CN106130117A - 对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的系统，包括一智能充放电管理系统以及一无线电能传输系统。所述无线电能传输系统用于将市电变换成直流电再转换成高频交流电后，产生变化的电磁场，然后以无线的方式传输到无线电能接收系统，变换成直流电传输到智能充放电管理系统。所述智能充放电管理系统用于实现对多节不同串并联方式连接的电池进行智能充放电管理，其包括一低压锁存单元、一智能电流控制单元、一状态指示单元、一温度监测单元、以及一过放保护单元。本发明既可确保在对多节不同串、并联方式连接的电池进行无线充电时快速、有效、安全、方便，又可保证各电池不会过充过放，保证了锂电池组的使用寿命。

Description

对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的 系统

技术领域

本发明涉及无线充电的研究领域，特别涉及一种对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的系统。

背景技术

在许多电子设备中，尤其是便携式与穿戴式电子设备，因为空间限制关系，其所用电源常由多节电池所提供。而且因为特定的电压与电流要求，这些多节电池常采用不同的串联与并联方式连接。如三节电池并联或串联；六节电池先三个三个并联，然后两组再串联；九节电池先三个三个并联，然后三组再串联等。在组成这样的电源时，各电池因为制造时的质量不一，其内阻往往不相同，因此造成各个电池的电容量与充电、放电电流不一样。尽管目前绝大多数市售锂电池单体均带有过充、过放保护电路，以保护电池电压处在2.7V～4.2V之间，延长锂电池的使用寿命。但当锂电池串并联形成电池组时，由于制作工艺造成电池单体间的差异性，如不加以保护电路，经一段时间的使用后电池电量差异性增大。虽然因为满充电压不会改变，在充电方面影响稍小一些。但放电方面会有容量小的电池先放电完毕，而其余电池还未完全放电，在此情况下，因为锂电池的过放保护电路，整个锂电池组已不能工作。从宏观上看，会造成整个锂电池组电量下降。这些情况，轻则使电池的使用寿命下降，重则可能会损坏电池甚至会引起一系列事故。为此，要解决这些问题，提高锂电池组的使用寿命，需要针对其特点设计出合适的充电管理策略以及放电保护方法。但目前未见报道有能对多节不同串、并联方式连接的电池进行智能化充电管理以及放电保护的技术系统。

另一方面，对电池进行无线充电是当前的一个新技术，因为其使用方便，所以很受欢迎。已在一些电子设备中使用。但是，目前的无线充电主要是针对单个电池(比如对手机的无线充电)来进行的，并未见有能对多节不同串、并联方式连接的电池进行无线充电的系统。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的系统，既能对多节不同串、并联方式连接的电池进行智能化充电管理以及放电保护，又能进行无线充电。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的系统，包括一智能充放电管理系统以及一无线电能传输系统，所述无线电能传输系统用于将市电变换成直流电后再转换成高频交流电，并产生变化的电磁场，然后通过发射线圈以无线的方式传输到无线电能接收系统，再变换成直流电传输到智能充放电管理系统，所述智能充放电管理系统用于实现对多节不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电管理；所述智能充放电管理系统包括一智能电流控制单元、一低压锁存单元、一状态指示单元、一温度监测单元、以及一过放保护单元；所述智能充放电管理系统连接到锂电池组。

作为优选的技术方案，，所述智能电流控制单元包括一恒流/恒压充电模式的线性充电电路及一开关充电电路，采用分级定电流的充电方式进行充电，并将充电过程分为预充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段及充电终止阶段。

作为优选的技术方案，所述低压锁存单元用于监测充电时的输入电压，当输入电压低于设定电压并不足以对电池实施充电时，将内部电路关断，充电系统不工作。

作为优选的技术方案，所述状态指示单元包括一漏极开路状态指示电路及若干指示灯，用于对系统的充放电状态的实时显示。

作为优选的技术方案，所述温度监测单元包括一NTC电池温度检测电路以及一输入比较器电路，用于对电池的温度进行监测，在电池温度达到设定的温度阈值时自动关断电源，防止出现电池因温度过高而可能出现的任何事故。

作为优选的技术方案，所述过放保护单元由一低压锁存电路组成，通过采样锂电池组电压V1与电压基准芯片产生的电压V2相比较，若V1大于V2则正常工作，若V1小于V2则关断电路中的金属氧化物半导体场效应晶体管，使电池组停止放电。

作为优选的技术方案，所述无线电能传输系统包括一无线电能发射系统及一无线电能接收系统。

作为优选的技术方案，所述无线电能发射系统包括一发射电路和一电磁感应式的发射线圈，所述电磁感应式的发射线圈与发射电路连接，所述发射电路还连接有一AC-DC单元，发射电路将AC-DC单元从市电交变电压变换来的直流电转化为高频交流电，并产生变化的电磁场。

作为优选的技术方案，所述无线电能接收系统包括一电磁感应式的接收线圈和一接收电路，所述电磁感应式的接收线圈与接收电路连接，接收线圈感应到发射线圈的交变电磁场后产生感应电磁场，通过接收电路将其转化为直流电，传输到智能充放电管理系统。

作为优选的技术方案，所述AC-DC单元外接220V市电。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明提供了一种对多节不同串、并联方式连接的电池组进行智能化充电管理以及放电保护，并进行无线充电的技术系统。

2、本发明既可确保在对多节不同串、并联方式连接的电池组进行充电时快速、有效、安全、方便，又可保证各电池不会过充过放，从而保证了锂电池组的使用寿命。

3、本发明为各种电子及光电子设备尤其是便携式、穿戴式设备的电池快速有效充电提供了强有力的技术系统。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图。

图2为本发明锂离子电池智能管理系统的电路原理图。

图3为本发明过放保护电路的电路原理图。

图4为本发明无线电能传输系统的电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例的一种对多节串并联连接的电池进行智能无线充放电的系统，包括一锂离子电池管理系统和一无线电能传输系统。所述无线电能传输系统的无线发射电路将AC-DC转换单元从市电电压变换成的直流电压再转换成高频交流电，输送到其发射线圈形成交变电磁场。所述无线电能接收线圈感应到该变化的电磁场后产生感应交变电场，由无线电能接收电路将其转换成直流电传输到锂离子电池智能充放电管理系统；所述锂离子电池智能充放电管理系统包括智能电流控制单元、低压锁存单元、状态指示单元、温度监测单元、以及过放保护单元。

所述智能充放电管理系统连接到锂电池组，所述智能充放电管理系统如图2所示，在本实施例是通过HM4063集成电路芯片为主体的电路实现的，负责对锂电池组充电进行自动智能管理。在智能电流控制单元，采用分级定电流的充电方式进行充电。充电时采取分段式充电法，将充电过程分为预充电阶段(涓流充电阶段)、恒流充电阶段、恒压充电阶段及充电终止阶段。通过对电池电压的监控，智能判断当锂电池电压过低时，如小于锂电池的安全保护值2.7V时，就不采用过大电流进行充电，而采用0.1C电流(C值即为锂电池的容量的值，如1200mAh的锂电池，1C即为1.2A)电流进行充电，直至大于2.7V。然后进入恒流充电阶段，以小于1C的电流进行充电，直至充到预设值，如4.2V，然后以此电压恒压充电。当充电电流小于预设值时，进入充电终止阶段，自动判断锂电池已充满而结束充电。

所述低压锁存单元用于监测充电时的输入电压，当输入电压低于设定电压并不足以对电池实施充电时，将内部电路关断，充电系统不工作。本实施例中低压锁存单元是由HM4063集成电路芯片内部的低电压锁存电路监测充电时的输入电压，当输入电压低于6V时，便认为此电压不足以对电池实施充电，从而将内部电路关断，充电器不工作。

所述状态指示单元包括漏极开路状态指示电路及若干指示灯，用于对系统的充放电状态的实时显示。本实施例中状态指示单元是由HM4063两个漏极开路CHRG管脚和DONE管脚作为状态指示输出端。在充电状态，CHRG管脚被内部晶体管下拉到低电平，此时连接在CHRG管脚的红色LED亮，表示处于充电状态。在其它状态CHRG管脚为高阻态，则红色LED熄灭，表示充电结束。在充电结束状态，DONE管脚被内部晶体管下拉到低电平，连接到DONE管脚的绿色LED同时点亮显示充电结束。在其它状态，DONE管脚为高阻态，绿色LED熄灭。当电池没有接到充电器时，HM4063将输出电容充电到恒压充电电压，并进入充电结束状态，由于BAT管脚的工作电流对输出电容的放电效应，BAT管脚的电压将慢慢下降到再充电阈值，HM4063再次进入充电状态，这样在BAT管脚形成一个锯齿波形，同时CHRG输出脉冲信号表示没有安装电池。当电池连接端BAT管脚的外接电容为10uF时，脉冲的频率大约为10Hz。当红绿灯都不亮时，是表示有如下三种情况:1.输入电压低于输入所存电压6V；2.输入电压低于电池电压；3.电池温度异常。

所述温度监测单元包括NTC电池温度检测电路以及输入比较器电路，用于对电池的温度进行监测，在电池温度达到设定的温度阈值时自动关断电源。本实施例中，采用一个紧贴电池的负温度系数的热敏电阻来对电池温度进行监测。此电阻(NTC热敏电阻)连接在TH11-3H103F的TEMP管脚和地之间。在芯片内部，TEMP管脚连接到两个比较器的输入端，其低电压阈值为175毫伏，对应正常温度范围的上限温度点：50℃。而当高电压阈值为1.6伏特，对应正常温度范围的下限温度点：0℃。TEMP管脚的上拉电流为50μA，所以负温度系数的热敏电阻值在25℃时为10kΩ，在上限温度点时其电阻值大约为3.5kΩ(约对应50℃)；在下限温度点时其电阻值大约为32kΩ(约对应0℃)。当电池的温度超出可以接受的范围时，充电将被暂时停止，防止出现电池因温度过高而可能出现的任何事故，直到电池温度回复到正常范围内。

如图3所示，所述过放保护单元由一低压锁存电路组成，具体地是通过特别设计的以LM393D集成电路芯片为主体的有关电路实现。可对锂电池组的放电进行自动管理，其电路也是一个低压锁存电路，其基本原理是当电池组电压低于设定值时关断电路，当电池充电完成后恢复电路。具体是通过采样电池组电压与电压基准芯片D1产生的电压相比较，若大于则正常工作，若小于则关断电路中的Q1(MOSFET metallic oxide semiconductorfield effect transistor,金属氧化物半导体场效应晶体管)，使电池组停止放电。例如一般锂电池的停止工作电压为2.7V，故若被充电的电池组为3节串连时，则设置低压锁存电压为10V，其对应的每一电池单体理论停止电压为10V/3＝3.3V。这样可以保证在较长的使用周期内所有锂电池电压均大于2.7V，没有过放电，从而保证了锂电池组的使用寿命。

如图4所示，所述无线电能发射系统包括一电磁感应式的发射线圈和发射电路，所述发射线圈与发射电路连接。所述无线电能接收系统包括一电磁感应式的接收线圈和接收电路，所述电磁感应式接收线圈与接收电路连接。具体地，无线电能发射系统包括一由XKT-412高频大功率集成电路芯片为主组成的发射端，所述无线电能接收系统包括一由XKT-3168芯片为主组成的接收端，其二者的最大发射功率为10W。此电路能自动适应供电电压调节，使其能在较宽的电压范围内工作。并提供自动检测负载、自动频率锁定和功率自控制功能。接收端电路的XKT-3168芯片电路，负责将交流电整流稳压后转化成直流电供能。检测结果表明，在发射和接收线圈距离为3mm时，系统有着近70％的无线传输效率，即使在8mm的距离，系统仍有着超过60％的传输效率，可以满足大多数产品的设计需求。

下面通过两种不同电池的连接方式对本实施例的充电效果做进一步的实验验证：

1、以之对9节先三个三个并联，然后三组再串联的方式连接的电池组进行智能无线充放电。无线充电的发射与接收线圈距离为6mm，发射功率为7.104W，接收到的功率为4.661W，无线传输效率为65.6％。最大电流设置为0.5A，9节锂电池在110分钟内完成充电，所有锂电池在充电完毕时的电压均在4.14到4.18V间，接近单节锂电池的充满电压4.2V。不同锂电池最大电压差0.04V，达到了智能均匀充电的效果。并进行了多次放电测试，电路均在10.3V左右关断，起到了保护锂电池组，延长锂电池组使用寿命的效果。

2、以之对六节先三个三个并联，然后两组再串联的方式连接的电池组进行智能无线充放电。无线充电的发射与接收线圈距离为6mm，发射功率为7.104W，接收到的功率为4.661W，无线传输效率为65.6％。最大电流设置为0.5A，9节锂电池在70分钟内完成充电，所有锂电池在充电完毕时的电压均在4.11到4.15V间，接近单节锂电池的充满电压4.2V。不同锂电池最大电压差0.04V，达到了智能均匀充电的效果。并进行了多次放电测试，电路均在10.3V左右关断，起到了保护锂电池组，延长锂电池组使用寿命的效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的系统，其特征在于，包括一智能充放电管理系统以及一无线电能传输系统，所述无线电能传输系统用于将市电变换成直流电后再转换成高频交流电，并产生变化的电磁场，然后通过发射线圈以无线的方式传输到无线电能接收系统，再变换成直流电传输到智能充放电管理系统，所述智能充放电管理系统用于实现对多节不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电管理；所述智能充放电管理系统包括一智能电流控制单元、一低压锁存单元、一状态指示单元、一温度监测单元、以及一过放保护单元。

2.根据权利要求1所述的对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的系统，其特征在于，所述智能充放电管理系统连接到锂电池组，所述智能电流控制单元包括一恒流/恒压充电模式的线性充电电路及一开关充电电路，采用分级定电流的充电方式进行充电，并将充电过程分为预充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段及充电终止阶段。

3.根据权利要求1所述的对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的系统，其特征在于，所述低压锁存单元用于监测充电时的输入电压，当输入电压低于设定电压并不足以对电池实施充电时，将内部电路关断，充电系统不工作。

4.根据权利要求1所述的对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的系统，其特征在于，所述状态指示单元包括一漏极开路状态指示电路及若干指示灯，用于对系统的充放电状态的实时显示。

5.根据权利要求1所述的对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的系统，其特征在于，所述温度监测单元包括一NTC电池温度检测电路以及一输入比较器电路，用于对电池的温度进行监测，在电池温度达到设定的温度阈值时自动关断电源，防止出现电池因温度过高而可能出现的任何事故。

6.根据权利要求1所述的对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的系统，其特征在于，所述过放保护单元由一低压锁存电路组成，通过采样锂电池组电压V1与电压基准芯片产生的电压V2相比较，若V1大于V2则正常工作，若V1小于V2则关断电路中的金属氧化物半导体场效应晶体管，使电池组停止放电。

7.根据权利要求1所述的对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的系统，其特征在于，所述无线电能传输系统包括一无线电能发射系统及一无线电能接收系统。

8.根据权利要求7所述的对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的系统，其特征在于，所述无线电能发射系统包括一发射电路和一电磁感应式的发射线圈，所述电磁感应式的发射线圈与发射电路连接，所述发射电路还连接有一AC-DC单元，发射电路将AC-DC单元从市电交变电压变换来的直流电转化为高频交流电，并产生变化的电磁场。

9.根据权利要求7所述的对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的系统，其特征在于，所述无线电能接收系统包括一电磁感应式的接收线圈和一接收电路，所述电磁感应式的接收线圈与接收电路连接，接收线圈感应到发射线圈的交变电磁场后产生感应电磁场，通过接收电路将其转化为直流电，传输到智能充放电管理系统。

10.根据权利要求8所述的对多节以不同串并联方式连接的电池进行智能无线充放电的系统，其特征在于，所述AC-DC单元外接220V市电。