串联磷酸铁锂电池组保护电路设计孙起山;张存山;王胜博;张淑敏【摘要】On the basis of the safety studies of the LiFePO4 battery,We analyzed the importance of the overcurrent, overvoltage and short circuit protection, and designed a new protection circuit of series of the LiFePO4 battery. The MOSFET switches is used in the protection circuit, according to the battery voltage changes over the MOSFET and the protection of overcurrent is designed in the circuit. The physical experiments verify that the protection circuit can make an action in 20ms to protect the battery pack. We also designed a charge balancing module to improve the performance of the battery and extend the battery life.%设计出了一种新型的串联锂离子电池组保护电路．该保护电路采用MOSFET开关，根据过流时电池组MOSFET电压的变化来设计过流保护电路，并通过实物验证了该保护电路能够在20ms动作，从而保护了电池组和改善了电池的性能，延长了电池的寿命．【期刊名称】《山东理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(026)004【总页数】4页(P87-90)【关键词】磷酸铁锂电池组;保护电路;短路保护;电池均衡【作者】孙起山;张存山;王胜博;张淑敏【作者单位】山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255091;山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255091;山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255091;山东理工大学电气与电子工程学院,山东淄博255091【正文语种】中文【中图分类】TM910.6“十二五”专项规划提到，2015年中国电动汽车保有量计划达到100万辆，动力电池产能约达100亿瓦时.研究锂电池及其管理具有重大意义.目前世界各国的动力电池产业规模均未真正形成，产品质量特性尚不稳定，磷酸铁锂电池的发展方向是低成本、高功率密度、高效率和高可靠性.制约锂电池应用的主要因素为锂电池的循环性能和安全性能，必须对锂电池增加保护电路来提高其性能，锂电池保护均衡电路的研究已经成为热点.1 磷酸铁锂电池组保护电路系统设计磷酸铁锂电池由于具有高比能量、高比功率、高安全性、长寿命、高性价比以及很宽的工作温度范围等优点［1］，已成为新能源汽车的新型动力电源.笔者研究的动力电池包容量为8A·h，由12个电池单体串联组成，本设计研究的磷酸铁锂电池保护电路主要功能是:（1）精确地监测电池组单体模块电压，防止出现过压过流等现象；（2）通过检测电池工作状态温度，对电池进行温度保护；（3）通过检测电池单体电压在电池组充电过程中均衡电池组中的各个单体电池，以弥补电池在使用过程中出现的性能不一致性，使各个电池都发挥出最优性能，最大限度延长整个电池组的寿命［2］.1.1 电路系统的硬件设计动力性锂电池组是多节相同的单体电池并联后再串联组成大电压大电流锂电池组.图1为本设计采用的12串锂电池基本保护原理硬件框图.如图所示，每一个单体电池的检测控制电路都是相同的针对串联电池组的保护设计和单节锂电池保护类似，但是必须要突出可扩展拓扑性，以此来解决各种电动装置能量的匹配［3］.图1 12串锂电池基本保护原理硬件框图1.2 主控磷酸铁锂电池保护芯片HY2112是由台湾宏康科技公司生产的一款锂离子电池保护芯片，基于HY2112的单节锂电池保护电路如图2所示.图2 基于HY2112锂电池保护电路原理图HY2112的外部封装管脚说明见表1.通过表1可以看出，此电池保护芯片仅为单电池保护芯片，此芯片集成了电压检测电路、电流检测电路以及测试电路，是一款功能全面的电池保护芯片，可根据级联需要自由选择芯片的拓扑结构.HY2112持续侦测连接在VDD和VSS之间的电池电压，以及CS与VSS之间的电压差，来控制充电和放电.表1 HY2112外部封装、脚位及标记信息功能表管脚符号说明1OD放电控制用MOSFET 门极连接端子2CS过电流检测输入端子，充电器检测端子3OC充电控制用MOSFET门极连接端子4DS测试端子，用于降低延迟时间5VDD电源端，正电源输入端子6VSS接地端，负电源输入端子当电池电压在过放电检测电压VDL＝1.95V以上和过充电检测电压VCU＝3.75V以下，且CS端子电压在放电过流检测电压VDIP＝200mV以下时，IC的OC和OD端子都输出高电平，使充电控制用MOSFET和放电控制用MOSFET同时导通，这个状态称为“正常工作状态”.此状态下，充电和放电都可以自由进行.一旦电池电压超出过充电检测电压（VCU＝3.75V），并且这种状态持续的时间超过过充电检测延迟时间100ms以上时，HY2112系列IC会关闭充电控制用的MOSFET（OC端子），停止充电，这个状态称为“过充电状态”.电池在放电过程中，当电池电压降低到过放电检测电压以下.并且这种状态持续的时间超出过放电检测延迟时间25ms以上时，HY2112系列IC会关闭放电控制用的MOSFET（OD端子）.停止放电，这个状态称为“过放电状态”.由于锂离子电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过2C （电池容量／小时），当电池超过2C电流放电时，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题.电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联2个MOSFET 时，由于MOSFET的导通阻抗，会在其两端产生一个电压U［4］:RDS为单个MOSFET导通阻抗.两个MOSFET同时导通时导通阻抗RDS不超过15mΩ.由此可以得到过电流时的电压U，进而可以进行过电流保护.1.3 均衡充电电路原理与硬件电路设计如图3所示，在电池组充电阶段，通过开关将那些己完全充满的单体电池的旁路电阻接通进行分流.通过计算分流电流的大小来合理的选择旁路电阻R的大小.旁路电阻R要刚好能把充电电流分流掉.如果充电电流较小，那么旁路电阻会把电池单体的能量泄放一部分.这种均衡电路工作在充电期间，可对电压偏高者进行分流，最终使所有电池达到满容量，实现均衡的目的［5］.由于总电池组放电再对单体电池进行放电并没有起到延长电池组放电时间和增加对外供电的能力，因此在放电阶段均流电阻开关不闭合，均流电阻不工作，此时没有均衡策略.这种方法设计的均衡电路是所有均衡方法中最简单的，成本也最低.图3 开关控制均流电阻均衡充电电路均流电阻均衡拓扑电路的工作原理如图4所示，均衡信号由三路2通道模拟多路选择器74HC4053D传递.图4 均流电阻均衡充电电路的均衡模块拓扑电路示意图1.4 均流电阻均衡方式MATLAB仿真波形根据均流原理在MATLAB建仿真模型，由于此均衡电路为拓扑结构，为了加快仿真的速度，模型仅为4块单体电池串联（电池模型采用的是MATLAB自带的电池模型），均衡电路模型如图5所示.在仿真过程中为了达到均衡的条件，电压设置为4V（过压），其他三块电池电压为3V（过放），均衡电路开始工作，第一块电池将会打开均流电阻放电.其他三块电池将会继续充电MATLAB仿，真得到四块电池电压如图6所示，流电阻两端电压如图7所示.图5 均衡电路MATLAB仿真模型图6 MATLAB仿真四块电池电压从图6可以看出，第一块电池电压从4.0V一直下降，表明是一个充电过程，而其他三块电池的电压一直上升，表明是均衡装置起作用.而图7中第一块电池均流电阻电压有接近于0V的脉冲，因此可以看做均流电阻此时没有工作，其他三块单体电池的均流电阻电压相应增加，而当R1上有电流流过时，R1工作，降低电池B1上的电压，表明当均流电阻不工作时均衡的电池电压上升从而达到电压一致.MATLAB仿真得出当充电将要完成时，四块电池电压基本相同，证明均衡电路工作有效.2 实验结果与分析磷酸铁锂电池保护电路与实验所用的电池组照片如图8所示.图7 MATLAB电路仿真均流电阻电压波形图8 磷酸铁锂电池组与实验电路板通过实验验证该系统保护性能与均衡性能的试验步骤如下:（1）将单体电池断开，升高降低此单体电池两端处电压到阀值电压（3.75V与1.95V）检测保护电路的过压欠压保护性能.如图9和图10所示.图9 过放保护实验波形图（2）先将单体电池补充电500mA·h使该电池电量大于其他电池、电池组不平衡. 图10 电池充电保护电压波形（3）启动均衡控制，检测最终充满时均衡策略是否打开，打开是否有效.试验结果表明，该系统可以有效地防止单体电池过充放，保持各个单体电池之间的电压误差在20mV之内，容量误差在5%以内.3 结束语保护均衡电路是磷酸铁锂电池的一个重要保护部分，它不仅防止了单体电池过充和过放，而且均衡了电池的充放电电流.均衡充电模块还有效地使各单体电池的能量趋于一致，从而最大限度地延长电池的使用寿命，保证了动力电池充放电过程的安全高效性.本设计的磷酸铁锂电池保护板电路性能可靠，实用性极强，改善了电池组的安全性能，提高了电池组的循环寿命.该均衡模块对单体电池的能量转移属于耗散型均衡方式，效率还有待提高，均衡的功能还有进一步优化的空间.参考文献:【相关文献】［1］蒋新华.锂离子电池组管理系统研究［D］.上海:中国科学院微系统与信息技术研究所，2007. ［2］比亚迪股份有限公司.用于驱动电动车的锂二次电池组的充放电管理装置:中国，2249592.4［Z］.2004－01－14.［3］雷娟，蒋新华，解晶莹.锂离子电池组均衡电路的发展现状［J］.电池，2007，37（1）:23－24［4］刘有兵，齐铂金，宫学庚.电动汽车动力电池均衡充电的研究［J］.电源技术，2004，28（10）:649－651.［5］熊志伟.混合动力城市客车动力系统研究［D］.武汉:武汉理工大学，2004.。