一种电池保护与充放电管理系统架构的制作方法

本发明涉及电源供电技术领域，尤其涉及一种电池保护与充放电管理系统架构。

背景技术：

可充放电电池组在对外供电时将所有的可充放电电池一起放电，充电时也是整体进行充电，由于可充放电电池的个体化差异，使得部分可充放电电池被过充电、部分可充放电电池被过放电，如果不能及时发现，将会极大降低可充放电电池的使用寿命，使可充放电电池组提前报废，造成很大浪费。因此，一般的可充放电电池组内都设置有控制电路等，进行保护控制，在现有的在可充放电电池管理电路中，通常需要充电电路，放电电路以及电池保护电路，过去的方案中，这三者是分开的，导致电路结构不优化，成本高，电路损耗大；

参考图13所示；目前电池管理传统方式，需要六个开关mos和两个电感实现给电芯的充电，放电，以及保护功能，结构复杂，成本高。而且一旦设计完成，充电dc/dc与放电dc/dc的升压或者降压工作模式也就固定下来了，不能灵活配置。在整个充电或放电回路中，会看到三个mos开关和一个电感串联，增加了串联阻抗，也就增加了损耗，效率低，发热量高。

基于以上存在的技术问题，本申请提供了解决以上技术问题的技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电池保护与充放电管理系统架构，在本申请中只需要通过4个开关管就可以实现现有技术的技术方案，解决了功耗过大的问题，同时解决了由于开关管过多造成的成本过高的问题。

本发明提供的技术方案如下：

一种电池保护与充放电管理系统架构，包括：调压电路，控制电路；电源供电端与调压电路电连接；调压电路分别与控制电路以及待充放电电池两端电连接；所述控制电路判断所述待充放电电池的充放电状态，并根据充放电状态、所述电源供电端的电压，以及所述待充放电电池的当前电压值调整所述调压电路，进一步的根据所述电池充放电控制系统中设置的正负极保护控制端不同，并对所述调压电路构建对应的电池充放电与保护结构。

进一步优选的，包括：所述调压电路由4个开关管第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管以及1个电感组成；4个所述开关管的对应控制端分别与所述控制电路电连接；第一开关管与第二开关管的公共连接端与电感的一端连接；第三开关管与第四开关管的公共连接端与电感的另一端连接；且通过所述控制电路，控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、以及所述第四开关的工作状态，调整所述电池充放电、以及保护控制结构。

在本申请中，解决了现有技术中由于在控制电路中使用多个开关管进行连接，造成功耗过大，以及电路结构复杂的问题；在本申请中只需要通过4个开关管就可以实现现有技术的技术方案，解决了功耗过大的问题，同时解决了由于开关管过多造成的成本过高的问题；使其控制系统的更加稳定可靠，减小了功耗，从另一方面将增加了使用寿命。

进一步优选的，包括：当待充放电电池为充电状态时；判断电源供电端两端的电源电压是否大于待充放电电池两端的额定电压；当大于时，调整所述调压电路为降压充电模式；具体的包括：所述第一开关管、所述第二开关管以及所述电感构成降压结构，通过所述控制电路发送的控制信息控制所述降压结构，对所述电源供电端两端的电源电压进行降压处理，并将所述输入电压降压后对所述待充放电电池进行充电；当采用所述电池充放电控制系统的正极端保护结构时，所述第三开关管充电时处于常导通状态，所述第四开关设置为常断开状态；所述第一开关和所述第三开关同时关断形成所述待充放电电池与所述电源供电端的双向阻断结构；当采用所述电池充放电控制系统的负极端保护结构时，所述第三开关管处于常断开状态，所述第四开关充电时设置为常导通状态；所述第二开关和所述第四开关同时关断形成所述待充放电电池与所述电源供电端的双向阻断结构。

进一步优选的，包括：当待充放电电池为充电状态时；判断电源供电端两端的电源电压是否大于待充放电电池两端的额定电压；当不大于时，调整所述调压电路为升压充电模式；具体的包括：所述电感、所述第三开关管以及所述第四开关管构成升压结构，通过所述控制电路发送的控制信息控制所述升压结构，对所述电源供电端两端的电源电压进行升压处理，并将所述输入电压升压后对所述待充放电电池进行充电；当采用所述电池充放电控制系统的正极端保护结构时，所述第一开关管充电时处于常导通状态，且所述第二开关设置为常断开状态；所述第一开关和所述第三开关同时关断形成所述待充放电电池与所述电源供电端的双向阻断结构；当采用所述电池充放电控制系统的负极端保护结构时，所述第一开关管处于常断开状态，且所述第二开关充电时设置为常导通状态；所述第二开关和所述第四开关同时关断形成所述待充放电电池与所述电源供电端的双向阻断结构。

进一步优选的，包括：当待充放电电池为放电状态时；判断所述待充放电电池两端的电压是否大于所述电源供电端两端的电压；

当大于时，调整所述调压电路为降压放电模式；具体的包括：所述电感、所述第三开关管以及所述第四开关管构成降压放电结构，通过所述控制电路发送的控制信息控制所述降压放电结构，对所述待充放电电池两端的电压进行降压处理，并加载在所述电源供电端；当采用所述电池充放电控制系统的正极端保护结构时，所述第一开关管放电时处于常导通状态，所述第二开关设置为常断开状态；且所述第一开关和所述第三开关同时关断形成所述待充放电电池与所述电源供电端的双向阻断结构；当采用所述电池充放电控制系统的负极端保护结构时，所述第一开关管处于常断开状态，且所述第二开关放电时设置为常导通状态；所述第二开关和所述第四开关同时关断形成所述待充放电电池与所述电源供电端的双向阻断结构。

进一步优选的，包括：当待充放电电池为放电状态时；判断所述待充放电电池两端的电压是否大于所述电源供电端两端的电压；当不大于时，调整所述调压电路为升压放电模式；具体的包括：所述电感、所述第一开关管以及所述第二开关管构成升压放电结构，通过所述控制电路发送的控制信息控制所述升压放电结构，对所述待充放电电池两端输出的放电电压进行升压处理，并加载在所述电源供电端；当采用所述电池充放电控制系统的正极端保护结构时，所述第三开关管放电时处于常导通状态，且所述第四开关设置为常断开状态；所述第一开关和所述第三开关同时关断形成所述待充放电电池与所述电源供电端的双向阻断结构；当采用所述电池充放电控制系统的负极端保护结构时，所述第三开关管处于常断开状态，且所述第四开关放电时设置为常导通状态；所述第二开关和所述第四开关同时关断形成所述待充放电电池与所述电源供电端的双向阻断结构。

进一步优选的，所述控制电路包括：信号反馈选择器、误差放大器、pwm调制器、检测信号比较器、模式选择比较器、逻辑控制电路，以及译码器；所述信号反馈选择器与所述误差放大器的输入端电连接；所述误差放大器的输出端与所述pwm调制器的信号输入端电连接；待检测电感电流输出端与pwm调制器的信号输入端电连接；所述pwm调制器的信号调控输出端与所述逻辑控制电路电连接；所述检测信号比较器的输入端接检测信号，所述检测信号比较器的输出端与所述逻辑控制电路信号输入端电连接，且所述逻辑控制电路的输出端与所述调压电路电连接；所述模式选择比较器接入分别与所述电源供电端的检测端以及所述待充放电电池检测端电连接，所述模式选择比较器的输出端与所述译码器的信号输入端电连接；所述译码器的信号输出端与所述逻辑控制电路信号控制端电连接。

进一步优选的，包括：检测信号经由所述检测信号比较器后将输出比较结果输入至所述逻辑控制电路；且通过所述译码器选择所述待充放电电池的充放电状态与升降压模式，并将所述待充放电电池为充放电状态与升降压模式发送至所述逻辑控制电路；所述逻辑控制电路控制所述调压电路中的开关管的工作状态，所述pwm调制器通过误差放大器反馈的所述检测信息以及所述电感电流检测信息，并调控输出的pwm波的占空比，进而控制所述待充放电电池两端电压与充电电流，以及所述电源供电两端的电压与供电电流。

本发明中设计了一种新型的四开关单电感电池充电，放电与电池保护三合一架构，通过控制电路灵活配置四个开关的工作，可以实现降压充降压放，降压充升压放，升压充降压放，升压充升压放以及电池保护。

本发明提供的一种电池保护与充放电管理系统架构一种电池保护与充放电管理系统架构，益效果如下：

1、本发明中，构建新型的调压控制电路结构简单，易于实现，安装比较方便。

2、本发明中，与现有技术相比，使用了较少的元器件，部件可以实现现有技术的功能，同时也进一步的节约成本；另一方面降低功耗，增加了使用寿命。

3、本发明中，与现有技术相比，在不改变外部电路结构的情况下，可以通过控制不同的工作模式实现降压充降压放，降压充升压放，升压充降压放，升压充升压放以及电池保护，提高了系统的适应性。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种电池保护与充放电管理系统架构的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明电池保护与充放电管理系统架构的一个实施例的结构图；

图2是本发明电池保护与充放电管理系统架构的另一个实施例的结构图；

图3是本发明电池保护与充放电管理系统架构的另一个实施例的结构图；

图4是本发明电池保护与充放电管理系统架构的另一个实施例的结构图；

图5是本发明电池保护与充放电管理系统架构的另一个实施例的结构图；

图6是本发明电池保护与充放电管理系统架构的另一个实施例的结构图；

图7是本发明电池保护与充放电管理系统架构的另一个实施例的结构图；

图8是本发明电池保护与充放电管理系统架构的另一个实施例的结构图；

图9是本发明电池保护与充放电管理系统架构的另一个实施例的结构图；

图10是本发明电池保护与充放电管理系统架构的另一个实施例的结构图；

图11是本发明电池保护与充放电管理系统架构的另一个实施例的结构图；

图12是本发明电池保护与充放电管理系统架构的另一个实施例的结构图；

图13是本发明电池保护与充放电管理系统架构的另一个实施例的结构图；

图14是本发明现有技术的结构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。

如图1所示，本申请提供一种电池保护与充放电管理系统架构的一个实施例，包括：调压电路，控制电路；电源供电端与调压电路电连接；调压电路分别与电源供电端、控制电路以及待充放电电池两端电连接；控制电路判断待充放电电池的充放电状态，并根据充放电状态、电源供电端的电压，以及待充放电电池的当前电压值调整调压电路，进一步的根据电池充放电控制系统中设置的正负极保护控制架构不同，并对调压电路构建对应的电池充放电与保护结构。

优选的，调压电路由4个开关管第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管以及1个电感组成；4个开关管的对应控制端分别与所述控制电路电连接；第一开关管与第二开关管的公共连接端与电感的一端连接；第三开关管与第四开关管的公共连接端与电感的另一端连接；且通过所述控制电路，控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、以及所述第四开关的工作状态，调整所述电池充放电、以及保护控制结构。

具体的，在本发明中，在基于现有技术中对于充电电池的控制系统中，从硬件结构上讲，参见图13为现有技术；一般设置为3部分，充电dc/dc转换器，电池保护开关，放电dc/dc转换器，这种设置方式结构复杂，成本比较高；在整个充电或放电回路中，需要涉及三个mos开关和一个电感串联，增加了串联阻抗，也就增加了损耗，效率低，发热量高。为了克服上述的问题，本申请中对其进行重新的设计，一方面可以对电池充放电管理；另一方面在遇到电池过压，欠压，过流等异常时，可以通过开关切断电流回路，实现对电池的保护管理；同时可以使用连接电池正极的开关进行正极端保护，也可以使用连接电池负极的开关进行负极端保护。参见图1和图2所示，在电池的充放电系统中，包括了4种工作模式，参见图3-图10所示；降压充电、升压充电、降压放电、以及升压放电等，本申请中通过4个开关管s11、s12、s21、s22和1个电感l1构成充放电的调压电路；在本申请中第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管分别对应电路图中的4个开关管s11、s12、s21、s22，在通过控制电路实现对待充放电电池的充放电控制，以及正负极端的控制保护，防止过压、过流，以及欠压现象的发生。因此在本申请中根据电源供电端两端的电压不同，以及待充放电池两端的电压不同，选择对应的工作模式，以及对于正负极的控制保护。在本申请中各个电子元器件根据使用中的需求，在满足性能参数的条件下，进行适应性的调整；开关管可以为三极管，或mos管，或igbt等。

在本申请中，解决了现有技术中由于在电池充放电与保护管理电路中使用多个开关管进行连接，造成功耗过大，以及电路结构复杂的问题；在本申请中只需要通过4个开关管就可以实现现有技术的技术方案，同时解决了功耗过大的问题，由于开关管过多造成的成本过高的问题；使其控制系统的更加稳定可靠，减小了功耗，从另一方面将增加了使用寿命。

本发明还提供一个实施例，参考图3和图4所示；包括：当待充放电电池为充电状态时；判断电源供电端两端的电源电压是否大于待充放电电池两端的额定电压；当大于时，调整调压电路为降压充电模式；具体的包括：通过控制电路，控制第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关的工作状态；第一开关管、第二开关管以及电感构成降压dc/dc结构，通过控制电路发送的控制信息控制降压dc/dc结构，对电源供电端两端的电源电压进行降压处理，并将输入电压降压后对待充放电电池进行充电；当采用正极端保护结构时，第三开关管在充电时处于常导通状态，且第四开关设置为常断开状态；当采用负极端保护结构时，第三开关管处于常断开状态，且第四开关在充电时设置为常导通状态。

具体的，本实施例为降压充电模式；参考图3和图4所示；电源供电端两端的电压va-vb，待充放电电池两端的电压vcella-vcellb；具体的是通过降压dc/dc充电，s11与s12形成降压dc/dc开关结构；当采用正极端保护结构时，s21在充电时常导通，而作为保护功能时s11和s21一起关断实现vcella与va的双向阻断；s22处于常断开状态。

当采用负极端保护结构时，s22在充电时常导通，而作为保护功能时s12和s22一起关断实现vcellb与vb的双向阻断；s21处于常断开状态。

本发明还提供一个实施例，参考图5和图6所示；包括：当待充放电电池为充电状态时；判断电源供电端两端的电源电压是否大于待充放电电池两端的额定电压；当不大于时，调整调压电路为升压充电模式；具体的包括：通过控制电路，控制第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的工作状态；电感、第三开关管以及第四开关管构成升压dc/dc结构，通过控制电路发送的控制信息控制升压dc/dc结构，对电源供电端两端的电源电压进行升压处理，并将输入电压升压后对待充放电电池进行充电；当采用正极端保护结构时，第一开关管在充电时处于常导通状态，且第二开关设置为常断开状态；当采用负极端保护结构时，第一开关管处于常断开状态，且第二开关在充电时设置为常导通状态。

具体的，本实施例为升压充电模式；参考图5和图6所示；电源供电端两端的电压va-vb，待充放电电池两端的电压vcella-vcellb；具体的是通过升压dc/dc充电，s21与s22形成升压dc/dc开关结构；当采用正极端保护结构时，s11在充电时常导通，而作为保护功能时s11和s21一起关断实现vcella与va的双向阻断；s12处于常断开状态。

当采用负极端保护结构时，s12在充电时常导通，而作为保护功能时s12和s22一起关断实现vcellb与vb的双向阻断；s11处于常断开状态。

本发明还提供一个实施例，参考图7和图8所示；包括：当待充放电电池为放电状态时；判断待充放电电池两端的电压是否大于电源供电端两端的电压；当大于时，调整调压电路为降压放电模式；具体的包括：通过控制电路，控制第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管的工作状态；电感、第三开关管以及第四开关管构成降压放电结构，通过控制电路发送的控制信息控制降压放电结构，对待充放电电池两端的电压进行降压处理，并加载在电源供电端；当采用正极端保护结构时，第一开关管在放电时处于常导通状态，且第二开关设置为常断开状态；当采用负极端保护结构时，第一开关管处于常断开状态，且第二开关在放电时设置为常导通状态。

具体的，本实施例为降压放电模式；参考图7和图8所示；电源供电端两端的电压va-vb，待充放电电池两端的电压vcella-vcellb；具体的是通过降压dc/dc放电，s21与s22形成降压dc/dc开关结构；当采用正极端保护结构时，s11在放电时常导通，而作为保护功能时s11和s21一起关断实现vcella与va的双向阻断；s12处于常断开状态。

当采用负极端保护结构时，s12在放电时常导通，而作为保护功能时s12和s22一起关断实现vcellb与vb的双向阻断；s11处于常断开状态。

本发明还提供一个实施例，参考图9和图10所示；包括：当待充放电电池为放电状态时；判断待充放电电池两端的电压是否大于电源供电端两端的电压；当不大于时，调整调压电路为升压放电模式；具体的包括：通过控制电路，控制第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关的工作状态；电感、第一开关管以及第二开关管构成升压放电dc/dc结构，通过控制电路发送的控制信息控制升压放电dc/dc结构，对待充放电电池两端输出的放电电压进行升压处理，并加载在电源供电端；当采用正极端保护控制架构时，第三开关管在放电时处于常导通状态，且第四开关设置为常断开状态；当采用负极端保护控制架构时，第三开关管处于常断开状态，且第四开关在放电时设置为常导通状态。

具体的，本实施例为升压放电模式；参考图9和图10所示；电源供电端两端的电压va-vb，待充放电电池两端的电压vcella-vcellb；具体的是通过升压dc/dc放电，s11与s12形成升压dc/dc开关结构；当采用正极端保护结构时，s21在放电时常导通，而作为保护功能时s11和s21一起关断实现vcella与va的双向阻断；s22处于常断开状态。

当采用负极端保护结构时，s22在放电时常导通，而作为保护功能时s12和s22一起关断实现vcellb与vb的双向阻断；s21处于常断开状态。

本发明还提供一个实施例，参考图11所示；控制电路包括：信号反馈选择器、误差放大器ea、pwm调制器、检测信号比较器(comp1～comp3)、模式选择比较器(comp4)、逻辑控制电路，以及译码器；信号反馈选择器与误差放大器ea的输入端连接；误差放大器ea的输出端与pwm调制器的信号输入端连接；待检测电感电流输出端与pwm调制器的信号输入端电连接；pwm调制器的信号调控输出端与逻辑控制电路电连接；检测信号比较器(comp1～comp3)的输入端接检测信号，检测信号比较器(comp1～comp3)的输出端与逻辑控制电路信号输入端电连接，且逻辑控制电路的输出端与调压电路电连接；模式选择比较器(comp4)的输入端分别与所述电源供电端的检测端以及所述待充放电电池检测端电连接，模式选择比较器的输出端与译码器的信号输入端电连接；译码器的信号输出端与逻辑控制电路信号控制端电连接。

优选的，包括：检测信号经由检测信号比较器后将输出比较结果输入至逻辑控制电路；电源供电端与待充放电池的电压检测信号输入模式选择比较器，模式选择比较器的输出信号输入译码器，且通过译码器选择待充放电电池的充放电状态，并将待充放电电池的充放电状态发送至逻辑控制电路；逻辑控制电路控制调压电路中的开关管的工作状态，pwm解调器通过误差放大器输出的反馈检测误差信息与电感电流检测信息i_sns，并调控输出的pwm波的占空比，进而控制待充放电电池两端电压，以及待充放电电池两端的电压。

具体的，本实施例中，参考图11所示；信号反馈选择器选择的被检测控制的信号包括电源供电端两端的电压va-vb，待充放电电池两端的电压vcella-vcellb，以及电感电流i_sns；将检测的电感电流与误差放大器ea的输出信号发送至pwm调制器，进行占空比调制，从而控制四个开关管的状态与通断时间，也即形成满足充放调压电路的合理工作状态；在每个检测信号比较器(comp1～comp3)都设置最大和最小两个基准信号，根据充放电模式的不同，将获取检测信号与最大以及最小基准信号进行对比，并将对比的结果输入至逻辑控制电路中，进行逻辑运算，进一步构建电池保护结构，模式选择比较器(comp4)的输入端分别接入电源供电端两端的电压va-vb和待充放电电池两端的电压vcella-vcellb，用于比较电压的大小，根据比较结果选择升降压工作模式；如果电源供电端两端的电压va-vb大于待充放电电池两端的电压vcella-vcellb时，选择降压充电，或者升压放电；如果电源供电端两端的电压va-vb小于待充放电电池两端的电压vcella-vcellb时，升压充电，或者降压放电；并通过译码器选择充放电模式，并将获取到的工作模式发送至逻辑控制电路中，控制对应的开关管为常开，或者常闭，以及占空比调制的工作状态，基于以上实现来本发明的电池充放电系统的充放电与控制保护。

在本申请中图12和图13为检测信号设置的检测点的结构图。

本发明中设计了一种新型的四开关单电感电池充电，放电与电池保护三合一架构，通过控制电路灵活配置四个开关的工作，可以实现降压充降压放，降压充升压放，升压充降压放，升压充升压放以及电池保护。

另外，在本申请的个实施例如图3～图10中，构建4种电路结构，以及控制端(正极和负极)不同，通过颜色相对重的粗线标识出来。

本申请的一种电池保护与充放电管理系统架构中可形成集成芯片，其内部开关管可为mos管，或者bjt管等。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。