电源串并联切换电路及电源设备的制作方法

本实用新型涉及一种电源串并联切换电路及电源设备。

背景技术：

目前市面的汽车应急启动电源主要分为三种，第一种是支持12V铅酸电池的汽车启动，第二种是支持24V铅酸电池的汽车启动，第三种是同时支持12V和24V铅酸电池的汽车启动，但是里面装有两套完全独立的12V和24V启动系统。第三种启动电源弥补了前面两种电源不能同时兼容12V和24V铅酸电池汽车的问题，但是体积大，操作不够灵活，用户体验不是很好。

技术实现要素：

本实用新型实施例的目的之一在于提供一种电源串并联切换电路及电源设备，应用该技术方案能利用两电源实现串联、并联输出，对外输出不同电压。

第一方面，本实用新型实施例提供的一种电源串并联切换电路，包括：第一电源、第二电源、第一单刀双路开关、第二单刀双路开关、第一功率开关电路；

所述第一单刀双路开关的第一触点与所述第二电源的第一电极电连接，第二单刀双路开关的第一触点与第一电源的第二电极电连接，所述第一电极为正极、负极的其中之一，第二电极为另一，

所述第一单刀双路开关的第二触点与所述第一电源的第一电极，所述第二单刀双路开关的第二触点与所述第二电源的第二电极电连接，

所述第一功率开关电路电连接在所述第一单刀双路开关、第二单刀双路开关的第三触点之间，

所述第一电源的正极与电压输出端的正极电连接，所述第二电源的负极与所述电压输出端的负极电连接。

可选地，所述第一功率开关电路包括：第一功率开关管。

可选地，所述第一功率开关管为N型MOS管，其漏极与所述第一单刀双路开关的第三触点电连接，源极与所述第二单刀双路开关的第三触点电连接。

可选地，所述第一功率开关电路还包括：

第二功率开关管，两开关端与所述第一功率开关管串联连接，当所述第一功率开关管导通时，所述第二功率开关管导通，

所述第二功率开关管的寄生二极管的电流方向与所述第一功率开关管的寄生二极管的电流方向相反。

可选地，还包括，第二功率开关电路，电连接在所述第一电源及第二电源与用于外接负载的电源输出端之间。

可选地，所述第二功率开关电路包括：

第三功率开关管，所述第三功率开关管的寄生二极管的负极与所述电源输出端的负极电连接，正极与所述第二单刀双路开关的第二触点电连接。

可选地，所述第二功率开关管为N型MOS管，其源极与所述电源输出端的负极电连接，漏极与所述第二单刀双路开关的第二触点电连接。

可选地，所述第一单刀双路开关、和/或第二单刀双路开关为：继电器。

可选地，用于向控制所述第一单刀双路开关的第一触点与第二触点吸合导通的部件供电的电源为：第二电源的正极、第一电源的负极。

可选地，用于向控制所述第二单刀双路开关的第一触点与第二触点吸合导通的部件供电的电源为：第二电源的正极、第一电源的负极。

可选地，当所述第一单刀双路开关无供电输入时，其第一触点与第三触点导通，所述第一触点与第二触点断开；

当所述第一单刀双路开关有所述供电输入时，其第一触点与第三触点断开，所述第一触点与第二触点导通。

可选地，当所述第二单刀双路开关无供电输入时，其第一触点与第三触点导通，所述第一触点与第二触点断开；

当所述第二单刀双路开关有所述供电输入时，其第一触点与第三触点断开，所述第一触点与第二触点导通。

可选地，在所述第一单刀双路开关的第一触点、第二触点之间还并联有第三功率开关电路。

可选地，第三功率开关电路包括：MOS管，其寄生二极管的电流方向与所述第三功率开关管导通时的电流方向相反。

可选地，第三功率开关电路包括：N型MOS管，其源极与所述第一电源的正极电连接，漏极与所述第二电源的正极电连接。

可选地，在所述第二单刀双路开关的第一触点、第二触点之间还并联有第四功率开关电路。

可选地，第四功率开关电路包括：MOS管，其寄生二极管的电流方向与所述第三功率开关管导通时的电流方向相反。

可选地，第四功率开关电路包括：P型MOS管，其源极与所述第二电源的负极电连接，漏极与所述第一电源的负极电连接。

可选地，所述第一电极为正极、负极的其中之一，所述第二电极为为正极、负极的另一。

第二方面，本实用新型实施例提供的一种电源设备，包括上述之任一所述电源串并联切换电路。

由上可见，采用本实施例技术方案，能利用两电源实现串联、并联输出，对外输出不同电压，且电路安全性强。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型实施例1提供的一种电源串并联切换电路原理示意图；

图2为图1电路的第一电源、第二电源处于串联状态时的电路原理示意图；

图3为图1电路的第一电源、第二电源处于并联状态时的电路原理示意图；

图4为本实用新型实施例1提供的一种电源串并联切换电路优选实施方案原理示意图；

图5为本实用新型实施例1提供的第一种电源串并联切换电路优选实施方案原理示意图；

图6为本实用新型实施例1提供的第二种电源串并联切换电路优选实施方案原理示意图；

图7为本实用新型实施例1提供的第三种电源串并联切换电路优选实施方案原理示意图；

图8为图7所示电路并联时发生负载短路瞬间的电路原理示意图；

图9为图8所示电路在负载短路后的等效电路原理图；

图10为本实用新型实施例1提供的第四种电源串并联切换电路优选实施方案原理示意图；

图11为图9所示电路的第一电源、第二电源并联时的等效电路原理示意图。

图12为本实用新型实施例1提供的第五种电源串并联切换电路优选实施方案原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本实用新型，在此本实用新型的示意性实施例以及说明用来解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

实施例1

参见图1所示，本实施例提供了一种电源串并联切换电路，其包括：第一电源BT1、第二电源BT2、第一单刀双路开关K1、第二单刀双路开关K2、第一功率开关电路M1。

为了描述方便，本实施例的第一电极为正极“+”、负极“-”的其中之一，第二电极为另一。

以下以第一电极为正极“+”，第二电极为负极“-”进行示意。

以第一电源BT1的正极“+”为输出电源的正极“+”，以第二电源BT2的负极“-”为输出电源的负极“-”。第一单刀双路开关K1的第一触点A与第二电源BT2的正极“+”电连接，第二单刀双路开关K2的第一触点A与第一电源BT1的负极“-”电连接。

第一单刀双路开关K1的第二触点B与第一电源BT1的正极“+”电连接，第二单刀双路开关K2的第二触点B与第二电源BT2的负极“-”电连接，

第一功率开关电路M1电连接在第一单刀双路开关K1的第三触点C与第二单刀双路开关K2的第三触点C之间。

图1所示电路的工作原理如下：

参见图2所示，当控制第一功率开关电路M1导通，并且，使第一单刀双路开关K1、第二单刀双路开关K2的第一触点A分别与第三触点C导通时，第二电源BT2的正极“+”与第一电源BT1的负极“-”电连接，第一电源BT1、第二电源BT2串联连接，在第一电源BT1的正极“+”、第二电源BT2的负极“-”输出由第一电源BT1、第二电源BT2串联形成的输出电压。

参见图3所示，第一单刀双路开关K1、第二单刀双路开关K2的第一触点A分别与第二触点B导通时，第一电源BT1的正极“+”与第二电源BT2正极“+”电连接，第一电源BT1的负极“-”与第二电源BT2负极“-”电连接，形成第一电源BT1、第二电源BT2并联连接关系，在第一电源BT1、第二电源BT2相并联的正极“+”、负极“-”输出并联电压。此时第一电源BT1通过第二单刀双路开关K2的通路对外输出电流，第二电源BT2通过第一单刀双路开关K1的通路对外输出电流，在电路设计时，只需要采用相同规格的第一单刀双路开关K1、第二单刀双路开关K2，使他们的内阻相同，即可确保当第一电源BT1、第二电源BT2并联对外输出电流时，其输出电流完全对称，使流过第一电源BT1、第二电源BT2的电流完全一致，有利于确保第一电源BT1、第二电源BT2的一致性。特别是，采用锂离子电池或铅酸电池等可充电电池作为第一电源BT1、第二电源BT2时，采用本技术方案有利于延长电池的使用寿命。

作为本实施例的示意，在进行电源的串并联切换过程中，在切换第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2前，优选保持第一功率开关管Q1关断状态，在完成第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2的触点切换后才导通第一功率开关管Q1，采用该技术方案可以确保第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2的触点切换瞬间不产生电弧，避免电弧对开关的损害。

当电源由串联切换为并联时，先关断第一功率开关电路M1，使第一单刀双路开关K1的第一触点A、第三触点C之间无电流流过，使第二单刀双路开关K2的第一触点A、第三触点C之间无电流流过，再将第一单刀双路开关K1的第一触点A分别切换为与第二触点B导通，以及将第二单刀双路开关K2的第一触点A分别切换为与第二触点B导通，此时电路切换为第一电源BT1、第二电源BT2并联。在第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2切换的过程中，由于第一触点A、第三触点C之间无电流，第一触点A、第二触点B之间无压降（第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2的第一触点A分别与第一电源BT1、第二电源BT2的正极“+”电连接，第二触点B分别与第一电源BT1、第二电源BT2的负极“-”电连接，故第一触点A、第二触点B无压降），在第一单刀双路开关K1、第一单刀双路开关K1触点切换时不产生电弧，避免电弧对开关的损害。

当电源由并联切换为串联时，先断开负载输出电流，使第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2的第一触点A、第二触点B之间无电流，然后将第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2的第一触点A分别切换为与第三触点C导通，最后再导通第一功率开关，此时电路切换为第一电源BT1、第二电源BT2串联。在第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2切换瞬间，由于第一触点A、第二触点B之间无电流，第一触点A、第三触点C之间无压降（触点切换时，第一功率开关处于关断状态，第三触点C保持在高电位），故在第一单刀双路开关K1、第一单刀双路开关K1触点切换时不产生电弧，避免电弧对开关的损害。

由上可见，在本实施例的切换电路中采用第一单刀双路开关K1、第二单刀双路开关K2实现串并联切换，开关的可靠性强，且采用本实施例技术方案避免了传统固体开关触点切换产生电弧的技术缺陷。

另外，参见图4所示，本实施例的第一功率开关电路M1可以采用一功率开关管（记为第一功率开关管Q1，该功率开关管优选为MOS管）实现，采用功率开关管实现有利于提高开关的速度，提高电路的反应速度，且避免开关打火。

图4以采用N型MOS管作为第一功率开关管Q1为示意，在连接时，使N型MOS管的漏极“D”电连接（通过第一单刀双路开关K1第一触点A、第三触点C导通）第二电源BT2的正极“+”，源极“S”与的电连接第一电源BT1的负极“-”的第二单刀双路开关K2的第一触点A电连接。

参见图4所示，由于第一功率开关管Q1存在寄生二极管D1，当第一功率开关管Q1处于关断状态，由漏极“D”到源极“S”方向的电流不可能通过，在该方向能实现电路的完全关断；但是，由源极“S”到漏极“D”方向的电流可能从寄生二极管D1流过，导致该方向不能完全关断，导致第一功率开关电路M1只能单向关断的情况。为了进一步提高第一功率开关电路M1的关断彻底性，实现双向关断，其实现电路参见图5所示。

参见图5所示，作为本实施例的示意，本实施例的第一功率开关电路M1还包括第二功率开关管Q2，该第二功率开关管Q2与第一功率开关管Q1串联，第二功率开关管Q2与第一功率开关管Q1同步导通。

作为本实施例的示意，图5以含有寄生二极管D1的N型MOS管作为第二功率开关管Q2为示意，使第二功率开关管Q2与第一功率开关管Q1相反接地串联连接，即使第二功率开关管Q2的源极“S”与第一功率开关管Q1的源极“S”电连接，漏记“D”与第二单刀双路开关K2的第三触点C电连接，使第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2的控制端栅极“G”并接在一起，在同一开关控制信号下同步导通或同步关断。在该电路中，第二功率开关管Q2的寄生二极管D1方向与第一功率开关管Q1的寄生二极管D1方向相反，使即使第二开关管由于故障未与第一功率开关管Q1同步导通时，电流可以从第二功率开关管Q2的寄生二极管D2流过，确保实现第一电源BT1、第二电源BT2的串联。另外，在第一功率开关管Q1后反向串联本实施例第二功率开关管Q2的，还可以利用第二功率开关管Q2的寄生二极管D2隔断反充电流，避免反充电流流向第一电源BT1、第二电源BT2，对电源造成损害，进一步提高电路的安全性，提高电源的使用寿命。

参见图6所示，作为本实施例的示意，还可以在第一电源BT1及第二电源BT2构成的串并联电路与用于外接负载的电源输出端之间进一步串联第二功率开关电路M2，通过控制第二功率开关电路M2的导通以及关断，控制向负载的输出电流的导通以及关断。这样在进行电源的串并联切换时，首先关断第二功率开关电路M2，关断电源的输出电流，从而确保被切换的触点无电流，避免第一单刀双路开关K1、第二单刀双路开关K2进行触点切换时产生电弧。

作为本实施例的示意，图6以采用功率开关管（记为第二功率开关管Q3，该功率开关管优选为MOS管）实现，采用功率开关管实现有利于提高开关的速度，提高电路的反应速度，且避免开关打火。

图6以采用含有寄生二极管D3的N型MOS管作为第三功率开关管Q3为优选示意，使第三功率开关管Q3连接在电源输出端的负极“-”端，使第三功率开关管Q3的源极“S”与第二电池的负极“-”电连接，漏极“D”与电源输出端的负极“-”电连接，栅极“D”接入开关控制信号，使其中的寄生二极管D3方向与开关导通时的电流方向相反，避免反向电流流向第一电源BT1、第二电源BT2，对电源造成损害，进一步提高电路的安全性，提高电源的使用寿命。并且，采用第三功率开关管Q3采用本实施例技术方案，还进一步确保了当Q3处于非导通状态时，避免第一单刀双路开关K1、第二单刀双路开关K2带载切换，避免开关切换时产生电弧。

作为本实施例的示意而非限制，本实施例的第一单刀双路开关K1、第二单刀双路开关K2两者的其中之一或者全部可以采用继电器实现。

参见图7所示，可以但不限于采用以下优选技术方案，使第一单刀双路开关K1、第二单刀双路开关K2的供电电源均为第二电源BT2的正极“+”、以及第一电源BT1的负极“-”提供。在无供电输入时，第一单刀双路开关K1、第二单刀双路开关K2的第一触点A与第三触点C导通（即俗称的常闭状态），第一触点A与第二触点B关断（即俗称的常开）。在有供电输入时，第一单刀双路开关K1、第二单刀双路开关K2的第一触点A与第三触点C断开，第一触点A与第二触点B相互吸合导通。采用该优选技术方案具有以下进一步技术效果：

设当前电路处于第一电源BT1、第二电源BT2相并联时，此时如果发生负载短路，此时即相互并联的第一电源BT1、第二电源BT2的正负极短路，容易发生电源起火等危险，而采用本实施例技术方案，此时等效电路如图8所示，由图8可见，此时第一电源BT1的负极“-”与第二电源BT2的正极“+”电连接，此时，由于控制第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2的第一触点A与第二触点B相互吸合的线圈供电是由第二电源BT2的正极“+”与第一电源BT1的负极“-”提供，此时提供给线圈的供电处于短路状态，即线圈无供电输入，所以第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2的第一触点A与第二触点B无法吸合，第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2会马上切换至无供电输入的常态，即第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2的第一触点A会分别马上切换至与第三触点C相导通的状态，此时的等效电路如图9所示，参见图9所示，此时，假设第一功率开关电路M1中的第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2处于正常关断状态，此时第一电源BT1的正极“+”与负极“-”之间无法形成电流回路，第二电源BT2的的正极“+”与负极“-”之间无法形成电流回路，不会发生电源短路危险；另外，假设此时即使第一功率开关电路M1中的第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2由于误动作导通或者由于失效而导通，则此时第一电源BT1、第二电源BT2呈串联连接关系，但是，此时由于用于控制第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2的第一触点A与第二触点B相互吸合的线圈处于无供电输入状态，所以第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2的第一触点A与第二触点B无法吸合，不会由于上述的电子开关管误动作而导致电源连接的误切换，当前电路并不能切换至串联，此时第一电源BT1的正极“+”与负极“-”之间仍然无法形成电流回路，第二电源BT2的的正极“+”与负极“-”之间亦仍然无法形成电流回路，不会发生电源短路危险。

综上可见，采用本实施例优选方案，从硬件上建立一种串联与并联的互斥设计，从硬件上可靠地避免了电源短路的情况，大大提高了电路的安全性。

由于采用图7所示技术方案，设当前第一电源BT1、第二电源BT2处于图3所示的并联状态，此时，即使第一功率开关电路M1由于外部干扰或故障而进行了错误的串联切换动作（即导通第一功率开关电路M1），但是此时第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2均处于上电状态，其第一触点A与第二触点B导通，第一功率开关电路M1的误动作对当前并联电路无任何影响，电路并不会由于该第一功率开关电路M1的错动作而切换至串联状态。

由于采用图7所示技术方案，设当前第一电源BT1、第二电源BT2处于图2所示的串联状态时，此时第一电源BT1、第二电源BT2串联，此时第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2处于断电状态，触点处于常闭状态，此时即使有错误的并联指令输入至第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2，第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2亦均无法进行触点切换动作，不会造成电源短路的风险。

以上以第一电极为正极“+”，第二电极为负极“-”，采用实施例以及图示对本实施例电路以及电路的切换工作原理进行说明，但是并不限于此，当第一电极为负极“-”，第二电极为正极“+”时，其实施方式与上同理。

本实施例的电源串并联切换电路可以应用于电源设备，电源设备中设置第一电源BT1、第二电源BT2，通过第一电源BT1、第二电源BT2的串联/并联切换，根据用户需要输出不同电压的电源。

参见图10所示，作为本实施例的优选而非限制，还可以在第一单刀双路开关K1的第一触点A、第二触点B之间并联第三功率开关电路M3，在第二单刀双路开关K2的第一触点A、第二触点B之间并联第四功率开关电路M4，使第三功率开关电路M3、第四功率开关电路M4同步导通或同步关断。其工作原理是，设当前需要第一电源BT1、第二电源BT2并联的输出电压时，此时即使当前第一单刀双路开关K1、以及第二单刀双路开关K2的第一触点A与第三触点C导通，与第二触点C断开，第一功率开关电路M1处于关断状态，此时控制第三功率开关电路M3、第四功率开关电路M4导通，此时能强制性将电路切换为第一电源BT1、第二电源BT2并联状态，对外输出并联状态时的电压，满足用户的需求。

作为本实施例的示意，本实施例可以但不限于采用MOS管实现第三功率开关电路M3、和/或第四功率开关电路M4，分别记为第四功率开关管Q4、第五功率开关管Q5，可选但不限于采用选用极性相反的MOS管作为第四功率开关管Q4、第五功率开关管Q5，如图9所示意，可以选用P型MOS管作为第四功率开关管Q4，其中的寄生二极管D4的正极“+”与第二电源BT2的正极“+”电连接，负极“-”与第一电源BT1的正极“+”电连接；选用N型MOS管作为第五功率开关管Q5，其中的寄生二极管D5的正极“+”与第二电源BT2的负极“-”电连接，负极“-”与第一电源BT1的负极“-”电连接。在应用时，关断第二功率开关电路M2，切断输出端P0的输出；此时等效电路如图10所示。

参见图11所示，当第三功率开关电路M3、第四功率开关电路M4导通时：

第一电源BT1的电流回路是，电流自第一电源BT1的正极“+”出发，流过导通的第四功率开关电路M4，流入负载，经过负载的负极“-”回到第一电源BT1的负极“-”；

第二电源BT2的电流回路是，电流自第二电源BT2的正极“+”出发，流入负载，经过负载的负极“-”，流过导通的第三功率开关电路M3，回到第二电源BT2的负极“-”。

在电路设置时，可以选用内阻相同的MOS管作为第三功率开关电路M3、第四功率开关电路M4，此时第一电源BT1、第二电源BT2并联对外供电时，第三功率开关电路M3、第四功率开关电路M4线路的内阻完全一致，流过第一电源BT1、第二电源BT2的电流相同，有利于确保第一电源BT1、第二电源BT2的一致性。特别是，采用锂离子电池或铅酸电池等可充电电池作为第一电源BT1、第二电源BT2时，采用本技术方案有利于延长电池的使用寿命。

另外，第四功率开关管Q4、第五功率开关管Q5采用图9、10所示的电路连接方式，其中的寄生二极管D4、D5能避免反向电流流入第一电源BT1、第二电源BT2，提高电路的安全性，提高电源使用寿命。

参见图12所示，可以在本实施例电路中引出多个用于输出第一电源BT1、第二电源BT2并联时的电压输出端P1、P2、P3、P4，以满足用户的各种应用需要。

为了最大化地方便应用，在各电压输出端P1、P2、P3、P4上串联功率开关电路S1、S2、S3、S4，通过各功率开关电路的输出，以控制电压输出端P1、P2、P3、P4的电压输出，实现只有用户需要时，才在电压输出端（P1、P2、P3、P4的其中之一或部分或全部）输出电压，否则在该电压输出端无电压输出，有利于提高电路的安全性。

其中，功率开关电路S1、S2、S3、S4采用功率开关管实现，也可以采用继电器或者其他常规开关实现。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。