宽温型磷酸铁锂电池组保护电路设计研究

王伟，于浩，刘庆新

（沈阳铁道科学技术研究所有限公司，辽宁 沈阳 110000）

近年来，锂电池技术发展迅猛，并因其寿命长、容量大、重量轻、环保等优点而迅速获得了广泛应用。然而，一般磷酸铁锂电池充电温度范围为0～45℃，放电温度范围为-40～60℃。由此可知温度对锂电池的影响举足轻重。

电池的容量、内阻、充放电特性均随着温度的改变而改变，温度过高或过低都会严重影响电池的性能和使用寿命。因此，为了提高磷酸铁锂电池的温度适应性和稳定性，设计一款智能充放电的磷酸铁锂电池组保护电路至关重要。

1 宽温磷酸铁锂电池组保护电路总体方案设计

磷酸铁锂动力电池的基准电压为3.2V，为满足使用需求，须将多节电池串联以达到所需求的电压，而同一批电芯在做成之后，它们的容量和内阻都存在差导，对于多个磷酸铁锂电池串在一起组成的电池组时，需对该电池组的每节电池进行充放电过程监控。

本设计研究的新型磷酸铁锂电池组保护电路具有防止电池过充、过放、过流、短路等功能，保证电池组在较高的输入电压、超高温的工作环境下安全工作；同时采用微加热控制技术有效解决电池组在外界极端低温环境下的安全有效的运行。

图1 系统框图

2 宽温磷酸铁锂电池组保护电路设计

2.1 保护电路原理图

本设计的磷酸铁锂电池保护电路以SH367003XBAAOO芯片为电池管理芯片，其中4节磷酸铁锂池BT1～BT4串联后，磷酸铁锂池BT4的正极连接到磷酸铁锂电池管理芯片的15脚为磷酸铁锂电池管理芯片提供电源正极；第1节电池负极通过电阻R4接到芯片7脚VSS为芯片提供电源负极。电阻R9、R11、R8和R3一端分别接芯片15脚VC1、14脚VC2、13脚VC3和12脚VC4,另一端分别接12.8V(第4节电池正极)、9.6V(第3节电池正极、第4节电池负极)、6.4V(第2节电池正极，第3节电池极极)和3.2V(第1节电池正极)，电气原理如图2所示。

图2 电气原理图

2.2 过充保护

当正常充电时，由芯片1脚COP和电阻R14给MOS管Q1提供导通电压，则正常充电。当充电快完成时，芯片若检测到某单节电池（图2中BT1,BT2,BT3,BT4）电压超过3.75V，芯片内部对检测到的信号处理后，会通过芯片1脚COP来控制MOSFET管Q1，使其关闭，从而关闭充电回路，保护电池不被过充。

2.3 过放保护

在放电时，若芯片检测到某单节电池电压低于2.0V，芯片内部对检测到的信号处理后，通过芯片3脚DOP来控制MOSFET管Q2使其关闭，从而关闭放电回路，保护电池不被过放。

2.4 短路、过流保护

当外部短路或用电器的电流过大超过设定值时，则电阻R01，R02的电压降升高，通过电阻R15送到芯片4脚VINI与芯片内部基准值比较，高于基准值，芯片通过3脚DOP控制MOSFETQ2关闭输出，同时若MOSFET管Q1,Q2流过的电流过大，管压降(芯片2脚和16脚之间的电压)超出芯片的设定值，芯片通过3脚控制MOSFETQ2关闭输出，双重保护了功率管和电池，不被短路的大电流损坏元器件和电池。电容C1,C2,C3,C4,一端分别接在芯片15脚VC1，14脚VC2，13脚VC3，12脚VC4，电容的另一端接在第4节电池正极，能有效防止电压微抖，增强抗干扰能力。

2.5 高温保护

当环境温度高于75℃时，热保护器KT迅速断开，做到及时断开电池的充放电回路，保证电池不在高温环境下工作。

2.6 延时时间设定

通过改变连接芯片6脚CCT的电容C6的大小，改变过充电延时时间。

通过改变连接芯片5脚CDT的电容C7的大小，改变电容的大小可改变过放电延时时间。

3 宽温磷酸铁锂电池组智能加热控制电路设计

3.1 智能加热控制电路设计方案

为了提高磷酸铁锂电池的温度适应性，我们使用低温型磷酸铁锂电池。低温锂电池即低温适应性强的锂电池，在-40℃环境下0.2C放电，容量大于80%初始容量，-30℃环境下0.2C放电，容量大于90%初始容量，-40℃环境下0.5C放电，容量大于70%的初始容量。而充电温度范围为0～75℃。当温度低于0℃时，包裹在电池组四周的碳纤维加热片和工作指示灯工作，此时充电回路断开。当温度升高至0℃时，充电回路连通。当温度升高至7℃时，碳纤维加热片和工作指示灯回路断开，充电回路仍连通，实现低温保护功能。

3.2 智能加热控制电路原理

智能加热控制电路原理如图3所示。V+接电池组保护电路输出正极（图2中P+），V-接电池组保护电路输出负极（图2中P-），则电池组为芯片HT7580（U12脚）供电，RT1为热传感器（外置在磷酸铁锂电池组表面），HT7050（U2）的2脚为供电端由U1输出后R8、R13、RT1分压后提供电源。HT7050（U2，2脚）检测到热传感器的温度变化，当磷酸铁锂电池组表面温度小于0℃时，通过1脚输出控制导通Q1、Q3，当磷酸铁锂电池组表面温度大于7℃时，通过1脚输出控制关闭Q1、Q3，从而使电池组在合适的温度下工作，HT7050（U3）的2脚为供电端由R1、W1、R14分压后提供，HT7050（U32脚）检测电池电压，当电池电压在设定范围内时，控制Q2、Q4开关管的通断，给电池组提供加热（JR+，JR-接碳纤维加热片），加热时LED灯D1点亮。

图3 微加热控制原理图

4 结语

宽温型磷酸铁锂电池组保护电路是磷酸铁锂电池组的一个重要保护部分，不仅防止电池组过充、过放、过热和过流，而且可以使其有效的在高温、低温环境下安全有效地运行，从而最大限度地延长电池的使用寿命，保证了动力电池的充放电过程的安全高效性。本设计的磷酸铁锂电池保护电路的实用性极强，改善了电池组的安全性能和温度适应性，提高了电池组的循环寿命。该设计的高温保护和低温保护的保护电路不在一个模块内，器件布局还有待提高，电路设计还有进一步优化的空间。