CN101931110A - 用于控制电池加热的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于控制电池加热的方法和装置，其中该方法包括以下步骤：当符合启动加热的条件时，启动对电池的加热；并且当符合停止加热的条件时，停止对电池的加热；其中，所述停止加热的条件为以下中的一者：电池吸收的能量达到一能量设定值；电池的放电电流保持不变的时间达一设定时长、或放电电流减小；加热时间达到最大加热时间。本发明提供的方法和装置对停止加热的条件进行了改进，相比于现有技术中采用的单一的温度判断的方式来停止加热来说，考虑的因素更为多元化，由于分别考虑了温度、放电电流以及加热时间各种因素，更能符合电池在实际环境中的需求，并且不会对电池造成损害，延长了电池的寿命。

Description

用于控制电池加热的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于控制电池加热的方法和装置。

背景技术

目前，锂电池已经成为便携式电子设备及电动车所使用的理想电源。考虑到汽车需要在复杂的路况和环境条件下行驶，或者有些电子设备需要在较差的环境条件中使用，所以作为电动车或电子设备电源的电池就需要适应这些复杂的状况，尤其是当电动车或电子设备处于低温环境中时，更需要电池具有优异的低温充放电性能和较高的输出、输入功率性能。

一般而言，在低温条件下，在锂离子电池充电过程中，锂离子的迁移速率减慢，难于嵌入负极中而相对较易从负极中脱出，从而造成锂金属沉积，这就是所谓的“锂枝晶”。沉积的锂与电解液发生还原反应，会形成新的固体电解质相界面膜(即SEI膜)覆盖在原来SEI膜上，随之电池的阻抗增大，极化增强，从而导致电池的容量急剧下降。而电池容量的急剧衰减极可能使电池内部发生短路，造成安全事故。

为了避免锂枝晶出现，并保持电池的容量，必须改善锂离子在低温条件下的迁移问题。目前通常做法是利用这些电池内部的电化学反应来改善电池低温性能或者在电池外部设置加热装置来提高电池整体温度而使电池在适宜的温度下工作。

就在电池外部设置加热装置的方式来说，现有的方案大多是通过检测电池的温度来启动或停止对电池的加热，一般来说，当温度低于某一预定温度时开始对电池进行加热，并当温度达到另一预定温度时停止对电池进行加热。

例如，CN201038282Y中公开了一种适用于低温环境的锂离子电池，包括电池外壳，紧贴电池外壳的隔热保温层，电芯设置在电池外壳内，其中，在电芯与隔热保温层之间设置有发热组件；发热组件上连接有控制电路；控制电路分别与发热组件、电芯相连。其中，当电池内部温度低于一定温度时，由温控开关、控制电路组成的控制组件，发热组件、导热组件组成的供热组件，利用电池的电力对嵌在导热匣内的电芯进行加热，温度高于一定温度时，控制组件控制供热组件停止加热。

又如，CN1831693A中公开了一种电池包温控系统，运用于一便携式电子装置内，该系统包括：一温度感测单元，设置于一电池包之内，用以持续感测该电池包的一内部温度；一温度控制单元，设置于该便携式电子装置中，用以设定一低温加热温度，并接收该内部温度，确认该内部温度小于该低温加热温度时，产生一低温加热信号；及一热能产生单元，设置于该电池包之内，用以接收该低温加热信号，并产生一热能至该电池包之中。其中所述温度控制单元更设定一加热截止温度，当该内部温度等于该加热截止温度时，产生一加热截止信号，以使所述热能产生单元停止产生热能。

现有的这种温控方式，尤其是通过设定一恒定的温度来控制停止加热，有时候并不适用于所有的情形。由于电池的温度是从内部集流体扩展至其他部位，温度在短时间很难趋于平稳，具有一定迟滞性，这种利用单一的温度条件来控制何时停止加热并不十分符合实际需要，对于实际运用而言并不能够很好的保护电池。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有的用于控制电池加热的方法和装置不能更好地保护电池的缺点，提供一种能够更好保护电池的用于控制电池加热的方法和装置。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种用于控制电池加热的方法包括以下步骤：当符合启动加热的条件时，启动对电池的加热；并且当符合停止加热的条件时，停止对电池的加热；其中，所述停止加热的条件为以下中的一者：电池吸收的能量达到一能量设定值；电池的放电电流保持不变的时间达一设定时长、或放电电流减小；加热时间达到最大加热时间。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一种用于控制电池加热的装置，该装置包括：电池加热单元，用于对电池进行加热；与电池加热单元的控制端连接的控制单元，用于当符合启动加热的条件时，启动电池加热单元对电池的加热，并且当符合停止加热的条件时，停止电池加热单元对电池的加热；其中，所述停止加热的条件为以下中的一者：电池吸收的能量达到一能量设定值；电池的放电电流保持不变的时间达一设定时长、或放电电流减小；加热时间达到最大加热时间。

本发明提供的这种用于控制电池加热的方法和装置对停止加热的条件进行了改进，相比于现有技术中采用的单一的温度判断的方式来停止加热来说，考虑的因素更为多元化。由于分别考虑了能量、放电电流以及加热时间各种因素，甚至在判断何时停止时不必检测温度就可以，更能符合电池在实际环境中的需求，可以使处于低温环境中的电池有效地升温，保证了电池的充放电性能，并且不会对电池造成损害，延长了电池的寿命。

附图说明

图1为根据本发明的用于控制电池加热的方法的流程图；

图2为根据本发明的一种优选实施方式的用于控制电池加热的方法的流程图；

图3为根据本发明的用于控制电池的装置的方框图；

图4为根据本发明的一种优选实施方式的用于控制电池的装置的方框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

首先需要说明的是，在本发明中，所谓“电池”既包括单个电池单体，也包括由多个电池单体组成的电池组。其中对于“电池”的各种描述既适用于单个电池单体，也适用于电池组。例如，对于单个电池单体来说，所谓“电池的正极、负极”就是指该电池单体的正极、负极，而对于电池组来说，所谓“电池的正极、负极”则是指该电池组的正极、负极。

图1为根据本发明的用于控制电池加热的方法的流程图，如图1所示，本发明提供的用于控制电池加热的方法从总体上分为两个步骤：当符合启动加热的条件时，启动对电池的加热；以及当符合停止加热的条件时，停止对电池的加热。其中，本发明的改进之处为改进了第二步中的停止加热的条件。

在本发明中，所述停止加热的条件为以下中的一者：

(1)电池吸收的能量Q达到一能量设定值Q_SET；

(2)电池的放电电流I保持不变的时间T_i达一设定时长T_SET、或放电电流I减小；

(3)加热时间T达到最大加热时间T_max。

只要满足上述三个条件中的任何一者，就停止对电池的加热。

通过对停止加热的条件的改进，考虑了能量、放电电流、加热时间等多元因素，相对于现有技术只考虑温度因素来说更符合实际运行的需要。

下面对上述停止加热的条件中的参数进行说明。

所述电池吸收的能量Q为在对电池加热的过程中电池自身吸收的能量，单位为J，该值可以通过各种方式得到，视加热方式而定，稍后介绍加热方式时将具体解释如何计算能量Q。

所述能量设定值Q_SET通过下面的公式得到：

Q_SET＝cm(K_STOP-K_START)

其中c为电池的比热，单位为J/(kg·℃)，电池的比热可以通过对构成电池的正极混料、负极混料、电解液等各组分的比热按质量分数加权得到，如

其中c_i为电池中各组分的比热，w_i为各组分的质量分数；

m为电池的重量，单位为kg，可以对一确定型号的多块电池进行测量而获得；

K_START为启动加热温度，单位为℃，K_START是根据需要而预先设置的，其范围为-50℃至0℃；

K_STOP为停止加热温度，单位为℃，K_STOP是根据需要而预先设置的，其范围为0℃至25℃，K_START小于K_STOP。

所述电池的放电电流I是实际运行中测得的，例如通过霍尔电流传感器测量电池的放电电流。

所述最大加热时间T_max是根据电池所能承受的最大加热时间而确定的，其范围为30s-360s。

所述加热时间T是实际运行中得的，从启动加热开始计时。当然，也可以通过直接将用于加热的控制信号的持续时间设置成不超过所述最大加热时间T_max，这样就不必对加热时间T进行计时。

所述电池的放电电流I保持不变的时间T_i是实际运行中测得的，例如通过霍尔电流传感器检测放电电流，并循环采样，当放电电流I不变化时开始计时，直到发生变化为止，所计的时间段为T_i。

所述设定时长T_SET是根据实际需要而预先设置的，范围为10-30s，优选为30s。

下面参考图2介绍本发明所提供的方法的优选实施方式。

首先，对于启动加热的步骤，在这里需要说明的是本发明并未对启动加热的条件进行限制，各种适用的启动加热的条件都可以使用。例如，如图2中所示，其采用的是在现有技术中广泛采用的方案，也就是当电池的温度K小于一预定的启动加热温度K_START时，启动对电池的加热。

在这种情况下，需要首先检测电池的温度K，可以通过温度传感器来检测。对于由多个单体电池组成的电池组而言，可以利用多个温度传感器测得每个电池的温度，从中选取最低的温度作为检测的电池的温度K。

另外，对于加热的方式，可以采用各种适用的加热方式，如利用电热装置进行电加热。在本发明中，优选为将电池短路以使电池升温，这种方式并不是从外界对电池进行加热，而是利用电池短路时引发的大电流使电池自己升温。使电池短路可以通过在电池的正负极之间连接开关模块(如IGBT模块)来实现(在下文中将做详细介绍)，通过开关模块的导通可以使得电池在短时间内短路。

在采用使电池短路的这种加热方式的情况下，所述电池吸收的能量Q通过电池短路时放电所释放的能量Q_D计算得到。其中电池短路时放电所释放的能量Q_D可以通过如下方式计算得出：

Q_D＝I²Rt

其中I为电池的放电电流，单位为A。t为放电时间，单位为s。R为电池的内阻，电池在不同温度K下内阻会发生变化，变化规律为R＝a+be^-cK，其中a、b、c是对于一确定型号的电池测得的参数，测试方法为将同一型号的电池放置在一温度(-40℃至40℃之间)中搁置至少4小时，使电池温度稳定，然后使用频率1KHz的电流测试电池的交流内阻，这样通过测试电池在不同温度下的内阻值来拟合公式R＝a+be^-cK，a的取值范围0.1-0.5，b的取值范围0.01-0.1，c的取值范围0.05-0.1，例如通过这样测试可以对于某一型号的电池得到a＝0.5，b＝0.1，c＝0.1。

将内阻公式代入Q_D的计算公式，并对t、K进行二元积分得到：

Q_D＝∫∫I²(a+be^-cK)tdtdK

周期性对Q_D积分，采样周期可以为0.1s、0.2s、0.5s或1s，当Q_D达到预先设定的Q_SET时，也就满足了电池停止加热的条件。

为了避免长时间短路对电池造成不必要的损害，需要对开关模块的导通和断开的时间有一定的限制。所述开关模块的导通和断开是由脉冲序列来触发的，优选情况下，所述脉冲序列的脉宽一般为1-3ms，优选为1-2ms，占空比为5-30％，优选为5-10％，持续时间的范围为30-最大加热时间T_max，优选为60-360s。

当启动加热的同时，可以对加热时间T进行计时，以便于与最大加热时间T_max进行比较。如前所述，在将用于启动加热的控制信号的持续时间设置成不超过最大加热时间T_max的情况下，这一步骤也可以省略。

在对电池加热的过程中，需要同时检测电池吸收的能量Q、检测放电电流I以及检测加热时间T(非必需)，并根据例如图2中所示的具体流程图判断是否符合停止加热的条件，一旦符合其中某一个停止加热的条件就立即停止对电池的加热，以免损害电池的性能和寿命。当然，图2中所给出的流程并不是唯一的，本领域普通技术人员也可以根据停止加热的条件设计出其它的判断流程。

下面结合图3和图4来说明本发明的用于控制电池加热的装置。

如图3所示，为本发明提供的用于控制电池加热的装置10的方框图，该装置10包括：电池加热单元1，用于对电池进行加热；与电池加热单元1的控制端连接的控制单元2，用于当符合启动加热的条件时，启动电池加热单元1对电池的加热，并且当符合停止加热的条件时，停止电池加热单元1对电池的加热；其中，所述停止加热的条件为以下中的一者：电池吸收的能量Q达到一能量设定值Q_SET；电池的放电电流I保持不变的时间T_i达一设定时长T_SET、或放电电流I减小；加热时间T达到最大加热时间T_max。

该装置10中所涉及的参数的定义、获得方式及配置与方法中的相同，如前所述，在此不再赘述。

其中，所述电池加热单元1可以为任何能对电池加热的装置，例如较为常规的电热装置(如电热丝等)，但是这种电热装置通常结构较为复杂并且占用空间较大，所以会导致整个电池组件的体积变大，需要电子装置或电子设备具有较大的容纳电池的空间。

为了解决这个问题，本发明的电池加热单元1优选采用开关模块，该模块能与电池的正负极相连接，当该开关模块导通时，能够使得电池短路，当该开关模块断开时，能够使得电池开路。事实上，该开关模块本身并不具备对电池加热功能，但是能够通过自身的短时间导通使电池瞬间短路，产生大电流，从而达到使电池升温的效果。相对于电热装置来说，开关模块的结构较为简单，体积较小，更适用于空间有限的电子装置或电子设备中。

所述开关模块可以选用各种开关电路，如三极管、MOS管等等，只要可以通过使电池以脉冲形式短路而使电池升温、并且不损坏电池及电池性能即可。

优选情况下，所述开关模块为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块，IGBT模块是本领域技术人员公知的电子元件，IGBT模块具有栅极、源极和漏极，栅极(即控制端)用于连接控制单元2，源极用于连接电池的正极或负极，漏极用于相应地连接电池的负极或正极(正极、负极的连接取决于IGBT管的类型为P型还是N型，为本领域所公知)。IGBT模块是复合了功率场效应管和电子晶体管的优点而得到的一种复合器件，具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好、驱动电路简单、通态电压低、耐电压高和承受电流大等优点。优选情况下，开关模块可以包括多个并联的IGBT模块，其中一者导通就能使得电池短路。

本领域技术人员可以根据电池的不同型号以及设计容量来选择具有合适的耐电压值或耐电流值的IGBT模块。优选情况下，通常选用耐电压值通常为1000V以上的IGBT模块，更优选为1200V。优选情况下，当所述电池的设计容量为100Ah以下时，选用耐电流值为3000-5000A的IGBT模块；当所述电池的设计容量为100Ah以上时，选用耐电流值为5000-10000A的IGBT模块。

图3中所示的控制单元2用于控制电池加热单元1，可以根据电池加热单元1的选用而选择各种适用的能够发出控制信号的控制器，如单片机、DSP等等。

在本发明中，对于使用了开关模块对电池进行短路的加热方式而言，该控制单元2优选为脉冲发生器，其能够生成脉冲序列并输出到开关模块的控制端来控制开关模块的启动和停止。同样，为了避免长时间短路对电池造成不必要的损害，需要对开关模块的导通和断开的时间有一定的限制。优选情况下，脉冲发生器生成的脉冲序列的脉宽一般为1-3ms，优选为1-2ms，占空比为5-30％，优选为5-10％，持续时间为30-最大加热时间T_2max，优选为60-360s。

所述控制单元2在生成控制信号时需要判断是否符合启动加热的条件和停止加热的条件。

其中，本发明并未对启动加热的条件进行限制，各种适用的启动加热的条件都可以使用。例如，采用现有技术中广泛采用的当电池的温度K小于一预定的启动加热温度K_START时，启动对电池的加热。其中K_START小于K_STOP，并且K_START的范围为-50℃至0℃。

在这种情况下，需要首先检测电池的温度K，根据本发明的优选实施方式，如图4所示，本发明的用于控制电池加热的装置10还可以包括与控制单元2相连的温度测量单元3，用于对电池的温度K进行检测并将检测到的温度K输出到控制单元2。这时，控制单元2可以将接收到的电池的温度K来与预定的启动加热温度K_START相比较，并根据比较结果判断是否符合启动加热的条件。所述温度测量单元3可以为各种能够感测温度的装置，优选为温度传感器，温度传感器的个数优选与电池中所包含的单体电池的个数相同，当控制单元2接收到多个温度值时，从中选取最低的一个作为电池的温度K。

本发明重点改进的是停止加热的条件。在控制单元2判断停止加热的条件时，需要获取电池吸收的能量Q、电池的放电电流I以及加热时间T(非必要)等信息，因此，优选情况下，本发明的用于控制加热的装置10还包括一些用于获取这些信息的单元。

第一，控制单元2需要判断电池吸收的能量Q达到能量设定值Q_SET。在这种情况下，本发明的用于控制电池加热的装置10还可以包括与控制单元2相连的能量计算单元6，用于计算电池吸收的能量Q并将计算出的能量Q输出到控制单元。其中能量Q的计算过程与前述方法中介绍的计算过程相同，在这里不再赘述。这时控制单元2还用于将接收到的电池吸收的能量Q与所述能量设定值Q_SET相比较，当电池吸收的能量Q达到所述能量设定值Q_SET时，就立即输出停止对电池加热的控制信号。

第二，控制单元2还需要判断放电电流I的情况。如图4所示，本发明的用于控制电池加热的装置10还可以包括与控制单元2相连的电流测量单元4，用于对电池的放电电流I进行检测并将检测到的放电电流I输出到控制单元2。这时，控制单元2可以根据检测到的放电电流I判断放电电流I是否变化，如果放电电流I不变则开始对放电电流I保持不变的时间T_i计时，如果T_i达到设定时长T_SET，则立即输出停止对电池加热的控制信号，如果放电电流I减小，也立即输出停止对电池加热的控制信号。所述电流测量单元4可以为各种能够检测电流的装置，优选为霍尔电流传感器。

第三，控制单元2还可以根据加热时间T来停止加热。对于这一停止加热的条件，可以有两种实现方式。

第一种实现方式如图4所示，本发明的用于控制电池加热的装置10还可以包括与控制单元2相连的计时单元5，用于在控制单元2的控制下，对电池加热单元1的加热时间T开始计时，并当加热时间T达到最大加热时间T_max时输出信号到控制单元2。此时，控制单元2可以根据接收到的信号立即输出停止对电池加热的控制信号。

第二种实现方式，控制单元2在生成脉冲序列时也可以直接设定脉冲序列的持续时间不超过最大加热时间T_max。这样当加热时间T达到最大加热时间时将自动停止加热。

Claims (16)

1.一种用于控制电池加热的方法，该方法包括以下步骤：

当符合启动加热的条件时，启动对电池的加热；并且

当符合停止加热的条件时，停止对电池的加热；

其中，所述停止加热的条件为以下中的一者：

电池吸收的能量Q达到一能量设定值Q_SET；

电池的放电电流I保持不变的时间T_i达一设定时长T_SET、或放电电流I减小；

加热时间T达到最大加热时间T_max。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设定时长T_SET的范围为10s-30s，所述最大加热时间T_max的范围为30s-360s。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述能量设定值Q_SET通过下面的公式得到：

Q_SET＝cm(K_STOP-K_START)

其中c为电池的比热，单位为J/(kg·℃)，m为电池的重量，单位为kg，K_START为启动加热温度，单位为℃，K_START的范围为-50℃至0℃，K_STOP为停止加热温度，单位为℃，K_STOP的范围为0℃至25℃，K_START小于K_STOP。

4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的方法，其中，对电池加热的方式为通过连接在电池的正负极之间的开关模块的导通使电池短路以使电池升温。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述电池吸收的能量Q通过电池短路时放电所释放的能量Q_D计算得到。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述开关模块的导通和断开是由脉冲序列来触发的，所述脉冲序列的脉宽的范围为1-3ms，占空比为5-30％，持续时间的范围为30s至最大加热时间T_max。

7.一种用于控制电池加热的装置，该装置(10)包括：

电池加热单元(1)，用于对电池进行加热；

与电池加热单元(1)的控制端连接的控制单元(2)，用于当符合启动加热的条件时，启动电池加热单元(1)对电池的加热，并且当符合停止加热的条件时，停止电池加热单元(1)对电池的加热；

其中，所述停止加热的条件为以下中的一者：

电池吸收的能量Q达到一能量设定值Q_SET；

电池的放电电流I保持不变的时间T_i达一设定时长T_SET、或放电电流I减小；

加热时间T达到最大加热时间T_max。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述设定时长T_SET的范围为10s-30s，所述最大加热时间T_max的范围为30s-360s。

9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述能量设定值Q_SET通过下面的公式得到：

Q_SET＝cm(K_STOP-K_START)

其中c为电池的比热，单位为J/(kg·℃)，m为电池的重量，单位为kg，K_START为启动加热温度，单位为℃，K_START的范围为-50℃至0℃，K_STOP为停止加热温度，单位为℃，K_STOP的范围为0℃至25℃，K_START小于K_STOP。

10.根据权利要求7-9中任一项权利要求所述的装置，其中，所述电池加热单元(1)采用开关模块，该开关模块能与电池的正负极相连接，通过开关模块的导通使电池短路以使电池升温。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述电池吸收的能量Q通过电池短路时放电所释放的能量Q_D计算得到。

12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述开关模块为IGBT模块，具有栅极、源极和漏极，栅极与控制单元(2)相连，源极用于连接电池的正极或负极，漏极用于相应地连接电池的负极或正极。

13.根据权利要求10所述的装置，其中，所述控制单元(2)为脉冲发生器，该脉冲发生器生成脉冲序列并输出到开关模块的控制端来控制开关模块的导通和断开。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述脉冲发生器生成的脉冲序列的脉宽的范围为1-3ms，占空比为5-30％，持续时间的范围为30s至最大加热时间T_max。

15.根据权利要求7所述的装置，其中，该装置(10)还包括：

与控制单元(2)相连的能量计算单元(6)，用于计算电池吸收的能量Q并将计算出的能量Q输出到控制单元(2)；

与控制单元(2)相连的电流测量单元(4)，用于对电池的放电电流I进行检测并将检测到的放电电流I输出到控制单元(2)；以及

与控制单元(2)相连的计时单元(5)，用于在控制单元(2)的控制下，对电池加热单元(1)的加热时间T计时，并当加热时间T达到最大加热时间T_max时输出信号到控制单元(2)；

其中，控制单元(2)将接收到的电池吸收的能量Q与所述能量设定值Q_SET相比较，当电池吸收的能量Q达到所述能量设定值Q_SET时，就立即输出停止对电池加热的控制信号；

控制单元(2)还根据检测到的放电电流I判断放电电流I是否变化，如果放电电流I不变则开始对放电电流I保持不变的时间T_i计时，如果T_i达到设定时长T_SET，则立即输出停止对电池加热的控制信号，如果放电电流I减小，也立即输出停止对电池加热的控制信号；

控制单元(2)还当接收到来自计时单元(5)信号时也立即输出停止对电池加热的控制信号。

16.根据权利要求7所述的装置，其中，该装置(10)还包括：

与控制单元(2)相连的能量计算单元(6)，用于计算电池吸收的能量Q并将计算出的能量Q输出到控制单元(2)；

与控制单元(2)相连的电流测量单元(4)，用于对电池的放电电流I进行检测并将检测到的放电电流I输出到控制单元(2)；

其中，控制单元(2)设定脉冲序列的持续时间不超过最大加热时间T_max；

控制单元(2)还将接收到的电池吸收的能量Q与所述能量设定值Q_SET相比较，当电池吸收的能量Q达到所述能量设定值Q_SET时，就立即输出停止对电池加热的控制信号；

控制单元(2)还根据检测到的放电电流I判断放电电流I是否变化，如果放电电流I不变则开始对放电电流I保持不变的时间T_i计时，如果T_i达到设定时长T_SET，则立即输出停止对电池加热的控制信号，如果放电电流I减小，也立即输出停止对电池加热的控制信号。

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