CN116191630B - 电池充放电无缝切换***、方法、双象限电源及电子设备 - Google Patents

电池充放电无缝切换***、方法、双象限电源及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池充放电无缝切换***、方法、双象限电源及电子设备，***包括电池端、电源端、MOS管单元、MCU、模拟开关模块和放大器单元，通过模拟开关模块切换编程信号来控制两组MOS管的导通程度，来实现恒流或恒压充放电，控制充电和放电的编程信号是同一个，仅通过切换模拟开关模块来实现正电流到负电流之间的无缝切换。可以在us级的时间切换充放电模式，保证电池能采用间歇‑正负脉冲充电方法进行去极化处理。本申请电路架构简单，功率吸收和输出靠功率MOS管单元承受，理论上可无限该组电路，本申请能够实现大功率电池的脉冲充电方式，更可以实现正电流到负电流之间的无缝切换。

Description

电池充放电无缝切换***、方法、双象限电源及电子设备
技术领域
本发明涉及电源领域，特别涉及一种电池充放电无缝切换***、方法、双象限电源及电子设备。
背景技术
电池是现代电子工具的重要部件，应用范围广阔，带电池的设备在进行研发和生产过程中的测试需要有大功率的电源和负载，为这些被测件提供功率输入，并且吸收它们释放出来的能量。目前主流的充电模式分为三个阶段，恒流充电，恒压充电到最后浮充阶段。恒流充电阶段电流保持恒定，电池电压快速上升到充电截止电压，后转为恒压充电模式，充电电流逐渐减小，最后进入浮充模式，以弥补电池内部损耗使其保持在充满的状态。但是这样的充电方式，尤其在恒流充电阶段，虽然一定程度上提升了充电的效率，但是也极容易使得正负极离子浓度升高，极化加剧。
目前很多前端的电池研发机构，开始提出间歇-正负脉冲充电方法对其进行去极化处理。且该种方式，不仅不会降低充电效率，同时更能真正的实现超容电量充满，且延长超容寿命的作用。目前市场上最常用的方法，是使用两个单机的方案，使用单独的电源供电，再使用负载吸收被测件释放的能量。例如直流电源+电子负载。通过电源加负载的方式进行正负脉冲的切换，目前市场上使用两个单机的方案不但速度不够快，无法满足实际测试需求，而且接线，配置及其复杂。这种方法也无法实现电源和负载功能的连续转换，更无法使用脉冲充电方式，与***实际工作条件大相径庭。而且，必须在***中使用大功率的导通二极管、开关、继电器等，***非常复杂，可靠性和可重复性往往无法达到要求。
另外市场也有将电源输出和功率吸收的功能完全集成到单一仪器或***中的双象限电源，但在实现正负电流切换时，中间会存在短暂的跳变和不连贯现象。同时很难找到几十千瓦级功率的双象限直流电源。加上被测件是有源和动态的，需根据其状态和工作条件，在输出功率和吸收功率之间来回转换，无法实现无缝切换。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种电池充放电无缝切换***、方法、双象限电源及电子设备，能够实现大功率电池的脉冲充电方式，更可以实现正电流到负电流之间的无缝切换，根据电池状态在输出功率和吸收功率之间转换快速响应。
根据本发明第一方面实施例的电池充放电无缝切换***，包括电池端，用于连接电池；电源端，用于连接电源；MOS管单元，所述MOS管单元包括NMOS管和PMOS管，所述NMOS管的漏极分别连接所述电池端的正极和所述电源端的正极，所述NMOS管的源极连接所述PMOS管的源极作为参考地，所述PMOS管的漏极连接所述电源端的负极，所述NMOS管和所述PMOS管的公共端通过采样电阻连接所述电池端的负极；MCU，所述MCU设置有编程信号输出端和切换信号输出端；模拟开关模块，所述模拟开关模块内设置有第一开关和第二开关，所述切换信号输出端连接所述模拟开关模块的控制端以用于进行第一开关和第二开关的切换，所述编程信号输出端分别连接所述第一开关和所述第二开关的输入端；放大器单元，所述放大器单元包括第一误差放大器和第二误差放大器，所述第一开关的输出端连接所述第一误差放大器的同相端，所述第二开关的输出端连接所述第二误差放大器的同相端，所述采样电阻通过反馈电路分别连接第一误差放大器和第二误差放大器的反相端，所述第一误差放大器的输出端连接所述NMOS管的栅极，所述第二误差放大器的输出端连接所述PMOS管的栅极。
根据本发明第一方面实施例的电池充放电无缝切换***，至少具有如下有益效果：
本发明在充电阶段时MCU通过编程信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第二开关导通，控制电压输入第二误差放大器的同相端，采样电阻通过反馈电路输出一个充电的反馈量给第二误差放大器的反相端，第二误差放大器比较控制电压和反馈量后输出误差信号控制PMOS管导通，电源端通过PMOS管给电池端连接的电池充电。在放电阶段时MCU通过编程信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第一开关导通，控制电压输入第一误差放大器的同相端，反馈电路根据采样电阻输出一个充电的反馈量给第一误差放大器的反相端，第一误差放大器比较控制电压和反馈量后输出误差信号控制NMOS管的导通，电池通过NMOS管进行放电；MCU通过充电阶段和放电阶段的切换给电池进行去极化处理。
本发明中采用上N下P管的拓扑结构，通过模拟开关模块切换编程信号来控制两组MOS管的导通程度，来实现恒流或恒压充放电，控制充电和放电的编程信号是同一个，仅通过切换模拟开关模块来实现正电流到负电流之间的无缝切换，电路简单，可以在us级的时间切换充放电模式，保证电池能采用间歇-正负脉冲充电方法进行去极化处理。本发明的MOS管单元采用上N下P管的结构，将PMOS管和NMOS管的源极作为参考地，降低了MOS管单元所需的控制电压，因此也降低了放大器单元的输出电压，采用同样的摆率的误差放大器时，能够缩短充电和放电环路建立的时间，进一步提高充放电的切换速度。本申请电路架构简单，功率吸收和输出靠功率MOS管单元承受，理论上可无限该组电路，简单实现几十千瓦以上的功率输出和吸收。本申请能够实现大功率电池的脉冲充电方式，更可以实现正电流到负电流之间的无缝切换，根据电池状态在输出功率和吸收功率之间转换快速响应。
根据本发明的一些实施例，所述反馈电路包括第一差分放大器，所述采样电阻与所述双象限电源端的公共端连接所述第一差分放大器的同相端，所述采样电阻与NMOS管和PMOS管的公共端连接所述第一差分放大器的反相端，所述第一差分放大器的输出端分别连接所述第一误差放大器和所述第二误差放大器的反相端。
根据本发明的一些实施例，所述反馈电路包括第一差分放大器，所述采样电阻与所述电池端的公共端连接所述第一差分放大器的同相端，所述采样电阻与NMOS管和PMOS管的公共端连接所述第一差分放大器的反相端，所述第一差分放大器的输出端分别连接所述第一误差放大器和所述第二误差放大器的反相端。
根据本发明的一些实施例，所述第一差分放大器的输出端通过第一ADC模块连接所述MCU的环路电流回采端。
根据本发明的一些实施例，所述放大器单元还包括第三误差放大器，所述反馈电路还包括第二差分放大器，所述编程信号输出端包括电流控制信号输出端和电压控制信号输出端，所述电流控制信号输出端通过第一DAC分别连接所述第一开关和所述第二开关的输入端，所述电压控制信号输出端通过第二DAC连接所述第三误差放大器的同相端，所述电池端的负极连接所述第二差分放大器的反相端，所述电池端的正极连接所述第二差分放大器的同相端，所述第二差分放大器的输出端连接所述第三误差放大器的反相端，所述第三误差放大器的输出端分别连接所述第一开关和所述第二开关的输入端。
根据本发明的一些实施例，所述第二差分放大器的输出端通过第二ADC模块连接所述MCU的环路电压回采端。
根据本发明的一些实施例，所述MOS管单元为多组，每组MOS管单元互相并联。
根据本发明第二方面实施例的电池充放电无缝切换方法，包括以下步骤：
充电阶段：MCU通过编程信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第二开关导通，控制电压输入第二误差放大器的同相端，采样电阻通过反馈电路输出一个充电的反馈量给第二误差放大器的反相端，第二误差放大器比较控制电压和反馈量后输出误差信号控制PMOS管导通，电源端通过PMOS管给电池端连接的电池充电；
放电阶段：MCU通过编程信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第一开关导通，控制电压输入第一误差放大器的同相端，反馈电路根据采样电阻输出一个充电的反馈量给第一误差放大器的反相端，第一误差放大器比较控制电压和反馈量后输出误差信号控制NMOS管的导通，电池通过NMOS管进行放电；
MCU通过充电阶段和放电阶段的切换给电池进行去极化处理。
根据本发明第二方面实施例的电池充放电无缝切换方法，至少具有如下有益效果：
本发明在充电阶段时MCU通过编程信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第二开关导通，控制电压输入第二误差放大器的同相端，采样电阻通过反馈电路输出一个充电的反馈量给第二误差放大器的反相端，第二误差放大器比较控制电压和反馈量后输出误差信号控制PMOS管导通，电源端通过PMOS管给电池端连接的电池充电。在放电阶段时MCU通过编程信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第一开关导通，控制电压输入第一误差放大器的同相端，反馈电路根据采样电阻输出一个充电的反馈量给第一误差放大器的反相端，第一误差放大器比较控制电压和反馈量后输出误差信号控制NMOS管的导通，电池通过NMOS管进行放电；MCU通过充电阶段和放电阶段的切换给电池进行去极化处理。
本发明中采用上N下P管的拓扑结构，通过模拟开关模块切换编程信号来控制两组MOS管的导通程度，来实现恒流或恒压充放电，控制充电和放电的编程信号是同一个，仅通过切换模拟开关模块来实现正电流到负电流之间的无缝切换，电路简单，可以在us级的时间切换充放电模式，保证电池能采用间歇-正负脉冲充电方法进行去极化处理。本发明的MOS管单元采用上N下P管的结构，将PMOS管和NMOS管的源极作为参考地，降低了MOS管单元所需的控制电压，因此也降低了放大器单元的输出电压，采用同样的摆率的误差放大器时，能够缩短充电和放电环路建立的时间，进一步提高充放电的切换速度。本申请电路架构简单，功率吸收和输出靠功率MOS管单元承受，理论上可无限该组电路，简单实现几十千瓦以上的功率输出和吸收。本申请能够实现大功率电池的脉冲充电方式，更可以实现正电流到负电流之间的无缝切换，根据电池状态在输出功率和吸收功率之间转换快速响应。
根据本发明的一些实施例，所述充电阶段包括恒流充电阶段和恒压充电阶段；
MCU通过电流控制信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第二开关导通，电流的控制电压输入第二误差放大器的同相端，第一差分放大器采集采样电阻两端的电压，得到与充电电流成比例的电压量作为第一反馈信号输入第二误差放大器的反相端，第二误差放大器根据电流的控制电压和第一反馈信号形成第一误差信号控制PMOS管的导通程度，形成负反馈的恒流环路给电池端连接的电池充电；
所述恒压充电阶段具体如下：
MCU通过电压控制信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第二开关导通，电压的控制电压输入第三误差放大器的同相端，第二差分放大器采集电池两端的电压，得到与充电电压成比例的电压量作为第二反馈信号输入第三误差放大器的反相端，第三误差放大器根据电压的控制电压和第二反馈信号形成第二误差信号，通过第二误差信号控制恒流环路拉载出恒压所需的电流给电池端连接的电池充电。
根据本发明第三方面实施例的双象限电源，包括上述的电池充放电无缝切换***。
根据本发明第三方面实施例的双象限电源，至少具有如下有益效果：
本发明在充电阶段时MCU通过编程信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第二开关导通，控制电压输入第二误差放大器的同相端，采样电阻通过反馈电路输出一个充电的反馈量给第二误差放大器的反相端，第二误差放大器比较控制电压和反馈量后输出误差信号控制PMOS管导通，电源端通过PMOS管给电池端连接的电池充电。在放电阶段时MCU通过编程信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第一开关导通，控制电压输入第一误差放大器的同相端，反馈电路根据采样电阻输出一个充电的反馈量给第一误差放大器的反相端，第一误差放大器比较控制电压和反馈量后输出误差信号控制NMOS管的导通，电池通过NMOS管进行放电；MCU通过充电阶段和放电阶段的切换给电池进行去极化处理。
本发明中采用上N下P管的拓扑结构，通过模拟开关模块切换编程信号来控制两组MOS管的导通程度，来实现恒流或恒压充放电，控制充电和放电的编程信号是同一个，仅通过切换模拟开关模块来实现正电流到负电流之间的无缝切换，电路简单，可以在us级的时间切换充放电模式，保证电池能采用间歇-正负脉冲充电方法进行去极化处理。本发明的MOS管单元采用上N下P管的结构，将PMOS管和NMOS管的源极作为参考地，降低了MOS管单元所需的控制电压，因此也降低了放大器单元的输出电压，采用同样的摆率的误差放大器时，能够缩短充电和放电环路建立的时间，进一步提高充放电的切换速度。本申请电路架构简单，功率吸收和输出靠功率MOS管单元承受，理论上可无限该组电路，简单实现几十千瓦以上的功率输出和吸收。本申请能够实现大功率电池的脉冲充电方式，更可以实现正电流到负电流之间的无缝切换，根据电池状态在输出功率和吸收功率之间转换快速响应。
根据本发明第四方面实施例的电子设备，包括上述的双象限电源。
根据本发明第四方面实施例的电子设备，至少具有如下有益效果：
本发明在充电阶段时MCU通过编程信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第二开关导通，控制电压输入第二误差放大器的同相端，采样电阻通过反馈电路输出一个充电的反馈量给第二误差放大器的反相端，第二误差放大器比较控制电压和反馈量后输出误差信号控制PMOS管导通，电源端通过PMOS管给电池端连接的电池充电。在放电阶段时MCU通过编程信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第一开关导通，控制电压输入第一误差放大器的同相端，反馈电路根据采样电阻输出一个充电的反馈量给第一误差放大器的反相端，第一误差放大器比较控制电压和反馈量后输出误差信号控制NMOS管的导通，电池通过NMOS管进行放电；MCU通过充电阶段和放电阶段的切换给电池进行去极化处理。
本发明中采用上N下P管的拓扑结构，通过模拟开关模块切换编程信号来控制两组MOS管的导通程度，来实现恒流或恒压充放电，控制充电和放电的编程信号是同一个，仅通过切换模拟开关模块来实现正电流到负电流之间的无缝切换，电路简单，可以在us级的时间切换充放电模式，保证电池能采用间歇-正负脉冲充电方法进行去极化处理。本发明的MOS管单元采用上N下P管的结构，将PMOS管和NMOS管的源极作为参考地，降低了MOS管单元所需的控制电压，因此也降低了放大器单元的输出电压，采用同样的摆率的误差放大器时，能够缩短充电和放电环路建立的时间，进一步提高充放电的切换速度。本申请电路架构简单，功率吸收和输出靠功率MOS管单元承受，理论上可无限该组电路，简单实现几十千瓦以上的功率输出和吸收。本申请能够实现大功率电池的脉冲充电方式，更可以实现正电流到负电流之间的无缝切换，根据电池状态在输出功率和吸收功率之间转换快速响应。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例中电池充放电无缝切换***的电路原理图；
图2为本发明实施例中三组MOS管单元叠加的电路示意图；
图3为本发明实施例中电池充放电无缝切换方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，多个指的是两个以上。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1所示，一种电池充放电无缝切换***，包括：电池端、电源端、MOS管单元、MCU（微控制单元）、模拟开关模块和放大器单元。具体的，电池端连接电池，电源端连接充电的母线电源；MOS管单元包括NMOS管Q1和PMOS管Q2，本实施例中MOS管单元采用上N下P的拓扑结构，NMOS管Q1的漏极分别连接电池端的正极和电源端的正极，NMOS管Q1的源极连接PMOS管Q2的源极，本实施例中将NMOS管Q1和PMOS管Q2的源极连接点作为参考地，可以降低MOS管的控制电压Vgs，降低控制电压Vgs可以使MOS管的控制更稳定，因此也降低了放大器单元的输出电压，采用同样的摆率的误差放大器时，能够缩短充电和放电环路建立的时间，提高充放电的切换速度。PMOS管Q2的漏极连接电源端的负极，NMOS管Q1和PMOS管Q2的公共端通过采样电阻R1连接电池端的负极，这样采样部分只用一个采样电阻R1且在近地端，降低了共模电压，能提高电流的精度。MCU设置有编程信号输出端和切换信号输出端，通过编程信号输出端发送电压编程控制信号或电流编程控制信号，本实施例中编程信号输出端包括电流编程信号输出端和电压编程信号输出端，电流编程信号输出端连接第一DAC（数模转换）模块，电压变成信号输出端连接第二DAC模块，通过DAC模块将MCU输出的数字信号转换为模拟控制电压，当然也可以直接采用带模拟信号输出端口的MCU直接输出模拟控制电压。
其中，模拟开关模块内设置有第一开关S1和第二开关S2，MCU通过切换信号输出端连接模拟开关模块的控制端，从而实现第一开关S1和第二开关S2的切换，第一开关S1和第二开关S2为互斥状态，同一时间只能有一个开关导通，电流编程信号输出端通过第一DAC模块分别连接第一开关S1和第二开关S2的输入端。
其中，放大器单元包括第一误差放大器AMP1、第二误差放大器AMP2和三误差放大器AMP5，第一开关S1的输出端连接第一误差放大器AMP1的同相端，第二开关S2的输出端连接第二误差放大器AMP2的同相端，采样电阻R1通过反馈电路分别连接第一误差放大器AMP1和第二误差放大器AMP2的反相端，第一误差放大器的输出端连接所述NMOS管的栅极，第二误差放大器的输出端连接所述PMOS管的栅极。
具体的，本发明中反馈电路包括第一差分放大器AMP3和第二差分放大器AMP4，采样电阻R1与电池端的公共端连接第一差分放大器AMP3的同相端，采样电阻R1与NMOS管Q1和PMOS管Q2的公共端连接第一差分放大器AMP3的反相端，第一差分放大器AMP3的输出端分别连接第一误差放大器AMP1和第二误差放大器AMP2的反相端。第一差分放大器AMP3的输出端通过第一ADC（模数转换）模块连接MCU的环路电流回采端，使MCU可以采集环路电流。
电压控制信号输出端通过第二DAC连接第三误差放大器AMP5的同相端，电池端的负极连接第二差分放大器AMP4的反相端，电池端的正极连接第二差分放大器AMP4的同相端，第二差分放大器AMP4的输出端连接第三误差放大器AMP5的反相端，第三误差放大器AMP5的输出端分别连接第一开关S1和第二开关S2的输入端。第二差分放大器AMP4的输出端通过第二ADC模块连接MCU的环路电压回采端，让MCU能采集环路电压。
下面介绍本发明实施例中电池充放电无缝切换***的工作原理：
电池充放电无缝切换***包括恒流充电阶段、恒压充电阶段和放电状态，充电状态时PMOS管Q2导通，此时通过电源端给电池充电，电流方向是通过+VBUS端流入电池正极，再通过电池负极，经采样电阻R1和PMOS管Q2流入电源端的负极。放电状态时NMOS管Q1导通，电视方向是从电池正极流出，经过NMOS管Q1再流回电池负极，通过NMOS管Q1给电池放电，具体如下：
恒流充电阶段：MCU的电流控制信号输出端控制第一DAC模块输出一个电流信号的模拟控制电压I_CTRL，MCU控制模拟开关模块切换到第二开关S2，电流信号的控制电压输入至第一误差放大器AMP2的同相端，同时第一差分放大器AMP3通过采样电阻R1得到跟充电电流成比例的一个电压量I_MON并放大，然后输入至第二误差放大器AMP2的反相端，第二误差放大器AMP2比较第一DAC模块的输出量和采样电阻R1的反馈量，形成第一误差信号来控制PMOS管Q2的导通程度，实现了一个负反馈的恒电流环路，第一DAC模块的输出量和采样电阻R1的反馈量最终可以实现平衡，因此只要电流控制信号输出端的输出值确定，最终的输出电流就可以保持恒定不变，从而实现恒流充电。第一DAC模块的输出电压跟采样电阻R1及第一差分放大器AMP3一起决定了电流源的输出电流幅值，也就是MCU通过第一DAC模块可以通过控制PMOS管Q2来控制充电电流的大小。
恒压充电阶段：此时恒流环路依然工作，但不通过电流控制信号输出端控制恒电流环路的恒定，而是MCU的电压控制信号输出端控制第二DAC模块输出一个电压信号的模拟控制电压V_CTRL，电压信号的控制电压输入至第三误差放大器AMP5的同相端，第二差分放大器AMP4采集电池两端得到跟充电电压成比例的一个电压量V_MON并放大，然后输入至第三误差放大器AMP5的反相端，第三误差放大器AMP5根据充电电压的反馈量和电压信号的模拟控制电压形成第二误差信号输入至模拟开关模块，通过第二误差信号去控制恒电流环路，使其拉载出恒压所需的电流。也就是恒流充电阶段只有恒流环路工作，而恒压充电阶段下是恒流环路嵌套在恒压环路里面，通过恒压环路控制恒流环路实现恒压的充电。
放电阶段：MCU控制模拟开关模块切换到第一开关S1，MCU输出的控制电压输入至第一误差放大器AMP1的同相端，同时第一差分放大器AMP3通过采样电阻R1得到跟放电电流成比例的一个电压量并放大，然后输入至第一误差放大器AMP1的反相端，第一误差放大器AMP1比较控制电压的输出量和采样电阻R1的反馈量，形成第三误差信号来控制NMOS管Q1的导通程度，实现了一个负反馈的恒流闭环放电。
本发明在充电阶段时MCU通过编程信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第二开关导通，控制电压输入第二误差放大器的同相端，采样电阻通过反馈电路输出一个充电的反馈量给第二误差放大器的反相端，第二误差放大器比较控制电压和反馈量后输出误差信号控制PMOS管导通，电源端通过PMOS管给电池端连接的电池充电。在放电阶段时MCU通过编程信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第一开关导通，控制电压输入第一误差放大器的同相端，反馈电路根据采样电阻输出一个充电的反馈量给第一误差放大器的反相端，第一误差放大器比较控制电压和反馈量后输出误差信号控制NMOS管的导通，电池通过NMOS管进行放电；MCU通过充电阶段和放电阶段的切换给电池进行去极化处理。
本发明中采用上N下P管的拓扑结构，通过模拟开关模块切换编程信号来控制两组MOS管的导通程度，来实现恒流或恒压充放电，控制充电和放电的编程信号是同一个，仅通过切换模拟开关模块来实现正电流到负电流之间的无缝切换，电路简单，可以在us级的时间切换充放电模式，保证电池能采用间歇-正负脉冲充电方法进行去极化处理。本发明的MOS管单元采用上N下P管的结构，将PMOS管和NMOS管的源极作为参考地，降低了MOS管单元所需的控制电压，因此也降低了放大器单元的输出电压，采用同样的摆率的误差放大器时，能够缩短充电和放电环路建立的时间，进一步提高充放电的切换速度。本申请电路架构简单，功率吸收和输出靠功率MOS管单元承受，理论上可无限该组电路，简单实现几十千瓦以上的功率输出和吸收。本申请能够实现大功率电池的脉冲充电方式，更可以实现正电流到负电流之间的无缝切换，根据电池状态在输出功率和吸收功率之间转换快速响应。
需要说明的是，本发明中反馈电路采用第一差分放大器AMP3和第二差分放大器AMP4，可以提高恒流和恒压的精度，反馈电路也可以直接将采样电阻R1接入第一误差放大器AMP1和第二误差放大器AMP2的反相端，形成一个简单的闭环来实现充放电的电流控制，缺点在于单端反馈形成的环路精度比较低，容易受共模电压的干扰，也就导致恒压和恒流的精度较低，因此本申请图1的实施例中通过设置第一差分放大器AMP3来提高恒流的精度，通过设置第二差分放大器AMP4来提高恒压的精度。
需要说明的是，本申请图1的实施例中MOS管单元只采用了一组，而实际应用中可以采用多组MOS管单元，每组MOS管单元互相并联，可根据实际需要叠加多组MOS管单元来实现几千瓦的大功率输出和吸收。参考图2所示为三组MOS管单元的叠加示意图，三组MOS管单元均由开关模组输出的同一个误差信号控制，用同一个控制信号控制相同的电流，能够平均分配功率，理论上可无限叠加。
参考图3所示，本发明还涉及一种电池充放电无缝切换方法，包括以下步骤：
S100、充电阶段：MCU通过编程信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第二开关S2导通，控制电压输入第二误差放大器AMP2的同相端，采样电阻R1通过反馈电路输出一个充电的反馈量给第二误差放大器AMP2的反相端，第二误差放大器AMP2比较控制电压和反馈量后输出误差信号控制PMOS管Q2导通，电源端通过PMOS管Q2给电池端连接的电池充电；
S200、放电阶段：MCU通过编程信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第一开关S1导通，控制电压输入第一误差放大器AMP1的同相端，反馈电路根据采样电阻R1输出一个充电的反馈量给第一误差放大器AMP1的反相端，第一误差放大器AMP1比较控制电压和反馈量后输出误差信号控制NMOS管Q1的导通，电池通过NMOS管Q1进行放电；
S300、MCU通过充电阶段和放电阶段的切换给电池进行去极化处理。
具体的，充电阶段包括恒流充电阶段和恒压充电阶段；
恒流充电阶段具体如下：
MCU通过电流控制信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第二开关S2导通，电流的控制电压输入第二误差放大器AMP2的同相端，第一差分放大器AMP3采集采样电阻R1两端的电压，得到与充电电流成比例的电压量作为第一反馈信号输入第二误差放大器AMP2的反相端，第二误差放大器AMP2根据电流的控制电压和第一反馈信号形成第一误差信号控制PMOS管Q2的导通程度，形成负反馈的恒流环路给电池端连接的电池充电；
恒压充电阶段具体如下：
MCU通过电压控制信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第二开关S2导通，电压的控制电压输入第三误差放大器AMP5的同相端，第二差分放大器AMP4采集电池两端的电压，得到与充电电压成比例的电压量作为第二反馈信号输入第三误差放大器AMP5的反相端，第三误差放大器AMP5根据电压的控制电压和第二反馈信号形成第二误差信号，通过第二误差信号控制恒流环路拉载出恒压所需的电流给电池端连接的电池充电。
本发明还涉及一种双象限电源，包括上述实施例的电池充放电无缝切换***。
本发明还涉及一种电子设备，包括上述实施例的双象限电源。
本发明的电池充放电无缝切换电路简单，充放电采用同一套控制电路，保证了稳定性和可重复性，控制充电和放电的编程信号是同一个，仅仅通过控制第一开关S1和第二开关S2就能实现充放电模式的切换，充放电模式的切换仅受限于模拟开关的速度和环路建立时间，大部分模拟开关的开关频率可以达到数10M，而环路建立时间往往都是100us以下，故整个充放电模式切换时间可轻松控制在1mS内，实现无缝切换。
另外本申请还将模拟参考地取在NMOS管和PMOS管的连接中点，这样采样部分共用一个采样电阻且在近地端，降低了共模电压，能提高电流的精度，同时输出电压只受功率MOS管的耐压限制，通过叠加MOS管单元可以实现高电压的恒电流输出，多个功率MOS并联较轻易的实现几十千瓦的功率输出和吸收。
本申请采用上N下P管的拓扑结构，通过模拟开关切换编程信号来控制两组MOS管的导通程度，来实现恒流或恒压充放电，在us级的时间切换充放电模式，能简单实现正电流到负电流之间的无缝切换，保证电池能采用间歇-正负脉冲充电方法进行去极化处理。
本申请接线简单，没有复杂接线，不需要在外部使用大功率的导通二极管、开关、继电器等器件增加机器散热。用同一个采用电阻采集电流、电压采集同一个点，恒电压和恒电流更精准。电路架构简单，功率吸收和输出靠功率mos管承受，理论上可无限该组电路，简单实现几十千瓦以上的功率输出和吸收。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种电池充放电无缝切换***，其特征在于，包括：
电池端，用于连接电池；
电源端，用于连接电源；
MOS管单元，所述MOS管单元包括NMOS管和PMOS管，所述NMOS管的漏极分别连接所述电池端的正极和所述电源端的正极，所述NMOS管的源极连接所述PMOS管的源极作为参考地，所述PMOS管的漏极连接所述电源端的负极，所述NMOS管和所述PMOS管的公共端通过采样电阻连接所述电池端的负极；
MCU，所述MCU设置有编程信号输出端和切换信号输出端；
模拟开关模块，所述模拟开关模块内设置有第一开关和第二开关，所述切换信号输出端连接所述模拟开关模块的控制端以用于进行第一开关和第二开关的切换，所述第一开关和所述第二开关为互斥状态，所述编程信号输出端分别连接所述第一开关和所述第二开关的输入端；
放大器单元，所述放大器单元包括第一误差放大器和第二误差放大器，所述第一开关的输出端连接所述第一误差放大器的同相端，所述第二开关的输出端连接所述第二误差放大器的同相端，所述采样电阻通过反馈电路分别连接第一误差放大器和第二误差放大器的反相端，所述第一误差放大器的输出端连接所述NMOS管的栅极，所述第二误差放大器的输出端连接所述PMOS管的栅极。
2.根据权利要求1所述的电池充放电无缝切换***，其特征在于，所述反馈电路包括第一差分放大器，所述采样电阻与所述电池端的公共端连接所述第一差分放大器的同相端，所述采样电阻与NMOS管和PMOS管的公共端连接所述第一差分放大器的反相端，所述第一差分放大器的输出端分别连接所述第一误差放大器和所述第二误差放大器的反相端。
3.根据权利要求2所述的电池充放电无缝切换***，其特征在于，所述第一差分放大器的输出端通过第一ADC模块连接所述MCU的环路电流回采端。
4.根据权利要求2所述的电池充放电无缝切换***，其特征在于，所述放大器单元还包括第三误差放大器，所述反馈电路还包括第二差分放大器，所述编程信号输出端包括电流控制信号输出端和电压控制信号输出端，所述电流控制信号输出端通过第一DAC分别连接所述第一开关和所述第二开关的输入端，所述电压控制信号输出端通过第二DAC连接所述第三误差放大器的同相端，所述电池端的负极连接所述第二差分放大器的反相端，所述电池端的正极连接所述第二差分放大器的同相端，所述第二差分放大器的输出端连接所述第三误差放大器的反相端，所述第三误差放大器的输出端分别连接所述第一开关和所述第二开关的输入端。
5.根据权利要求4所述的电池充放电无缝切换***，其特征在于，所述第二差分放大器的输出端通过第二ADC模块连接所述MCU的环路电压回采端。
6.根据权利要求1所述的电池充放电无缝切换***，其特征在于，所述MOS管单元为多组，每组MOS管单元互相并联。
7.一种应用于权利要求1至6任意一项所述***的电池充放电无缝切换方法，其特征在于，包括以下步骤：
充电阶段：MCU通过编程信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第二开关导通，控制电压输入第二误差放大器的同相端，采样电阻通过反馈电路输出一个充电的反馈量给第二误差放大器的反相端，第二误差放大器比较控制电压和反馈量后输出误差信号控制PMOS管导通，电源端通过PMOS管给电池端连接的电池充电；
放电阶段：MCU通过编程信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第一开关导通，控制电压输入第一误差放大器的同相端，反馈电路根据采样电阻输出一个充电的反馈量给第一误差放大器的反相端，第一误差放大器比较控制电压和反馈量后输出误差信号控制NMOS管的导通，电池通过NMOS管进行放电；
MCU通过充电阶段和放电阶段的切换给电池进行去极化处理。
8.根据权利要求7所述的电池充放电无缝切换方法，其特征在于，所述充电阶段包括恒流充电阶段和恒压充电阶段；
所述恒流充电阶段具体如下：
MCU通过电流控制信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第二开关导通，电流的控制电压输入第二误差放大器的同相端，第一差分放大器采集采样电阻两端的电压，得到与充电电流成比例的电压量作为第一反馈信号输入第二误差放大器的反相端，第二误差放大器根据电流的控制电压和第一反馈信号形成第一误差信号控制PMOS管的导通程度，形成负反馈的恒流环路给电池端连接的电池充电；
所述恒压充电阶段具体如下：
MCU通过电压控制信号输出端输出控制电压且通过切换信号输出端切换第二开关导通，电压的控制电压输入第三误差放大器的同相端，第二差分放大器采集电池两端的电压，得到与充电电压成比例的电压量作为第二反馈信号输入第三误差放大器的反相端，第三误差放大器根据电压的控制电压和第二反馈信号形成第二误差信号，通过第二误差信号控制恒流环路拉载出恒压所需的电流给电池端连接的电池充电。
9.一种双象限电源，其特征在于，包括权利要求1至6任意一项所述的电池充放电无缝切换***。
10.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求9所述的双象限电源。
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Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3885049B2 (ja) * 2003-10-10 2007-02-21 株式会社タムラ製作所 充電装置およびその方法
CN202424264U (zh) * 2012-02-09 2012-09-05 广州市君盘实业有限公司 一种用于动力电池充电器的正负脉冲充放电控制***
CN104218646B (zh) * 2014-09-17 2016-03-09 南通钰泰电子科技有限公司 一种移动电源充电电路
US10193366B2 (en) * 2015-01-12 2019-01-29 Potential Difference, Inc. Rapid battery charging
CN106564393B (zh) * 2016-07-26 2023-08-25 华南理工大学 一种电动汽车大功率智能化快速充电电源***及控制方法
CN107666173A (zh) * 2017-11-13 2018-02-06 湖州升谱电子科技有限公司 一种电动汽车铅酸蓄电池智能充电***

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