寬溫型磷酸鐵鋰電池組保護(hù)電路設(shè)計(jì)研究

王偉，于浩，劉慶新

（沈陽(yáng)鐵道科學(xué)技術(shù)研究所有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

近年來(lái)，鋰電池技術(shù)發(fā)展迅猛，并因其壽命長(zhǎng)、容量大、重量輕、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而迅速獲得了廣泛應(yīng)用。然而，一般磷酸鐵鋰電池充電溫度范圍為0～45℃，放電溫度范圍為-40～60℃。由此可知溫度對(duì)鋰電池的影響舉足輕重。

電池的容量、內(nèi)阻、充放電特性均隨著溫度的改變而改變，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)嚴(yán)重影響電池的性能和使用壽命。因此，為了提高磷酸鐵鋰電池的溫度適應(yīng)性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)一款智能充放電的磷酸鐵鋰電池組保護(hù)電路至關(guān)重要。

1 寬溫磷酸鐵鋰電池組保護(hù)電路總體方案設(shè)計(jì)

磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的基準(zhǔn)電壓為3.2V，為滿足使用需求，須將多節(jié)電池串聯(lián)以達(dá)到所需求的電壓，而同一批電芯在做成之后，它們的容量和內(nèi)阻都存在差導(dǎo)，對(duì)于多個(gè)磷酸鐵鋰電池串在一起組成的電池組時(shí)，需對(duì)該電池組的每節(jié)電池進(jìn)行充放電過(guò)程監(jiān)控。

本設(shè)計(jì)研究的新型磷酸鐵鋰電池組保護(hù)電路具有防止電池過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路等功能，保證電池組在較高的輸入電壓、超高溫的工作環(huán)境下安全工作；同時(shí)采用微加熱控制技術(shù)有效解決電池組在外界極端低溫環(huán)境下的安全有效的運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 寬溫磷酸鐵鋰電池組保護(hù)電路設(shè)計(jì)

2.1 保護(hù)電路原理圖

本設(shè)計(jì)的磷酸鐵鋰電池保護(hù)電路以SH367003XBAAOO芯片為電池管理芯片，其中4節(jié)磷酸鐵鋰池BT1～BT4串聯(lián)后，磷酸鐵鋰池BT4的正極連接到磷酸鐵鋰電池管理芯片的15腳為磷酸鐵鋰電池管理芯片提供電源正極；第1節(jié)電池負(fù)極通過(guò)電阻R4接到芯片7腳VSS為芯片提供電源負(fù)極。電阻R9、R11、R8和R3一端分別接芯片15腳VC1、14腳VC2、13腳VC3和12腳VC4,另一端分別接12.8V(第4節(jié)電池正極)、9.6V(第3節(jié)電池正極、第4節(jié)電池負(fù)極)、6.4V(第2節(jié)電池正極，第3節(jié)電池極極)和3.2V(第1節(jié)電池正極)，電氣原理如圖2所示。

圖2 電氣原理圖

2.2 過(guò)充保護(hù)

當(dāng)正常充電時(shí)，由芯片1腳COP和電阻R14給MOS管Q1提供導(dǎo)通電壓，則正常充電。當(dāng)充電快完成時(shí)，芯片若檢測(cè)到某單節(jié)電池（圖2中BT1,BT2,BT3,BT4）電壓超過(guò)3.75V，芯片內(nèi)部對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)處理后，會(huì)通過(guò)芯片1腳COP來(lái)控制MOSFET管Q1，使其關(guān)閉，從而關(guān)閉充電回路，保護(hù)電池不被過(guò)充。

2.3 過(guò)放保護(hù)

在放電時(shí)，若芯片檢測(cè)到某單節(jié)電池電壓低于2.0V，芯片內(nèi)部對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)處理后，通過(guò)芯片3腳DOP來(lái)控制MOSFET管Q2使其關(guān)閉，從而關(guān)閉放電回路，保護(hù)電池不被過(guò)放。

2.4 短路、過(guò)流保護(hù)

當(dāng)外部短路或用電器的電流過(guò)大超過(guò)設(shè)定值時(shí)，則電阻R01，R02的電壓降升高，通過(guò)電阻R15送到芯片4腳VINI與芯片內(nèi)部基準(zhǔn)值比較，高于基準(zhǔn)值，芯片通過(guò)3腳DOP控制MOSFETQ2關(guān)閉輸出，同時(shí)若MOSFET管Q1,Q2流過(guò)的電流過(guò)大，管壓降(芯片2腳和16腳之間的電壓)超出芯片的設(shè)定值，芯片通過(guò)3腳控制MOSFETQ2關(guān)閉輸出，雙重保護(hù)了功率管和電池，不被短路的大電流損壞元器件和電池。電容C1,C2,C3,C4,一端分別接在芯片15腳VC1，14腳VC2，13腳VC3，12腳VC4，電容的另一端接在第4節(jié)電池正極，能有效防止電壓微抖，增強(qiáng)抗干擾能力。

2.5 高溫保護(hù)

當(dāng)環(huán)境溫度高于75℃時(shí)，熱保護(hù)器KT迅速斷開(kāi)，做到及時(shí)斷開(kāi)電池的充放電回路，保證電池不在高溫環(huán)境下工作。

2.6 延時(shí)時(shí)間設(shè)定

通過(guò)改變連接芯片6腳CCT的電容C6的大小，改變過(guò)充電延時(shí)時(shí)間。

通過(guò)改變連接芯片5腳CDT的電容C7的大小，改變電容的大小可改變過(guò)放電延時(shí)時(shí)間。

3 寬溫磷酸鐵鋰電池組智能加熱控制電路設(shè)計(jì)

3.1 智能加熱控制電路設(shè)計(jì)方案

為了提高磷酸鐵鋰電池的溫度適應(yīng)性，我們使用低溫型磷酸鐵鋰電池。低溫鋰電池即低溫適應(yīng)性強(qiáng)的鋰電池，在-40℃環(huán)境下0.2C放電，容量大于80%初始容量，-30℃環(huán)境下0.2C放電，容量大于90%初始容量，-40℃環(huán)境下0.5C放電，容量大于70%的初始容量。而充電溫度范圍為0～75℃。當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，包裹在電池組四周的碳纖維加熱片和工作指示燈工作，此時(shí)充電回路斷開(kāi)。當(dāng)溫度升高至0℃時(shí)，充電回路連通。當(dāng)溫度升高至7℃時(shí)，碳纖維加熱片和工作指示燈回路斷開(kāi)，充電回路仍連通，實(shí)現(xiàn)低溫保護(hù)功能。

3.2 智能加熱控制電路原理

智能加熱控制電路原理如圖3所示。V+接電池組保護(hù)電路輸出正極（圖2中P+），V-接電池組保護(hù)電路輸出負(fù)極（圖2中P-），則電池組為芯片HT7580（U12腳）供電，RT1為熱傳感器（外置在磷酸鐵鋰電池組表面），HT7050（U2）的2腳為供電端由U1輸出后R8、R13、RT1分壓后提供電源。HT7050（U2，2腳）檢測(cè)到熱傳感器的溫度變化，當(dāng)磷酸鐵鋰電池組表面溫度小于0℃時(shí)，通過(guò)1腳輸出控制導(dǎo)通Q1、Q3，當(dāng)磷酸鐵鋰電池組表面溫度大于7℃時(shí)，通過(guò)1腳輸出控制關(guān)閉Q1、Q3，從而使電池組在合適的溫度下工作，HT7050（U3）的2腳為供電端由R1、W1、R14分壓后提供，HT7050（U32腳）檢測(cè)電池電壓，當(dāng)電池電壓在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，控制Q2、Q4開(kāi)關(guān)管的通斷，給電池組提供加熱（JR+，JR-接碳纖維加熱片），加熱時(shí)LED燈D1點(diǎn)亮。

圖3 微加熱控制原理圖

4 結(jié)語(yǔ)

寬溫型磷酸鐵鋰電池組保護(hù)電路是磷酸鐵鋰電池組的一個(gè)重要保護(hù)部分，不僅防止電池組過(guò)充、過(guò)放、過(guò)熱和過(guò)流，而且可以使其有效的在高溫、低溫環(huán)境下安全有效地運(yùn)行，從而最大限度地延長(zhǎng)電池的使用壽命，保證了動(dòng)力電池的充放電過(guò)程的安全高效性。本設(shè)計(jì)的磷酸鐵鋰電池保護(hù)電路的實(shí)用性極強(qiáng)，改善了電池組的安全性能和溫度適應(yīng)性，提高了電池組的循環(huán)壽命。該設(shè)計(jì)的高溫保護(hù)和低溫保護(hù)的保護(hù)電路不在一個(gè)模塊內(nèi)，器件布局還有待提高，電路設(shè)計(jì)還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。