一種電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路的製作方法
2023-05-01 06:39:36 2
專利名稱：一種電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及電池充放電，特別是涉及一種電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路。
背景技術：
現有電動汽車動力電池採用的磷酸鐵鋰電池，是用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池，現有電池組的出口未設有電池保護電路。而是採用控制其它迴路實現對電池實施保護，由於其它環節通常並不受控，或用戶並不按操作規程來使用，造成電池實際上未經常受到保護而損壞。磷酸鐵鋰電池的充放電保護裝置，要求在充滿電後與充電整流器斷開連接，以避免長期浮充電即過充電造成電池循環壽命縮短，在放電到低壓保護點後，要求與負載器斷開連接，以避免過放電造成電池循環壽命縮短。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是彌補上述現有技術的缺陷，提供一種電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路。本發明的技術問題通過以下技術方案予以解決。這種電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路，連接在充電器的正負兩直流電壓輸出端，所述充電器與交流輸入電源連接，將交流輸入電源變成直流電壓電源，所述充電器的正負兩直流電壓輸出端與負載的正負兩端連接，向負載提供電能。這種電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路的特點是設有由第一接觸器、第二接觸器以及控制電路組成的電控機械開關，所述電控機械開關的控制電路的正負兩控制輸入端分別與所述磷酸鐵鋰電池的正負兩端連接。所述電控機械開關的第一接觸器常閉觸頭和正向連接充電器的第一絕緣柵雙極型功率管(Insulated Gate Bipolar Transistor Na 1，縮略詞為IGBT1)組成第一併聯連接組，所述IGBTl內置反向續流二極體。所述電控機械開關的第二接觸器常閉觸頭和反向連接充電器的第二絕緣柵雙極型功率管(Insulated Gate Bipolar Transistor Ns 2，縮略詞為IGBT2)組成第二並聯連接組，所述IGBT2內置反向續流二極體；所述第一併聯連接組和第二並聯連接組串聯連接組成組合保護開關，對所述磷酸鐵鋰電池提供正常充放電、過充電保護和過放電保護，所述組合保護開關正向連接充電器的IGBTl的集電極與所述充電器的正直流電壓輸出端連接，所述組合保護開關反向連接充電器的IGBT2的集電極與所述磷酸鐵鋰電池的正端連接，所述磷酸鐵鋰電池的負端與所述充電器的負直流電壓輸出端連接；所述IGBTl的發射極與所述IGBT2的發射極相連，且與第一接觸器常閉觸頭和第二接觸器常閉觸頭的連接點相連，正常充、放電時，IGBTU IGBT2、第一接觸器常閉觸頭和第二接觸器常閉觸頭均接通，形成充、放電迴路，同時又可通過IGBTl和IGBT2中之一的關斷以及第一接觸器常閉觸頭和第 二接觸器常閉觸頭中之一的關斷，將過充電迴路和過放電迴路分開控制。當過充電保護動作時，IGBT1、IGBT2、第一接觸器常閉觸頭斷開，此時停止充電；通過第二接觸器常閉觸頭和IGBTl內置反向續流二極體放電迴路仍然接通；當過放電保護動作時，IGBTU IGBT2、第二接觸器常閉觸頭斷開，此時只斷開放電迴路，通過第一接觸器常閉觸頭和IGBT2內置反向續流二極體充電迴路仍然接通。同時當過充電或過放電時， IGBTl和IGBT2的關斷分別比較第一接觸器常閉觸頭和第二接觸器常閉觸頭的斷開延時20 毫秒，以保證第一接觸器常閉觸頭和第二接觸器常閉觸頭斷開瞬間不產生拉弧。本發明的技術問題通過以下進一步的技術方案予以解決。所述電控機械開關的控制電路包括由過充保護電路、過放保護電路、IGBT驅動電路組成的電子開關、基準電源電路，以及電動汽車的24V直流電源。所述過充保護電路包括第一差分運算放大器、第一電壓遲滯比較器和第一接觸器驅動電路依次逐級連接組成的電子開關，所述過充保護電路的輸入端與磷酸鐵鋰電池的正負兩端連接，第一電壓遲滯比較器的輸出端與IGBT驅動電路的過充保護信號輸入端連接， 第一接觸器驅動電路的輸出控制第一接觸器常閉觸頭的開閉。所述過放保護電路包括第二差分運算放大器、第二電壓遲滯比較器和第二接觸器驅動電路依次逐級連接組成的電子開關，所述過放保護電路的輸入端與磷酸鐵鋰電池的正負兩端連接，第二電壓遲滯比較器的輸出端與IGBT驅動電路的過放保護信號輸入端連接， 第二接觸器驅動電路的輸出控制第二接觸器常閉觸頭的開閉。所述IGBT驅動電路包括開關電晶體、PWM控制晶片、隔離驅動變壓器及其次級的整流濾波輸出電路，所述IGBT驅動電路的兩個輸出端分別與IGBT1、IGBT2的控制極連接， 為IGBT1、IGBT2提供PWM控制信號，其一輸入端是第一電壓遲滯比較器輸出的過充保護信號輸入端，另一輸入端是第二電壓遲滯比較器輸出的過放保護信號輸入端，兩輸入端之一為高電平時IGBT驅動電路關斷，兩輸入端同時為低電平時，IGBT驅動電路開通。所述基準電源電路輸入端與電動汽車的24V直流電源連接，輸出端分別與過充保護電路、過放保護電路中的電壓遲滯比較器的直流電源端連接，為過充保護電路、過放保護電路中的電壓遲滯比較器提供比較基準電源。所述充電器的實際輸出電壓設定略高於磷酸鐵鋰電池過充電保護閾值380V，以保證電池恆流充電。本發明與現有技術對比的有益效果是本發明採用第一接觸器常閉觸頭和第一 IGBT、第二接觸器常閉觸頭和第二 IGBT 組成組合保護開關，既保證充放電迴路正常接通，又避免第一、二接觸器常閉觸頭斷開時產生拉弧。本發明的組合保護開關可以將過充電迴路和過放電迴路分開控制，當過充電保護動作時，第一接觸器常閉觸頭只斷開充電迴路，通過第二接觸器常閉觸頭和第一 IGBT內置反向續流二極體仍然接通放電迴路；當過放電保護動作時，第二接觸器常閉觸頭只斷開放電迴路，通過第一接觸器常閉觸頭和第二 IGBT內置反向續流二極體仍然接通充電迴路，特別適用對電動汽車用磷酸鐵鋰電池進行充放電保護。
圖1是本發明具體實施方式
的電路方框圖2是圖1中的基準電源電路的電路圖；圖3是圖1中過充電保護電路的電路圖；圖4是圖1中過放電保護電路的電路圖；圖5是圖1中IGBT驅動電路的電路圖。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
並對照附圖對本發明進行說明。—種如圖1 5所示的電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路，連接在充電器的正負兩直流電壓輸出端，充電器與交流輸入電源連接，將交流輸入電源變成直流電壓電源，充電器的正負兩直流電壓輸出端與負載的正負兩端連接，向負載提供電能。磷酸鐵鋰電池的負端與所述充電器的負直流電壓輸出端連接。充電器的實際輸出電壓400V設定略高於磷酸鐵鋰電池過充電保護閾值380V。設有由第一接觸器、第二接觸器以及控制電路組成的電控機械開關，電控機械開關的控制電路包括由過充保護電路、過放保護電路、IGBT驅動電路組成的電子開關，以及基準電源電路。過充保護電路包括第一差分運算放大器U21A、第一電壓遲滯比較器U22A和場效應管Q21組成的第一接觸器驅動電路依次逐級連接組成的電子開關，過充保護電路的輸入端與磷酸鐵鋰電池的正負兩端連接，第一電壓遲滯比較器的輸出端與IGBT驅動電路的過充保護信號輸入端連接，第一接觸器驅動電路的輸出控制第一接觸器常閉觸頭的開閉。磷酸鐵鋰電池電壓經1/100比例降壓後到差分運算放大器U21A輸出端，然後經電阻連接到電壓遲滯比較器U22A的正輸入端，並與負端基準電源進行比較，使其電壓回差工作範圍為 3. 45 3. 80Vo當電池電壓低於需充電閾值345V時，延時3秒消除瞬間過放電後第一接觸器常閉觸頭Kl閉合，開始允許電池充電；當電池電壓高於過充點保護閾值380V時，電壓遲滯比較器U22A輸出的高電平經阻容耦合電路延時3秒消除瞬間過充電後驅動場效應管 Q21導通，使第一接觸器常閉觸頭Kl斷開，停止充電，保護電池過充電；以上過程中，電壓遲滯比較器U22A輸出端的輸出信號Vbat-OVER給IGBT驅動電路的一輸入端，用於控制IGBT 驅動電路的開通和關斷。第一差分運算放大器U21A、第一電壓遲滯比較器U22A的型號為 MC34072，場效應管Q21的型號為IRFR120N。過放保護電路包括由第二差分運算放大器U21B、第二電壓遲滯比較器U22B和場效應管Q31組成的第二接觸器驅動電路依次逐級連接組成的電子開關，以及三端可調分流基準源U23，過放保護電路的輸入端與磷酸鐵鋰電池的正負兩端連接，第二電壓遲滯比較器的輸出端與IGBT驅動電路的過放保護信號輸入端連接，第二接觸器驅動電路的輸出控制第二接觸器常閉觸頭的開閉。磷酸鐵鋰電池電壓經1/100比例降壓後到差分運算放大器 U21B，然後經電阻連接到電壓遲滯比較器U22B的正輸入端，並與負端基準電源進行比較， 使其回差工作範圍為2. 80 3. 20V。當電池電壓高於允許放電閾值320V時，延時3秒消除瞬間過放電後第二接觸器常閉觸頭K2閉合，開始允許電池放電；當電池電壓低於放電保護閾值280V時，電壓遲滯比較器U22B輸出的高電平經阻容耦合電路延時3秒消除瞬間過充電後驅動場效應管Q31導通，使第二接觸器常閉觸頭K2斷開，停止放電，保護電池過放電。 以上過程中，電壓遲滯比較器U22B輸出端的輸出信號Vbat-LOW給IGBT驅動電路的另一輸入端，用於控制IGBT驅動電路的開通和關斷。第二差分運算放大器U21B、第二電壓遲滯比較器U22B的型號為MC34072，場效應管Q31的型號為IRFR120N，三端可調分流基準源U23 的 型號為AZ431AN。IGBT驅動電路包括開關電晶體Q41、PWM控制晶片UC3844B、隔離驅動變壓器Tl及其次級的整流濾波輸出電路，IGBT驅動電路的兩個輸出端分別與IGBT1、IGBT2的控制極連接，其功能是為IGBT1、IGBT2提供PWM控制信號。當發生過充電或過放電時，所述過充保護電路或過放保護電路相應的輸出信號Vbat-OVER、Vbat-LOff為高電平時，第一接觸器常閉觸頭Kl或第二接觸器常閉觸頭K2斷開，停止充電或放電。開關電晶體Q41截止，PWM控制晶片UC3844B的輸出通過電容C54延時20毫秒關斷，這時IGBTl和IGBT2的驅動電壓為0， IGBTl或IGBT2關斷，以避免第一接觸器常閉觸頭Kl或第二接觸器常閉觸頭K2斷開時產生拉弧。基準電源電路包括阻容電路和三端可調分流基準源U01，輸入端與電動汽車的 24V直流電源連接，輸出端分別與過充保護電路、過放保護電路中的電壓遲滯比較器的直流電源端連接，其功能是為過充保護電路、過放保護電路中的電壓遲滯比較器提供比較基準電源。三端可調分流基準源UOl的型號為AZ431AN。電控機械開關的控制電路的正負兩控制輸入端分別與磷酸鐵鋰電池的正負兩端連接。第一接觸器常閉觸頭Kl和正向連接充電器的IGBTl組成第一併聯連接組，第二接觸器常閉觸頭K2和反向連接充電器的IGBT2組成第二並聯連接組，IGBTl和IGBT2內置反向續流二極體。第一併聯連接組和第二並聯連接組串聯連接組成組合保護開關，對磷酸鐵鋰電池提供正常充放電、過充電保護和過放電保護。IGBTl的集電極與充電器的正直流電壓輸出端連接，IGBT2的集電極與磷酸鐵鋰電池的正端連接，IGBTl的發射極與IGBT2的發射極相連，且與第一接觸器常閉觸頭Kl和第二接觸器常閉觸頭K2的連接點相連。磷酸鐵鋰電池正常充電或放電，即既未過充電也未過放電時，第一接觸器常閉觸頭Kl和第二接觸器常閉觸頭K2均為閉合狀態。在磷酸鐵鋰電池電壓低於需充電閾值345V時，通過過充保護電路控制接通第一接觸器常閉觸頭Kl與充電器連接，並通過IGBT2內置反向續流二極體正常充電；當充電電壓回升至允許放電閾值320V時，通過過放保護電路接通第二接觸器常閉觸頭K2，同時IGBT 驅動電路的開關電晶體Q41導通，由PWM控制晶片UC3844B控制IGBTl和IGBT2導通，分別與第一接觸器常閉觸頭Kl和第二接觸器常閉觸頭K2分流。在磷酸鐵鋰電池電壓充電至過充點保護閾值380V時，過充保護電路輸出信號 Vbat-OVER為高電平時，第一接觸器常閉觸頭Kl斷開，停止充電，IGBT驅動電路的開關電晶體Q41截止，PWM控制晶片UC3844B的輸出通過電容C54控制IGBTl或IGBT2延時20毫秒關斷，此時IGBTl的驅動電壓為0，以避免第一接觸器常閉觸頭Kl斷開時產生拉弧，第一接觸器常閉觸頭Kl只斷開充電迴路，通過第二接觸器常閉觸頭K2和IGBTl內置反向續流二極體仍然接通放電迴路。而在磷酸鐵鋰電池電壓高於允許放電閾值320V時，通過過放保護電路控制接通第二接觸器常閉觸頭K2，並通過IGBTl內置反向續流二極體與負載連接，向負載正常放電提供電能；當放電電壓低於345V，通過過充保護電路控制接通第一接觸器常閉觸頭Kl，同時IGBT驅動電路的開關電晶體Q41導通，由P麗控制晶片UC3844B控制IGBTl和IGBT2導通，分別與第一接觸器常閉觸頭Kl和第二接觸器常閉觸頭K2分流。 在磷酸鐵鋰電池電壓放電至過放電保護閾值280V時，過放保護電路輸出信號 Vbat-LOff為高電平時，第二接觸器常閉觸頭K2斷開，停止放電，IGBT驅動電路的開關電晶體Q41截止，PWM控制晶片UC3844B的輸出通過電容C54控制IGBTl或IGBT2延時20毫秒關斷，此時IGBT2的驅動電壓為0，以避免第二接觸器常閉觸頭K2斷開時產生拉弧。第二接觸器常閉觸頭K2隻斷開放電迴路，通過第一接觸器常閉觸頭Kl和IGBT2內置反向續流二極體仍然接通充電迴路。本具體實施方式
特別適用對電動汽車用磷酸鐵鋰電池進行充放電保護。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當視為屬於本發明由所提交的權利要求書確定的專利保護範圍。
權利要求
1.一種電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路，連接在充電器的正負兩直流電壓輸出端，所述充電器與交流輸入電源連接，將交流輸入電源變成直流電壓電源，所述充電器的正負兩直流電壓輸出端與負載的正負兩端連接，向負載提供電能，其特徵在於設有由第一接觸器、第二接觸器以及控制電路組成的電控機械開關，所述電控機械開關的控制電路的正負兩控制輸入端分別與所述磷酸鐵鋰電池的正負兩端連接； 所述電控機械開關的第一接觸器常閉觸頭和正向連接充電器的第一絕緣柵雙極型功率管(Insulated Gate Bipolar Transistor Ns 1，縮略詞為 IGBT1)組成第一併聯連接組， 所述IGBTl內置反向續流二極體；所述電控機械開關的第二接觸器常閉觸頭和反向連接充電器的第二絕緣柵雙極型功率管(Insulated Gate Bipolar Transistor Ns 2，縮略詞為 IGBT2)組成第二並聯連接組， 所述IGBT2內置反向續流二極體；所述第一併聯連接組和第二並聯連接組串聯連接組成組合保護開關，對所述磷酸鐵鋰電池提供正常充放電、過充電保護和過放電保護。
2.如權利要求1所述的電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路，其特徵在於所述組合保護開關正向連接充電器的IGBTl的集電極與所述充電器的正直流電壓輸出端連接，所述組合保護開關反向連接充電器的IGBT2的集電極與所述磷酸鐵鋰電池的正端連接，所述磷酸鐵鋰電池的負端與所述充電器的負直流電壓輸出端連接；所述IGBTl的發射極與所述IGBT2的發射極相連，且與第一接觸器常閉觸頭和第二接觸器常閉觸頭的連接點相連，正常充、放電時，IGBTU IGBT2、第一接觸器常閉觸頭和第二接觸器常閉觸頭均接通，形成充、放電迴路，同時又可通過IGBTl和IGBT2中之一的關斷以及第一接觸器常閉觸頭和第二接觸器常閉觸頭中之一的關斷，將過充電迴路和過放電迴路分開控制。
3.如權利要求1或2所述的電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路，其特徵在於所述電控機械開關的控制電路包括由過充保護電路、過放保護電路、IGBT驅動電路組成的電子開關、基準電源電路，以及電動汽車的24V直流電源。
4.如權利要求3所述的電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路，其特徵在於所述過充保護電路包括第一差分運算放大器、第一電壓遲滯比較器和第一接觸器驅動電路依次逐級連接組成的電子開關，所述過充保護電路的輸入端與磷酸鐵鋰電池的正負兩端連接，第一電壓遲滯比較器的輸出端與IGBT驅動電路的過充保護信號輸入端連接，第一接觸器驅動電路的輸出控制第一接觸器常閉觸頭的開閉。
5.如權利要求4所述的電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路，其特徵在於所述過放保護電路包括第二差分運算放大器、第二電壓遲滯比較器和第二接觸器驅動電路依次逐級連接組成的電子開關，所述過放保護電路的輸入端與磷酸鐵鋰電池的正負兩端連接，第二電壓遲滯比較器的輸出端與IGBT驅動電路的過放保護信號輸入端連接，第二接觸器驅動電路的輸出控制第二接觸器常閉觸頭的開閉。
6.如權利要求5所述的電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路，其特徵在於所述IGBT驅動電路包括開關電晶體、PWM控制晶片、隔離驅動變壓器及其次級的整流濾波輸出電路，所述IGBT驅動電路的兩個輸出端分別與IGBT1、IGBT2的控制極連接，為 IGBTU IGBT2提供PWM控制信號，其一輸入端是第一電壓遲滯比較器輸出的過充保護信號輸入端，另一輸入端是第二電壓遲滯比較器輸出的過放保護信號輸入端，兩輸入端之一為高電平時IGBT驅動電路關斷，兩輸入端同時為低電平時，IGBT驅動電路開通。
7.如權利要求6所述的電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路，其特徵在於 所述基準電源電路輸入端與電動汽車的24V直流電源連接，輸出端分別與過充保護電路、過放保護電路中的電壓遲滯比較器的直流電源端連接，為過充保護電路、過放保護電路中的電壓遲滯比較器提供比較基準電源。
8.如權利要求7所述的電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路，其特徵在於 所述充電器的實際輸出電壓400V設定略高於磷酸鐵鋰電池過充電保護閾值380V。
9.如權利要求8所述的電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路，其特徵在於在磷酸鐵鋰電池電壓充電至過充點保護閾值時，過充保護電路輸出信號為高電平，第一接觸器常閉觸頭斷開，停止充電，IGBT驅動電路控制IGBTl或IGBT2延時關斷，以避免第一接觸器常閉觸頭斷開時產生拉弧，第一接觸器常閉觸頭只斷開充電迴路，通過第二接觸器常閉觸頭和IGBTl內置反向續流二極體仍然接通放電迴路。
10.如權利要求9所述的電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路，其特徵在於在磷酸鐵鋰電池電壓放電至過放電保護閾值時，過放保護電路輸出信號為高電平，第一接觸器常閉觸頭斷開，停止充電，IGBT驅動電路控制IGBTl或IGBT2延時關斷，以避免第二接觸器常閉觸頭斷開時產生拉弧，第二接觸器常閉觸頭只斷開放電迴路，通過第一接觸器常閉觸頭和IGBT2內置反向續流二極體仍然接通充電迴路。
全文摘要
一種電動汽車用磷酸鐵鋰電池充放電保護電路，連接在充電器的正負兩直流電壓輸出端，其特徵在於設有由第一接觸器、第二接觸器以及控制電路組成的電控機械開關，電控機械開關的控制電路的正負兩控制輸入端分別與所述磷酸鐵鋰電池的正負兩端連接；第一接觸器常閉觸頭和IGBT1組成第一併聯連接組，第二接觸器常閉觸頭和IGBT2組成第二並聯連接組，IGBT1、IGBT2內置反向續流二極體；第一併聯連接組和第二並聯連接組串聯連接組成組合保護開關。既保證充放電迴路正常接通，又避免第一、二接觸器常閉觸頭斷開時產生拉弧。本發明的組合保護開關可以將過充電迴路和過放電迴路分開控制，特別適用對電動汽車用磷酸鐵鋰電池進行充放電保護。
文檔編號H02H7/18GK102214914SQ201010242850
公開日2011年10月12日 申請日期2010年7月30日 優先權日2010年7月30日
發明者仝瑞軍, 張泱淵 申請人:深圳市科列技術有限公司