电池工作状态下安全替换电池的智能装置的制作方法

1.本实用新型涉及电池电源供电技术领域，尤其涉及电池工作状态下安全替换电池的智能装置。


背景技术：

2.随着时代的发展，电已经成为了人们的生活不可缺少的一部分，当市电异常情况，或者户外野外无市电地区，依然要求有电设备进行正常工作，那么用户为获取更可靠的供电电源，常常会采用各种锂电电池，铅酸蓄电池等电池电源作为供电电源。由于电池材料、制作工艺等客观原因，电池单体容量以及由多节电池级联构成的电池模组容量受限，无法长期给负载供电。为获得较大的容量以及较长的供电时间，目前在电池电源供电技术领域中采用直接并联的方式来增加电池容量。并联电池组在使用一段时间后，由于每个单体电池的电压、内阻和容量一致性变差，导致电池组间会产生环流，引发放电故障，而且长期浮充造成某一个单体电池电压过高甚至损坏，会导致整个电池组无法正常供电，甚至产生电池供电用电的安全问题。


技术实现要素：

3.本实用新型提供电池工作状态下安全替换电池的智能装置。
4.本实用新型通过以下技术方案实现：
5.电池工作状态下安全替换电池的智能装置，包括电池组#1和电池组#2，所述电池组#1的接出端连接第一切换单元，第一切换单元分别连接第一驱动单元和第二切换单元，第二切换单元分别连接第二驱动单元和第一电压电流检测单元，所述电池组#2的接出端连接第三切换单元，第三切换单元分别连接第三驱动单元和第四切换单元，第四切换单元分别连接第四驱动单元和第二电压电流检测单元，所述第一电压电流检测单元和第二电压电流检测单元分别连接供电输出端，所述第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元分别连接智能控制单元，所述智能控制单元分别连接多路取电单元和电池检测单元，多路取电单元分别连接电池组#1的接入端，电池组#2的接入端和供电输出端，电池检测单元，外部电池分别连接电池组#1的接入端和电池组#2的接入端。
6.进一步的，还包括散热单元、状态输出单元和安全保护单元，所述散热单元连接智能控制单元，所述状态输出单元和安全保护单元的输入端分别连接智能控制单元的输出端，状态输出单元和安全保护单元的输出端分别连接输出端子。
7.进一步的，所述电池组#1的接出端连接第一切换单元内部nmos管的源极，第一切换单元内部nmos管的漏极连接第二切换单元内部nmos管的漏极，第二切换单元内部nmos管的源极连接第一电压电流检测单元。
8.进一步的，所述电池组#2的接出端连接第三切换单元内部nmos管的源极，第三切换单元内部nmos管的漏极连接第四切换单元内部nmos管的漏极，第四切换单元内部nmos管的源极连接第二电压电流检测单元。
9.进一步的，所述第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元的输入端分别连接智能控制单元的输出端，其中任一驱动单元的输出端均连接对应切换单元内部nmos管的栅极。
10.进一步的，还包括壳体和装置板，所述的第一切换单元、第一驱动单元、第二切换单元、第二驱动单元、第三切换单元、第三驱动单元、第四切换单元、第四切换单元以及智能控制单元和多路供电单元均设置在装置板上，所述装置板设置于壳体内部；
11.在装置板顶部的一侧还设有3个接线柱，3个接线柱分别连接在第一切换单元、第三切换单元以及供电输出端上，且3个接线柱均位于壳体的外部。
12.进一步的，所述壳体为矩形，由顶盖和底座构成，且装置板固定在底座上；
13.所述的散热单元包括散热风机和分别设于壳体相对两侧的散热孔及用于安装散热风机的安装孔，散热风机连接智能控制单元。
14.本实用新型的有益效果：
15.本实用新型提出的电池工作状态下安全替换电池的智能装置，避免了供电系统配置大容量的电池组或者并联多数电池组，避免了供电系统配置大功率的充电装置，极大降低了供电系统的配置成本。避免了大容量电池和并联电池组使用时因为浮充或者过充等安全问题。避免了为获取更大容量更长供电时间而不断并联电池组的用电危险。同时，该装置采用电力电子器件，自身损耗低，效率高，有良好的节能效应，设计和安装工艺简单，智能便捷。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本实用新型提出的一种用于实现电池工作状态下安全替换电池的智能装置的结构框图一；
18.图2为本实用新型提出的一种用于实现电池工作状态下安全替换电池的智能装置的实施流程图一；
19.图3为本实用新型提出的一种用于实现电池工作状态下安全替换电池的智能装置的实施流程图二；
20.图4为本实用新型提出的一种用于实现电池工作状态下安全替换电池的智能装置的结构框图二；
21.图5为本实用新型提出的一种用于实现电池工作状态下安全替换电池的智能装置的结构图一；
22.图6为本实用新型提出的一种用于实现电池工作状态下安全替换电池的智能装置的结构图二；
23.图7为本实用新型提出的一种用于实现电池工作状态下安全替换电池的智能装置的结构爆炸图。
24.图中，1-顶盖、2-电池#1放电nmos开关、3-电池#1充电nmos开关、4-电池#2充电
nmos开关、5-电池#2放电nmos开关、6-电池#1接线柱、7-负载接线柱、8-电池#2接线、9-装置安装底座、10-装置散热风机、11-多路供电单元、12-cpld智能控制单元、13-状态检测和状态输出端口、14-装置板。
具体实施方式
25.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
26.实施例1
27.如图1，图一种用于实现电池工作状态下安全替换电池的智能装置，包括电池组#1和电池组#2，所述电池组#1的接出端连接第一切换单元，第一切换单元分别连接第一驱动单元和第二切换单元，第二切换单元分别连接第二驱动单元和第一电压电流检测单元，所述电池组#2的接出端连接第三切换单元，第三切换单元分别连接第三驱动单元和第四切换单元，第四切换单元分别连接第四驱动单元和第二电压电流检测单元，所述第一电压电流检测单元和第二电压电流检测单元分别连接供电输出端，所述第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元分别连接智能控制单元，所述智能控制单元分别连接多路取电单元和电池检测单元，多路取电单元分别连接电池组#1的接入端，电池组#2的接入端和供电输出端，电池检测单元，外部电池分别连接电池组#1的接入端和电池组#2的接入端。
28.进一步的，还包括散热单元、状态输出单元和安全保护单元，所述散热单元连接智能控制单元，所述状态输出单元和安全保护单元的输入端分别连接智能控制单元的输出端，状态输出单元和安全保护单元的输出端分别连接输出端子。
29.进一步的，所述电池组#1的接出端连接第一切换单元内部nmos管的源极，第一切换单元内部nmos管的漏极连接第二切换单元内部nmos管的漏极，第二切换单元内部nmos管的源极连接第一电压电流检测单元。
30.进一步的，所述电池组#2的接出端连接第三切换单元内部nmos管的源极，第三切换单元内部nmos管的漏极连接第四切换单元内部nmos管的漏极，第四切换单元内部nmos管的源极连接第二电压电流检测单元。
31.进一步的，所述第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元的输入端分别连接智能控制单元的输出端，其中任一驱动单元的输出端均连接对应切换单元内部nmos管的栅极。
32.如图5-图7，还包括壳体和装置板，所述的第一切换单元、第一驱动单元、第二切换单元、第二驱动单元、第三切换单元、第三驱动单元、第四切换单元、第四切换单元以及智能控制单元和多路供电单元均设置在装置板上，所述装置板设置于壳体内部；
33.在装置板顶部的一侧还设有3个接线柱，3个接线柱分别连接在第一切换单元、第三切换单元以及供电输出端上，且3个接线柱均位于壳体的外部。
34.进一步的，所述壳体为矩形，由顶盖和底座构成，且装置板固定在底座上；
35.所述的散热单元包括散热风机和分别设于壳体相对两侧的散热孔及用于安装散热风机的安装孔，散热风机连接智能控制单元。
36.实施例2
37.在实施例1的基础上，本实施例提出一种用于实现电池工作状态下安全替换电池的智能装置的各单元功能。
38.切换单元：主要负责供电输出的开关器件，该单元采用n沟道场效应晶体管背靠背式的设计方式，n沟道场效应晶体管（n-mos）集成散热器，实现供电支路的不间断切换，充放电管理。
39.驱动单元：为各个切换单元的驱动单元，保证切换单元内的开关有效触发，驱动单元具有隔离特性，由隔离dcdc电源和隔离光耦组成。
40.多路取电单元：主要负责为各个工作单元提供稳定的低压直流电压，该单元采用多路取电的方式，通过二极管直与的方式，分别从电池#1，电池#2,输出端同时取电，即电池#1，电池#2,输出端三处任何一处有电，该单元都可以正常得电工作。
41.电池检测单元：包含信号转换电路，滤波电路，用于外部电池供电状态的实时采集。
42.智能控制单元：智能控制单元由复杂可编程逻辑器件（cpld）最小系统构成，包含jtag程序下载电路，时钟电路，复位电路等，负责切换单元的时序控制，电池状态的检测判断以及输出事件处理。
43.状态输出单元：该单元主用于该装置的换电工作状态输出，采用继电器干接点形式输出。
44.安全保护单元：该单元是在电池换电过程中，断开外供电等安全保护工作机制。
45.散热单元：该单元主要用于装置本体的功率器件散热。
46.电压电流检测单元：用于检测用户侧的电压电流等用电数据，用于判断供电状态，由分流器，分压电阻和运算放大器构成。
47.如图7，所述第一切换单元和第一驱动单元构成电池#1放电nmos开关，第二切换单元和第二驱动单元构成电池#1充电nmos开关，第三切换单元和第三驱动单元构成电池#2放电nmos开关，第四切换单元和第四驱动单元构成电池#2充电nmos开关，状态输出单元包括状态检测和状态输出端口，其中装置板靠近电池#1放电nmos开关和电池#1充电nmos开关的一侧设置有电池组#1接线柱，靠近电池#2放电nmos开关和电池#2充电nmos开关的一侧设置有电池组#2接线柱，电池组#1接线柱和电池组#2接线柱之间设置有负载接线柱，所述装置板远离电池#1放电nmos开关和电池#1充电nmos开关的一侧设置有多路供电单元、cpld智能控制单元以及状态检测和状态输出端口。
48.实施例3
49.如图2，在实施例1的基础上，本实施例提出一种用于实现电池工作状态下安全替换电池的智能装置的工作原理及实施方式。
50.1、电池组接入，系统进行初始化。
51.2、系统进行电池组接入检测，确定电池组接入支路。
52.2.1如果读取回来只有电池组#1的电池信息，判断只有电池#1接入。
53.2.1.1根据电池#1的电压、容量等电池信息，判断是否满足放电条件。
54.2.1.2如果电池#1的电压、容量等电池信息，满足放电条件，电池容量大于放电阈值，电压大于放电阈值，闭合电池#1的充电开关，闭合电池#1的放电开关。如果电池#1的电
压、容量等电池信息，不满足放电条件，电池容量小于等于放电阈值，电压小于等于放电阈值，维持电池#1的充电放电开关处于断开，实时监测电池#1的信息，直到满足放电条件。
55.2.1.3系统读取用电侧的电压电流信息。如果用电侧电压电流信息判断正常，维持电池#1充放电状态；如果用电侧电压电流信息判断异常，进入异常处理机制，进入安全保护单元，断开电池#1的充电放电开关，返回系统初始化，直到故障信息清除。
56.2.2如果读取回来既有电池组#1的电池信息，又有电池组#2的电池信息，判断电池#1电池#2处于同时接入的状态。
57.2.2.1根据电池#1和电池#2的电压、容量等电池信息，判断是否满足放电条件。
58.2.2.2如果只有电池#1的电压、容量等电池信息，满足放电条件，电池容量大于放电阈值，电压大于放电阈值；如果两组电池都满足放电条件且电池#1的电压和容量参数大于等于电池#2的电压和容量；闭合电池#1的充电开关，闭合电池#1的放电开关。
59.2.2.3系统读取用电侧的电压电流信息。如果用电侧电压电流信息判断正常，维持电池#1充放电状态；如果用电侧电压电流信息判断异常，进入异常处理机制，进入安全保护单元，断开电池#1的充电放电开关，返回系统初始化，直到故障信息清除。
60.2.2.4如果电池#1的电压、容量等电池信息，不满足放电条件，电池容量小于等于放电阈值，电压小于等于放电阈值，且电池#2的电压值和电池#1的电压差值大于替换差值δv，电池#2的容量值和电池#1的容量差值大于替换差值δs，断开电池#1的充电开关，闭合电池#2的放电开关，断开电池#1的放电开关，闭合电池#2的充电开关，完成电池#2替换电池#1。
61.2.2.5系统读取用电侧的电压电流信息。如果用电侧电压电流信息判断正常，维持电池#2充放电状态；如果用电侧电压电流信息判断异常，进入异常处理机制，进入安全保护单元，断开电池#2的充电放电开关，返回系统初始化，直到故障信息清除。
62.2.2.6如果只有电池#2的电压、容量等电池信息，满足放电条件，电池容量大于放电阈值，电压大于放电阈值；如果两组电池都满足放电条件且电池#1的电压和容量参数小于电池#2的电压和容量；闭合电池#2的充电开关，闭合电池#2的放电开关。
63.2.2.7系统读取用电侧的电压电流信息。如果用电侧电压电流信息判断正常，维持电池#2充放电状态；如果用电侧电压电流信息判断异常，进入异常处理机制，进入安全保护单元，断开电池#2的充电放电开关，返回系统初始化，直到故障信息清除。
64.2.2.8如果电池#2的电压、容量等电池信息，不满足放电条件，电池容量小于等于放电阈值，电压小于等于放电阈值，且电池#1的电压值和电池#2的电压差值大于替换差值δv，电池#1的容量值和电池#2的容量差值大于替换差值δs，断开电池#2的充电开关，闭合电池#1的放电开关，断开电池#2的放电开关，闭合电池#1的充电开关，完成电池#1替换电池#2。
65.2.2.9系统读取用电侧的电压电流信息。如果用电侧电压电流信息判断正常，维持电池#1充放电状态；如果用电侧电压电流信息判断异常，进入异常处理机制，进入安全保护单元，断开电池#1的充电放电开关，返回系统初始化，直到故障信息清除。
66.2.3如果读取回来只有电池组#2的电池信息，判断只有电池#2接入。
67.2.1.1根据电池#2的电压、容量等电池信息，判断是否满足放电条件。
68.2.1.2如果电池#2的电压、容量等电池信息，满足放电条件，电池容量大于放电阈
值，电压大于放电阈值，闭合电池#2的充电开关，闭合电池#2的放电开关。如果电池#2的电压、容量等电池信息，不满足放电条件，电池容量小于等于放电阈值，电压小于等于放电阈值，维持电池#2的充电放电开关处于断开，实时监测电池#2的信息，直到满足放电条件。
69.2.1.3系统读取用电侧的电压电流信息。如果用电侧电压电流信息判断正常，维持电池#2充放电状态；如果用电侧电压电流信息判断异常，进入异常处理机制，进入安全保护单元，断开电池#2的充电放电开关，返回系统初始化，直到故障信息清除。
70.实施例4
71.如图3-图4，在实施例1的基础上，本实施例提出一种用于实现电池工作状态下安全替换电池的智能装置的一种工作方式，该方式是用电池#2替换电池#1进行供电。
72.具体方式如下：
73.（1）供电电池#1接入至j1位置。
74.（2）系统运行，完成初始化。智能控制单元检测到电池#1的电压容量等参数信息，确定电池#1接入。
75.（3）判断电池#1的电压容量参数。电池#1电压参数v1＞0.8倍额定电压，容量参数s1＞0.2倍额定容量。
76.（4）智能控制单元发送nmos-q1，nmos-q2驱动闭合信号，供电支路电池#1的放电切换开关nmos-q1，充电nmos-q2开关即处于闭合状态。此时电池#1可以放电或充电。
77.（5）该装置对用户输出供电。检测用户侧用电的电压电流数据。判断是否正常供电。正常情况下，继续维持供电。如果供电不正常，智能控制单元发送nmos-q1，nmos-q2驱动关断信号，返回重新检测电池#1的电压容量参数信息。
78.（6）判断电池#1的电压容量参数信息。如果电池#1电压参数v1≤0.8倍额定电压，容量参数s1≤0.2倍额定容量。根据电池#2接口端口的电池信息，判断电池#2是否接入。如果电池#2电压参数v2-电池#1电压参数v1＞3v，电池#2容量参数s2-电池#1容量参数s1＞20%。
79.（7）智能控制单元优先发送电池#1支路充电nmos-q2开关关断驱动信号，电池#1支路充电nmos-q2开关随即关断。
80.（8）智能控制单元发送nmos-q3驱动闭合信号，电池#2支路放电nmos-q3闭合，电池#2支路开始放电。利用nmos内部的续流二极管单向导通功能，避免两组电池之间的环流问题。此时由电池#1和电池#2两个支路同时给负载或者用电设备供电，根据此时电池容量的大小，电池#1和电池#2分配不同的功率。进一步，智能控制单元闭合继电器的有源输出和无源输出，输出自身的换电状态。
81.（9）智能控制单元发送电池#1支路放电nmos-q1开关关断驱动信号，电池#1支路停止放电。
82.（10）智能控制单元发送电池#2支路充电nmos-q4开关闭合驱动信号，nmos-q4闭合。续流二极管被mos管主回路旁路，从而达到降低损耗的作用。此时，电池#2的放电切换开关nmos-q3，充电nmos-q4开关即处于闭合状态，完全由电池#2给负载或者用电设备供电。进一步，智能控制单元关断继电器的有源输出和无源输出，取消自身的替换状态。完成电池#2替换电池#1供电。
83.本实用新型旨在解决当电池模组容量不足，电池组无法继续给用电负载供电的时
候，可以用容量充足的电池安全、不间断、智能便捷的替换原系统中容量不足的电池。解决了备用电池电量不足时需要断电换电池的问题，有效保证了设备工作的连续性。电池的整个替换过程是不间断的，后级负载不出现掉电现象。确保电池的整个替换过程安全，不会产生因为电池内阻差异、容量差异等造成的环流问题。
84.以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。