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CN102820486A - 大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块 - Google Patents

大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块 Download PDF

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CN102820486A CN2012102155281A CN201210215528A CN102820486A CN 102820486 A CN102820486 A CN 102820486A CN 2012102155281 A CN2012102155281 A CN 2012102155281A CN 201210215528 A CN201210215528 A CN 201210215528A CN 102820486 A CN102820486 A CN 102820486A
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phosphate lithium
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张忠仁
马永胜
杨康
沈静
范晔平
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SHANGHAI GUANGWEITUOPU ELECTRIC POWER CO Ltd
SHANGHAI GUANGWEI ELECTRIC CO Ltd
Shanghai Guangwei Electric and Tools Co Ltd
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Abstract

一种大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块，包含电路连接的磷酸铁锂电池组和电池组控制电路，该磷酸铁锂电池组包含若干串联的单体锂电池，短接片将一节单体锂电池的正极连接到另一节单体锂电池的负极，整个磷酸铁锂电池组包含还包含输出正极和输出负极，该电池组控制电路包含电路连接磷酸铁锂电池组的大电流继电器、电路连接该大电流继电器的主控电路，以及电路连接该主控电路的电池组保护电路。本发明实现多节单体电池的串联，并能稳定替代铅酸电池组，充分利用磷酸铁锂的天生优势，具有环保，体积更小，重量更轻，循环寿命更长，自放电率更低等特点，能够安全、稳定的实现大电流放电这一最主要的功能。

Description

大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块
技术领域
本发明涉及一种大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块。
背景技术
传统的车船等应急启动电源多采用铅酸蓄电池，近年来随着人们环保意识的加强，对于铅酸蓄电池所使用的铅和硫酸的处理变得越来越棘手。锂电池无污染，环保性，采用锂电池来代替铅酸电池，作为应急启动电源里的电池，便成为未来大势所趋。
但目前锂电池并不具有高的放电倍率，最常见的就是在30C以内（1C=1小时率额定容量（A.H）；如：8AH的电池1C=8A）。比如一节8AH的电池，其最大放电电流就是30×8=240安培。这远远不能适应大启动电流的大型车辆。
每个单体锂电池的电压只有3.2V，但是目前很多领域需要的是6V，12V，24V，48V等等。如果不采用串联的话，则锂电池单体的应用将大大受限。现在广泛使用的免维护铅酸电池，其实也是由单体串联组成的，每个单体是2V。但这个从单体到串联，要解决均衡充放电、温度保护、过流保护、短路保护等诸多问题，才能真正进入应用。铅酸电池有100多年的历史，其从单体到串联也走过了很长的路。现在随着人们对环保意识的加强，越来越迫切需要无污染的锂电池组来代替铅酸电池组。
发明内容
本发明提供的一种大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块，实现多节单体电池的串联，并能稳定替代铅酸电池组。更为突出的是，在串联锂电池组的大电流放电技术方面，取得卓有成效的结果，放电倍率高达80C，最高能达到150C。本发明将极大的促进单体锂电池经过成组，广泛的应用于各个领域。包括但不限于汽车12V，24V系统。
为了达到上述目的，本发明提供一种大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块，该磷酸铁锂电池组模块包含电路连接的磷酸铁锂电池组和电池组控制电路；
所述的磷酸铁锂电池组包含若干串联的单体锂电池，短接片将一节单体锂电池的正极连接到另一节单体锂电池的负极，整个磷酸铁锂电池组包含还包含输出正极和输出负极；
所述的电池组控制电路包含电路连接磷酸铁锂电池组的大电流继电器、电路连接该大电流继电器的主控电路，以及电路连接该主控电路的电池组保护电路；所述的大电流继电器电路连接磷酸铁锂电池组的输出正极和主控电路。
所述的短接片采用铜片。
所述的输出正极和输出负极表面镀金处理，与电池接触电阻池小于0.5毫欧。
所述的单体锂电池包括正极片、负极片、隔膜、电解液及外壳，所述的正极片包括集流体和涂覆在集流体上的正极材料，该正极材料包括正极活性物质、粘合剂及导电剂；
所述的正极活性物质包含纳米级磷酸铁锂和微米级磷酸铁锂，所述纳米级磷酸铁锂与微米级磷酸铁锂的重量比为1：7～1：9。
所述的纳米级磷酸铁锂中的中粒径D50分布为300nm-900nm.
所述的微米级磷酸铁锂中的中粒径D50分布为2um-10um。
所述正极活性物质在集流体上的单面涂覆量为80～140g/m2。
所述的电池组保护电路包含分别电路连接所述主控电路的反接/错接保护电路、单节电池电压采样电路、温度保护电路、过流保护电路和充电控制保护电路。
本发明提供的放电电流在80~150C的锂电池放电技术，很好的解决了困扰业界很久的以上难题。
大电流放电技术的磷酸铁锂电池组具有高储存能量密度，相对铅酸电池而言锂电池重量轻，相同体积下重量约为铅酸电池的五分之一或是六分之一。
锂电池的使用寿命相对较长，具备高功率承受力。高低温适用性强，绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞等有毒有害重金属元素和物质。
和铅酸电池相比，本发明充分利用磷酸铁锂的天生优势，具有环保，体积更小，重量更轻，循环寿命更长，自放电率更低等特点，本发明具有诸多保护功能，例如，温度保护，过流保护，短路保护，充电控制，错接、反接报警等功能单元，能够安全、稳定的实现大电流放电这一最主要的功能。
附图说明
图1是本发明的电路框图；
图2是本发明的具体电路图；
图3是本发明的控制流程图。
具体实施方式
以下根据图1～图3，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供的一种大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块包含电路连接的磷酸铁锂电池组101和电池组控制电路；
所述的磷酸铁锂电池组包含若干串联的单体锂电池1011，短接片1012将一节单体锂电池的正极连接到另一节单体锂电池的负极，整个磷酸铁锂电池组包含还包含输出正极1014和输出负极1013；
本实施例中，采用四节单体锂电池1011串联组成磷酸铁锂电池组，每节单体锂电池1011电压为3.2伏，四节通过短接片1012相连接后，磷酸铁锂电池组101的电压为3.2伏х4=12.8伏，可以替代普通12V铅酸电池；
由于该磷酸铁锂电池组之间靠厚度为1毫米，宽度为20毫米，长度为38毫米并且表面镀银处理后的紫铜片作为短接片进行串联连接。确保其足够承受电池组以最大放电倍率时的导通能力。要以80～150C的倍率放电，以8AH为例，放电电流在640~1200A，所以，串联用的短接片经过各种严酷实验，最后采用厚度为1毫米，宽度为20毫米，长度为38毫米的铜片，实验证明，能够耐受该放电电流；其它各个AH有相应不同规格尺寸的铜片；
输出正极1014和输出负极1013表面镀金处理，与电池接触电阻池小于0.5毫欧，以满足大电流放电的要求；
所述的单体锂电池1011包括正极片、负极片、隔膜、电解液及外壳，所述的正极片包括集流体和涂覆在集流体上的正极材料，该正极材料包括正极活性物质、粘合剂及导电剂；
所述的正极活性物质包含纳米级磷酸铁锂和微米级磷酸铁锂，所述纳米级磷酸铁锂与微米级磷酸铁锂的重量比为1～7∶1～9；
所述的纳米级磷酸铁锂中的中粒径D50分布为300nm-900nm；
所述的微米级磷酸铁锂中的中粒径D50分布为2um-10um；
所述正极活性物质在集流体上的单面涂覆量为80～140g/m2；
所述的电池组控制电路包含电路连接磷酸铁锂电池组的大电流继电器104、电路连接该大电流继电器的主控电路103，以及电路连接该主控电路的电池组保护电路102；所述的大电流继电器104电路连接磷酸铁锂电池组的输出正极和主控电路；
该大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块的工作原理是：在外部条件满足时，磷酸铁锂电池组在主控电路控制下，通过大电流继电器吸合，磷酸铁锂电池组模块的正极、负极对外进行大电流放电，电池组保护电路保护磷酸铁锂电池组的正常工作。
如图2所示，所述的电池组保护电路102包含分别电路连接所述主控电路的反接/错接保护电路1021、单节电池电压采样电路1022、温度保护电路1023、过流保护电路1024和充电控制保护电路1025；
所述的主控电路103采用单片机MC96F6432Q，在外部条件满足时，比如外部没有短路，主控电路的单片机第54脚输出高电平，使三极管Q27导通，进而大电流继电器104吸合导通，磷酸铁锂电池组101的正极，负极输出到大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块的正极，负极对外进行大电流放电，如果此时大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块工作异常，比如磷酸铁锂电池组过热，主控电路会做出反应，关闭大电流继电器对外大电流放电，以保护酸铁锂电池组模块安全；
反接/错接保护电路1021的主要电子器件采用光耦TLP627，当大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块的正极与负极和外部负载（如电池）相连接时，所述的反接/错接保护电路1021的光耦U8B导通，说明外部负载连接正确，光耦U8B输出正确的信号到主控电路的单片机第9脚，单片机收到这个信号后，程序做出正确的识别，然后单片机从第44脚输出大电流继电器的控制信号，控制大电流继电器导通，大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块对外输出大电流；
如果反接/错接保护电路1021的光耦U8C导通，说明外部负载连接错误，光耦U8C输出信号到主控电路的单片机第10脚，单片机收到这个信号后，程序做出正确的识别，然后单片机从第44脚输出大电流继电器的控制信号，控制大电流继电器断开，大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块对外不能输出大电流；
所述的单节电池电压采样电路1022的主要电子器件采用集成运放LM224AD，P型MOS管BSS84和三极管S8550，单节电池电压采样电路1022对四个单体锂电池的电压分别进行采样，由主控电路的单片机识别其正确电压，作为充电或是对外大电流放电时的电压依据；单节电池电压采样电路1022的输入VBAT+，B2，B3，B4分别连接磷酸铁锂电池组第1节电池的正极，第2节电池的正极，第3节电池的正极及第4节电池的正极；运放U1的三个部分U1A，U1B，U1C及相关电路，通过运算求和电路输出四节单体锂电池的单体电压，分别送到主控电路单片机的第28脚，第27脚，第26脚和第25脚，单片机通过滤波算法，可以得到四个单节电池的真实电压；
所述的温度保护电路1023的主要电子器件温度传感器RT2采用NTC 10K电阻，当磷酸铁锂电池组模块的温度超过60度时，负温度系数的温度传感器RT2相应的阻值会发生变化，电阻R68的电压会发生变化，主控电路的单片机第34脚检测到这个电压变化，通过程序运算，识别出磷酸铁锂电池组模块的温度，并以此为依据，主控电路会断开磷酸铁锂电池组模块的对外供电，可以有效保护磷酸铁锂电池组；
所述的过流保护电路1024的主要电子器件采用集成运放LM358AM，当磷酸铁锂电池组对大电流放电时，如果超过设定的电流值，程序会在0.5秒内做出反映，主控电路会断开磷酸铁锂电池组模块的对外供电，可以有效保护磷酸铁锂电池组模块；采样的大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块负极电压通过R119输入到运放U9B内部进行电压放大，放大后的信号输入到主控电路单片机的第31脚，程序在检测到这个信号后进行模数转换，单片机在对信号程序处理后得到模块大电流的真实值，根据此值，如果超过设定的电流值，主控电路会切断磷酸铁锂电池组模块的对外供电，达到过流保护的目的；
所述的充电控制保护电路1025的主要电子器件采用集成运放LM224AD，在对磷酸铁锂电池组充电时，如果出现过充情况，主控电路会自动断开磷酸铁锂电池组模块，避免过充影响其使用寿命；在主控电路采样到磷酸铁锂电池组的单节电池电压过低时，磷酸铁锂电池组电压低于8伏时，主控电路的单片机第43脚输出高电平，使充电控制保护电路中的Q17导通，进而Q28也导通，外部充电器通过Q28对磷酸铁锂电池组充电，同时，充电控制保护电路通过电阻R50对充电电流进行采样，通过运放U1D将采样电压放大，送入到主控电路单片机的第31脚，程序实时检测充电过程，在磷酸铁锂电池组充满电时，单片机第43脚输出低电平，切断充电回路。
如图3所示，本发明提供的一种大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块在实施例中的控制流程包含以下步骤：
步骤1、启动，大电流继电器断开；
步骤2、主控电路判断磷酸铁锂电池组的电压是否低于8.0V，若是，跳转到步骤12，若否，跳转到步骤3；
步骤3、主控电路判断电池温度是否高于60度，若是，跳转到步骤12，若否，跳转到步骤4；
步骤4、主控电路判断反接/错接保护电路是否工作，若是，跳转到步骤12，若否，跳转到步骤5；
步骤5、主控电路判断所有连接均为有效合格后，自动输出连接导通命令，使大电流继电器吸合工作；
步骤6、主控电路完成放电电流、电池电压及放电时间检测，同时进行步骤12和步骤7；
步骤7、主控电路判断电池电压是否低于8.0V，若是，跳转到步骤11，若否，跳转到步骤8；
步骤8、主控电路判断电池温度是否高于60度，若是，跳转到步骤11，若否，跳转到步骤9；
步骤9、主控电路判断电流是否大于设定值，若是，跳转到步骤11，若否，跳转到步骤10；
步骤10、主控电路判断放电时间是否达到5秒，若是，跳转到步骤13，若否，跳转到步骤5；
步骤11、主控电路断开大电流继电器；
步骤12、主控电路记录检测数据；
步骤13、停止放电，跳转到步骤1。
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 (8)

1.一种大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块，其特征在于，该磷酸铁锂电池组模块包含电路连接的磷酸铁锂电池组（101）和电池组控制电路；
所述的磷酸铁锂电池组包含若干串联的单体锂电池（1011），短接片（1012）将一节单体锂电池的正极连接到另一节单体锂电池的负极，整个磷酸铁锂电池组包含还包含输出正极（1014）和输出负极（1013）；
所述的电池组控制电路包含电路连接磷酸铁锂电池组的大电流继电器（104）、电路连接该大电流继电器的主控电路（103），以及电路连接该主控电路的电池组保护电路（102）；所述的大电流继电器（104）电路连接磷酸铁锂电池组的输出正极和主控电路。
2.如权利要求1所述的大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块，其特征在于，所述的短接片（1012）采用铜片。
3.如权利要求1所述的大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块，其特征在于，所述的输出正极（1014）和输出负极（1013）表面镀金处理，与电池接触电阻池小于0.5毫欧。
4.如权利要求1所述的大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块，其特征在于，所述的单体锂电池（1011）包括正极片、负极片、隔膜、电解液及外壳，所述的正极片包括集流体和涂覆在集流体上的正极材料，该正极材料包括正极活性物质、粘合剂及导电剂。
5.所述的正极活性物质包含纳米级磷酸铁锂和微米级磷酸铁锂，所述纳米级磷酸铁锂与微米级磷酸铁锂的重量比为1：7～1：9。
6.如权利要求4所述的大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块，其特征在于，所述的纳米级磷酸铁锂中的中粒径D50分布为300nm-900nm。
如权利要求4所述的大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块，其特征在于，所述的微米级磷酸铁锂中的中粒径D50分布为2um-10um。
7.如权利要求4所述的大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块，其特征在于，所述正极活性物质在集流体上的单面涂覆量为80～140g/m2。
8.如权利要求1所述的大电流放电技术的磷酸铁锂电池组模块，其特征在于，所述的电池组保护电路（102）包含分别电路连接所述主控电路的反接/错接保护电路（1021）、单节电池电压采样电路（1022）、温度保护电路（1023）、过流保护电路（1024）和充电控制保护电路（1025）。
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