磷酸铁锂电池通用充电模块的基本组成与电路分析

1 锂电池应用概况

近年来，便携式电子产品正向轻量化、超小型化发展，为此锂离子电池得到广泛应用，比较常见的正极材料为钴酸锂和锰酸锂的锂离子电池，还有磷酸铁锂电池和磷酸铁锰电池等。但是目前大量应用的钴酸锂和锰酸锂的锂离子电池安全性能较差。多年来，手机锂电池、笔记本锂电池组、移动DVD用锂电池和矿灯用锂电池等不断出现燃烧和爆炸等现象，造成极大的经济损失和极坏的社会影响。为了消除这种现象，便携式电子设备已开始采用安全性能极好的磷酸铁锂电池。此外，电动工具过去普遍采用镍镉电池，由于含有镉等严重污染环境和毒害人身健康的材料，已被许多国家禁止生产和使用，目前唯一可以替代的只有磷酸铁锂电池。在电动助力车和混合动力汽车中，过去普遍采用非常笨重的铅酸蓄电池或镍氢电池。为了减轻电池重量，国内外曾有不少研究人员试图采用钴酸锂和锰酸锂电池，结果都以失败告终。随着磷酸铁锂电池的推广应用，成本不断降低，性能不断提高，电动车辆采用磷酸铁锂电池已成为必然趋势。由于磷酸铁锂电池的主要技术参数与锰酸锂和钴酸锂电池具有较大的差别，因此过去大量生产的锂离子电池充电控制专用集成电路、厚膜电路和模块等不能对磷酸铁锂电池进行充电，为了满足手机、笔记本电脑、矿灯、移动DVD、MP4、电动工具和电动车辆中磷酸铁锂充电的要求，必须尽快开发研制出通用型磷酸铁锂电池充电厚膜电路和模块。

2 锂电池充电模块基本组成

磷酸铁锂电池通用充电模块由充电电流采样电路、充电开关管、集成控制电路、充电电压采样电路等部分组成，如图1所示。充电采样电路可根据待充磷酸铁锂电池的容量设定充电模块的恒定充电电流，比如对矿灯用单体4Ah磷酸铁锂电池充电时，该电流可设定在800mA;对笔记本电脑用10Ah磷酸铁锂电池充时，该电流可设置为3A.电压采样电路可根据待充磷酸铁锂电池组的串联电池数，设定通用充电模块输出的恒定充电电压，比如对矿灯用的单体磷酸铁锂电池充电时，该电压设置在3.65V.对移动DVD用两只串联磷酸铁锂电池组充电时，该电压应设置在7.3V.对电动助力车用11只串联磷酸铁锂电池组充电时，该电压应设置在40V.集成控制电路的作用是通过控制开关实现磷酸铁锂电池最佳充电。充电开始后，以恒定电流对磷酸铁锂电池充电，当电池电压达到设定的恒定充电电压时，自动转入恒压充电，确保磷酸铁锂电池安全快速充足电。充电开关采用MOSFET,根据设定的充电电流可选定MOSFET的额定电流值。

图1磷酸铁锂电池充电模块基本组成

3 磷酸铁锂电池充电模块实际电路

对矿灯用单体4Ah磷酸铁锂电池充电的模块实际电路如图2所示，图中C3为输入滤波电容器，D1为隔离二极管，防止反向充电电压加入控制电路，R2、R6、R1、R8、R10等组成电流采样电路，将矿灯用单体磷酸铁电池的充电电流设定在800mA,电阻R3和R9组成分压电路，将单体磷酸铁锂电池的充电电压设置在3.65V.U1为充电控制专用集成电路，可实现磷酸铁锂电池由恒流充电自动转换为恒压充电，由于矿灯电池的容量较小，充电电流较小，因此充电开关Q2选用额定电流较小的MOSFET.应当说明，本通用充电模块为系列产品，可根据用户的实际要求设定充电电流和充电电压，满足笔记本电脑、手机、移动DVD、MP4、矿灯、电动工具和电动车辆用磷酸铁锂电池组的不同要求。

图2充电模块实际电路

为了减小通用充电模块的体积，该模块采用厚膜工艺制作，所有电阻、电容和引线均采用印刷的方法印制在陶瓷基片上，集成电路MOSFET和二极管均采用管芯贴装在陶瓷片上。该模块也可采用表面贴装的方式，将各种元件贴装在铝基电路板上。