一种基于多电芯串充并放的移动终端的制作方法

1.本实用新型涉及电池技术领域，尤其涉及的是一种基于多电芯串充并放的移动终端。


背景技术：

2.为了提升智能手机的续航表现，手机的电池容量需要不断提高，但由于手机尺寸的限制，电池容量不能无限增加。在有限电池容量的条件下如何满足人们对续航的需求成为当前业界亟需解决的问题，快充技术在此背景下应运而生。最先出现的是单电芯充电系统，结构如图1所示，插座输入的电源电压（10v/3a）通过电荷泵给单电芯充电，给负载系统供电；由于单电芯的电池容量有限，相同体积下，无法实现大电流充放电，随着快充技术的发展，手机充电功率不断提高，单电芯已不能满足快充的要求。多电芯充电技术被越来越多的手机开始引入使用。
3.多电芯充电系统分为多电芯串联充电系统和多电芯并联充电系统。多电芯串联充电系统的结构如图2所示，两个电芯串联并对应设置两个电荷泵，具有多电芯串联充电、串联放电的功能；可实现高电压、小电流快充，但放电过程无法直接使用电池给手机等低电压系统供电，需要电压变换电路，增加损耗，从而缩短设备使用时间。
4.多电芯并联充电系统的结构如图3所示，两个电芯并联并对应设置一降压变换的电路；具有多电芯并联充电、并联放电的功能；可实现低压、大电流快充，且放电过程可直接使用电池给手机等低压系统供电。但充电电流大，充电线路损耗增加，且大电流对器件要求较高。
5.因而现有技术还有待改进和提高。


技术实现要素：

6.鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种基于多电芯串充并放的移动终端，以解决现有多电芯充电损耗较大的问题。
7.为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：
8.一种基于多电芯串充并放的移动终端，包括设置在壳体内的主板，主板上设有至少2个电芯、至少2个与电芯配对的开关单元、驱动单元、采样单元和控制单元；所述采样单元连接控制单元和开关单元，驱动单元连接控制单元和开关单元，各个电芯串联且组成的电芯串连接在充电正脚与地之间，各个开关单元连接与其配对的电芯和负载；
9.所述控制单元根据预设的工作模式输出对应的驱动信号，通过驱动单元驱动后输出；所述开关单元根据驱动信号控制各个电芯串联进行充电，控制各个电芯交错给负载供电；采样单元对各个电芯的电压进行采样并反馈给控制单元，控制单元根据采样的电压调整驱动信号以进行平衡充放电。
10.所述的基于多电芯串充并放的移动终端中，所述主板上设有第一电芯和第二电芯，对应设置第一开关单元和第二开关单元，所述第一开关单元包括第一电容、第一开关
管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；所述第二开关单元包括第二电容、第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管；
11.所述第一开关管的漏极连接第一电芯的正极和充电正脚，第一开关管的源极连接第二开关管的漏极和第一电容的一端，第二开关管的源极连接负载的一端和第六开关管的源极；第三开关管的漏极连接第一电芯的负极、第五开关管的漏极和第二电芯的正极；第三开关管的源极连接第四开关管的漏极和第一电容的另一端；第四开关管的源极连接负载的另一端、第八开关管的源极和地；第五开关管的源极连接第六开关管的漏极和第二电容的一端；第七开关管的漏极连接第二电芯的负极、充电负脚和地；第七开关管的源极连接第八开关管的漏极和第二电容的另一端；各个开关管的栅极均连接驱动单元。
12.所述的基于多电芯串充并放的移动终端中，所述第一电容和第二电容是飞电容。
13.所述的基于多电芯串充并放的移动终端中，所述第一开关管至第八开关管均是p沟道mosfet管。
14.所述的基于多电芯串充并放的移动终端中，所述主板上设有第一电芯、第二电芯和第三电芯，对应设置第一开关单元、第二开关单元和第三开关单元；所述第一开关单元包括第一电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；所述第二开关单元包括第二电容、第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管；所述第三开关单元包括第三电容、第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管；
15.所述第一开关管的漏极连接第一电芯的正极和充电正脚，第一开关管的源极连接第二开关管的漏极和第一电容的一端；第二开关管的源极连接负载的一端、第六开关管的源极和第十开关管的源极；第三开关管的漏极连接第一电芯的负极、第五开关管的漏极和第二电芯的正极；第三开关管的源极连接第四开关管的漏极和第一电容的另一端；第四开关管的源极连接负载的另一端、第八开关管的源极、第十二开关管的源极和地；第五开关管的源极连接第六开关管的漏极和第二电容的一端；第七开关管的漏极连接第二电芯的负极、第三电芯的正极和第九开关管的漏极；第七开关管的源极连接第八开关管的漏极和第二电容的另一端；第九开关管的源极连接第三电容的一端和第十开关管的漏极；第十一开关管的漏极连接第三电芯的负极、充电负脚和地；第十一开关管的漏极连接第三电容的另一端和第十二开关管的漏极；各个开关管的栅极均连接驱动单元。
16.所述的基于多电芯串充并放的移动终端中，所述第三电容是飞电容。
17.所述的基于多电芯串充并放的移动终端中，所述第九开关管至第十二开关管均是p沟道mosfet管。
18.相较于现有技术，本实用新型提供的基于多电芯串充并放的移动终端，包括设置在壳体内的主板，主板上设有至少2个电芯、至少2个与电芯配对的开关单元、驱动单元、采样单元和控制单元；所述采样单元连接控制单元和开关单元，驱动单元连接控制单元和开关单元，各个电芯串联且组成的电芯串连接在充电正脚与地之间，各个开关单元连接与其配对的电芯和负载；所述控制单元根据预设的工作模式输出对应的驱动信号，通过驱动单元驱动后输出；所述开关单元根据驱动信号控制各个电芯串联进行充电，控制各个电芯交错给负载供电；采样单元对各个电芯的电压进行采样并反馈给控制单元，控制单元根据采样的电压调整驱动信号以进行平衡充放电。串联充电能够实现高压小电流充电，减小充电线路上的损耗。并联放电时采用各个电芯交错给负载供电方式，保证供电电压为单节电芯
电压，不需要电压转换，减少电压变换带来的损耗。
附图说明
19.图1 是现有单电芯充电系统的结构示意图。
20.图2 是现有多电芯串联充电系统的结构示意图。
21.图3 是现有多电芯并联充电系统的结构示意图。
22.图4 是本实用新型实施例一提供的移动终端的结构示意图。
23.图5是本实用新型实施例一提供的开关单元和电芯的电路图。
24.图6 是本实用新型实施例二提供的移动终端的结构示意图。
25.图7是本实用新型实施例二提供的开关单元和电芯的电路图。
26.图8是本实用新型实施例一提供的标准模式下工作的时序图。
27.图9是本实用新型实施例一提供的平衡充放电模式下工作的滞后时序图。
28.图10是本实用新型实施例一提供的平衡充放电模式下工作的超前时序图。
29.图11是本实用新型实施例二提供的标准模式下工作的时序图。
具体实施方式
30.本实用新型提供一种基于多电芯串充并放的移动终端，采用串联充电来实现高压小电流充电，即可减小充电线路上的损耗；采用并联放电则无需电压转换，即可减少电压变换带来的损耗。为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
31.请同时参阅图4至图7，本实用新型提供的移动终端包括设置在壳体内的主板、所述主板上设有至少2个电芯（或电池）、至少2个与电芯配对的开关单元、驱动单元、采样单元和控制单元；所述采样单元连接控制单元和开关单元，驱动单元连接控制单元和开关单元，各个电芯串联且组成的电芯串连接在充电正脚与地之间（具体为第一个电芯的正极连接充电正脚，最后一个电芯的负极连接充电负脚和地），各个开关单元连接与其配对的电芯和负载。所述控制单元根据预设的工作模式输出对应的驱动信号，通过驱动单元驱动后输出；开关单元根据驱动信号控制各个电芯串联进行充电，控制各个电芯交错给负载供电；采样单元对各个电芯的电压进行采样并反馈给控制单元，控制单元根据采样的电压调整驱动信号以进行平衡充放电。
32.其中，开关单元的2个输入端连接对应电芯的正负极，开关单元的2个输出端对应连接负载和地。充电时采样输入串联方式，实现各个电芯的串联充电；放电时采用输出并联方式，实现并联放电来对负载供电。串联充电能够实现高压小电流充电，减小充电线路上的损耗。并联放电时采用各个电芯交错给负载供电方式，保证供电电压为单节电芯电压，不需要电压转换，减少电压变换带来的损耗。所述交错，是可以单个电芯供电，也可以是相邻的两个或多个电芯同时供电，也可以是不相邻的两个或多个电芯同时供电，根据设置的工作模式和时序要求来限定。
33.需要理解的是，驱动单元、采样单元和控制单元为现有技术，例如，驱动单元通常采用如光耦、变压器或专用驱动ic（芯片）进行设计；采样单元使用控制单元自带adc（模数
转换器）或外置adc进行采样；控制单元采用移动终端所用的处理器实现；此处主要是使用各个单元输入输出的信号，对具体电路结构不作详述。驱动单元也可集成在控制单元内。
34.优选地，本实施例中，负载即是移动终端，主板上的电芯和各个单元主要是对移动终端供电，使移动终端内的其他需要供电的各个模块能正常工作。此处以负载电容cl和负载电阻rl来代表移动终端内需要供电的各个模块，每个开关单元的一个输出端连接负载电容cl和负载电阻rl的一端（表示供电端的正极），另一个输出端连接负载电容cl和负载电阻rl的另一端（表示供电端的负极）和地。每个开关单元的2个输入端连接的电芯不同（即连接配对的电芯的正负极），每个开关管输入的驱动信号不同（即连接驱动单元的不同引脚）。即每个开关单元的第1端（一输入端）连接配对的电芯的正极，开关单元的第2端（另一输入端）连接配对的电芯的负极，开关单元的第3端（一输出端）连接负载的一端（如负载电容cl和负载电阻rl的一端），开关单元的第4端（另一输出端）连接负载的另一端（如负载电容cl和负载电阻rl的另一端）和地。
35.每个开关单元的电路结构相同，可参考图5，都包括一个电容（为飞电容）和4个开关管（优选为p沟道mosfet管）；其中2个开关管连接电芯，是充电开关管；另外2个开关管连接负载，是放电管。每个开关单元的工作原理相同，通过控制4个开关管的通断，先对飞电容充电，切换4个开关管的通断状态，飞电容通过导通的两个开关管给负载电容cl和负载电阻rl供电。由于p沟道mosfet管对电流的隔离作用，负载电容cl、负载电阻rl两端的电位与电芯两端的电位可以不一致，实现充电电压vbus与负载电容cl、负载电阻rl共地，避免负载电容cl、负载电阻rl浮地问题。
36.实施例一中，如图5所示，主板上设有2个电芯，即第一电芯bat1和第二电芯bat2，则对应设置第一开关单元110和第二开关单元120，所述第一开关单元110包括第一电容c1、第一开关管q11、第二开关管q12、第三开关管q13和第四开关管q14；所述第二开关单元120包括第二电容c2、第五开关管q21、第六开关管q22、第七开关管q23和第八开关管q24。
37.所述第一开关管q11的漏极（即开关单元的第1端）连接第一电芯bat1的正极和充电正脚（如适配器的充电电压输入脚，提供充电电压vbus），第一开关管q11的源极连接第二开关管q12的漏极和第一电容c1的一端，第二开关管q12的源极（即开关单元的第3端）连接负载的一端和第六开关管q22的源极；第三开关管q13的漏极（即开关单元的第2端）连接第一电芯bat1的负极、第五开关管q21的漏极和第二电芯bat2的正极；第三开关管q13的源极连接第四开关管q14的漏极和第一电容c1的另一端；第四开关管q14的源极（即开关单元的第4端）连接负载的另一端、第八开关管q24的源极和地；第五开关管q21的源极连接第六开关管q22的漏极和第二电容c2的一端；第七开关管q23的漏极连接第二电芯bat2的负极、充电负脚（如适配器上的地脚）和地；第七开关管q23的源极连接第八开关管q24的漏极和第二电容c2的另一端；各个开关管的栅极均连接驱动单元（如图4显示的各个开关管（q11~q14，q21~q24）与驱动单元的连接方式）。
38.请一并参阅图8，2电芯串联在标准模式下工作的时序为：
39.1、上电的初始状态，驱动单元控制第一开关管q11、第三开关管q13、第五开关管q21、第七开关管q23均导通；第二开关管q12、第四开关管q14、第六开关管q22、第八开关管q24均截止。第一电芯bat1通过q11、q13给第一电容c1充电，第二电芯bat2通过q21、q23给第二电容c2充电。需要理解的是，图8中的高电平表示对应的开关管导通，低电平表示对应的
开关管截止，高低电平不是输入各个开关管栅极的驱动信号的电平。
40.2、步骤
①
，经过时间t/2，q12、q14、q21、q23导通；q11、q13、q22、q24截止。第一电容c1通过q12、q14给负载电容cl和负载电阻rl供电，第二电芯bat2继续通过q21、q23给第二电容c2充电。
41.3、步骤
②
，再经过时间t/2，q11、q13、q22、q24导通；q12、q14、q21、q23截止。第一电芯bat1通过q11、q13给第一电容c1充电，第二电容c2通过q22、q24给负载电容cl、负载电阻rl供电。
42.4、 按序重复步骤
①
、步骤
②
。
43.请一并参阅图9和图10，2个电芯串联在平衡充放电模式下工作的时序为：
44.第一开关单元按照标准模式的时序工作，第二开关单元则根据控制单元通过采样单元获取的2个电芯的电压（vbat1和vbat2）及电量来调整时序，实现能量在第一电芯bat1与第二电芯bat2之间的转移，进而实现2个电芯平衡充放电。其中，采样单元采集第一电芯bat1正负极上的电压u11和u12，采集第二电芯bat2正负极上的电压u21和u22，则vbat1=u11-u12，vbat2=u21-u22。采样单元内设有电量采集芯片，对两个电芯的输入、输出电流进行积分即可得到电量。
45.当第一电芯bat1的电压vbat1及电量大于第二电芯bat2的电压vbat2及电量时，第二开关单元的时序与标准模式相比较，延时t/6，如图8所示；当第一电芯bat1的电压vbat1及电量小于第二电芯bat2的电压vbat2及电量时，第二开关管单元的时序与标准模式相比较，超前t/6，如图9所示。
46.实施例二在实施例一的基础上增加一个电芯和一个开关单元，如图6和图7所示，在实施例二中，所述主板上设有3个电芯，即第一电芯bat1、第二电芯bat2和第三电芯bat3，则对应设置第一开关单元110、第二开关单元120和第三开关单元130；所述第一开关单元110包括第一电容c1、第一开关管q11、第二开关管q12、第三开关管q13和第四开关管q14；所述第二开关单元120包括第二电容c2、第五开关管q21、第六开关管q22、第七开关管q23和第八开关管q24；所述第三开关单元130包括第三电容c3、第九开关管q31、第十开关管q32、第十一开关管q33和第十二开关管q34。
47.所述第一开关管q11的漏极连接第一电芯bat1的正极和充电正脚，第一开关管q11的源极连接第二开关管q12的漏极和第一电容c1的一端；第二开关管q12的源极连接负载的一端、第六开关管q22的源极和第十开关管q32的源极；第三开关管q13的漏极连接第一电芯bat1的负极、第五开关管q21的漏极和第二电芯bat2的正极；第三开关管q13的源极连接第四开关管q14的漏极和第一电容c1的另一端；第四开关管q14的源极连接负载的另一端、第八开关管q24的源极、第十二开关管q34的源极和地；第五开关管q21的源极连接第六开关管q22的漏极和第二电容c2的一端；第七开关管q23的漏极连接第二电芯bat2的负极、第三电芯bat3的正极和第九开关管q31的漏极；第七开关管q23的源极连接第八开关管q24的漏极和第二电容c2的另一端；第九开关管q31的源极连接第三电容c3的一端和第十开关管q32的漏极；第十一开关管q33的漏极连接第三电芯bat3的负极、充电负脚和地；第十一开关管q33的漏极连接第三电容c3的另一端和第十二开关管q34的漏极；各个开关管的栅极均连接驱动单元。
48.请一并参阅图11，3电芯串联在标准模式下工作的时序为：
49.1、上电的初始状态：q11、q13、q21、q23、q31、q33导通；q12、q14、q22、q24、q32、q34截止。第一电芯bat1通过q11、q13给第一电容c1充电，第二电芯bat2通过q21、q23给第二电容c2充电，第三电芯bat3通过q31、q33给第三电容c3充电。
50.2、步骤1， 经过时间t/3，q12、q14、q21、q23、q31、q33导通；q11、q13、q22、q24、q32、q34截止。第一电容c1通过q12、q14给负载电容cl、负载电阻rl供电，第二电芯bat2通过q21、q23给第二电容c2充电，电芯bat3通过q31、q33给第三电容c3充电；充电码是001，即第一开关单元供电，其他两个开关单元充电。
51.3、步骤2，经过时间t/6，q12、q14、q21、q23、q31、q33导通；q11、q13、q22、q24、q32、q34截止。第一电容c1通过q12、q14给负载电容cl、负载电阻rl供电，第二电芯bat2通过q21、q23给第二电容c2充电，第三电芯bat3通过q31、q33给第三电容c3充电。
52.4、步骤3，经过时间t/6，q12、q14、q22、q24、q31、q33导通；q11、q13、q21、q23、q32、q34截止。第一电容c1通过q12、q14给负载电容cl、负载电阻rl供电，第二电容c2通过q22、q24给负载电容cl、负载电阻rl供电，第三电芯bat3通过q31、q33给第三电容c3充电；充电码是011，即第一开关单元和第二开关单元供电，第三开关单元充电。
53.5、步骤4，经过时间t/6，q11、q13、q22、q24、q31、q33导通；q12、q14、q21、q23、q32、q34截止。第一电芯bat1通过q11、q13给第一电容c1充电，第二电容c2通过q22、q24给负载电容cl、负载电阻rl供电，第三电芯bat3通过q31、q33给第三电容c3充电；充电码是010，即第一开关单元和第三开关单元充电，第二开关单元供电。
54.6、步骤5，经过时间t/6，q11、q13、q22、q24、q32、q34导通；q12、q14、q21、q23、q31、q32截止。第一电芯bat1通过q11、q13给第一电容c1充电，第二电容c2通过q22、q24给负载电容cl、负载电阻rl供电，第三电容c3通过q32、q34给负载电容cl、负载电阻rl供电；充电码是110，即第一开关单元充电，第二开关单元和第三开关单元供电。
55.7、步骤6，经过时间t/6，q11、q13、q21、q23、q32、q34导通；q12、q14、q22、q24、q31、q33截止。第一电芯bat1通过q11、q13给第一电容c1充电，第二电芯bat2通过q21、q23给第二电容c2充电，第三电容c3通过q32、q34给负载电容cl、负载电阻rl供电；充电码是100，即第一开关单元和第二开关单元充电，第三开关单元供电。
56.8、步骤7， 经过时间t/6，q12、q14、q21、q23、q32、q34导通，q11、q13、q22、q24、q31、q33截止。第一电容c1通过q12、q14给负载电容cl、负载电阻rl供电，第二电芯bat2通过q21、q23给第二电容c2充电，第三电容c3通过q32、q34给负载电容cl、负载电阻rl供电；充电码是101，即第二开关单元充电，第一开关单元和第三开关单元供电。
57.9、重复步骤2~7。
58.在步骤3中，当第二电芯bat2的电压vbat2和电量大于第一电芯bat1的电压vbat1和电量时，第二电芯bat2通过第二电容c2、第一电容c1将能量传递给第一电芯bat1，直至第一电芯和第二电芯的电压及电量均衡。
59.在步骤5中，当第三电芯bat3的电压vbat3和电量大于第二电芯bat2的电压vbat2和电量时，第三电芯bat3通过第三电容c3、第二c2将能量传递给第二电芯bat2，直至第三电芯和第二电芯的电压及电量均衡。
60.在步骤7中，当第一电芯bat1的电压vbat1和电量大于第三电芯bat3的电压vbat3和电量时，第一电芯bat1通过第一电容c1、第三电容c3将能量传递给第三电芯bat3，直至第
一电芯bat 1和第三电芯bat3的电压及电量均衡；最终，第一电芯bat1、第二电芯bat2、第三电芯bat3电压及电量达到均衡。
61.这两个实施例中，由于各个电芯是直接串联来进行充电的，即可实现高压直冲充电。各个电芯通过对应开关管的通断切换来给所接的飞电容充电，充电结束后，由飞电容通过相应开关管给负载供电，实现负载电池电压为单个电芯的电压。
62.由于每个开关单元内，2个充电开关管与2个放电管不同时导通，即可实现飞电容充放电电流隔离，进而实现充电电压vbus与负载电容cl、负载电阻rl共地，避免负载电容cl、负载电阻rl浮地问题。
63.各个开关单元的飞电容是交错给负载供电的，避免供电不连续，造成供电电压突变。同时，存在多个飞电容并联供电的情况，可实现各电芯能量的交换，达到电芯间的充放电平衡。
64.在具体实施时，还可根据需求增加电芯个数，由2电芯串联和3电芯串联这两种方式组合，如4电芯串联是2电芯串联+2电芯串联的方式组合，4电芯串联是2电芯串联+3电芯串联的方式组合。6电芯串联使用3电芯串联+3电芯组合，或2电芯串联+2电芯串联+2电芯串联的方案。2电芯串联和3电芯串联方案中，每个单元工作时序不一致。各个开关管也可根据需求替换为其他具有开关功能的器件，此处对其不作限定。上述的时序仅为示例，可根据需求调整各个开关管的通断状态，只要确保如图所示，两两为一组（例如，q11和q13的控制相同，q12和q14的控制相同）来控制即可。
65.综上所述，本实用新型的基于多电芯串充并放的移动终端，各个电芯在充电模式下实现串联充电，各节电芯交错给并联的电容充电，再由并联的电容给负载供电，实现并联放电的目的。串联充电能够实现高压小电流充电，减小充电线路上的损耗；并联放电时，多节电芯交错给负载供电，保证供电电压为单节电芯的电压（同时放电时，由于两个电芯并联，其输出电压也为单节电芯的电压），不需要电压转换，减少电压变换带来的损耗。在多节电芯重叠（即同时）供电时，转移电芯能量，达到充放电电芯能量平衡。
66.应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。