用于移动电源的智能充放电管理方法及系统与流程

本发明涉及数字信息传输与电数字数据处理，具体涉及一种用于移动电源的智能充放电管理方法及系统，尤其适用于依靠内置电池独立输出供电、输出功率受电池荷电状态和温度实时约束的移动电源设备。

背景技术：

1、移动电源已成为消费者日常生活中不可或缺的便携供电设备。随着usb pd快充协议的普及，移动电源的充放电功率不断提升，多协议兼容、多端口同时输出等需求日益增长。新国标gb 47372-2026《移动电源安全技术规范》首次明确提出了智能管理要求：移动电源须实时监测电池电压、温度等关键信息，具备异常信息存储与读取功能，同时对充放电电压、电流、温度控制及端口保护等作出了系统性规定。

2、目前，移动电源的充放电管理在信息上报、多口输出、边充边放和快充协议兼容等各功能维度上已有一定技术积累。移动电源区别于普通充电器的根本特征在于：它依靠内置电池独立输出供电，输出功率完全来自电池放电，电池的soc、温度和电压直接决定了可用输出能力；其便携性要求全部控制逻辑在单颗主控芯片内完成；且供电对象不确定，可能随时为不同设备供电。然而，现有技术沿用了充电器的设计思路，信息上报仅"可读不可用"，功率分配采用静态预设比例，边充边放与快充协商相互独立，快充协商缺乏电池安全状态的实时校验，各功能模块各自独立运行、互不通信。

3、上述技术方案未考虑移动电源的核心约束，导致以下问题：状态信息未参与充放电决策，温度升高时仍按原功率输出；功率分配与电池实时状态无关，高温或低soc下存在安全隐患；多口复杂场景下难以在输入功率、输出功率与安全边界间实现动态平衡；快充协商结果不受电池安全状态约束；且未考虑自身监测模块同样消耗电能的问题，低soc时挤占对外输出。有鉴于此，本发明提供一种用于移动电源的智能充放电管理方法及系统，将电池状态实时监测、低电量自适应功耗降级、多端口智能功率分配、边充边放协调控制与多协议快充兼容整合于同一控制逻辑中，实现各模块的协同决策与闭环控制。

技术实现思路

1、针对现有移动电源充放电管理中，各功能模块各自独立运行、未以电池状态为决策核心，且低电量下监测模块仍满负荷运行挤占对外输出电能的问题，本发明提供一种用于移动电源的智能充放电管理方法及系统，将电池状态实时监测、低电量自适应功耗降级、多端口智能功率分配、边充边放协调控制与多协议快充兼容整合于同一控制逻辑中，实现各模块的协同决策与闭环控制。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种用于移动电源的智能充放电管理方法，所述移动电源为依靠内置电池独立输出供电的便携设备，具有至少两个输出端口，其中一个为自带充电线缆端口，至少一个为usb-c端口。全部控制逻辑在单颗主控芯片上执行。所述方法包括以下步骤：

4、步骤s1：通过电压电流采集模块和温度采集模块实时采集电池组的电压、电流和温度数据，主控芯片基于采集数据计算电池的荷电状态soc，并将实时数据与异常事件写入非易失性存储器。

5、步骤s2：与步骤s1联动，根据实时soc值判定电池所处的能量等级，生成对应的功耗控制指令，动态调节各功能模块的运行级别，所述功耗控制指令包括采集频率调节指令、上报频率调节指令、存储写入调节指令、快充使能控制指令和计算负载调节指令。

6、步骤s3：主控芯片通过蓝牙通信向终端设备发送电池状态数据，所述数据至少包含电压、电流、温度、soc、循环次数、异常告警编码及当前能量管理模式编码。

7、步骤s4：主控芯片根据电池实时状态参数动态计算当前可用总功率上限。

8、步骤s5：主控芯片根据各输出端口的预设优先级和所接入设备的快充协议请求，在所述可用总功率上限范围内分配各端口的实际输出功率；当所述移动电源的功耗等级处于深度节能模式或最小供电模式时，快充协商被完全禁用。

9、步骤s6：快充协议协商完成后，主控芯片将协议协商的目标电压和目标电流与电池安全状态进行三级校验，包括安全校验、动态约束和异常禁用。

10、步骤s7：当移动电源同时接入充电电源和负载设备时，主控芯片进入边充边放工作模式，根据输入功率、输出功率需求之和、电池安全充电功率上限和电池可持续放电功率上限之间的关系执行功率平衡控制。

11、步骤s8：主控芯片持续监测各输出端口的电压、电流状态，执行端口短路检测、端口过流保护和端口反接保护。

12、其中，步骤s5的功率分配结果和步骤s6的快充协商结果实时反馈至步骤s7；步骤s8的端口异常检测结果实时反馈至步骤s5和步骤s6；步骤s1中记录的异常事件通过步骤s3对外上报，形成闭环控制系统。

13、进一步地，所述步骤s1中，电压电流采集模块以预设采样频率采集电池组的单节电压、总电压和充放电电流，温度采集模块以预设采样频率采集电池组表面温度。所述主控芯片计算soc采用安时积分法结合扩展卡尔曼滤波算法。所述异常事件包括：单节电压超过预设过压阈值或低于预设欠压阈值、充放电电流超过预设电流阈值、电池温度超过预设高温阈值或低于预设低温阈值。异常发生时，主控芯片将异常类型及精确至分钟级的时间戳记录于非易失性存储器中。

14、进一步地，所述步骤s2中，主控芯片从步骤s1读取实时soc值，根据当前soc值判定电池所处的能量等级，生成对应的功耗控制指令并发送至各功能模块，包括：

15、当电池soc大于等于第一预设阈值时，系统运行于全功能模式：电压电流采集以正常采样频率运行，温度采集以正常采样频率运行，电池状态数据按正常周期通过蓝牙发送，soc计算采用完整算法，快充协议正常协商，异常事件正常记录与上报；

16、当电池soc低于第一预设阈值但高于等于第二预设阈值时，系统运行于轻度节能模式：电压电流采集采样频率降低至正常值的50%，温度采集采样频率降低至正常值的50%，蓝牙数据发送周期延长，非易失性存储器写入操作频率降低，soc计算周期延长，快充协议协商和输出在原有基础上乘以预设节能系数，异常事件记录功能维持不变；

17、当电池soc低于第二预设阈值但高于等于第三预设阈值时，系统运行于深度节能模式：电压电流采集采样频率降低至正常值的20%，温度采集采样频率降低至正常值的20%，蓝牙数据发送被完全禁用，非易失性存储器写入仅保留异常事件记录，soc计算切换至简化算法，快充协议协商被完全禁用，所有端口强制回落至普通充电模式；

18、当电池soc低于第三预设阈值时，系统运行于最小供电模式：电压采集采样频率降至最低维持水平，电流采集采样频率降至最低维持水平，温度采集采样频率降至最低维持水平，蓝牙数据发送被完全禁用，非易失性存储器所有写入操作暂停，soc计算暂停，快充协议协商被完全禁用，端口短路检测和过流保护维持运行。

19、当电池soc回升至上一能量等级阈值以上时，主控芯片自动恢复相应功能模块的运行。所述第一预设阈值高于第二预设阈值，第二预设阈值高于第三预设阈值。

20、进一步地，所述步骤s3中，所述电池状态数据包括电池总电压数据、充放电电流数据、电池温度数据、荷电状态数据、循环次数数据、异常告警编码数据、时间戳数据和当前能量管理模式编码数据；其中，所述充放电电流以正值表示放电、负值表示充电；所述异常告警编码采用比特位映射方式，各比特位分别对应过压、欠压、过流、过温、欠温和端口短路异常类型；所述当前能量管理模式编码用于终端设备识别移动电源当前是否处于低功耗状态。

21、进一步地，所述步骤s4中，主控芯片按以下公式动态计算当前可用总功率上限：

22、，

23、其中，为电池标称最大输出功率；为电池实时温度，为温度系数；为电池实时电压，为电压系数；为荷电状态，为荷电状态系数。

24、所述温度系数按以下分段函数计算：

25、，

26、其中，为预设最低工作温度，为预设最高工作温度，和为预设低温区间的下界和上界，和为预设高温区间的下界和上界。即：当电池温度处于低温区间时随温度升高从0线性增大至1.0，当处于常温区间时取最大值1.0，当处于高温区间时随温度升高从1.0线性减小至0，超出预设工作温度范围时归零。

27、所述电压系数按以下分段函数计算：

28、，

29、其中，为预设放电截止电压，为预设低压阈值，为预设高压阈值。即：当电池单节电压低于预设低压阈值时归零，在预设低压阈值与预设高压阈值之间从0线性增大至1.0，高于预设高压阈值时保持1.0。

30、所述荷电状态系数按以下分段函数计算：

31、，

32、其中，为预设低电量阈值，为预设中电量阈值。即：当soc低于预设低电量阈值时归零，在预设低电量阈值与预设中电量阈值之间从0线性增大至1.0，高于预设中电量阈值时保持1.0。

33、该计算结果还受步骤s2中功耗等级的影响，在轻度节能模式下乘以预设节能系数，在深度节能模式下进一步降低。

34、进一步地，所述步骤s5中，各输出端口的预设优先级为：自带充电线缆端口的优先级高于usb-c端口。所述功率分配策略为：优先响应高优先级端口的快充功率请求，剩余功率分配给低优先级端口；当总请求功率超过时，从低优先级端口开始降低分配功率。当某一端口的负载设备被拔出时，主控芯片立即回收该端口的功率配额，重新分配给另一端口。

35、进一步地，所述步骤s6中，所述三级校验包括：

36、第一级，安全校验：校验协议协商的目标电压是否不超过电池电压的预设比例上限，且目标电流是否不超过电池最大可持续放电电流，任一条件不满足则拒绝当前快充档位并回落至普通充电模式；

37、第二级，动态约束：根据电池实时温度和荷电状态，结合步骤s4计算出的可用总功率进一步约束快充输出功率上限，快充功率受限于，其中为预设功率余量系数；

38、第三级，异常禁用：当检测到电池温度、单节电压或充放电电流超出预设安全保护阈值时，主控芯片立即断开对应端口的快充输出，同时记录异常事件并触发步骤s3对外上报。

39、进一步地，所述步骤s7中，所述功率平衡控制按以下策略执行：

40、当时，输入功率优先满足输出，盈余功率以不超过且不超过预设充电倍率所限定的功率向电池充电；当步骤s2判定电池处于低电量状态时，充电优先级自动提高；

41、当且时，输入功率与电池放电功率共同满足输出，电池放电功率为，且电池soc不得低于预设安全放电阈值；

42、当且时，触发步骤s5重新进行功率分配，降低低优先级端口的输出功率，若降额后仍无法满足则启动输出降额保护，按预设步长逐级降低各端口输出功率。

43、进一步地，所述步骤s7中，主控芯片在充电、放电和边充边放三种工作模式间切换时，通过前馈-反馈复合控制实现输出口电压的平滑过渡：前馈控制根据目标电压变化量预先调节占空比，反馈控制根据实际输出电压与目标电压的偏差进行闭环修正，确保切换瞬间输出电压跌落不超过预设阈值。

44、进一步地，所述步骤s8中，端口短路检测为：当主控芯片检测到输出电压骤降且电流急剧上升超过预设短路电流阈值时，判定该端口发生短路，立即断开该端口的输出，并在预设延时后尝试自动恢复；端口过流保护为：当任一端口输出电流超过预设过流保护阈值时，主控芯片立即触发降额保护，将输出功率降至保护阈值以下，并记录过流异常事件于非易失性存储器中；端口反接保护为：当主控芯片检测到反接状态时，立即关闭该端口的输出开关，防止电流倒灌。

45、一种用于移动电源的智能充放电管理系统，全部控制逻辑在单颗主控芯片上实现，所述系统包括：

46、电池组，用于储存电能并输出至各端口；

47、电压电流采集模块，连接所述电池组，包含电流检测电阻和运算放大器，用于实时采集电池电压和充放电电流，支持采集频率的动态调节以适配不同功耗模式；

48、温度采集模块，包含贴片式ntc热敏电阻，设置于电池组表面及主控芯片附近，用于实时采集电池温度和环境温度，支持采集频率的动态调节以适配不同功耗模式；

49、非易失性存储器，用于存储实时监测数据及异常事件记录，支持写入频率的动态调节以适配不同功耗模式；

50、蓝牙通信模块，连接所述主控芯片，用于将电池状态数据发送至终端设备，如手机app；

51、升降压转换电路，连接电池组与各输出端口，两个输出端口共用同一路升降压转换电路；

52、至少两个输出端口，其中第一输出端口为自带充电线缆端口，第二输出端口为usb-c端口；

53、开关控制电路，分别设置于各输出端口与升降压转换电路之间，用于在主控芯片的控制下独立导通或断开各输出端口；

54、主控芯片，连接所述电压电流采集模块、温度采集模块、非易失性存储器、蓝牙通信模块、升降压转换电路、开关控制电路和各输出端口，被配置为执行上述任一项所述的方法；

55、所述主控芯片内集成有电池能量管理功能，用于根据当前soc值判定电池所处的能量等级，并生成对应的功耗控制指令，所述功耗控制指令包括采集频率调节指令、发送频率调节指令、存储写入调节指令、快充使能控制指令和计算负载调节指令。

56、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

57、1.实现低电量下自适应功耗降级，优先保障对外输出。现有技术中，移动电源的电池状态监测、信息上报、快充协商等功能模块以固定频率持续运行，不随电池剩余电量变化而调整。当soc极低时，这些模块仍在消耗宝贵的电能，挤占本可用于外部设备充电的电量。本发明引入基于soc等级的四级功耗管理机制，在电池电量充足时提供完整功能，在soc降低时主动降低采集频率、延长蓝牙发送周期、限制快充甚至禁用非必需功能模块，将有限的电能优先用于外部设备供电。这一"自身能源不足时智能牺牲自身功能以保障外部供电"的逻辑仅在移动电源中具有技术意义，充电器从电网取电无需考虑自身功耗，而移动电源的每一毫安时电量都需精打细算。

58、2.实现信息上报与充放电控制的深度联动。本发明将步骤s1采集的电池状态信息同时作为步骤s3的对外发送数据源和步骤s4、s5、s6、s7的控制决策输入，使电池温度、电压、soc等状态参数实时驱动充放电策略调整，改变了现有技术中信息上报仅"可读不可用"的被动状态，实现了监测数据对控制决策的实时驱动。

59、3.实现基于实时状态的多端口动态功率分配。通过温度系数、电压系数、荷电状态系数三系数乘积模型实时计算可用总功率上限，使功率分配随电池状态连续动态变化，高温时自动线性降额、低soc时按比例降额，相比现有静态预设方案，从根源上消除了高温大功率输出和低soc过放等安全隐患。

60、4.实现边充边放与快充协议的协同调度。通过步骤s5功率分配结果和步骤s6快充协商结果向步骤s7的实时反馈机制，使边充边放控制在各端口功率分配和快充档位确定的约束下执行，实现了输入功率、多路输出功率与电池安全边界的三方动态平衡。

61、5.实现快充输出的三级安全校验。通过步骤s6的安全校验、动态约束和异常禁用三级机制，对快充协商结果与电池安全状态进行逐级校验，第一级从电压电流上限拒绝超标档位，第二级根据电池实时状态动态约束功率上限，第三级在异常发生时实时切断输出，从根本上解决了现有方案中快充协议与安全管控相互割裂的问题。

62、6.实现新国标合规功能的系统化整合与成本优化。通过步骤s1至步骤s8的闭环控制架构，将新国标所要求的实时监测、异常存储与读取、充放电电压/电流/温度控制及端口保护等功能有机整合于同一控制逻辑中，全部控制逻辑在单颗主控芯片上完成，无需增加额外硬件成本，可降低物料清单成本和pcb面积，为移动电源厂商提供了一种低成本、高效率的系统性合规解决方案。