电池充放电无缝切换系统、方法、双象限电源及电子设备与流程

本发明涉及电源领域，特别涉及一种电池充放电无缝切换系统、方法、双象限电源及电子设备。

背景技术：

1、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。

2、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，与系统实际工作条件大相径庭。而且，必须在系统中使用大功率的导通二极管、开关、继电器等，系统非常复杂，可靠性和可重复性往往无法达到要求。

3、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系统中的双象限电源，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。

技术实现思路

1、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系统、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。

2、根据本发明第一方面实施例的电池充放电无缝切换系统，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池端的负极，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切换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。

3、根据本发明第一方面实施例的电池充放电无缝切换系统，至少具有如下有益效果：

4、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。

5、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。本技术电路架构简单，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。本技术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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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：

13、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；

14、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；

15、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。

16、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：

17、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。

18、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。本技术电路架构简单，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。本技术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。

19、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；

20、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；

21、所述恒压充电阶段具体如下：

22、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。

23、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系统。

24、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：

25、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。

26、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。本技术电路架构简单，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。本技术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。

27、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。

28、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：

29、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。

30、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。本技术电路架构简单，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。本技术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。

31、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。