CN201365130Y - 磷酸铁锂电池的应用电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磷酸铁锂电池的应用电路，包括有安全性能保护模块和DC－DC直流升压稳压模块，安全性能保护模块分别接电池正极、放电控制场效应管Q1、充电控制场效应管Q2、DC－DC直流升压稳压模块。电池正极与第一二极管D1负极相接，该第一二极管正极接第一正电源端P1+；放电控制场效应管Q1的漏极D与充电控制场效应管Q2的漏极D相接；DC－DC直流升压稳压模块分别接第二二极管D2的正极、充电控制场效应管Q2的源极S、负电源端P－，该第二二极管D2负极接第二正电源端P2+；第一正电源端P1+为充电用的正电源端，第二正电源端P2+为接负载的放电用正电源端。本实用新型提供的磷酸铁锂电池的应用电路，具有过充电保护、过放电保护、放电过电流保护与短路保护功能。

Description

磷酸铁锂电池的应用电路

技术领域

本实用新型涉及电池制造技术领域，特别是涉及一种磷酸铁锂电池的应用电路。

背景技术

随着锂离子电池技术的不断更新和发展，其质轻、高容、长寿命的优点逐渐得到消费者的青睐。其市场已经由手机扩展到相机、DVD、航模、玩具等多种领域。近年来，锂离子电池由于具有电压高、比能量高、循环使用次数多、存储时间长等优点，不仅在便携式电子设备上得到广泛应用，而且也广泛应用于电动汽车、电动自行车以及电动工具等大中型电动设备方面，尤其是其中的锂离子动力电池是目前各大电池厂家发展的主要方向。

动力锂离子电池的安全问题一般是指由于动力电池使用不当、功能失效、意外和滥用造成电池鼓胀漏液、温度压力超出使用标准、甚至爆炸和起火等事故，从而导致用户生命和财产安全受到威胁。其中爆炸和起火是最严重的安全事故。锂离子电池滥用导致爆炸起火的内部原因很复杂，但大部分是由温度压力过高造成的，而这两者的起因大部分可以归结于锂离子电池的热失控反应，也就是发热反应。这些发热反应一般有：电池电极SEI膜的分解，内嵌锂和溶剂的反应，正极材料的分解反应等等。

在动力锂离子电池的安全性问题中，电极材料中的正极材料是关键，也是引发锂离子动力电池安全隐患的主要原因。寻求高能量密度、高安全、环保和价格便宜的电极材料是动力电池发展的关键。目前普遍使用的正极材料分别是钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂以及磷酸铁锂。

当前，一般的锂离子动力电池为钴酸锂或锰酸锂动力电池，这些动力电池的安全隐患较大，鉴于磷酸铁锂具有原料来源丰富、价格低廉、较高的比容量以及优良的高温循环性能和极高的安全性能等优点，而且低温性能和倍率放电已经可以达到钴酸锂的水平等，是很有发展前景的动力电池正极材料。磷酸铁锂作为动力电池新型正极材料的使用在近几年有升温的趋势，正在逐步进入锂离子动力电池市场。

磷酸铁锂具有如下优点：

1、安全。磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，磷酸铁锂的安全性能是目前所有的材料中最好的，用磷酸铁锂做电池，绝对不用担心爆炸问题的存在。

2、稳定性高。包括高温充电的容量稳定性好，储存性能好等。

3、环保。整个生产过程清洁无毒。所有原料都无毒。不像钴是有毒的物质。

4、价格便宜。磷酸盐采用磷酸源和锂源以及铁源为材料，这些材料都十分便宜，无战略资源及稀有资源。

但是，目前还没有开出一种磷酸铁锂电池的应用电路，可以将磷酸铁锂电池应用到手机、相机、DVD、航模、玩具等便携设备当中。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种磷酸铁锂电池的应用电路，该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，可以将磷酸铁锂电池应用到手机、相机、DVD、航模、玩具等便携设备当中，有利于磷酸铁锂电池的广泛生产普及，具有重大的生产实践意义。

为此，本实用新型提供了一种磷酸铁锂电池的应用电路，包括有安全性能保护模块和DC-DC直流升压稳压模块，所述安全性能保护模块分别接电池正极、放电控制场效应管Q1、充电控制场效应管Q2、DC-DC直流升压稳压模块，所述电池正极与第一二极管D1的负极相接，该第一二极管的正极接第一正电源端P1+；

所述放电控制场效应管Q1的漏极D与充电控制场效应管Q2的漏极D相接，所述DC-DC直流升压稳压模块分别接第二二极管D2的正极、充电控制场效应管Q2的源极S、负电源端P-，该第二二极管D2的负极接第二正电源端P2+；

所述第一正电源端P1+为充电用的正电源端，所述第二正电源端P2+为接负载的放电用正电源端。

优选地，所述安全性能保护模块包括有电池保护控制芯片IC、第一电阻R1、第一电容C1、第二电阻R2，所述DC-DC直流升压稳压模块包括有DC-DC直流升压稳压芯片、电感L、第二电容C2和第三电容C3；

所述电池保护控制芯片U1的电压检测端VM依次接第二电阻R2、第二电容C2后与DC-DC直流升压稳压芯片U2的电压输入SW端相连接，该电池保护芯片U1的Vdd端分别接第一电阻R1、第一电容C1，所述第一电阻R1分别与电池的正极、第一二极管D1的负极相接，所述第一电容C1分别接电池保护控制芯片U1的Vss端、电池的负极，该第一二极管D1的正极与第一正电源端P1+相接；

所述电池保护控制芯片U1的放电控制DO端与放电控制场效应管Q1的G极相接，该放电控制场效应管Q1的S极与电池的负极相接，所述电池保护控制芯片U1的充电控制CO端与充电控制场效应管Q2的G极相接，该充电控制场效应管Q2的D极与放电控制场效应管Q1的D极相接，充电控制场效应管Q2的S极分别与第二电阻R2和第二电容C2之间的节点、DC-DC直流升压稳压芯片U2的负电源输入端、负电源端P-相接；

DC-DC直流升压稳压芯片U2的SW端分别接电感L、第二二极管D2的正极，所述第二二极管D2的负极与第二正电源端P2+目接，电感L的另一端与第一二极管D1的负极相接；

DC-DC直流升压稳压芯片U2的电压输出端分别接第二正电源端P2+、第三电容C3，第三电容C3的另一端与负电源端P-相接，所述放电控制场效应管Q1、充电控制场效应管Q2的S端和D端之间分别接有第一体二极管VD1、第二体二极管VD2。

优选地，所述放电控制场效应管Q1和充电控制场效应管Q2为N沟道的场效应管。

由以上本实用新型提供的技术方案可见，本实用新型提供了一种磷酸铁锂电池的应用电路，该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，可以将磷酸铁锂电池应用到手机、相机、DVD、航模、玩具等便携设备当中，有利于磷酸铁锂电池的广泛生产普及，具有重大的生产实践意义。

另外，本实用新型未增加组装难度，方便生产，且比锂离子电池具有更好的安全性和稳定性，同时能满足便携设备对不同电压的需要，应用范围广。

此外，本实用新型占有空间小、成本低和操作简便，具有良好的可扩展性，方便适用于各种数量电池的串/并联。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种磷酸铁锂电池的应用电路的结构框图；

图2为具有单串电池的本实用新型提供的一种磷酸铁锂电池的应用电路完整电路图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1为本实用新型提供的一种磷酸铁锂电池的应用电路的结构框图，图2为具有单串电池的本实用新型提供的一种磷酸铁锂电池的应用电路完整电路图。

参见图1，本实用新型提供了一种磷酸铁锂电池的应用电路，包括有安全性能保护模块(Protection IC)和DC-DC直流升压稳压模块，所述安全性能保护模块分别接电池正极、放电控制场效应管Q1、充电控制场效应管Q2、DC-DC直流升压稳压模块，所述电池正极与第一二极管D1的负极相接，该第一二极管的正极接第一正电源端P1+(即充电用的正电源端)。

所述放电控制场效应管Q1的漏极D与充电控制场效应管Q2的漏极D相接，所述DC-DC直流升压稳压模块分别接第二二极管D2的正极、充电控制场效应管Q2的源极S、负电源端P-，该第二二极管D2的负极接第二正电源端P2+(接负载的放电用正电源端)。

本实用新型电路采用了电池充放电分离的方式，即通过P1+和P-两端给电池充电；通过P2+和P-两端给电池负载放电。保护电路部分不管是在充电过程还是放电过程始终起到保护作用。

磷酸铁锂电池的电路部分包括安全性能保护模块和DC-DC直流升压稳压模块两部分完成。安全性能保护模块负责完成电压过充、电压过放、放电过流和短路等保护电路的功能。DC-DC直流升压稳压模块的功能是电压转换，使输出电压满足设备的要求，给设备提供稳定的电源。

需要说明的是，其中，安全性能保护模块用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些异常条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害。该回路主要有电池保护控制芯片S-8241(U1)和场效应管ECH8601M以及一些阻容元件组成。其中，ECH8601M是双N沟道的场效应管，它包含放电控制场效应管Q1和充电控制场效应管Q2这两个场效应管。保护控制芯片S-8241(U1)负责监测电池电压与回路电流，并控制两个MOSFET的栅极，MOSFET在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断，该电路具有过充电保护、过放电保护、放电过电流保护与短路保护功能。

本实用新型电路的另一重要组成部分是DC-DC直流升压稳压模块，该模块由升压稳压芯片VT36和一些电感和阻容件组成，其具有很低的启动电压、高达几百毫安的负载驱动能力，86％的转换效率使得该芯片非常适合于便携式电池设备的应用。

VT36是BOOST(升压)结构、电压型脉冲频率调制(pulse frequencymodulation，PFM)控制模式的DC-DC转换电路。VT36芯片内部包括输出电压反馈和修正网络、启动电路、震荡电路、参考电压电路、PFM控制电路、过流保护电路以及功率管。PFM控制电路是VT36的核心。外部只需要一个电感、一个输出电容、和一个肖特基二极管就可以提供3.6V的稳定低噪声输出电压。

安全性能保护模块的输出端P1+经过一个47uH的电感L与升压稳压芯片VT36的输入引脚SW相连，P1+端的电压控制VT36的开关，out端是输出端。当SW端的输入电压在1V到3.6V范围，电压输出端(out)能输出3.6V的稳定电压。该模块根据安全性能保护模块传递的输入电压信号来控制升压稳压芯片，从而达到控制电路恒压输出的作用。根据设备对电压和电流的要求，选择相应的电压转换模块来完成升压电路部分。

具体实现上，当磷酸铁锂电池为单串电池时，本实用新型磷酸铁锂电池的完整电路图如图2所示，该电路适用于需要3.6V电压供电的便携设备。

参见图2，所述安全性能保护模块包括有电池保护控制芯片IC(图示的U1)、第一电阻R1、第一电容C1、第二电阻R2，所述DC-DC直流升压稳压模块包括有DC-DC直流升压稳压芯片(图示的U2)、电感L、第二电容C2、第三电容C3。

电池保护控制芯片U1的电压检测端(VM)依次接第二电阻R2、第二电容C2后与DC-DC直流升压稳压芯片U2的电压输入(SW)端相连接，该电池保护芯片U1的Vdd端(即正电源输入端)分别接第一电阻R1、第一电容C1，所述第一电阻R1分别与电池的正极、第一二极管D1的负极相接，所述第一电容C1分别接电池保护控制芯片U1的Vss端(即负电源输入端)、电池的负极，该第一二极管D1的正极与第一正电源端P1+相接。

所述电池保护控制芯片U1的放电控制DO端与放电控制场效应管Q1的G极(栅极)相接，该放电控制场效应管Q1的S极(源极)与电池的负极相接，所述电池保护控制芯片U1的充电控制CO端与充电控制场效应管Q2的G极相接，该充电控制场效应管Q2的D极(漏极)与放电控制场效应管Q1的D极(漏极)相接，充电控制场效应管Q2的S极分别与第二电阻R2和第二电容C2之间的节点、DC-DC直流升压稳压芯片U2的负电源输入端、负电源端P-相接。

DC-DC直流升压稳压芯片U2的SW端分别接电感L、第二二极管D2的正极，所述第二二极管D2的负极与第二正电源端P2+相接，电感L的另一端与第一二极管D1的负极相接；

此外，DC-DC直流升压稳压芯片U2的电压输出(OUT)端分别接第二正电源端P2+、第三电容C3，第三电容C3的另一端与负电源端P-相接。

此外，所述放电控制场效应管Q1、充电控制场效应管Q2的S端和D端之间分别接有第一体二极管VD1、第二体二极管VD2。

结合图2所示，本实用新型提供的磷酸铁锂电池的应用电路的保护原理如下：

1、正常状态。在正常状态下电路中电池保护控制芯片U1的“CO”与“DO”脚都输出高电压，两个MOSFET(即放电控制场效应管Q1和充电控制场效应管Q2)都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电，由于这两个MOSFET的导通阻抗很小，通常小于30毫欧，因此其导通电阻对电路的性能影响很小，此状态下保护电路的消耗电流为μA级，通常小于7μA。

2、过充电保护。磷酸铁锂电池要求的充电方式为恒流/恒压，在充电初期，为恒流充电，随着充电过程，电压会上升到3.7V转为恒压充电，直至电流越来越小。电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，会使电池电压超过3.7V后继续恒流充电，此时电池电压仍会继续上升，当电池电压被充电至超过3.8V时会导致电池损坏或出现安全问题。

在带有保护电路的电池中，当电池保护控制芯片U1检测到电池电压达到3.7V(需要说明的是，该值由电池保护控制芯片U1决定，不同的芯片有不同的值)时，其“CO”脚将由高电压转变为零电压，使充电控制场效应管Q2由导通转为关断，从而切断了充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。而此时由于充电控制场效应管Q2自带的体二极管VD2的存在，电池可以通过该二极管对外部负载进行放电。

3、过放电保护。电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至3V时，其容量已被完全放光，此时如果让电池继续对负载放电，将造成电池的永久性损坏。

在电池放电过程中，当电池保护控制芯片U1检测到电池电压低于2.5V(该值由保护控制芯片决定，不同的芯片有不同的值)时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使放电控制场效应管Q1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。而此时由于放电控制场效应管Q1自带的第一体二极管VD1的存在，充电器可以通过该二极管VD1对电池进行充电。

由于在过放电保护状态下电池电压不能再降低，因此要求保护电路的消耗电流极小，此时保护控制芯片会进入低功耗状态，整个保护电路耗电会小于0.1μA。

4、放电过电流保护。电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的2个MOSFET(即放电控制场效应管Q1和充电控制场效应管Q2)时，由于MOSFET的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该电压值U＝I*RDS*2，RDS为单个MOSFET导通阻抗，保护控制芯片上的“V-”脚对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大。当回路电流大到使U＞0.1V(该值由保护控制芯片决定，不同的芯片有不同的值)时，其“DO”脚的电压值将由高电压转变为零电压，使放电控制场效应管Q1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到放电过电流保护作用。

在上述控制过程中可知，其过电流检测值大小不仅取决于电池保护控制芯片U1的控制值，还取决于场效应管MOSFET的导通阻抗，当MOSFET导通阻抗越大时，对同样的保护控制芯片，其过电流保护值越小。

5、短路保护。电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U＞0.9V(该值由电池保护控制芯片决定，不同的芯片具有不同的值)时，电池保护控制芯片U1则判断为负载短路，其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压，使放电控制场效应管Q1由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。

由以上本实用新型提供的技术方案可见，本实用新型提供了一种磷酸铁锂电池的应用电路，该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能，可以将磷酸铁锂电池应用到手机、相机、DVD、航模、玩具等便携设备当中，有利于磷酸铁锂电池的广泛生产普及，具有重大的生产实践意义。

另外，本实用新型未增加组装难度，方便生产，且比锂离子电池具有更好的安全性和稳定性，同时能满足便携设备对不同电压的需要，应用范围广。

此外，本实用新型占有空间小、成本低和操作简便，具有良好的可扩展性，方便适用于各种数量电池的串/并联。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1、一种磷酸铁锂电池的应用电路，其特征在于，包括有安全性能保护模块和DC-DC直流升压稳压模块，所述安全性能保护模块分别接电池正极、放电控制场效应管Q1、充电控制场效应管Q2、DC-DC直流升压稳压模块，所述电池正极与第一二极管D1的负极相接，该第一二极管的正极接第一正电源端P1+；

所述放电控制场效应管Q1的漏极D与充电控制场效应管Q2的漏极D相接，所述DC-DC直流升压稳压模块分别接第二二极管D2的正极、充电控制场效应管Q2的源极S、负电源端P-，该第二二极管D2的负极接第二正电源端P2+；

所述第一正电源端P1+为充电用的正电源端，所述第二正电源端P2+为接负载的放电用正电源端。

2、如权利要求1所述的应用电路，其特征在于，所述安全性能保护模块包括有电池保护控制芯片、第一电阻R1、第一电容C1、第二电阻R2，所述DC-DC直流升压稳压模块包括有DC-DC直流升压稳压芯片、电感L、第二电容C2和第三电容C3；

所述电池保护控制芯片U1的电压检测端VM依次接第二电阻R2、第二电容C2后与DC-DC直流升压稳压芯片U2的电压输入SW端相连接，该电池保护芯片U1的Vdd端分别接第一电阻R1、第一电容C1，所述第一电阻R1分别与电池的正极、第一二极管D1的负极相接，所述第一电容C1分别接电池保护控制芯片U1的Vss端、电池的负极，该第一二极管D1的正极与第一正电源端P1+相接；

所述电池保护控制芯片U1的放电控制DO端与放电控制场效应管Q1的G极相接，该放电控制场效应管Q1的S极与电池的负极相接，所述电池保护控制芯片U1的充电控制CO端与充电控制场效应管Q2的G极相接，该充电控制场效应管Q2的D极与放电控制场效应管Q1的D极相接，充电控制场效应管Q2的S极分别与第二电阻R2和第二电容C2之间的节点、DC-DC直流升压稳压芯片U2的负电源输入端、负电源端P-相接；

DC-DC直流升压稳压芯片U2的SW端分别接电感L、第二二极管D2的正极，所述第二二极管D2的负极与第二正电源端P2+相接，电感L的另一端与第一二极管D1的负极相接；

DC-DC直流升压稳压芯片U2的电压输出端分别接第二正电源端P2+、第三电容C3，第三电容C3的另一端与负电源端P-相接，所述放电控制场效应管Q1、充电控制场效应管Q2的S端和D端之间分别接有第一体二极管VD1、第二体二极管VD2。

3、如权利要求1或2所述的应用电路，其特征在于，所述放电控制场效应管Q1和充电控制场效应管Q2为N沟道的场效应管。

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