电池单元低电压应急供电电路和应急供电方法

技术领域

本发明涉及电池单元供电的手持设备、便携式仪器仪表、手机、平板电脑、笔记本电脑等电子设备供电的技术领域和汽车、电动汽车、电动自行车等使用蓄电池供电的移动式机电设备，尤其涉及这些设备因电池电压过低导致负载断电后的应急供电方法和应急供电电路。

背景技术

在电池单元供电的电子设备中，电池单元可以单体使用，也可以多个单体串联使用，电池单元中单体电池串联数量是N倍，电池单元的电压就是单体电压的N倍。电池单体可以是可充电的蓄电池，也可以是不能充电的一次性电池。

电池单体是可充电的蓄电池时，电池单体有最高电压即第三电压U3，可充电电池单元充电时，当电压达到第三电压U3时，表明电池充满，充电结束。电池单元有最低工作电压第二电压U2，当电池单元低于第二电压U2时，负载将会断电；同时电池电压低于第二电压U2时，设备也不能启动。也就是电池单元正常供电时，其电池单元电压在第三电压U3到第二电压U2之间。

采用蓄电池的电池单元还存在另一个最低电压第一电压U1，第一电压U1小于第二电压U2，第一电压U1是蓄电池单体不损坏的低压极限值。电池单元电压低于U1，会造成电池单元不能再工作；所以要避免电池电压低于第一电压U1。

以手机上使用锂电池为例，该电池单元采用三个锂电池单体串联。锂电池单体电压充到4.2V时，充电结束；当锂电池电压低于3V，手机电池管理电路将负载断电，在这一电压下手机也不能再启动；当手机锂电池电压低于2.25V时，锂电池内部活性物质会降解衰减产生副产物，造成电池容量不可逆的衰减。对于电池单元来说，第三电压U3=3X4.2V=12.6V，第二电压U2=3X3V=9V，第一电压U1=3X2.25V=6.75V。

表1是几种蓄电池单体的第三电压U3、第二电压U2、第一电压U1值。电池单元有N个蓄电池单体串联，蓄电池单体的这些电压值乘以串联数目N就可以得到电池单元的第三电压U3、第二电压U2、第一电压U1值。

表1几种常用电池单体的第三电压U3、第二电压U2和第一电压U1

电池单体是不可充电的一次性电池时，电池单元有最高电压即第三电压U3，是电池出厂的额定电压；电池单元有最低工作电压，即第二电压U2，当蓄电池单体电压低于第二电压U2时，负载将会断电，电池电压低于第二电压U2时，设备也不能启动。也就是电池单元正常供电时，其电池单元电压在第三电压U3到第二电压U2之间。

采用一次性电池的电池单元还存在另一个最低电压第一电压U1，第一电压U1小于第二电压U2。电池单元电压低于U1，会造成电池单元不能再工作。

现有技术的应用中，当电池单元电压低于第二电压U2时，就会断电。但就电池单元本身而言电压低于第二电压U2高于第一电压U1时可以继续放电，直到电池单元电压为第一电压U1。电池单元电压在低于第二电压U2高于第一电压U1时，放电电流比较小，可能不能提供负载所需要的能量，设备就不能正常工作。

因此电池单元电压在低于第二电压U2高于第一电压U1时，电池单元能继续放电，但是此时直接连接负载由于放电电流小，电子设备将不能工作。

无论电池单体采用蓄电池或是可充电蓄电池，当电池单元电压高于第二电压U2低于第三电压U3时，属于正常供电方式；当电池单元电压高于第一电压U1低于第二电压U2时，属于应急供电方式。

发明内容

本发明的目的是，为了解决现有技术中，当电池单元电压低于第一电压U1时，电池单元电电流很小，电池单元内阻大，电池单元直接供电将不能提供设备所需要的电能，所以此时设备停止工作，本发明要解决的技术问题是：在电池单元的这种情况下，使电池单元也能提供设备所需要的电能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种电池单元低电压应急供电电路，其特征在于，包括负载、电池单元、辅助储能装置、变换器、主开关、辅开关及控制电路，

电池单元，是蓄电池单体或由蓄电池单体串联而成的蓄电池组；

辅助储能装置，是蓄电池单体或由蓄电池单体串联、并联而成，或者是超级电容或由超级电容串联、并联而成；

变换器，是输入电流稳流型变换器，变换器输出电压相对于其输入电压，既能升压也能降压，控制电路控制变换器的启动和停止；

主开关、辅开关，是继电器或MOS电子开关，主开关、辅开关均由控制电路控制通断；

控制电路第一输入端连接主开关的输入，采样电池单元的输出电压，第二输入端连接辅开关的输入，采样辅助储能装置的输出电压；控制电路第一输出端连接主开关，控制主开关的接通和断开；控制电路第二输出端连接辅开关，控制辅开关的接通和断开；

电池单元，既通过主开关给负载供电，也通过变换器给辅助储能装置充电；辅助储能装置通过辅开关给负载供电。

如上所述的电池单元低电压应急供电电路，其特征在于，变换器采用boost变换器和buck变换器级联，或者采用单端反激变换器，或者采用变压器隔离的电流型桥式变换器。

如上所述的电池单元低电压应急供电电路，其特征在于，主开关和辅开关可以同时断开或者有一个接通，但是主开关和辅开关不会同时接通。

如上所述的电池单元低电压应急供电电路，其特征在于，辅助储能装置所使用的蓄电池电池容量是电池单元容量的容量二十分之一到四分之一。

如上所述的电池单元低电压应急供电电路，其特征在于，辅助储能装置可以是和电池单元一起在设备内部，也就是内置；也可以在设备外部，由接口接入，也就是外置。

本发明还提供一种电池单元低电压应急供电方法，采用如上所述的电池单元低电压应急供电电路，其特征在于，该方法的特征是，电池单元外再增加一个辅助储能装置，当电池单元的电压在第一电压U1至第二电压U2之间时，电池单元已经不能向负载供电，此时断开负载；然后电池单元以小电流放电，通过电压变换器给辅助储能装置充电，直到电池单元电压低到第一电压U1或者辅助储能装置电压达到第三电压U3时停止充电；接着，辅助储能装置响应应急供电指令给负载供电，直到辅助储能装置的电压小于第二电压U2。

如上所述的电池单元低电压应急供电方法，其特征在于，控制电路的控制步骤如下：

S001：延时1mS—1000mS，随后进入S002；

S002：采样主开关的输入电压然后进入S003，当连接电池单元时，主开关的输入电压就是电池单元的电压；

S003：判断主开关的输入电压是否大于等于第二电压U2，若是进入S004，若否进入S005；

S004：接通主开关，随后进入S006；

S005：断开主开关，随后进入S007；

S006：采样辅开关的输入电压，然后进入S008；

S007：判断主开关的输入电压是否大于等于第一电压U1，若是进入S009，若否进入S010；

S008：判断辅开关的输入电压是否大于等于第三电压U3，若是进入S014，若否进入S012；

S009：启动变换器，随后进入S011；

S010：停止变换器，随后进入S011；

S011：采样辅开关的输入电压，随后进入S014；

S012：启动变换器，随后进入S001；

S013：断开变换器，随后进入S001；

S014：判断辅开关的输入电压是否大于等于第三电压U3，若是进入S017，若否进入S015；

S015：判断辅开关的输入电压是否小于第二电压U2，若是进入S016，若否进入S001；

S016：断开辅开关，随后进入S001；

S017：接通辅开关，随后进入S001。

本发明的有益效果为：本发明提供的电池单元低电压应急供电电路和应急供电方法，当负载电路因为电池单元电压过低已经断电，本发明的电路和方法能利用电池单元剩下的微弱电量，为设备应急供电。

附图说明

图1是本发明的电池单元低电压应急供电电路的电路原理图。

图2是控制电路7的控制流程图。

图3是实施例一的变换器4的工作原理图。

图4是实施例二的电池单元低电压应急供电电路的电路原理图。

图5是实施例二的变换器4的工作原理图。

图6是实施例三的变换器4的工作原理图。

图7是实施例四的变换器4的工作原理图。

附图中的符号说明：1负载、2电池单元、3辅助储能装置、4变换器、5主开关、6辅开关、7控制电路、10升降压PWM控制电路、20单端反激PWM控制电路、30电流型半桥PWM控制电路、40电流型全桥PWM控制电路。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

如图1所示，一种电池单元低电压应急供电电路，包括负载1、电池单元2、辅助储能装置3、变换器4、主开关5、辅开关6、控制电路7。

电池单元2，可以是蓄电池单体或由蓄电池单体串联而成的蓄电池组，可以是一次性电池或可充电电池。

辅助储能装置3，可以是蓄电池单体或由蓄电池单体串联并联而成，或者是超级电容或由超级电容串联并联而成。

主开关5、辅开关6，可以是继电器或MOS电子开关。主开关5、辅开关6均由控制电路7控制通断。

电池单元2，既通过主开关5给负载1供电，也通过变换器4给辅助储能装置3充电。辅助储能装置3可以通过辅开关6给负载1供电。主开关5和辅开关6可以同时断开或者有一个接通，但是主开关5和辅开关6不会同时接通。

控制电路7第一输入端连接主开关5的输入，采样电池单元2的输出电压，第二输入端连接辅开关6的输入，采样辅助储能装置3的输出电压；控制电路第一输出端连接主开关5，控制主开关5的接通和断开；控制电路第二输出端连接辅开关6，控制辅开关6的接通和断开。

变换器4是输入电流稳流型变换器，能稳定输入电流，同时可以调节输入电流的大小。变换器4输出电压相对于其输入电压，既能升压也能降压。采用boost变换器和buck变换器级联，或者采用单端反激变换器，或者采用变压器隔离的电流型桥式变换器。控制电路7能控制变换器4的启动和停止。

辅助储能装置3使用辅蓄电池时，该蓄电池容量的选择方法是：电池单元2给辅蓄电池充电，电池单元2电压U2降至U1时，能使辅蓄电池电压从第二电压U2升到第三电压U3至少一次。

辅助储能装置3的该蓄电池的放电倍率是蓄电池的放电电流与蓄电池的容量的比率。电池单元2和辅助储能装置3的该蓄电池对同样的负载进行放电，其放电电流相同。若辅蓄电池电池容量是电池单元容量的1/K，那么辅蓄电池的所需要的放电倍率就是电池单元2放电倍率的K倍，而辅助储能装置3的该蓄电池带同样的负载的使用时间是电池单元2使用时间的1/K。

辅助储能装置3所使用的蓄电池电池容量是电池单元2容量的容量二十分之一到四分之一。

辅助储能装置3使用超级电容时，辅助储能装置3的该超级电容容量的选择方法是：电池单元2给超级电容充电，电池单元2电压从第二电压U2降至第一电压U1时，能使超级电容电压从第二电压U2升到第三电压U3至少一次。

辅助储能装置3可以是和电池单元2一起在设备内部，也就是内置；也可以在设备外部，由接口接入，也就是外置。

本发明提供的一种电池单元低电压应急供电方法，该方法的特征是，电池单元2外再增加一个辅助储能装置3，当电池单元2的电压在第一电压U1至第二电压U2之间时，电池单元2已经不能向负载供电，此时断开负载；然后电池单元2以小电流放电，通过电压变换器4给辅助储能装置3充电，直到电池单元2电压低到第一电压U1或者辅助储能装置3电压达到第三电压U3时停止充电；接着，辅助储能装置3响应应急供电指令给负载供电，直到辅助储能装置3的电压小于第二电压U2。

控制电路7的控制流程图如图2，其控制步骤如下：

S001：延时1mS—1000mS，随后进入S002；

S002：采样主开关5的输入电压然后进入S003，当连接电池单元2时，主开关5的输入电压就是电池单元2的电压；

S003：判断主开关5的输入电压是否大于等于第二电压U2，若是进入S004，若否进入S005；

S004：接通主开关5，随后进入S006；

S005：断开主开关5，随后进入S007；

S006：采样辅开关6的输入电压，然后进入S008；

S007：判断主开关5的输入电压是否大于等于第一电压U1，若是进入S009，若否进入S010；

S008：判断辅开关6的输入电压是否大于等于第三电压U3，若是进入S014，若否进入S012；

S009：启动变换器4，随后进入S011；

S010：停止变换器4，随后进入S011；

S011：采样辅开关6的输入电压，随后进入S014；

S012：启动变换器4，随后进入S001；

S013：断开变换器4，随后进入S001；

S014：判断辅开关6的输入电压是否大于等于第三电压U3，若是进入S017，若否进入S015；

S015：判断辅开关6的输入电压是否小于第二电压U2，若是进入S016，若否进入S001；

S016：断开辅开关6，随后进入S001；

S017：接通辅开关6，随后进入S001。

实施例一

以手机充电电池为例，手机电池单元采用一个锂电池单体。手机电池单元低电压应急供电电路中的变换器4原理示意图如图3。

电池单元2的输出，通过R11对电池单元2放电电流采样，采样值输入到升降压PWM控制电路10，升降压PWM控制电路10通过控制后面的升压变换器和降压变换器来控制电池单元2放电电流的大小。由C11、L11、T11、D1、C12组成升压变换器，T12、D12、L12、C13组成降压变换器。在电池单元2电压低于辅助储能装置3电压时升压变换器工作降压变换器中的T12恒定导通。电池单元2等于或高于于辅助储能装置3电压时升压变换器中的T11恒定关断，降压变换器工作。升降压PWM控制电路10通过调节升压变换器或降压变换器的占空比，控制电池单元2输出电流的大小。控制电路7能通过升降压PWM控制电路10从而控制变换器4的启动或停止。

假设手机电池单元2使用3000mAh锂电池单体，辅助储能装置3采用辅蓄电池，辅蓄电池使用容量100mAh放电倍率大于5C的锂电池单体，手机打电话时所需最大负载电流为500mA。若电池单元2电压小于3V时手机断电，手机应要求响应应急模式，变换器4启动。电池单元2以100mA对辅蓄电池充电，辅蓄电池从3V开始充电20分钟。模拟恒定500mA负载，变换器4充电时间20分钟，充电时电池单元2恒定输出电流100mA，实验数据如表2所示。

表2手机蓄电池低电压应急供电电路工作参数实验数据表

手机使用本发明的电池单元低电压应急供电电路，能在电池单元亏电不能工作的情况下，由电池单元小电流给辅蓄电池充电，然后由辅蓄电池来应急供电。

实施例二

笔记本、便携式仪器，电池单元2采用多个蓄电池单体串联，其电池单元低电压应急供电电路示意图如图4，主开关5演变为开关51和开关52。辅助储能装置3、变换器4、控制电路7、辅开关6可以作为一个整体，采用外接方式接在笔记本、便携仪器上。外接的接插件就是开关51和开关52。没有外接的时候，开关51接通，开关52断开；有外接的时候，开关51断开，开关52接通。

笔记本、便携式仪器的电池单元低电压应急供电电路中的变换器4示意图如图5。

电池单元2的输出，通过R21对电池单元2放电电流采样，采样值输入到单端反激PWM控制电路20，单端反激PWM控制电路20通过控制T21的占空比来控制电池单元2放电电流的大小。由B21、T21、D21、C21组成单端反激变换器主电路。该电路既能升压也能降压。单端反激PWM控制电路20通过调节控制T21的占空比，控制电池单元输出电流的大小。控制电路7能通过单端反激PWM控制电路20从而控制变换器的启动或停止。

笔记本，便携式仪器，平均负载电流下使用时间为四小时，选用辅蓄电池容量是电池单元容量的八分之一。

当电池单元低电压停止给负载供电后。电池单元以五分之一平均负载电流给辅蓄电池充电四小时后，辅蓄电池以平均负载电流可以工作半小时。

笔记本、便携式仪器仪表使用本发明的电池单元低电压应急供电电路，能在电池单元亏电不能工作的情况下，由电池单元小电流给辅蓄电池充电，然后由辅蓄电池来应急供电。

实施例三

汽车上起动应用时，电池单元2使用6个铅酸蓄电池单体串联成12V，辅助储能装置3选用辅蓄电池选用3串锂电池单体，标称电压11.1V，负载是汽车起动电机；或者辅助储能装置3选用超级电容。

汽车点火时放电电流为到几百安培。如电池单元2为12V60AH铅酸蓄电池，正常情况下汽车起动时电池单元2放电倍率为5C即放电电流为300A。若电池单元2电压过低后不能起动汽车时，首先是用电池单元2剩余电量给辅助储能装置充电，等到辅助储能装置3电压和电池单元电压相等时，将辅助储能装置3和电池单元2并联起来，起动汽车。此时启动电流由电池单元和辅助储能装置联合提供。

辅助储能装置3采用蓄电池，由于辅蓄电池和电池单元2带同样的负载，若辅蓄电池电池容量是电池单元电池容量1/N倍，辅蓄电池放电倍率就应该是电池单元2放电倍率的N倍。电池单元2为12V60AH铅酸蓄电池，即最大放电电流为320A，所以辅蓄电池选用11.1V8AH锂电池，其放电倍率40C。

辅助储能装置3采用超级电容时，需要选择合适的超级电容容量的大小。如果汽车起动电流320A，起动时间3S，超级电容允许下降电压2V，通过计算，超级电容的容量为480法拉。电容容量计算公式如下：

电容容量=起动电流X起动时间÷超级电容允许下降电压

汽车起动电池单元低电压应急供电电路中变换器4示意图如图6。

电池单元2的输出，通过霍尔电流传感器HL31对电池单元2放电电流采样，采样值输入到电流型半桥PWM控制电路30，电流型半桥PWM控制电路30通过控制T31、T32的占空比来控制电池单元2放电电流的大小。由T31、T32、L31、L32、B31、D31、D31组成电流型半桥变换器主电路。该电路既能升压也能降压。电流型半桥PWM控制电路30通过调节控制T31、T32的占空比，控制电池单元输出电流的大小。控制电路7能通过电流型半桥PWM控制电路30从而控制变换器的启动或停止。

汽车上电池单元应急供电电路的好处是，能在电池单元亏电不能点火起动的情况下，利用电池单元中剩余的电能，由电池单元给辅助储能装置充电，然后由辅助储能装置点火起动。

实施例四

电动车辆电池单元由108个锂电池单体串联而成，标称电压为400V，容量是100Ah。负载最大功率40KW，最大放电电流100A，行驶里程400Km。其U2值范围是，当电池单元电压低于U2时，电动汽车停止行驶。

电动汽车的辅助储能装置采用辅蓄电池。辅蓄电池使用容量400V10Ah放电倍率10C锂电池，使用本发明的电动车辆蓄电池低电压应急供电电路后，电池单元开始以20A电流向辅蓄电池充电40分钟可以充满，辅蓄电池放电电流100A下可以驱动电动车辆运行，理论上使用辅蓄电池动动车辆的行驶时间为8分钟，行驶距离约15公里。

辅助储能装置或者使用600F的超级电容，在电池单元停止驱动电动车辆后，电池单元开始以20A电流向超级电容充电40分钟可以，超级电容电压上升80V，超级电容放电电流100A下可以驱动电动车辆运行，理论上使用超级电容驱动动车辆的行驶时间为8分钟，行驶距离约15公里。

辅助储能装置也可以采用超级电容。需要选择合适的超级电容容量的大小。如果上述电动汽车平均功率30kw运行480秒，超级电容允许电压变化范围是从400V降至320V，超级电容的容量为500法拉。根据能量守恒，电容容量计算公式如下：

电容容量=电动汽车功率X运行时间÷[0.5X（4002-3202）]超级电容允许下降电压

电动车辆蓄电池低电压应急供电电路中的变换器，功率达到8KW，采用电流源型变压器隔离半桥变换器。该变换器既可以升压也可以降压，其输入输出电气隔离。

电动车辆电池单元低电压应急供电电路中变换器示意图如图7。

电池单元2的输出，通过霍尔电流传感器HL31对电池单元2放电电流采样，采样值输入到电流型全桥PWM控制电路40，电流型全桥PWM控制电路40通过控制T41、T42、T43、T44的占空比来控制电池单元2放电电流的大小。由T41、T42、T43、T44、L41、B41、整流ZL41组成电流型全桥变换器主电路。该电路既能升压也能降压。电流型全桥PWM控制电路40通过调节控制T41、T42、T43、T44的占空比，控制电池单元输出电流的大小。控制电路7能通过电流型全桥PWM控制电路40从而控制变换器的启动或停止。

电动车辆上使用本发明的电池单元低电压应急供电电路的好处是，能在电动车辆电池单元亏电不能驱动车辆的情况下，由电池单元小电流给辅助储能装置充电，然后由辅助储能装置来驱动电动车辆，行驶到附近的充电站。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。