CN102842935A - 一种具有低温自动预热功能的锂电池应急启动电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种具有低温自动预热功能的锂电池应急启动电源，包括有锂电池，该锂电池的电极连接有输出电夹，锂电池通过该输出电夹向外供电，锂电池外部设有热源体，该热源体与锂电池的电极相连，锂电池为热源体供电，热源体为锂电池加热。热源体由发热电阻片成型，发热电阻片包裹在锂电池外部，与锂电池表面贴合。该应急启动电源设置了为锂电池加热的热源体，结合控制电路，在低温环境下自动为锂电池加热，使应急启动电源可在低温环境正常使用。

Description

一种具有低温自动预热功能的锂电池应急启动电源
技术领域
本发明涉及应急电源，尤其涉及一种具有低温自动预热功能的锂电池应急启动电源。
背景技术
锂电池作为新能源的代表，在很多领域得到广泛应用。但由于锂电池材料的固有特性，导致它对使用环境温度的要求非常苛刻，目前很难做到兼顾高温、低温均能正常大电流启动放电。锂电池在低温下实际放电性能远远低于常温下的放电性能，而且是随着温度下降而下降。一般在-20℃时，放电能力仅为室温下的10%～20%，在-30℃时，放电能力仅剩2%左右。更为严峻的是，一般汽车的起动机却是随着温度越低而需要的启动电流越大，同时，应急启动电源产品的特点就决定了它的主要使用环境基本上是在低温或超低温下进行。这将制约了锂电池在动力应急启动方面的大力发展。从用户的实用角度出发，如果电池在低温下，能够用自身的一部分能量通过特定方式转换成热能反给电池加热，使电池整体能够快速恢复大电流放电性能，这是值得的。假设以8AH放电倍率为80C的动力型锂电池为例：常温下放电电流为640安培/5秒/停3分钟，能够循环放电10次。那么在-20℃低温环境下，其放电能力仅为64A左右，这个电流是无法用于启动汽车。但是，如果利用其中1AH或1.5AH的电能转化为热能，换取整体电池的温度上升，从而达到理想的放电能力。虽然损耗了一定能量，但提高了放电能力，同等电压、相同放电倍率的不同容量电池，单位时间内放电能力基本一样，区别只是放电的时间及循环次数。所以，这种自动预热的方式将能弥补锂电池对低温环境下先天性的放电不足问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有低温自动预热功能的锂电池应急启动电源，以克服锂电池在低温环境下放电不足的缺陷，锂电池快速达到放电效果，提高锂电池在低温下的启动能力。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是，
一种具有低温自动预热功能的锂电池应急启动电源，包括有锂电池，该锂电池的电极连接有输出电夹，锂电池通过该输出电夹向外供电，锂电池外部设有热源体，该热源体与锂电池的电极相连，锂电池为热源体供电，热源体为锂电池加热。
热源体由发热电阻片成型，发热电阻片包裹在锂电池外部，与锂电池表面贴合。
热源体通过加热开关电路连接至总控制电路，总控制电路通过电源控制电路与锂电池的电极相连，锂电池经电源控制电路、总控制电路以及加热开关电路为热源体供电。
锂电池上接有温度采样电路，温度采样电路连接至总控制电路，温度采样电路将锂电池的温度信息传输至总控制电路。
总控制电路上还连接有USB输出、充电控制电路。
总控制电路上连接有操作面板提示电路，将温度及预热信息通过操作面板告知用户。
该应急启动电源能达到如下目的：
1.自动检测电池的实时温度及剩余电量；
2.根据剩余电量和实际温度判断是否需要加热，以及不同的环境下所需的加热时间；
3.设定最高加热温度上限，确保电池加热完毕后，能达到理想的使用温度；
4.设定预热时间上限，提高产品的加热安全系数；
5.根据不同的环境，不同的电池容量，自动调整预热的功率及时间；
6.机器自动将实时温度及预热信息通过操作面板传递给用户。
其设计依据在于：
1.锂电池低温下虽然无法放出大电流，但对于小电流、短时间的放电仍然可行；
2.利用高稳定性的发热电阻片作为电池的加热热源体，并根据电池的形状成形，包裹在每一节电池的表面上，通过电子开关与电池正、负极相连接；当电池放出的小电流通过电阻片后，能够快速地转换成热能，热能再以直接传导方式给锂电池表面加热，使电池的整体温度能够在很短的时间内快速回升，以达到标准的放电能力；
3.根据电池的实时电量及温度，自动调整电池的加热时间和暂停时间比例，确保电池即能有效加热，同时也留有自动恢复的时间，使电池不因过温或持续放电而损坏。
本发明的优点在于，该应急启动电源设置了为锂电池加热的热源体，结合控制电路，在低温环境下自动为锂电池加热，锂电池快速达到放电效果，使应急启动电源可在低温环境正常使用。
附图说明
图1是本发明提出的应急电源的结构示意图；
图2是该应急电源的工作原理图；
图3是该应急电源的控制电路原理总路；
图4是图3中电源控制电路原理图；
图5是图3中总控制电路原理图；
图6是图3中温度采样电路原理图；
图7是图3中USB输出、充电控制电路原理图；
图8是图3中加热控制电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明提出的应急启动电源包括有锂电池，该锂电池的电极连接有输出电夹，锂电池通过该输出电夹向外供电，锂电池外部设有热源体，该热源体与锂电池的电极相连，锂电池为热源体供电，热源体为锂电池加热。热源体由发热电阻片成型，发热电阻片包裹在锂电池外部，与锂电池表面贴合。热源体通过加热开关电路连接至总控制电路，总控制电路通过电源控制电路与锂电池的电极相连，锂电池经电源控制电路、总控制电路以及加热开关电路为热源体供电。锂电池上接有温度采样电路，温度采样电路连接至总控制电路，温度采样电路将锂电池的温度信息传输至总控制电路。总控制电路上还连接有USB输出、充电控制电路。总控制电路上连接有操作面板提示电路，将温度及预热信息通过操作面板告知用户。
参看图2～图8，该应急启动电源的工作过程如下：
当开关SW1由OFF档转入USB-VCC档位时，电池正极BAT+通过开关及二极管D4、限流电阻R8和稳压二极管ZD1限压后，再经过限流电阻R9驱动开关管Q1，使Q1完全导通，从而使Q4基极获得反偏电压，使Q4开关管完全导通。电池正极BAT+电压经过二极管D8、Q4、R25后加入三稳集成稳压器7805的输入端，使3脚输出一个稳定的5VDC电压给CPU及其他电路供电。5VDC电源经限流电阻R26接入IC3，IC3输出稳定的2.5V作为CPU及温度检测电路的基准电源。
当“V1”、“CH+”、“外部VCC”等任一端接入电源时，7805也进入正常工作状态。其中“V1”为外部夹子反接时，通过IC5将外部反接信号转换成内部正信号接后至二极管D1的输入端。
CPU上电工作后，自动检测各个信号输入端口的AD变化量，经过计算、处理后，驱动相应的光声报警控制电路及加热开关控制电路。
电阻R1与RT1组成电池温度检测电路，RT1为高精度NTC热敏电阻，经加工后安装到电池壳体表面。CPU上电工作后，RT1将电池表面温度对应不同的阻值并产生不同的压降，使相应的电信号输入单片机的第11脚，经单片机处理后，读出电池的实时温度，并判断电池是否处于温度正常、过高或过低等状态。如果温度过高，及时通过声光报警提示，如果电池温度过低，则通过LED闪烁报警提示，并根据实际温度进行对电池加热。当加热时间完毕或温度已达到预先设定温度值时，自动停止加热，同时报警闪烁的LED息灭表示加热完毕，进入待机使用状态。
IC5、R39、D5及R2、R17与C3组成反接报警提示信号采样电路。具体工作过程是：大电流开关处于OFF档时，机器的正极夹子与外部电池的负极相连。机器的负极管子与外部电池的正极相连，此时利用外部电池的电压经R39限流后，经IC5、D5转换成光信号，IC5再将光信号转换成电信号，经IC5的第三脚输出并分为两路，一路给电源控制电路，开启CPU的工作电源；另一路接至R2、R17、C3等，将信号输入单片机内部进行处理。
采样电路中“CH/A“作为充电电电流大小采样；“V2”为内部电池上电工作采样；“外部BAT+”作为输出夹子外接电池极性正确采样，同时也是作为外接电池错接采样（如12V的机器接到24V的电池两端时作为内外电池错误连接）；“CH+”作为充电器输入电压采样，判断是否有充电输入，如果有，则需要将对应的充电指示电路打开，将实时的充电状态通过LED传递给用户；“内部BAT+”作为内电电池电量测试采样点，电源与“BSB-VCC”共接一点端点，将电池的剩余电量通过不同颜色的LED灯显示，表示电池的实时剩余电量。
SW1开关打开后，电源控制芯片IC1获电并通过外围电路采样、降压、稳压、滤波等电路后，接至USB接口。同时CPU也同步上电工作，当内部电池电压低于设定值时，即可从第单片机的第11脚输出低电平，使IC1关闭输出，从而实现USB低压自动关断功能。
LED1、LED4作为机器与外部连接状态提示，完全正确连接时，LED4（绿灯）点亮；当外接极性反向时，LED1快速闪烁（0.25S亮/0.25S灭）同时伴有持续报警声。当外接电池电压错误时，LED1慢闪（1S亮/1S灭）同时伴有持续的报警声用于表示内、外电池错误连接。
LED2、LED5、LED6作为机器的电池电量提示及充电滚动闪烁提示。当电池电压低于11.5V时，该LED2（红灯）点亮，当电池电压低于8.0V时，该LED2快速闪烁，并伴有相应的报警声。当电池电压大于11.5而小于12.5V时，LED6（黄灯）点亮。当电池电压大于12.5而小于15.5V时，LED5（绿灯）点亮，当电池电压大于15.5V时，LED5快速闪烁提示，并伴有持续的报警声。当接入充电器，并且处于正在充电状态时，LED2、LED5、LED6自动循环滚动点亮表示正在充电，当电池充电结束时，LED2、LED5、LED6全部常亮表示电池充满。
LED3作为机器的电池温度提示，当电池温度高于60度时，LED3（红灯）持续点亮并伴有持续的报警声表示电池温度过高。当电池温度过低时，系统上电工作后，机器自动对电池进行加热，同时LED3闪烁（0.5s亮/0.5s灭）表示电池温度过低，机器正在进行加热。当加热时间已到或电池温度达正常范围绕内时，LED3自动熄灭。
蜂鸣器B1、控制开关管Q3及电阻R11、R14组成声音报警提示电路；继电器K2、自恢复保险丝RF1、发热电阻片RtA、保护二极管D10、开关管Q2及电阻R10、R13组成电池加热系统。当单片机判断电池温度过低并需要加热时，单片机的第13脚输出高电平驱动开关管Q2导通，从而使继电器K2吸合导通，使发热电阻片获得工作电源，实现对锂电池进行加热的目的。
该应急启动电源具有以下优点：
1.充分利用电池自身能量使其在超低温下实现自动检测电池电压、温度及加热、关断等一系列动作，实现电池能在超低温环境下实现输出大电流启动的能力。
2.系统自动根据电池的实时情况调整总的加热的时间和暂停恢复时间，按照电池不同的温度所需的加热时间分为3分钟、5分钟、10分钟。当电池温度在-5℃～-10℃时，总的加热时间为3分钟；当电池温度在-10℃～-20℃时，总的加热时间为5分钟；当电池温度在-20℃以下时，总的加热时间为10分钟；同时每分钟有两个加热循环（即加热27s停3s为一个循环）。使电池即能快速达到快速升温，同时也对电池及时地保护，给电池自动恢复的时间。
3.加热系统相关参数设定：电池的温度上限值（60℃）、加热最高温度上限值（20℃）、起始加热温度点（-5℃）、持续加热时间27s（同时受限于电池的实时电压）、暂停时间3s、最长一次加热时间有3分钟、5分钟、10分钟（根据电池的实际温度自动调整）。
4.发热电阻片既能在低温下充当热源给电池加热，同时也可以在电池高温下增大电池表面的散热面积，帮助电池快速降温。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种具有低温自动预热功能的锂电池应急启动电源，包括有锂电池，该锂电池的电极连接有输出电夹，锂电池通过该输出电夹向外供电，其特征在于，锂电池外部设有热源体，该热源体与锂电池的电极相连，锂电池为热源体供电，热源体为锂电池加热。
2.根据权利要求1所述的一种具有低温自动预热功能的锂电池应急启动电源，其特征在于，热源体由发热电阻片成型，发热电阻片包裹在锂电池外部，与锂电池表面贴合。
3.根据权利要求1所述的一种具有低温自动预热功能的锂电池应急启动电源，其特征在于，热源体通过加热开关电路连接至总控制电路，总控制电路通过电源控制电路与锂电池的电极相连，锂电池经电源控制电路、总控制电路以及加热开关电路为热源体供电。
4.根据权利要求3所述的一种具有低温自动预热功能的锂电池应急启动电源，其特征在于，锂电池上接有温度采样电路，温度采样电路连接至总控制电路，温度采样电路将锂电池的温度信息传输至总控制电路。
5.根据权利要求3所述的一种具有低温自动预热功能的锂电池应急启动电源，其特征在于，总控制电路上还连接有USB输出、充电控制电路。
6.根据权利要求3所述的一种具有低温自动预热功能的锂电池应急启动电源，其特征在于，总控制电路上连接有操作面板提示电路，将温度及预热信息通过操作面板告知用户。
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