CN107359658A - 一种用于磷酸铁锂电池组的复合稳压电路 - Google Patents

Abstract

一种用于磷酸铁锂电池的复合稳压二极管，并联在磷酸铁锂电池两端，其包含两个串联的二极管，其中至少有一个是LED发光二极管。本发明在磷酸铁锂电池组的充放电过程中，起连续均衡作用，使组内各电池电压保持长期一致，消除了由电压差异引起的容量衰减；同时其电压‑电流具有对数特点，在充电上限电压处获得可观工作电流的同时，降低了满电时的耗散功率，避免电池的过热，提高了电池组的可靠性。线路中的LED发光二极管发出的光强和其工作电流呈正比，可被用于检测组内电池的电压分布情况，用于电池组充放电管理系统保证其良好运行。这个复合稳压线路的存在可有效提高了铁锂电池组的容量利用率，缩短充电时间，延长电池的使用寿命。

Description

一种用于磷酸铁锂电池组的复合稳压电路

技术领域

本发明涉及一种用于磷酸铁锂电池组的复合稳压电路。

背景技术

充电式二次锂离子电池自从1991年由索尼发明以来获得了空前的发展，为了满足不同的应用要求，市场上涌现出有多种锂离子电池设计，各种不同锂离子电池设计及其名称往往来自其使用的不同的正负极极材料或者所使用的电解质。这个锂电池家族既包括能量密度最高的钴酸锂电池和最常用的三元聚合物锂离子电池，也包括适合动力电池应用的磷酸铁锂电池，锰酸锂电池和钛酸锂电池等等。以上各种锂离子电池，除了钛酸锂电池使用钛酸锂作为负极材料外，其他所有已知的锂离子电池都使用石墨作为其负极材料。和磷酸铁锂电池一样，钛酸锂电池也使用磷酸铁锂作为正极材料，因此这两种电池都具有很多相似性。

不同的锂离子电池由于使用了不同的电池正负极材料以及电解液，它们的电气特性存在差异。比较以上各种锂离子电池的充放电电压电流曲线，可以发现铁锂电池和钛酸锂电池具有极其平坦的电压曲线，其电池电压无法用于测算其荷电状态，同时这两种以磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池对充电电压和放电电压限制具有较大的容忍度，在一定条件下这两种电池可以深度放电到零伏而不损坏，或者短时间稍高的充电电压也不会对电池产生即时伤害。钛酸锂电池的电压较一般的锂离子电池的3.7V和磷酸铁锂电池的3.2V平台电压更低些，仅仅只有2.4V，因此其能量密度远逊于所有其他锂离子电池，但是钛酸锂电池具有最佳的循环寿命和优异的低温特性因此也获得了一定的差异化应用。

相对于一般锂离子电池技术，磷酸铁锂电池具有最长的循环寿命，其标称寿命可达2000次以上，在较浅的循环深度(60-80％)甚至可达到5000次以上。同时铁锂电池耐温范围更广，电极材料化学特性稳定，其正极材料可以承受比一般锂离子电池正极材料远高得多的温度而不会发生析氧燃烧，因此铁锂电池比一般锂离子电池更加安全。

同时相对于一般锂离子电池而言，磷酸铁锂电池原材料来源丰富成本较低，因为其不含钴和镍等较贵的金属元素，且单位电池容量锂金属使用量也更低。虽然目前由于生产工艺原因生产良率较低，从长远来看，铁锂电池的单位成本会较一般锂离子电池更低，因此这种电池在相应应用领域具有较好的前景。

就和其他锂离子电池一样，铁锂电池的充电方式也是恒流恒压方式。铁锂电池具有及其平坦的中段电压，当铁锂电池充电接近满电时，充电电压会快速上冲。而当铁锂电池放电时，约90％的储能在平台电压下释放，剩余的能量会随着电池放电电压的逐步下降而释放。在两个方向上铁锂电池都具有宽松的电压限制。在大电流恒流充电结束时电池也非常接近满电，无需太长的涓流充电时间，因此铁锂电池特别适合快速充电，电池可以在低至数分钟至数十分钟内完全充满。

另外一般锂离子电池由于设定的充电电压上限和电池的可利用容量密切相关，而且过高的充电电压会对电池寿命有显著不利影响甚至产生安全隐患。同时过低的放电电压可能对电池性能产生永久损害，一般锂离子电池是无法放电到零后再激活恢复的。因此对电池电压的精确测定和控制对一般锂离子电池的使用至关重要。当一般锂离子电池被多个串联形成更高电压的模块时，其中的每串电池的电压必须被精确检测以确保整个电池的安全以及使用性能的充分发挥。

由于铁锂电池的充电电压和放电电压限值远较一般锂离子电池来的宽松，因此无需为每个铁锂电池配备电压检测线路，而只需在特定串数的磷酸铁锂电池模块端设置相应的测试点并且设定相应的保护电压即可。据测算当铁锂电池的电池容量差小于5％，单个电池放电终了其最终电压差会低于0.5V，当平均放电保护电压设置在2.5-3.0V间，整个电池组的循环寿命可以接近其中最差电池单体的循环寿命。对于充电来说，当充电上限电压在3.5-4.0间变动时，电池实际容量鲜有增加，而且其循环寿命不受大的影响。以上这些特点使得铁锂电池的充放电管理可以做的非常简单，不必要对每个电池充放电电压进行监测，而只需要在电池模块层面进行综合检测，这样既节省了线路成本，又减少了失效几率，同时电池组的可装配性也得到显著提高。这样做的前提条件是串联成组的磷酸铁锂电池容量差异较小，同时使得成组的各个电池随时处于良好的均衡状态。

在锂离子电池的制作过程中，由于材料纯度的限制，环境的影响和生产工艺的不完善等等，在每个锂离子电池内部或多或少存在一定的漏电流，电极中的储能通过内部漏电通道逐步释放。这个漏电流参数随着环境温度的增加而增加。在特定温度下经过一段时间的储存，测量每个锂离子电池流失的电量可以获得这个电池的漏电流参数，在保证测试电池经过必要的激活处理，每次测得的一致性较好的漏电流参数。

需要指出的是，锂离子电池在长时间储存未充电，或者电池因为充电管理线路设计缺陷导致其充电电压长期未能达到其设计的满电电压，也会造成漏电流的过量产生。磷酸铁锂电池使用石墨负极材料，在电池石墨负极表面有一半导体介质层，其主要功能是允许锂正离子通过但阻止电极性为负的电子。当这层半导体介质层由于电解液的长期侵蚀或者电池石墨负极在多次充放电反复膨胀收缩后产生局部裂纹，这些新鲜未充分钝化的裂纹提供了漏电流的额外通道，而加载满电电压是最简单的修复方法。因此满电电压的适时加载可以有效地控制电池漏电流的增加，保证电池性能的充分发挥。

锂离子电池的容量可以比较方便地测得，成组锂离子电池的寿命，大部分来自电池组即电池个体容量的衰减。而容量衰减的速度取决于循环次数，循环深度和使用温度等等。需要指出的还存在另外一个因素那就就是电池的自然衰减，锂离子电池电压越高其自然衰减的速率越快。

一般锂离子电池的电压和其总荷电量密切相关，因此状态良好的一般锂离子电池组内各个电池的电压值是非常相近的，因此这个自然衰减因素相对较小。而对于铁理电池来说，情况是完全不同的。荷电状态99％和100％的铁锂电池的电压可以达到0.3V以上，远远大于一般锂离子电池，因此这种电压差异的长期存在也会不断累积进而造成可观的后果，影响整个电池组的性能发挥。连续的动态的电压均衡对于铁锂电池组来说是非常重要的，可以帮助消除由自然衰减引起的性能损失并且最大程度延长电池组的使用寿命。

由于磷酸铁锂正极材料自身的导电性很差，因此需要将材料晶体研磨至极小颗粒同时添加粘结剂和导电剂以改善正极材料及最终制成电池的导电特性满足特定应用要求。

一般情况下，由于磷酸铁锂正极材料晶体化学键强壮，因此它的循环特性非常好。而石墨负极材料和其他电极材料在充放电循环中的消耗着有限数量的锂离子，因此在电池制造中会使用稍过量的石墨负极和锂离子以期望获得最佳的使用寿命。这时活性的磷酸铁锂正极材料的用量决定了制成品电池的充放电容量。而且在新电池初始的循环中，被消耗的加注过量的锂离子和石墨负极的消耗不会对电池的可循环容量产生影响，因此电池在相当一段时间内其容量保持稳定，直至电池中活性锂离子或石墨负极材料的电荷当量开始低于磷酸铁锂电池正极的电荷当量。

由于磷酸铁锂正极材料需要掺杂有相当质量的导电剂和粘结剂，因此制成电池中的活性磷酸铁锂材料会呈现较大的偏差因而导致制成电池的容量偏差较大。同时由于生产工艺参数的离散性影响，电池漏电流特性，内阻和电荷循环效率也有呈现一定的偏差。因此各个制成电池单体必须经过严格的分选才能出厂。

串联成组的磷酸铁锂电池对各个电池的参数一致性提出较高的要求，而单体单电池较大的参数离散性显然无法满足这个要求。将两个或以上的电池单体并联使得并联后的电池各参数相互补偿，特别是使其总容量和漏电流参数趋于严格一致。这样可以极大地提高单体电池的生产合格率同时获得的电池模块的各参数保持较好的一致性。减少电池模块的质量偏差可以极大地提升电池组的装配效率和使用寿命，同时降低对电池管理线路的质量要求和降低成本。

在锂离子电池制造和使用过程中，差异是绝对存在的，在乎程度的不同，特别是锂离子电池的漏电流特性。通常情况下，成组的锂离子电池组需要为每个电池配备均衡线路，使得组内各个电池的在各种状态下其荷电状态保持良好一致。

通用的锂离子电池充电均衡线路主要分为两类，转能式和耗能式。前者通过一定的电路将满电电池的部分充电电流和能量均衡转移至相对欠电的电池上去。转能式充电均衡线路虽然节约了能源，降低了损耗，但线路更加复杂，使得线路成本较高且系统可靠性差，应用较少。后一种线路其均衡电流在电池电压达到满电电压时，并联在电池两端的均衡线路由开关器件导通，通过并联的电阻或其他阻性或线性负载将部分充电电流电流以热能形式耗散掉，通常情况这个均衡电流会远小于正常充电电流，不足以使这个均衡中的电池的电压立刻保持稳定，特别是在铁锂电池组应用上。铁锂电池具有狭窄的电压平台，当铁锂电池达到其设定满电电压后，其空闲容量极少因此电压上冲非常迅速，这样旁路均衡的时间很短因此效果无法保证。

以上充电均衡过程一般发生在充电周期的末期。当系统检测到某个电池单体电压超过设置满电电压时，铁锂电池典型值为3.6V，就会开启对应的均衡电路。碍于电池本身的热敏感性和均衡线路散热条件限制，一般耗能式均衡电流设置较小，介于0.5％C到2％C之间。而充电电流一般会大于0.1C最大可达2C以上。因此此时开启的均衡电路无法完全旁路所有充电电流，均衡中的满电电池电压仍会继续上冲。当此领先电池的电压达到设定的关断电压时，电池组的充电电流会被整体切断。在相当多的情况下，这时部分落后电池电压仍未能达到满电均衡开启的状态。虽然电池组的平均满电电压设置在3.6V，但是充电末期各个电池上的电压会相当不均，随着均衡开关的关断，这些参差不齐的电池电压还会继续保持。

由于锂电池的容量自损机理的存在，在相同温度下，电池电压高于电池平台电压越多，其容量的自然损耗也就越快。因此在长时间满电搁置后，那些漏电电流最小的电池会较长时间保持高位电压，造成其容量的较快衰减，使得它和电池组内其他电池的容量差异进一步扩大。扩大化的电池容量和漏电差异会严重损害电池组的整体使用寿命。鉴于电池的漏电一致特性在现有电池成组以及充放电管理技术下的极端重要性，电池生产及成组厂家在这个方面管控很严，但同时也付出了不小的代价。

以上所说的两种方案大量使用各种半导体开关器件，特别是场效应管或微处理器。众所周知，这些场效应器件通常静电防护能力较差，而且这些器件集成度高，尺寸微小，对产品制造，装配和使用环境的防水防尘和和防雷要求高。另外这些半导体场效应器件失效模式多样，可能的各种缺陷难以有效监测和筛选剔除。因此电池组应用的可靠性问题相当部分来自电池管理系统自身，特别是那些经济型解决方案。当某个开关器件在制造环节受到一定损伤后，经过一段使用时间应用并最终短路失效时，串联连接的阻性负载会将被保护电池单体电压下拉到零伏，主回路其他电池的后续放电会进一步将这个电池电压反转，进而将它击穿毁坏。但当均衡线路的失效模式是开路时，此电池的过压保护被频繁触发最终失效，这样也会造成整个电池组的过早损坏。

现有耗能式均衡线路都采用电阻或其他线性负载，因为其线性特点，在电池电压介于均衡启动电压和过压保护电压的范围内，均衡电流是接近恒定的。这个均衡启动电压一般设定为平均充电电压，即电池组的总充电电压除以电池串数，因此在电池组充电进入其恒压段后，电池在平均电压下需要较小的耗散功率和更大的均衡电流之间无法兼顾的原因。

现有耗能式均衡充电方案，对于铁锂电池组来说，实际均衡电流小，均衡作用时间短，充电电源即时保护性关断使得电池组导致缺乏长时间浮充稳定过程，无法补充欠电即电压落后电池在其深度放电或长时间过量漏电后造成的额外电量损失，实际均衡效果并非理想。配置了此类充电均衡保护线路的铁锂电池组的容量衰减通常还是会比内部各个电池快的多。同时现有充电均衡方案中大量使用场效应半导体器件，在较恶劣的生产和使用环境中，其失效几率较高且无法一一甄别剔除，给电池的后续使用带来了很大的隐患。

发明内容

本发明提供一种用于磷酸铁锂电池组的复合稳压电路，能连续均衡磷酸铁锂单体电池的充电过程，使各单体电池的电压保持长期一致，从而使得由于电池电压不同造成的容量自然衰减归于一致，可以获得较大的均衡电流，同时尽可能降低在平均满电电压处的耗散功率，避免电池和线路的过热，有效提高铁锂电池组的容量利用率，降低容量损失，延长电池的使用寿命，保护环境。

为了达到上述目的，本发明提供一种用于磷酸铁锂电池组的复合稳压电路，其特征在于，包含多个串联的复合稳压二极管，且每一个复合稳压二极管对应并联在一个磷酸铁锂单体电池两端，起均衡作用；

所述的复合稳压二极管包含：两个串联的二极管，其中至少含有一个LED发光二极管。

所述的复合稳压二极管包含：两个串联的发红光或橙黄光的铝镓砷磷系发光二极管。

所述的复合稳压二极管包含：串联的一个发蓝紫光的氮化镓和一个硅基二极管，或串联的一个碳化硅系发光二极管和一个硅基二极管。

所述的复合稳压二极管在磷酸铁锂电池平台电压3.3V处，相同环境温度下，工作电流误差小于5％。

所述的复合稳压二极管的工作电压范围为2.0V到4.0V，对应铁锂电池的完全放电和充电限制电压，该复合稳压二极管在磷酸铁锂电池充电限制电压4.0V和平台电压3.3V处的工作电流比值大于200。

所述的复合稳压二极管在铁锂电池充电上限电压4.0伏处的工作电流以安培计和成串的铁锂电池容量以安时计的比值介于1％到10％之间。

本发明还提供一种磷酸铁锂电池，包含多个串联的磷酸铁锂单体电池和多个分别并联在每个磷酸铁锂单体电池两端的复合稳压二极管。

所述的磷酸铁锂电池中还包含光信号检测模块，用于检测复合稳压二极管发出的总光强，由此可以计算得到电池组内电池电压分布情况。

所述的磷酸铁锂单体电池之间的初始容量偏差小于5％。

本发明能连续均衡磷酸铁锂单体电池的充电过程，使各单体电池的电压保持长期一致，从而使得由于电池电压不同造成的容量自然衰减归于一致，可以获得较大的均衡电流，同时尽可能降低在平均满电电压处的耗散功率，避免电池和线路的过热，有效提高铁锂电池组的容量利用率，降低容量损失，延长电池的使用寿命，保护环境。

附图说明

图1是本发明提供的用于磷酸铁锂电池组的复合稳压电路的电路图。

图2是本发明的一个实施例中复合稳压电路的电路图。

具体实施方式

以下根据图1～图2，具体说明本发明的较佳实施例。

对于铁锂电池来说，理论上还存在一种稳压管式连续均衡方案，利用硅基稳压二极管的稳压特性将相对高电压的电池的部分充电电流旁路掉。在移除充电电源后，并联的稳压二极管可以将浮充电量泄漏掉，将各个电池电压一致性拉低至平台电压附近，减少了电压差异和由其引起的容量自然衰减。

但是对于保护铁锂电池单体需要的3.3V稳压二极管电压电流特性远非理想。稳压二极管的电压标称一般是在5毫安电流下测定的，它的伏安曲线在整个电流范围都很疲软。无法获得铁锂电池充电管理所需要较大的均衡/漏电电流比值，查阅一般3.3V稳压管说明书，这个比值仅为5-10倍，因此其实用价值并不高。利用更多的整流二极管或稳压二极管，正向串联也可以获得3-4V间的精密的稳压特性，但是其4.0V时最大均衡电流和3.3V时的漏电流的比值也不高，没有使用价值。另外现有稳压二极管器件设计主要为小电流低功耗线路提供稳定的电压源，并且硅基半导体的工艺决定了标称的稳压电压值具有很大的离散性，通常厂家电压的分选标准为+/-2％，相对于铁锂电池的充放电平台电压值来说也是太大了。

充分理解现有铁锂电池组充电均衡线路设计缺陷，电池特性绝对差异性的存在以及各种可能的极限使用环境，现有铁锂电池组预期循环寿命较短存在以下三种机理：

第一种情况，在电池组一定时间使用或搁置后，特别是在高温环境下，每个电池单体漏电特性的差异会造成其荷电状态的较大差别，另外铁锂电池的电荷循环效率的差异以及多次循环但并不充分均衡的情况下各个电池的荷电差异也会逐步被放大，这时电池组总容量由两个极限电池的荷电状态决定。放电欠压电池和充电领先电池是不同的电池，它们荷电重叠部分即为电池组的实际容量，随着这两个极限电池的荷电差异持续扩大，电池组的总容量也不断下降直达电池组失效。这时绝大多数组内电池单体的容量和其他特性并未产生大的衰减劣化。

另外需要指出的时，锂电池的漏电参数，即在特定温度下经过一定时间其泄露的电量并不是恒定的，实际测试结果和这个电池的充放电经历有关。虽然经过多次充放电由于充电管理线路的设计缺陷和使用习惯的不同，有些电池长期未达到满电电压或其满电电压未足时保持，使得电池石墨负极表面的钝化层被电解液侵蚀产生过量的漏电。定期充分的满电电压可以修复受损的钝化层，防止过量漏电的产生。因此电池组内部每个电池需保证定期达到满电电压以保证良好的漏电特性，进一步确保电池组的整体质量。

第二种情况，因为各个电池单体的循环性能不可能完全相同，在经过一定循环周期后，容量衰减最快的电池其容量降低最快进而成为绝对落后电池，其衰减的容量即为电池组的总容量。在电池组深度放电时，这个落后电池被深度放电继而触发欠压保护，其失去的深层电子在下一个充电循环中需要较长时间保持满电电压才能获得补充。由于从充电均衡线路启动到过电压保护之间的时间无法得到保证。因而这个欠电电池的深层电子可能无法得到足额补充，进而会在后续的放电循环中处于更加不利的状态。日积月累整个电池组总容量也会随着这个绝对落后电池在接连的深度充放电循环中加速衰竭。

第三种情况也可以引起电池容量的可观差别。就像其他锂离子电池一样，长期处于较高的电池电压会引起更快的容量自然衰减。当满电的铁锂电池组经过较长时间的储存后，各单体电池由于漏电特性的差别，漏电最小的电池会成为电压领先电池进而经受最快的容量自然衰减，成为特性最好的电池反而更快成为容量落后的电池，最后拖累整个电池组的使用寿命。

第一种情形最为普遍，部分由于消费者使用习惯，以及电池均衡线路设计局限，容易在特定情况下，例如长时间搁置或电池组长时间未能充分均衡充电，使得电池组各个电池荷电状态不均，欠电电池漏电更快而得不到完全均衡漏电修复，每况愈下最后导致较短的电池组整体寿命，这个寿命会比一般单体降低较多。

本发明在研究了以上三种失效模式，特别是第一种情形的基础上，结合已知的连续稳压管均衡想思路，利用LED发光二极管器件优异的稳压特性，两两匹配或其和一个硅基二极管匹配后获得一个复合稳压二级管，用作铁锂电池成组均衡线路所需的稳压特性，这个复合稳压二极管具有极其一致的漏电流特性和较高的均衡工作电流和泄漏电流的比值，这个复合稳压二极管具有一致的温度特性。

本发明提供一种磷酸铁锂电池，包含多个串联的磷酸铁锂单体电池和多个分别并联在每个磷酸铁锂单体电池两端的复合稳压二极管。所述的复合稳压电路

包含多个串联的复合稳压二极管，且每一个复合稳压二极管对应并联在一个磷酸铁锂单体电池两端，在磷酸铁锂电池组充电及搁置的过程中，复合稳压二极管对其对应的磷酸铁锂单体电池起均衡作用。

如图1所示，磷酸铁锂电池包含多个串联的磷酸铁锂单体电池B1、B2……Bn-1、Bn，每一个磷酸铁锂单体电池的两端都并联一个复合稳压二极管D1、D2……Dn-1、Dn。

所述的复合稳压二极管可包含多个串联的发光二极管，或者包含多个串联的发光二极管和硅基二极管。

功率型发光二极管和一些特定型号的硅基二极管在其工作电流范围内具有极其稳定的正向电压特性，其电压变化和正向电流在一定电流范围内呈对数关系，同时这些二极管具有稳定一致的正向压降和温度的关系，即其正向压降随着温度的升高线性下降。同时这些功率器件具有良好的散热设计。

二极管包含LED，其正向压降很大程度上是由制造这个二极管的半导体材料决定的，由氮化镓或碳化硅及其掺杂衍生材料制备的发光二极管的波长范围可以覆盖从绿色到紫外。这些发光二极管的正向压降也会随之发生相应变化，这个电压一般介于2.4V到3.0V间。另外一种制造长波长可见光的发光二极管半导体材料由铝稼砷磷三种或四种元素组成的化合物，其正向压降介于1.5V到1.8V之间。而由硅基半导体材料制造的各种二极管的正向压降介于0.5V到0.8V之间。以上电压都是在较小的工作电流下测得的。

在较小的正向电流范围内，以上各种二极管的正向压降变化Vf和电流If成对数成线性关系，

Vf＝a*log If+V0；

其中，a为伏安对数系数，V0为正向电流If为小电流1毫安时测得的正向压降。

各种二极管的正向压降随着温度的升高会不断下降，呈现固定速率，称为正向压降的温度系数。由相同材料制成的二极管，其压降的温度系数是接近相同的。以下为实际测试结果。

由于半导体制造工艺的离散性因素，单个二极管的正向电压波动性较大。要获得精密恒定的正向电压必须匹配至少两个二极管，其总压降等于串联二极管的正向压降之和，同时其伏安对数系数和电压温度系数也是几个器件响应系数的加和。利用三个二极管或以上也可以获得特定的总压降，但是这样会得到较差的伏安对数系数a和电压温度系数α，就是说这个复合二极管的稳压性能会迅速降低，不再适用于铁锂电池的充电均衡要求。

因此，在铁锂电池工作电压范围内，利用两个串联二极管，而不是更多或更少，得到铁锂电池充电均衡所需要的精密稳压特性，即在其平台电压3.3V处具有较小的工作电流，而在其最大充电电压处具有最大的均衡电流，两者的比率必须达到200以上。以上两个电流参数分别对应电池均衡线路中的平均泄露电流和最大均衡电流。平均泄漏电流决定了电池组的最长闲置储存时间，而最大均衡电流决定了电池激活时需要的最长充电时间。

在本发明的一个较佳实施例中，所述的复合稳压二极管包含：两个串联的发红光或橙黄光的铝镓砷磷系发光二极管。例如，可以将两个620nm红光铝稼砷磷系发光二极管串联。

如图2所示，在本发明的另一个较佳实施例中，所述的复合稳压二极管包含：串联的一个发蓝紫光的氮化镓或碳化硅系发光二极管LED1和一个硅基二极管D1。例如，可以将一个国产1W稳压二极管和一个3W大功率蓝光发光二极管串联，经过匹配后得到正向压降为3.3V的复合稳压二极管，其在充电限制电压4.0V时的工作电流达到300毫安，而在平均满电电压3.6V处的旁路电流仅为60毫安，有效地抑制了电池组的发热，提高了电池组应用的可靠性。这个复合式稳压二极管线路其总伏安对数系数为0.16V/log(mA)，其电压温度系数约为-3.0mV/摄氏度。

上述两个实施例中的复合稳压二极管在最高充电电压4.0V下的工作电流，相对于电池3.3V平台电压时的电流，即均衡/泄露电流比值较大，只有这个比值达到100才具有了应用价值。实际线路测试结果如下：

电池电压	3.30V	3.60V	4.0V	均衡/漏电效率
					均衡/泄露电流	1.00mA	60mA	300mA	300倍

因为线路总的正向压降和电流成对数关系，为了精确控制由于整个稳压管线路引起的泄露电流，使其不至于引起电池总漏电特性的显著差异。需要将这个复合稳压管的工作电流差异控制在3.3V时小于5％，也就是说要将各个稳压线路的正向压降V0差异降低到5毫伏以内。而当正向压降变化50毫伏时，线路的泄露电流会变化一倍。

复合稳压二极管在铁锂电池充电上限电压4.0伏处具有较大的工作电流，这个电流即为其最大均衡电流也是组装的电池模块的最大安全充电电流。这个电流以安培计和成串的铁锂电池容量以安时计的比值介于1％到10％之间，这个比值过低会影响电池组充电时的均衡效果，延长充电时间。这个比值过高则需太大功率，产生的过多热量会进而对电池组的可靠性产生不利影响。也就是说一个长期搁置的铁锂电池组可以在此电流驱动下，最多经过几十个小时的连续充电安全地到达完全一致的充满状态。

同时由于这些功率二极管会产生较多的热量而且同一线路上的复合稳压二极管器件温度需保持一致，因此同一电池模块内部配置的复合二极管器件需要安装在同一个导热良好的线路板材上面，例如铝基板。

以上这两种复合二极管组合具有高度一致且精密的稳压特性，其均衡电流和泄漏电流比值较高，可以用作磷酸铁锂电池组的充电均衡电路。这个充电均衡电路简单可靠。由于其连续均衡的特点，全电压工作，均衡作用时间等于充电时间，均衡时间长；这个线路电压和电流成对数非线性关系，均衡电流随着电池电压的升高急剧上升，在充电上限电压下可以得到很高的均衡电流，同时在平均电池充电电压平台处电流较小，发热有限且部分可以辐射耗散。这完美地解决了一般耗能式充电均衡线路的引发矛盾。

同时多个LED发光二极管发出的光可以被集中用作电池组各个单体电池电压检测信号，因为电流和电压的对数特点，光强对电池平均电压以及最高充电保护电压具有极大的敏感度。发光二极管会发出光线，其强度正比于流过这个发光二极管的电流，由此我们可以通过设置一个隔离式窗口以检测电池电压的实时变化，提供给电池组所连接的电池组管理系统和帮助使用者对电池组中各电池单体的荷电状态做出合理判断，并采取相应的管理措施，这个光电检测信号可以用作充电和放电的控制信号，用以保障电池组的良好运作。

所述的磷酸铁锂电池中还包含光信号检测模块，用于检测复合稳压二极管发出的总光强，由此可以计算得到电池组内电池电压分布情况。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，所述的光信号检测模块可以采用光敏电阻R_S，光敏电阻R_S通过连接点S1和连接点S2接入外部测试线路，光敏电阻R_S接收复合稳压二极管发出的光线，将光信号转换为电信号，发送到外部测试线路进行计算。就像其他锂离子电池一样，在高电位下储存会加速电池容量的衰减。由于不同电位下容量衰减速率是不同的。因此随时维持电池组中单体电池电压的均衡一致，特别是长期储存条件下，是非常重要的，由此减小电池容量差异的持续扩大。这个连续稳压均衡线路的存在可以在充电结束后，将各个电池的浮电电压迅速拉低在平台电压附近，这时各电池电压差接近于零，大大降低了由于不同电池电位引起的容量自然衰减速率。

当然这个线路的存在也在消耗部分电量。一组10安时磷酸铁锂电池配置一个最大均衡电流为0.3安培的复合稳压二极管线路时，据估计在常温25度储存一个月后，会损失了约15％电量，总体和铅酸电池的漏电相近。这个参数是可以向下或向上调整的以适应不同的应用环境。

可以看到，这样成组的每串铁锂电池在其工作电压范围内获得了良好的伏安曲线，这个线路在电池平台电压上有极小的泄漏电流，理想状态下电路泄露电流偏差小于5％，在平均充电电压下的自身能耗较小，仅为最大均衡电流的五分之一，并且可以最大程度降低电池组的充电电压。在充电上限电压处有300毫安的均衡电流，均衡效率高。在充电结束后可快速将电池电压拉低到其平台电压附近，降低由电池高电位引起的容量衰减，而且高度一致的电池电压消除由此引起的电池容量差异，保证了电池在较长时间尺度上的一致性。线路LED发出的光线可以用作充电或放电管理的检测信号，因为电压电流的对数关系以及光强正比于LED电流，因此，这个光强信号对电池电压具有极强的敏感性。一个光电器件可以对一个模组内部的多个电池电压综合检测。由于光电检测的非接触性，减少了设计的复杂性，同时提高了电池电压综合检测的可靠性。

可以挑选具有互补的正向电压的两个二极管器件，串联组成具有恒定正向电压的二极管线路，连接到铁锂电池组每个电池单体的两端。

挑选同时正向驱动的稳压或整流二极管在所需互补的电压范围内(0.55-0.85V)也具有良好的稳压特性，两个器件相互匹配，形成的新线路在铁锂电池工作电压范围内(3.3-4.0V)具有极好的稳压特性，可以用作铁锂电池组的充电均衡线路。新设计电路所需的漏电、均衡电流一致性可有经过仔细筛选匹配的器件获得，一个电池组内每个单元线路的漏电流和最大均衡电流偏差需要控制在10％以内。

在保证平均满电电压下较低能耗的同时，新设计线路的最大均衡电流比一般设计充电均衡电路高2-10倍，同时使得磷酸铁锂电池组的过电压保护切断功能最终得以避免。这样所有单体电池在每次充电完成后，都能达到电压均衡完全满电的状态，电池满电电压差有效控制在+/-50毫伏以内。

由于铁锂电池单体和铅酸电池单体电压的整数比关系(3：2)，以及两种12V电池组具有相似的放电限制电压要求，而且铁锂电池组涵盖了铅酸电池组的应用范围，因此含有这个新设计均衡线路的铁锂12V电池组及其组合可以兼容相同电压标称的铅酸电池组。

由于铁锂电池的安全性远好于其他锂离子电池，其放电曲线末端有10％的电压缓变电量，极限情况放电到零伏不会损坏，这三个特点使得一般锂离子电池组必须为每串电池配备的充电和放电保护线路对新设计的铁锂电池组来说并非是必须的，当然为了有效控制放电终了时的单串电池电压差异，不至将极限电池过度放电。每个铁锂电池单元的初始容量差异需严格控制在5％以内。

本发明线路简单，避免了使用环境敏感的半导体场效应器件，因而可以获得更加可靠的电池组产品和更长的使用寿命。所使用的硅基二极管以及功率型LED发光二极管(功率型发光二极管包括蓝紫光发光二极管和红橙光发光二极管，差异在于前者和硅基二极管组合，后者两两组合而成)都具有较高的抗静电等级和散热结构设计，同时完全避免了场效应开关器件的使用。这两点极大地提高了线路自身的可靠性。本发明全电压连续均衡，而且均衡电流大，可以达到0.01-0.1C，能够长时间接受浮充电压，最终均衡效果好，长时间浮充后所有电池都可以达到的完全满电电压，电压偏差有效控制在+/-50毫伏以内，且最终满电稳定后的均衡电流小，产热少对电池寿命影响小。

这个稳压式连续非线性均衡线路不仅利用了发光二极管的稳压特性，还可以利用其发光特性，在均衡线路工作时，相当部分耗能可以光能形式耗散，这些光能若能被远程投射，可以进一步降低均衡线路功耗对附近电池组的热影响。同时发出的光线也可以被用于监控电池的充电状态和最终均衡状态，这对电池组内各单体电池的健康状态的判断及其后续维护也会有很大好处。

实验证明本发明可以有效提高铁锂电池组的容量利用率，降低容量损失，提高电池组寿命，推进铅酸电池的替代工作，保护环境。

对本发明中的复合稳压二极管的参数稍加修改可适用于具有相似电流电压特性的其他锂离子电池，特别是共用磷酸铁锂为其正极材料的钛酸锂电池。同时需要指出的是以上发光二极管的电气特性是由制造这个器件所用的半导体材料决定的，因而由以上提及的半导体材料制造的非发光二极管也属于本专利的声明范围。

本发明将复合稳压二极管并联在每个磷酸铁锂单体电池上，可以获得以下有益效果：

1、每个磷酸铁锂单体电池在每一次充电过程中都能连续均衡，更快速地补偿电池单体的过量漏电，并且在充电结束断开电源后，这个复合稳压二极管线路也能迅速拉低各电池的浮充电压至平台电压附近，使各单体电池的电压保持长期一致使得由于电池电压不同造成的容量自然衰减归于一致。

2、利用稳压二极管的电流和电压的非线性特性，可以获得较大的均衡电流，同时尽可能降低在平均满电电压处的耗散功率，避免电池和线路的过热，延长电池的使用寿命。

3、引入安全充电模式以一次性修复严重受损的电池，当设置充电电流不大于复合稳压二极管设计的最大均衡电流时，不论电池组中各电池的荷电差异有多大，即使经过较长时间的搁置，任何电池组也可以快速地得到完全一致地充满，重新焕发活力。

本发明具有良好的组合扩展功能，可用于组装不同应用所需的电池，其在最简组态下无需连接额外充电管理线路。串并成组的电池组在一定的限制电压和电流下，即可以进行大电流快速充电，也可以不限时安全式涓流充电。

典型的应用包括车辆启动电池，车辆动力电池，电动工具，太阳能储能及后备电池；相同的电池组也可以用在飞机和船舶上以及其他需要两颗或以上磷酸铁锂电池串联获得较高电压的应用场合。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种用于磷酸铁锂电池组的复合稳压电路，其特征在于，包含多个串联的复合稳压二极管，且每一个复合稳压二极管对应并联在一个磷酸铁锂单体电池两端，起均衡作用；

所述的复合稳压二极管包含：两个串联的二极管，其中至少含有一个LED发光二极管。

2.如权利要求1所述的用于磷酸铁锂电池组的复合稳压电路，其特征在于，所述的复合稳压二极管包含：两个串联的发红光或橙黄光的铝镓砷磷系发光二极管。

3.如权利要求1所述的用于磷酸铁锂电池组的复合稳压电路，其特征在于，所述的复合稳压二极管包含：串联的一个发蓝紫光的氮化镓和一个硅基二极管，或串联的一个碳化硅系发光二极管和一个硅基二极管。

4.如权利要求2或3所述的用于磷酸铁锂电池组的复合稳压电路，其特征在于，所述的复合稳压二极管在磷酸铁锂电池平台电压3.3V处，相同环境温度下，工作电流误差小于5%。

5.如权利要求2或3所述的用于磷酸铁锂电池组的复合稳压电路，其特征在于，所述的复合稳压二极管的工作电压范围为2.0V到4.0V，对应铁锂电池的完全放电和充电限制电压，该复合稳压二极管在磷酸铁锂电池充电限制电压4.0V和平台电压3.3V处的工作电流比值大于200。

6.如权利要求2或3所述的用于磷酸铁锂电池组的复合稳压电路，其特征在于，所述的复合稳压二极管在铁锂电池充电上限电压4.0伏处的工作电流以安培计和成串的铁锂电池容量以安时计的比值介于1%到10%之间。

7.一种磷酸铁锂电池，其特征在于，包含多个串联的磷酸铁锂单体电池和多个分别并联在每个磷酸铁锂单体电池两端的如权利要求1-6中任意一项所述的复合稳压二极管。

8.如权利要求7所述的磷酸铁锂电池，其特征在于，所述的磷酸铁锂电池中还包含光信号检测模块，用于检测复合稳压二极管发出的总光强，由此可以计算得到电池组内电池电压分布情况。

9.如权利要求7所述的磷酸铁锂电池，其特征在于，所述的磷酸铁锂单体电池之间的初始容量偏差小于5%。