CN102214914B - 一种电动汽车用磷酸铁锂电池充放电保护电路 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车用磷酸铁锂电池充放电保护电路，连接在充电器的正负两直流电压输出端，其特征在于设有由第一接触器、第二接触器以及控制电路组成的电控机械开关，电控机械开关的控制电路的正负两控制输入端分别与所述磷酸铁锂电池的正负两端连接；第一接触器常闭触头和IGBT1组成第一并联连接组，第二接触器常闭触头和IGBT2组成第二并联连接组，IGBT1、IGBT2内置反向续流二极管；第一并联连接组和第二并联连接组串联连接组成组合保护开关。既保证充放电回路正常接通，又避免第一、二接触器常闭触头断开时产生拉弧。本发明的组合保护开关可以将过充电回路和过放电回路分开控制，特别适用对电动汽车用磷酸铁锂电池进行充放电保护。

Description

一种电动汽车用磷酸铁锂电池充放电保护电路

技术领域

本发明涉及电池充放电，特别是涉及一种电动汽车用磷酸铁锂电池充放电保护电路。

背景技术

现有电动汽车动力电池采用的磷酸铁锂电池，是用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，现有电池组的出口未设有电池保护电路。而是采用控制其它回路实现对电池实施保护，由于其它环节通常并不受控，或用户并不按操作规程来使用，造成电池实际上未经常受到保护而损坏。磷酸铁锂电池的充放电保护装置，要求在充满电后与充电整流器断开连接，以避免长期浮充电即过充电造成电池循环寿命缩短，在放电到低压保护点后，要求与负载器断开连接，以避免过放电造成电池循环寿命缩短。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种电动汽车用磷酸铁锂电池充放电保护电路。

本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种电动汽车用磷酸铁锂电池充放电保护电路，连接在充电器的正负两直流电压输出端，所述充电器与交流输入电源连接，将交流输入电源变成直流电压电源，所述充电器的正负两直流电压输出端与负载的正负两端连接，向负载提供电能。

这种电动汽车用磷酸铁锂电池充放电保护电路的特点是：

设有由第一接触器、第二接触器以及控制电路组成的电控机械开关，所述电控机械开关的控制电路的正负两控制输入端分别与所述磷酸铁锂电池的正负两端连接。

所述电控机械开关的第一接触器常闭触头和正向连接充电器的第一绝缘栅双极型功率管(Insulated Gate Bipolar Transistor №1，缩略词为IGBT1)组成第一并联连接组，所述IGBT1内置反向续流二极管。

所述电控机械开关的第二接触器常闭触头和反向连接充电器的第二绝缘栅双极型功率管(Insulated Gate Bipolar Transistor №2，缩略词为IGBT2)组成第二并联连接组，所述IGBT2内置反向续流二极管；

所述第一并联连接组和第二并联连接组串联连接组成组合保护开关，对所述磷酸铁锂电池提供正常充放电、过充电保护和过放电保护，所述组合保护开关正向连接充电器的IGBT1的集电极与所述充电器的正直流电压输出端连接，所述组合保护开关反向连接充电器的IGBT2的集电极与所述磷酸铁锂电池的正端连接，所述磷酸铁锂电池的负端与所述充电器的负直流电压输出端连接；

所述IGBT1的发射极与所述IGBT2的发射极相连，且与第一接触器常闭触头和第二接触器常闭触头的连接点相连，正常充、放电时，IGBT1、IGBT2、第一接触器常闭触头和第二接触器常闭触头均接通，形成充、放电回路，同时又可通过IGBT1和IGBT2中之一的关断以及第一接触器常闭触头和第二接触器常闭触头中之一的关断，将过充电回路和过放电回路分开控制。当过充电保护动作时，IGBT1、IGBT2、第一接触器常闭触头断开，此时停止充电；通过第二接触器常闭触头和IGBT1内置反向续流二极管放电回路仍然接通；当过放电保护动作时，IGBT1、IGBT2、第二接触器常闭触头断开，此时只断开放电回路，通过第一接触器常闭触头和IGBT2内置反向续流二极管充电回路仍然接通。同时当过充电或过放电时，IGBT1和IGBT2的关断分别比较第一接触器常闭触头和第二接触器常闭触头的断开延时20毫秒，以保证第一接触器常闭触头和第二接触器常闭触头断开瞬间不产生拉弧。

本发明的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。

所述电控机械开关的控制电路包括由过充保护电路、过放保护电路、IGBT驱动电路组成的电子开关、基准电源电路，以及电动汽车的24V直流电源。

所述过充保护电路包括第一差分运算放大器、第一电压迟滞比较器和第一接触器驱动电路依次逐级连接组成的电子开关，所述过充保护电路的输入端与磷酸铁锂电池的正负两端连接，第一电压迟滞比较器的输出端与IGBT驱动电路的过充保护信号输入端连接，第一接触器驱动电路的输出控制第一接触器常闭触头的开闭。

所述过放保护电路包括第二差分运算放大器、第二电压迟滞比较器和第二接触器驱动电路依次逐级连接组成的电子开关，所述过放保护电路的输入端与磷酸铁锂电池的正负两端连接，第二电压迟滞比较器的输出端与IGBT驱动电路的过放保护信号输入端连接，第二接触器驱动电路的输出控制第二接触器常闭触头的开闭。

所述IGBT驱动电路包括开关晶体管、PWM控制芯片、隔离驱动变压器及其次级的整流滤波输出电路，所述IGBT驱动电路的两个输出端分别与IGBT1、IGBT2的控制极连接，为IGBT1、IGBT2提供PWM控制信号，其一输入端是第一电压迟滞比较器输出的过充保护信号输入端，另一输入端是第二电压迟滞比较器输出的过放保护信号输入端，两输入端之一为高电平时IGBT驱动电路关断，两输入端同时为低电平时，IGBT驱动电路开通。

所述基准电源电路输入端与电动汽车的24V直流电源连接，输出端分别与过充保护电路、过放保护电路中的电压迟滞比较器的直流电源端连接，为过充保护电路、过放保护电路中的电压迟滞比较器提供比较基准电源。

所述充电器的实际输出电压设定略高于磷酸铁锂电池过充电保护阈值380V，以保证电池恒流充电。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明采用第一接触器常闭触头和第一IGBT、第二接触器常闭触头和第二IGBT组成组合保护开关，既保证充放电回路正常接通，又避免第一、二接触器常闭触头断开时产生拉弧。本发明的组合保护开关可以将过充电回路和过放电回路分开控制，当过充电保护动作时，第一接触器常闭触头只断开充电回路，通过第二接触器常闭触头和第一IGBT内置反向续流二极管仍然接通放电回路；当过放电保护动作时，第二接触器常闭触头只断开放电回路，通过第一接触器常闭触头和第二IGBT内置反向续流二极管仍然接通充电回路，特别适用对电动汽车用磷酸铁锂电池进行充放电保护。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的电路方框图；

图2是图1中的基准电源电路的电路图；

图3是图1中过充电保护电路的电路图；

图4是图1中过放电保护电路的电路图；

图5是图1中IGBT驱动电路的电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明进行说明。

一种如图1～5所示的电动汽车用磷酸铁锂电池充放电保护电路，连接在充电器的正负两直流电压输出端，充电器与交流输入电源连接，将交流输入电源变成直流电压电源，充电器的正负两直流电压输出端与负载的正负两端连接，向负载提供电能。磷酸铁锂电池的负端与所述充电器的负直流电压输出端连接。充电器的实际输出电压400V设定略高于磷酸铁锂电池过充电保护阈值380V。

设有由第一接触器、第二接触器以及控制电路组成的电控机械开关，电控机械开关的控制电路包括由过充保护电路、过放保护电路、IGBT驱动电路组成的电子开关，以及基准电源电路。

过充保护电路包括第一差分运算放大器U21A、第一电压迟滞比较器U22A和场效应管Q21组成的第一接触器驱动电路依次逐级连接组成的电子开关，过充保护电路的输入端与磷酸铁锂电池的正负两端连接，第一电压迟滞比较器的输出端与IGBT驱动电路的过充保护信号输入端连接，第一接触器驱动电路的输出控制第一接触器常闭触头的开闭。磷酸铁锂电池电压经1/100比例降压后到差分运算放大器U21A输出端，然后经电阻连接到电压迟滞比较器U22A的正输入端，并与负端基准电源进行比较，使其电压回差工作范围为3.45～3.80V。当电池电压低于需充电阈值345V时，延时3秒消除瞬间过放电后第一接触器常闭触头K1闭合，开始允许电池充电；当电池电压高于过充点保护阈值380V时，电压迟滞比较器U22A输出的高电平经阻容耦合电路延时3秒消除瞬间过充电后驱动场效应管Q21导通，使第一接触器常闭触头K1断开，停止充电，保护电池过充电；以上过程中，电压迟滞比较器U22A输出端的输出信号Vbat-OVER给IGBT驱动电路的一输入端，用于控制IGBT驱动电路的开通和关断。第一差分运算放大器U21A、第一电压迟滞比较器U22A的型号为MC34072，场效应管Q21的型号为IRFR120N。

过放保护电路包括由第二差分运算放大器U21B、第二电压迟滞比较器U22B和场效应管Q31组成的第二接触器驱动电路依次逐级连接组成的电子开关，以及三端可调分流基准源U23，过放保护电路的输入端与磷酸铁锂电池的正负两端连接，第二电压迟滞比较器的输出端与IGBT驱动电路的过放保护信号输入端连接，第二接触器驱动电路的输出控制第二接触器常闭触头的开闭。磷酸铁锂电池电压经1/100比例降压后到差分运算放大器U21B，然后经电阻连接到电压迟滞比较器U22B的正输入端，并与负端基准电源进行比较，使其回差工作范围为2.80～3.20V。当电池电压高于允许放电阈值320V时，延时3秒消除瞬间过放电后第二接触器常闭触头K2闭合，开始允许电池放电；当电池电压低于放电保护阈值280V时，电压迟滞比较器U22B输出的高电平经阻容耦合电路延时3秒消除瞬间过充电后驱动场效应管Q31导通，使第二接触器常闭触头K2断开，停止放电，保护电池过放电。以上过程中，电压迟滞比较器U22B输出端的输出信号Vbat-LOW给IGBT驱动电路的另一输入端，用于控制IGBT驱动电路的开通和关断。第二差分运算放大器U21B、第二电压迟滞比较器U22B的型号为MC34072，场效应管Q31的型号为IRFR120N，三端可调分流基准源U23的型号为AZ431AN。

IGBT驱动电路包括开关晶体管Q41、PWM控制芯片UC3844B、隔离驱动变压器T1及其次级的整流滤波输出电路，IGBT驱动电路的两个输出端分别与IGBT1、IGBT2的控制极连接，其功能是为IGBT1、IGBT2提供PWM控制信号。当发生过充电或过放电时，所述过充保护电路或过放保护电路相应的输出信号Vbat-OVER、Vbat-LOW为高电平时，第一接触器常闭触头K1或第二接触器常闭触头K2断开，停止充电或放电。开关晶体管Q41截止，PWM控制芯片UC3844B的输出通过电容C54延时20毫秒关断，这时IGBT1和IGBT2的驱动电压为0，IGBT1或IGBT2关断，以避免第一接触器常闭触头K1或第二接触器常闭触头K2断开时产生拉弧。

基准电源电路包括阻容电路和三端可调分流基准源U01，输入端与电动汽车的24V直流电源连接，输出端分别与过充保护电路、过放保护电路中的电压迟滞比较器的直流电源端连接，其功能是为过充保护电路、过放保护电路中的电压迟滞比较器提供比较基准电源。三端可调分流基准源U01的型号为AZ431AN。

电控机械开关的控制电路的正负两控制输入端分别与磷酸铁锂电池的正负两端连接。第一接触器常闭触头K1和正向连接充电器的IGBT1组成第一并联连接组，第二接触器常闭触头K2和反向连接充电器的IGBT2组成第二并联连接组，IGBT1和IGBT2内置反向续流二极管。第一并联连接组和第二并联连接组串联连接组成组合保护开关，对磷酸铁锂电池提供正常充放电、过充电保护和过放电保护。IGBT1的集电极与充电器的正直流电压输出端连接，IGBT2的集电极与磷酸铁锂电池的正端连接，IGBT1的发射极与IGBT2的发射极相连，且与第一接触器常闭触头K1和第二接触器常闭触头K2的连接点相连。

磷酸铁锂电池正常充电或放电，即既未过充电也未过放电时，第一接触器常闭触头K1和第二接触器常闭触头K2均为闭合状态。

在磷酸铁锂电池电压低于需充电阈值345V时，通过过充保护电路控制接通第一接触器常闭触头K1与充电器连接，并通过IGBT2内置反向续流二极管正常充电；当充电电压回升至允许放电阈值320V时，通过过放保护电路接通第二接触器常闭触头K2，同时IGBT驱动电路的开关晶体管Q41导通，由PWM控制芯片UC3844B控制IGBT1和IGBT2导通，分别与第一接触器常闭触头K1和第二接触器常闭触头K2分流。

在磷酸铁锂电池电压充电至过充点保护阈值380V时，过充保护电路输出信号Vbat-OVER为高电平时，第一接触器常闭触头K1断开，停止充电，IGBT驱动电路的开关晶体管Q41截止，PWM控制芯片UC3844B的输出通过电容C54控制IGBT1或IGBT2延时20毫秒关断，此时IGBT1的驱动电压为0，以避免第一接触器常闭触头K1断开时产生拉弧，第一接触器常闭触头K1只断开充电回路，通过第二接触器常闭触头K2和IGBT1内置反向续流二极管仍然接通放电回路。

而在磷酸铁锂电池电压高于允许放电阈值320V时，通过过放保护电路控制接通第二接触器常闭触头K2，并通过IGBT1内置反向续流二极管与负载连接，向负载正常放电提供电能；当放电电压低于345V，通过过充保护电路控制接通第一接触器常闭触头K1，同时IGBT驱动电路的开关晶体管Q41导通，由PWM控制芯片UC3844B控制IGBT1和IGBT2导通，分别与第一接触器常闭触头K1和第二接触器常闭触头K2分流。

在磷酸铁锂电池电压放电至过放电保护阈值280V时，过放保护电路输出信号Vbat-LOW为高电平时，第二接触器常闭触头K2断开，停止放电，IGBT驱动电路的开关晶体管Q41截止，PWM控制芯片UC3844B的输出通过电容C54控制IGBT1或IGBT2延时20毫秒关断，此时IGBT2的驱动电压为0，以避免第二接触器常闭触头K2断开时产生拉弧。第二接触器常闭触头K2只断开放电回路，通过第一接触器常闭触头K1和IGBT2内置反向续流二极管仍然接通充电回路。

本具体实施方式特别适用对电动汽车用磷酸铁锂电池进行充放电保护。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种电动汽车用磷酸铁锂电池充放电保护电路，连接在充电器的正负两直流电压输出端，所述充电器与交流输入电源连接，将交流输入电源变成直流电压电源，所述充电器的正负两直流电压输出端与负载的正负两端连接，向负载提供电能，其特征在于：

设有由第一接触器、第二接触器以及控制电路组成的电控机械开关，所述电控机械开关的控制电路的正负两控制输入端分别与所述磷酸铁锂电池的正负两端连接；

所述电控机械开关的第一接触器常闭触头和正向连接充电器的第一绝缘栅双极型功率管IGBT1组成第一并联连接组，所述IGBT1内置反向续流二极管；

所述电控机械开关的第二接触器常闭触头和反向连接充电器的第二绝缘栅双极型功率管IGBT2组成第二并联连接组，所述IGBT2内置反向续流二极管；

所述第一并联连接组和第二并联连接组串联连接组成组合保护开关，对所述磷酸铁锂电池提供正常充放电、过充电保护和过放电保护；

所述电控机械开关的控制电路包括由过充保护电路、过放保护电路、IGBT驱动电路组成的电子开关、基准电源电路，以及电动汽车的24V直流电源；

在磷酸铁锂电池电压充电至过充电保护阈值时，过充保护电路输出信号为高电平，第一接触器常闭触头断开，停止充电，IGBT驱动电路控制IGBT1或IGBT2延时关断，以避免第一接触器常闭触头断开时产生拉弧，第一接触器常闭触头只断开充电回路，通过第二接触器常闭触头和IGBT1内置反向续流二极管仍然接通放电回路；

在磷酸铁锂电池电压放电至过放电保护阈值时，过放保护电路输出信号为高电平，第二接触器常闭触头断开，停止放电，IGBT驱动电路控制IGBT1或IGBT2延时关断，以避免第二接触器常闭触头断开时产生拉弧，第二接触器常闭触头只断开放电回路，通过第一接触器常闭触头和IGBT2内置反向续流二极管仍然接通充电回路。

2.如权利要求1所述的电动汽车用磷酸铁锂电池充放电保护电路，其特征在于：

所述组合保护开关正向连接充电器的IGBT1的集电极与所述充电器的正直流电压输出端连接，所述组合保护开关反向连接充电器的IGBT2的集电极与所述磷酸铁锂电池的正端连接，所述磷酸铁锂电池的负端与所述充电器的负直流电压输出端连接；所述IGBT1的发射极与所述IGBT2的发射极相连，且与第一接触器常闭触头和第二接触器常闭触头的连接点相连，正常充、放电时，IGBT1、IGBT2、第一接触器常闭触头和第二接触器常闭触头均接通，形成充、放电回路，同时又可通过IGBT1和IGBT2中之一的关断以及第一接触器常闭触头和第二接触器常闭触头中之一的关断，将过充电回路和过放电回路分开控制。

3.如权利要求2所述的电动汽车用磷酸铁锂电池充放电保护电路，其特征在于：

所述过充保护电路包括第一差分运算放大器、第一电压迟滞比较器和第一接触器驱动电路依次逐级连接组成的电子开关，所述过充保护电路的输入端与磷酸铁锂电池的正负两端连接，第一电压迟滞比较器的输出端与IGBT驱动电路的过充保护信号输入端连接，第一接触器驱动电路的输出控制第一接触器常闭触头的开闭。

4.如权利要求3所述的电动汽车用磷酸铁锂电池充放电保护电路，其特征在于：

所述过放保护电路包括第二差分运算放大器、第二电压迟滞比较器和第二接触器驱动电路依次逐级连接组成的电子开关，所述过放保护电路的输入端与磷酸铁锂电池的正负两端连接，第二电压迟滞比较器的输出端与IGBT驱动电路的过放保护信号输入端连接，第二接触器驱动电路的输出控制第二接触器常闭触头的开闭。

5.如权利要求4所述的电动汽车用磷酸铁锂电池充放电保护电路，其特征在于：

所述IGBT驱动电路包括开关晶体管、PWM控制芯片、隔离驱动变压器及其次级的整流滤波输出电路，所述IGBT驱动电路的两个输出端分别与IGBT1、IGBT2的控制极连接，为IGBT1、IGBT2提供PWM控制信号，其一输入端是第一电压迟滞比较器输出的过充保护信号输入端，另一输入端是第二电压迟滞比较器输出的过放保护信号输入端，两输入端之一为高电平时IGBT驱动电路关断，两输入端同时为低电平时，IGBT驱动电路开通。

6.如权利要求5所述的电动汽车用磷酸铁锂电池充放电保护电路，其特征在于：

所述基准电源电路输入端与电动汽车的24V直流电源连接,输出端分别与过充保护电路、过放保护电路中的电压迟滞比较器的直流电源端连接，为过充保护电路、过放保护电路中的电压迟滞比较器提供比较基准电源。

7.如权利要求6所述的电动汽车用磷酸铁锂电池充放电保护电路，其特征在于：

所述充电器的实际输出电压400V设定略高于磷酸铁锂电池过充电保护阈值380V。