CN101931111A

CN101931111A - 用于控制电池加热的方法和装置

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Publication number: CN101931111A
Application number: CN2009101473567A
Authority: CN
Inventors: 吴光麟; 刘进; 张�浩; 沈晞
Original assignee: BYD Co Ltd
Current assignee: BYD Co Ltd
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2010-12-29
Anticipated expiration: 2029-06-18
Also published as: CN101931111B

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：电池的SOC不低于一SOC设定值，且电池的放电电流达到电池额定电流或加热时间达到第一最大加热时间；电池的SOC低于所述SOC设定值，且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、或加热时间达到第二最大加热时间。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，更符合电池在不同荷电态中的需求，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，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：电池的荷电态(SOC，state of charge)不低于一SOC设定值，且电池的放电电流达到电池额定电流或加热时间达到第一最大加热时间；电池的SOC低于所述SOC设定值，且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、或加热时间达到第二最大加热时间。

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：电池的SOC不低于一SOC设定值，且电池的放电电流达到电池额定电流或加热时间达到第一最大加热时间；电池的SOC低于所述SOC设定值，且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、或加热时间达到第二最大加热时间。

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。由于考虑了SOC，针对高电态和低电态分别设定了不同的停止加热的条件，分别考虑了放电电流以及加热时间各种因素，更能符合电池在不同荷电态中的需求，可以使处于低温环境中的电池有效地升温，保证在最佳工作温度，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)电池的SOC不低于一SOC设定值，且电池的放电电流I达到电池额定电流I_r或加热时间T达到第一最大加热时间T_1max；

(2)电池的SOC低于所述SOC设定值，且电池的放电电流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、或加热时间T达到第二最大加热时间T_2max。

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SOC、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。最主要的，本发明分别针对高电态和低电态设定了不同的停止加热的条件，更为全面。

下面对上述停止加热的条件中的参数进行说明。

所述电池的SOC是指电池的实际电量与充满电时的电量的比值，为一百分数，是实际运行中通过各种常规的方法估算的，如根据电池的最低节电压(开路电压OCV)来估算。

所述SOC设定值是根据实际需要而预先设置的，其作用是区分高电态和低电态，因此SOC设定值的范围为50％-90％，优选为60％，也就是说，不低于60％的为高电态，低于60％的为低电态。

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。

所述额定电流I_r是根据电池不同的标称容量来确定的，例如标称容量为50Ah的电池，额定电流为2600A，标称容量为200Ah的电池，额定电流为8000A。

所述第一最大加热时间T_1max是根据处于高电态下的电池所能承受的最大加热时间而确定的，其范围为30-120s。

所述第二最大加热时间T_2max是根据处于低电态下的电池所能承受的最大加热时间而确定的，第二最大加热时间T_2max的范围为30-360s。

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第一最大加热时间T_1max或第二最大加热时间T_2max，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。其中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，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。

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的范围为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30s至第二最大加热时间T_2max，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，以便于与第一最大加热时间T_1max或第二最大加热时间T_2max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第一最大加热时间T_1max或第二最大加热时间T_2max的情况下，这一步骤也可以省略。

在对电池加热的过程中，需要估算电池的SOC、检测放电电流以及检测加热时间T(非必选)，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：电池的SOC不低于一SOC设定值，且电池的放电电流I达到电池额定电流I_r或加热时间T达到第一最大加热时间T_1max；电池的SOC低于所述SOC设定值，且电池的放电电流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、或加热时间T达到第二最大加热时间T_2max。

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导通和断开。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％，持续时间的范围为30s至第二最大加热时间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输出到控制单元2。此时，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，需要获取电池的SOC、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。

首先，控制单元2需要判断电池当前属于高电态还是低电态。在这种情况下，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SOC估算单元6，用于对电池的SOC进行估算并将估算的SOC输出的控制单元2。这时，控制单元2可以根据接收到的SOC与SOC设定值进行比较以判断电池属于高电态还是低电态。该SOC估算单元6可以采用各种SOC估算方法，如根据电池的最低节电压(开路OCV)来估算电池的SOC。

如果判断电池属于高电态，控制单元2还需要进一步判断放电电流I。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与额定电流I_r进行比较，如果放电电流I等于额定电流I_r则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。

如果判断电池属于低电态，控制单元也需要进一步判断放电电流I，放电电流的获取仍是由上述的电流测量单元4来实现。控制单元2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。

除此之外，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，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，当控制单元2启动电池加热单元1的同时对电池加热单元1的加热时间T开始计时，并当加热时间T达到第一最大加热时间T_1max或第二最大加热时间T_2max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。计时单元5可以选用至少能够设置2个预定时间的计时器。

第二，控制单元2在生成脉冲序列时也可以在比较电池SOC与SOC设定值之后直接设定脉冲序列的持续时间，对于高电态(SOC≥SOC设定值)而言，持续时间不超过第一最大加热时间T_1max，对于低电态(SOC＜SOC设定值)而言，持续时间不超过第二最大加热时间T_2max。这样当加热时间T达到第一或第二最大加热时间时将自动停止加热。

Claims

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：

电池的SOC不低于一SOC设定值，且电池的放电电流I达到电池额定电流I_r或加热时间T达到第一最大加热时间T_1max；

电池的SOC低于所述SOC设定值，且电池的放电电流保持不变的时间T_i达一设定时长T_SET、或放电电流I减小、或加热时间T达到第二最大加热时间T_2max。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述SOC设定值的范围为50％-90％，所述设定时长T_SET的范围为10s-30s，所述第一最大加热时间T_1max的范围为30-120s，所述第二最大加热时间T_2max的范围为30-360s。

3.根据权利要求1或2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。

4.根据权利要求3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至第二最大加热时间T_2max。

5.一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：

电池的SOC低于所述SOC设定值，且电池的放电电流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、或加热时间T达到第二最大加热时间T_2max。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述SOC设定值的范围为50％-90％，所述设定时长T_SET的范围为10s-30s，所述第一最大加热时间T_1max的范围为30s-120s，所述第二最大加热时间T_2max的范围为30-360s。

7.根据权利要求5或6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。

8.根据权利要求7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。

9.根据权利要求7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。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述脉冲发生器生成的脉冲序列的脉宽为1-3ms，占空比为5-30％，持续时间的范围为30s至第二最大加热时间T_2max。

11.根据权利要求5所述的装置，其中，该装置(10)还包括：

与控制单元(2)相连的SOC估算单元(6)，用于对电池的SOC进行估算并将估算的SOC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达到第一最大加热时间T_1max或第二最大加热时间T_2max时输出信号到控制单元(2)；

其中，控制单元(2)根据接收到的SOC与SOC设定值进行比较以判断电池属于高电态还是低电态；

如果判断电池属于高电态，控制单元(2)进一步将检测到的放电电流I与额定电流I_r进行比较，如果放电电流I等于额定电流I_r则立即输出停止对电池加热的控制信号，如果控制单元(2)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；

如果判断电池属于低电态，控制单元(2)进一步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，如果控制单元(2)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。

12.根据权利要求5所述的装置，其中，该装置(10)还包括：

与控制单元(2)相连的SOC估算单元(6)，用于对电池的SOC进行估算并将估算的SOC输出的控制单元(2)；以及

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)；

如果判断电池属于高电态，控制单元(2)设定脉冲序列的持续时间不超过第一最大加热时间T_1max，并进一步将检测到的放电电流I与额定电流I_r进行比较，如果放电电流I等于额定电流I_r则立即输出停止对电池加热的控制信号；

如果判断电池属于低电态，控制单元(2)设定脉冲序列的持续时间不超过第二最大加热时间T_2max，并进一步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。