寬溫型磷酸鐵鋰電池組保護電路設計研究

王偉，于浩，劉慶新

（沈陽鐵道科學技術研究所有限公司，遼寧 沈陽 110000）

近年來，鋰電池技術發(fā)展迅猛，并因其壽命長、容量大、重量輕、環(huán)保等優(yōu)點而迅速獲得了廣泛應用。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℃。由此可知溫度對鋰電池的影響舉足輕重。

電池的容量、內阻、充放電特性均隨著溫度的改變而改變，溫度過高或過低都會嚴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性和穩(wěn)定性，設計一款智能充放電的磷酸鐵鋰電池組保護電路至關重要。

1 寬溫磷酸鐵鋰電池組保護電路總體方案設計

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

本設計研究的新型磷酸鐵鋰電池組保護電路具有防止電池過充、過放、過流、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；同時采用微加熱控制技術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行。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 寬溫磷酸鐵鋰電池組保護電路設計

2.1 保護電路原理圖

本設計的磷酸鐵鋰電池保護電路以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)電池負極通過電阻R4接到芯片7腳VSS為芯片提供電源負極。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 過充保護

當正常充電時，由芯片1腳COP和電阻R14給MOS管Q1提供導通電壓，則正常充電。當充電快完成時，芯片若檢測到某單節(jié)電池（圖2中BT1,BT2,BT3,BT4）電壓超過3.75V，芯片內部對檢測到的信號處理后，會通過芯片1腳COP來控制MOSFET管Q1，使其關閉，從而關閉充電回路，保護電池不被過充。

2.3 過放保護

在放電時，若芯片檢測到某單節(jié)電池電壓低于2.0V，芯片內部對檢測到的信號處理后，通過芯片3腳DOP來控制MOSFET管Q2使其關閉，從而關閉放電回路，保護電池不被過放。

2.4 短路、過流保護

當外部短路或用電器的電流過大超過設定值時，則電阻R01，R02的電壓降升高，通過電阻R15送到芯片4腳VINI與芯片內部基準值比較，高于基準值，芯片通過3腳DOP控制MOSFETQ2關閉輸出，同時若MOSFET管Q1,Q2流過的電流過大，管壓降(芯片2腳和16腳之間的電壓)超出芯片的設定值，芯片通過3腳控制MOSFETQ2關閉輸出，雙重保護了功率管和電池，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，增強抗干擾能力。

2.5 高溫保護

當環(huán)境溫度高于75℃時，熱保護器KT迅速斷開，做到及時斷開電池的充放電回路，保證電池不在高溫環(huán)境下工作。

2.6 延時時間設定

通過改變連接芯片6腳CCT的電容C6的大小，改變過充電延時時間。

通過改變連接芯片5腳CDT的電容C7的大小，改變電容的大小可改變過放電延時時間。

3 寬溫磷酸鐵鋰電池組智能加熱控制電路設計

3.1 智能加熱控制電路設計方案

為了提高磷酸鐵鋰電池的溫度適應性，我們使用低溫型磷酸鐵鋰電池。低溫鋰電池即低溫適應性強的鋰電池，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℃。當溫度低于0℃時，包裹在電池組四周的碳纖維加熱片和工作指示燈工作，此時充電回路斷開。當溫度升高至0℃時，充電回路連通。當溫度升高至7℃時，碳纖維加熱片和工作指示燈回路斷開，充電回路仍連通，實現(xiàn)低溫保護功能。

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+接電池組保護電路輸出正極（圖2中P+），V-接電池組保護電路輸出負極（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）檢測到熱傳感器的溫度變化，當磷酸鐵鋰電池組表面溫度小于0℃時，通過1腳輸出控制導通Q1、Q3，當磷酸鐵鋰電池組表面溫度大于7℃時，通過1腳輸出控制關閉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）檢測電池電壓，當電池電壓在設定范圍內時，控制Q2、Q4開關管的通斷，給電池組提供加熱（JR+，JR-接碳纖維加熱片），加熱時LED燈D1點亮。

圖3 微加熱控制原理圖

4 結語

寬溫型磷酸鐵鋰電池組保護電路是磷酸鐵鋰電池組的一個重要保護部分，不僅防止電池組過充、過放、過熱和過流，而且可以使其有效的在高溫、低溫環(huán)境下安全有效地運行，從而最大限度地延長電池的使用壽命，保證了動力電池的充放電過程的安全高效性。本設計的磷酸鐵鋰電池保護電路的實用性極強，改善了電池組的安全性能和溫度適應性，提高了電池組的循環(huán)壽命。該設計的高溫保護和低溫保護的保護電路不在一個模塊內，器件布局還有待提高，電路設計還有進一步優(yōu)化的空間。