有在chg与k2均是高电平时ic8的y端才输出高电平开启bg2，chg与k2只要有一个低电平bg2即关闭，

图7中，ic9的信号输入(chg_in、dsg_in)分别连接到ic6的充电mos管控制端(chg)和放电mos管控制端(dsg)，

图7中，单片微处理器ic9的通信发收信号线(t_out、rx_in)与ic4的通信发收信号线(t_in、r_out)相连，ic4的发信输出(tx)和收信输入(rx)与其他设备相应的通信端子连接。

图7中，bg3的源极与bg1的源极相连，d4的正极与bg2的源极相连，bg3的栅极连ic6的输出dsg，bg3的开启与关闭受充放电管理集成电路ic6的dsg控制。

图7中，稳压电路ic5的电压输入(v_in)端接电池(bat)的正极，稳压后的输出(v_out)接vcc，以提供各个电路的工作电源。

图7其余电路连接及功能与图2电路所述相同不再重复描述。

本发明的控制方法：

本发明的多组电池供电自动切换装置以2组电池为例，可以由图5所示的切换控制电路和图6所示的电池组构成，也可以由图5所示的切换控制电路和图7所示的电池组构成。

以图5所示的双电池切换控制电路和图6所示的电池组按照图4框图连接构成双组电池供电自动切换装置为例，多组电池供电自动切换的控制方法为：

在图6中，充放电管理集成电路ic6连接电池上电后，充放电管理集成电路ic6控制chg与dsg为低电平、qddy_dsg为高电平，即bg1与bg2关闭、bg3开启后电池组向切换控制电路3提供启动电源。

切换控制电路3从电池组的启动电源回路得到工作电源开始运行后，经与各电池组的通信获得有几组电池在线和各组电池的剩余电量信息，在有一组或一组以上的电池在线且有电池组允许功率放电时，切换控制电路3选择一组电池并且向被选择的电池组发送“功率放电”指令，收到“功率放电”指令的电池组的充放电管理集成电路根据指令开启充电mos管与放电mos管以进行功率放电，在功率放电过程中切换控制电路3还定时向被选择功率放电的电池组发送“功率放电”指令，在功率放电的电池组的充放电管理集成电路收到“停止功率放电”指令，或者在约定的时间内收不到“功率放电”指令时则关闭充电mos管与放电mos管。

电池组的充放电管理集成电路在接受指令控制充电mos管与放电mos管的开启和关闭的同时，还按照电池充放电保护功能的要求，在电池充电时电压过高或电流过大、放电时电压过低或电流过大等异常情况时，分别控制关闭充电mos管或者关闭放电mos管。

切换控制电路在运行时，经与电池组的通信还获得各电池组的在线情况和剩余电量等信息，当进行功率放电的电池组的电量即将放尽，在还有另一组电池在线且允许功率放电的时，电池自动切换装置进行二组电池供电的切换；二组电池的切换是经切换控制电路3与二组电池通信并且按以下步骤进行：

1)切换控制电路3先指令电量即将放尽的电池组关闭充电mos管，此时电量即将放尽的电池组经放电mos管源极、漏极和充电mos管的寄生体二极管继续向负载功率供电；

2)切换控制电路3然后指令另一组电池开启放电mos管，此时由于二组电池的充电mos管均处于关闭状态，负载由电动势高的那组电池的负极回路经放电mos管源极、漏极和充电mos管的寄生体二极管进行功率供电，因电动势低的电池组的充电mos管的寄生体二极管处于反向截止状态，电动势高的那组电池不会向电动势低的电池组倒灌充电；

3)切换控制电路3再指令电量即将放尽的电池组关闭放电mos管，此时负载由另一组电池经放电mos管源极、漏极和充电mos管的体二极管功率供电；

4)切换控制电路3最后指令另一组电池开启充电mos管，以短接充电mos管的体二极管，此时负载由另一组电池经放电mos管源极、漏极和充电mos管的漏极、源极回路功率供电，至此完成两组电池供电无缝隙(负载不断电)的切换过程。

以图5所示的双电池切换控制电路和图7所示的电池组按照图4框图连接构成双组电池供电自动切换装置时，电池自动切换电路3控制电池组功率开关的方法及步骤与图5所示的双电池切换控制电路和图6所示的电池组构成电池自动切换装置相同，不同之处是图7电路中的充电mos管bg2及放电mos管bg1的开启或关闭受图7充放电管理集成电路ic6和单片微处理器ic9的逻辑“与”控制。

图7中，单片微处理器ic9经通信接口电路ic4接受切换控制电路3的指令控制k1、k2输出高电平或低电平，bg1只有在dsg与k1均高电平时才被开启，dsg或k1中任何一个为低电平时即关闭，bg2只有在chg与k2均高电平时才被开启，chg或k2中任何一个为低电平时即关闭。

图7中，充放电管理集成电路ic6在电池充放电无异常情况时chg、dsg是输出高电平的，而单片微处理器ic9上电复位经初始化程序后k1、k2输出是低电平，即与门电路ic7、ic8的输出y是低电平，所以bg1、bg2处于关闭状态。

图7中，单片微处理器ic9接收到切换控制电路3的功率放电指令后k1、k2输出高电平，在电池充放电正常的情况下充放电管理集成电路ic6的chg、dsg输出高电平，所以与门电路ic7、ic8的输出端y是高电平，充电mos管与放电mos管开启进行功率放电；单片微处理器ic9在收到停止功率放电指令，或者在约定的时间内收不到功率放电指令时则k1、k2输出低电平以关闭充电mos管与放电mos管。单片微处理器ic9还根据切换控制电路3的指令按照两组电池切换的步骤开启或关闭充电mos管和放电mos管，以完成两组电池切换的工作。

图7中，在电池充放电出现异常情况时，充放电管理集成电路ic6根据异常情况的不同状态控制chg、dsg输出低电平，以分别关闭充电mos管或者关闭放电mos管。

为了表述方便，本发明中切换控制电路与电池组的通信及切换控制电路与负载的通信采用了rs-232方式与电路，在实际运用中根据需要也可以采用rs-485、can或其他任何合适的通信方式与电路。

本发明切换控制电路与负载的通信回路是为了与负载交换信息，不是本发明中必需的电路。

本发明的切换控制电路在自身带有工作电源时，实施例图6、图7电路中的启动电源回路也可以取消。

本发明的有益效果是：

本发明电池自动切换装置允许接入多个电池组，也可以仅接入一组电池，多个电池组接入时各个电池组的电动势可以不相同，多个电池组接入时选择一组电池供电，一组电池电量即将放尽在还有另一组允许功率放电的电池在线时自动切换到另一组电池放电。

本发明的电池自动切换装置在有2组或2组以上的电池并联接入时，电池自动切换电路只选择一组电池功率供电，有效防止了电动势高的电池组向电动势低的电池组倒灌充电的情况发生，按照本发明4个步骤进行二组电池的切换，在两组电池供电转换中有一个先经各自的防倒灌mos管的体二极管向负载同时供电的过程，消除了电池组切换过程的供电中断和电动势低的电池组的电流倒灌，在2组或2组以上的电池并联接入时虽然电池组的启动电源回路是开启的，但是启动电源回路接有防电流倒灌二极管和限流电阻，电动势高的电池组不会向电动势低的电池组倒灌充电和未被选中功率放电的电池组发生功率放电情况。

本发明的电池自动切换装置完成两组电池的切换后，功率放电电池的放电回路仅经过充放电保护电路的放电mos管和充电mos管的内阻，与现有技术电池的放电回路还需经过电池自动切换装置的2个mos管合计4个mos内阻相比较，明显降低了放电回路在mos管内阻上的功率损耗。

本发明的电池自动切换装置成本较低，体积较小，切换过程无需人工操作，具有使用简单、方便与安全的特点，适合目前大量在使用的仅一组电池输入的电动车的改造。