CN104282965B - 一种锂离子电池自加热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池自加热装置及方法，用于使锂离子电池组自加热，该装置包括温度传感器、单体状态监控电路、高频充放电控制电路和控制单元，所述的温度传感器与锂离子电池组连接，所述的单体状态监控电路与锂离子电池组连接，所述的高频充放电控制电路的两端分别连接锂离子电池组的正负极，所述的控制单元分别连接单体状态监控电路和高频充放电控制电路；控制单元根据单体状态监控电路传输的锂离子电池组的信息，控制高频充放电控制电路的工作状态，对锂离子电池组进行高频充放电，从而使锂离子电池组实现自加热。与现有技术相比，本发明具有工作频率高、损耗小、能在低温下有效加热电池并避免枝晶生成等优点。

Description

一种锂离子电池自加热装置及方法

技术领域

本发明涉及锂电池领域，尤其是涉及一种锂离子电池自加热装置及方法，适用于电动汽车、电动工具、电动自行车等在低温环境下使用时的电池自加热。

背景技术

锂离子电池具有电压高、容量大、体积小、质量轻，工作温度范围宽等优点，锂离子电池组已被广泛应用在各个领域，包括电动自行车、电动工具及电动汽车等领域。锂离子电池对使用环境的温度较为敏感，当温度较低时，电池的可放电能量、功率及放电效率均较低，并且低温时充电还存在一定的安全隐患，如产生枝晶等。因此，低温使用问题大大影响了锂离子电池的应用和推广。目前，在低温环境下使用时，存在两种主要方案。一种为无加热系统，该方案使用过程中电池组放电效率比较低，并严重影响电池组的功率、使用寿命及安全性。另一种设计为采用电热丝辅助加热等形式的外部加热，由于电池自身传热性能差，该方案存在效率低且容易引发电池温度不均匀等缺陷。而电池组工作温度的不均匀性会对电池寿命、安全性等方面带来影响。

电化学阻抗谱(EIS)是研究锂离子电池的有效手段。近几年，通过研究锂离子电池的电化学阻抗谱，在频域上分析得到的电池内部状态被多数人认可。典型EIS谱由以下部分组成：(1)超高频区域(典型为10kHz以上)，与锂离子和电子通过电解液、多孔隔膜、导线、活性材料颗粒等输运有关的欧姆电阻；(2)高频区域，与锂离子通过活性材料颗粒表面绝缘层的扩散迁移有关的一个半圆，表示锂离子扩散迁移通过SEI膜(固体电解质界面膜，solid electrolyte interface)的电阻；(3)中频区域，与电荷传递过程相关的一个半圆，此过程为电迁移及电化学反应过程；(4)低频区域，与锂离子在活性材料颗粒内部的固体扩散过程相关的一条斜线，此过程表示为离子在固相中的扩散过程。

通过电池EIS的测量，可以确定电池内部电子及离子在不同阶段时所对应的频率或时间常数。在此基础上，确定电池充放电的频率，可有效地避免离子在固相中的扩散过程，从而避免负极枝晶的形成。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能量损耗小、效率高、有效避免枝晶形成、安全性高的锂离子电池自加热装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种锂离子电池自加热装置，用于使锂离子电池组自加热，该装置包括温度传感器、单体状态监控电路、高频充放电控制电路和控制单元，所述的温度传感器与锂离子电池组连接，所述的单体状态监控电路与锂离子电池组连接，所述的高频充放电控制电路的两端分别连接锂离子电池组的正负极，所述的控制单元分别连接单体状态监控电路和高频充放电控制电路；控制单元根据单体状态监控电路传输的锂离子电池组的信息，控制高频充放电控制电路的工作状态，对锂离子电池组进行高频充放电，从而使锂离子电池组实现自加热。

所述的锂离子电池组包括多个串联的锂离子电池单体，所述的单体状态监控电路分别通过电压采样信号线与各锂离子电池单体连接。

所述的温度传感器的个数与锂离子电池单体的个数相同，各锂离子电池单体分别通过一个温度传感器与单体状态监控电路连接。

所述的温度传感器设在锂离子电池单体表面。

所述的高频充放电控制电路包括第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关、第四控制开关、第一二极管、第二二极管、第一电感、第二电感和电容，所述的第一控制开关一端连接锂离子电池组正极，另一端分别连接第一二极管阴极和第一电感，所述的第二控制开关一端连接锂离子电池组负极，另一端分别连接第一电感、电容和第四控制开关，所述的第一二极管阳极分别连接电容和第三控制开关，所述的第二电感一端分别连接第三控制开关和第二二极管阳极，另一端分别连接第四控制开关和锂离子电池组负极，所述的第二二极管阴极与锂离子电池组正极连接。

所述的控制单元存储有用于控制高频充放电控制电路的设定频率和预设电流。

一种锂离子电池自加热方法，包括以下步骤：

1)单体状态监控电路实时通过电压采样信号线和温度传感器采集各锂离子电池单体的电压、温度信息，并将信息传输给控制单元；

2)控制单元检测各锂离子电池单体是否存在过压或欠压，若是，则执行步骤9)，若否，则执行步骤3)；

3)控制单元检测各锂离子电池单体的温度是否低于设定下限值，若是，则执行步骤4)，若否，则执行步骤9)；

4)控制单元调用控制单元存储的设定频率和预设电流；

5)控制单元按设定频率和电流控制高频充放电控制电路启动，对锂离子电池组进行高频充放电；

6)控制单元再次检测各锂离子电池单体是否存在过压或欠压，若是，则按设定规律降低充放电电流幅值，并执行步骤7)，若否，则执行步骤8)；

7)判断当前充放电电流是否小于设定电流限制，若是，则执行步骤9)，若否，则返回步骤5)；

8)控制单元检测各锂离子电池单体的温度是否达到预期温度，若是，则执行步骤9)，若否，则返回步骤5)；

9)控制单元控制高频充放电控制电路停止。

与现有技术相比，本发明采用锂离子循环充放电过程中其自身产生的热来进行自交热，具有以下优势：

1)本发明是利用高频充放电控制进行电池自身进行加热，由于锂离子电池内阻的存在及电化学反应的机理，在电池循环充放电过程中，会产生热量，从而从内部给电池加热，使电池温度更均匀；而传统方式通过外部装置加热，靠电池壳壁来传递热量，相比之下，本发明的能量损耗小，效率更高；

2)然而，在低温情况下，电池充放电，尤其是大倍率、长时间充电可能会使负极产生枝晶，从而影响电池的使用安全性，本发明充放电控制的频率高于电化学阻抗谱测试中电池电化学反应过程的最低频率点，可有效避免低温充放电过程中枝晶的形成；

3)本发明自加热过程中，实时监测电池的温度和电压信息，并根据电压和温度信息进行高频充放电控制，从而进一步保证电池的安全。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为典型锂离子电池EIS测试图；

图3为电池等效电路模型结构；

图4为本发明所用实例的高频充放电控制电路原理图；

图5为本发明所用实例的电池高频充放电电流示意图；

图6为本发明的系统工作控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种锂离子电池自加热装置，用于使锂离子电池组11自加热，所述的锂离子电池组11包括多个串联的锂离子电池单体1。该自加热装置包括温度传感器2、单体状态监控电路3、高频充放电控制电路4和控制单元5，所述的单体状态监控电路3分别通过电压采样信号线6与各锂离子电池单体1连接。所述的温度传感器2设在锂离子电池单体1表面，温度传感器2的个数与锂离子电池单体1的个数相同，用于测量电池单体1的温度，并将温度信号通过温度传感器信号线30送入单体状态监控电路3。各锂离子单体电池1的正负极分别引出电压采样信号线6，电压采样信号线接入单体状态监控电路3，单体状态监控电路3通过电压采样信号线6获取各锂离子单体电池1的当前电压。单体状态监控电路3负责获取电池单体1的温度和电压信息，并将该信息通过信号线9发送给控制单元5。控制单元5根据当前的温度及电压信息，通过控制单元与高频充放电控制信号线10控制高频充放电控制4的工作。高频充放电控制4通过高频充放电控制与电池正极连接线7及高频充放电控制与电池负极连接线8与锂离子电池组11相连，对锂离子电池单体1进行高频充放电，从而使锂离子电池组11实现自加热。

上述锂离子电池自加热装置的工作原理为：当电池单体11需要升温时，控制单元11根据单体监控电路3上报的电池单体11的信息，控制所述的高频充放电控制电路4工作，对所述的锂离子电池单体11实现高频的充放电，该频率高于电化学阻抗谱测试中电池电化学反应过程的最低频率点，从而实现自身加热、防止枝晶生成的目的。同时，控制单元5根据单体监控电路3上报的电池单体11的信息判断电池单体11是否存在过压或欠压，从而控制高频充放电电路4的工作状态及工作电流。

如图6所示，上述锂离子电池自加热装置的自加热方法具体包括以下步骤：

在步骤38中，系统上电开机或接收到启动命令进入开机状态；

在步骤39中，单体状态监控电路3实时通过电压采样信号线6和温度传感器2采集各锂离子电池单体1的电压、温度信息，并将信息传输给控制单元5；

在步骤40中，控制单元5检测各锂离子电池单体1是否存在过压或欠压，若是，则执行步骤51，若否，则执行步骤41；

在步骤41中，控制单元5对各锂离子电池单体1进行温度检测；

在步骤42中，控制单元5判断当前温度是否低于设定下限值，若是，则执行步骤43，若否，则执行步骤51；

在步骤43中，控制单元5存储有用于控制高频充放电控制电路4的设定频率和预设电流，控制单元5调用控制单元5存储的设定频率和预设电流；

在步骤44中，控制单元5按设定频率和电流控制高频充放电控制电路4启动，对锂离子电池组11进行高频充放电；

在步骤45中，控制单元5再次检测各锂离子电池单体1电压；

在步骤46中，控制单元5判断是否存在过压或欠压，若是，则执行步骤47，若否，则执行步骤49；

在步骤47中，按设定规律降低充放电电流幅值，并执行步骤48；

步骤47中的设定规律依据锂电池参数及工况参数而定，比如当检测到锂离子电池单体过压或欠压时，充放电电流幅值减半。

在步骤48中，判断当前充放电电流是否小于设定电流限制，若是，则执行步骤51，若否，则返回步骤45；

在步骤49中，控制单元5对各锂离子电池单体1的温度进行检测；

在步骤50中，控制单元5判断是否达到预期温度，若是，则执行步骤51，若否，则返回步骤44；

在步骤51中，控制单元5控制高频充放电控制电路4停止。

确定高频充放电控制电路4设定工作频率的原理为：对图2所示的锂离子单体电池1的EIS测试结果进行分析，得到高、中频区28和低频区29的分界线27，根据分界线27得到高、中频区28和低频区29的频率区分点。将图2所示的EIS测试结果通过图3所示等效电路模型进行拟合。图3中，电压源31为电池荷电状态相关的开路电压，电阻32为电池欧姆内阻及SEI相关的高频近似阻抗，电阻34和电容33组成的回路用于描述图2所示高、中频区28的半圆，电阻36、电容35及阻抗元件37则用于描述图2所示低频区29的特性。可以通过图2的EIS测试结果拟合得到图3的等效电路模型参数。根据图3所示的等效电路模型可以确定电阻34和电容33组成的环节的时间常数，该时间常数的倒数即可设定为高频充放电控制电路4的工作频率。将该工作频率作为预设值存入控制单元5的非易失性存储中如ROM等，控制单元根据该值控制高频充放电控制电路4的工作频率。

高频充放电控制电路4的一种可能的实施方案如图4所示。该高频充放电控制电路4包括第一控制开关14、第二控制开关12、第三控制开关15、第四控制开关13、第一二极管19、第二二极管20、第一电感16、第二电感17和电容18，所述的第一控制开关14一端通过电池正极连出线分支21连接锂离子电池组11正极，另一端分别连接第一二极管19阴极和第一电感16，所述的第二控制开关12一端通过电池负极连出线分支22连接锂离子电池组11负极，另一端分别连接第一电感16、电容18和第四控制开关13，所述的第一二极管19阳极分别连接电容18和第三控制开关15，所述的第二电感17一端分别连接第三控制开关15和第二二极管20阳极，另一端分别连接第四控制开关13和锂离子电池组11负极，第四控制开关13通过电池负极连入线分支24与锂离子电池组11负极连接，所述的第二二极管20阴极通过电池正极连入线分支23与锂离子电池组11正极连接。

高频充放电控制电路一种可能的工作周期是：第一步，电池组11与高频充放电控制电路4连接完成；第二步，高频控制开关12和高频控制开关14导通，导通持续时间为t12，此时电池组11放电，并经电池正极连出线分支21，电池负极连出线分支22，高频控制开关12和高频控制开关14给电感16充电；第三步，高频控制开关12和高频控制开关14断开，此时电感16经过电容18和二极管19续流，给电容18充电；第四步，高频控制开关15和高频控制开关13导通，导通时间为t34，此时电容18经过高频控制开关15，电感17和高频控制开关13放电，同时给电感17充电；第五步，高频控制开关15和高频控制开关13断开，此时电感17经过二极管20，电池正极连入线分支24，电池组11和电池负极连入线分支22完成续流，给电池组11充电。整个工作周期中，电池组11的工作电流波形如图5所示，该周期所对应时间即为之前通过EIS确定的充放电电路工作最低频率的倒数。阶段25对应上述第二步，阶段26对应上述第五步。阶段25和阶段26之间部分则对应上述第三和第四步。可见，在阶段25，电池逐渐向外部放电，并电流逐渐增大，在阶段26，电池从外部接收电流，电流逐渐减小。

Claims (6)

1.一种锂离子电池自加热装置，用于使锂离子电池组(11)自加热，其特征在于，该装置包括温度传感器(2)、单体状态监控电路(3)、高频充放电控制电路(4)和控制单元(5)，所述的温度传感器(2)与锂离子电池组(11)连接，所述的单体状态监控电路(3)与锂离子电池组(11)连接，所述的高频充放电控制电路(4)的两端分别连接锂离子电池组(11)的正负极，所述的控制单元(5)分别连接单体状态监控电路(3)和高频充放电控制电路(4)；控制单元(5)根据单体状态监控电路(3)传输的锂离子电池组(11)的信息，控制高频充放电控制电路(4)的工作状态，对锂离子电池组(11)进行高频充放电，从而使锂离子电池组(11)实现自加热；

所述的高频充放电控制电路(4)包括第一控制开关(14)、第二控制开关(12)、第三控制开关(15)、第四控制开关(13)、第一二极管(19)、第二二极管(20)、第一电感(16)、第二电感(17)和电容(18)，所述的第一控制开关(14)一端连接锂离子电池组(11)正极，另一端分别连接第一二极管(19)阴极和第一电感(16)，所述的第二控制开关(12)一端连接锂离子电池组(11)负极，另一端分别连接第一电感(16)、电容(18)和第四控制开关(13)，所述的第一二极管(19)阳极分别连接电容(18)和第三控制开关(15)，所述的第二电感(17)一端分别连接第三控制开关(15)和第二二极管(20)阳极，另一端分别连接第四控制开关(13)和锂离子电池组(11)负极，所述的第二二极管(20)阴极与锂离子电池组(11)正极连接，所述的高频充放电控制电路的频率高于电化学阻抗谱测试中电池电化学反应过程的最低频率点。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池自加热装置，其特征在于，所述的锂离子电池组(11)包括多个串联的锂离子电池单体(1)，所述的单体状态监控电路(3)分别通过电压采样信号线(6)与各锂离子电池单体(1)连接。

3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池自加热装置，其特征在于，所述的温度传感器(2)的个数与锂离子电池单体(1)的个数相同，各锂离子电池单体(1)分别通过一个温度传感器(2)与单体状态监控电路(3)连接。

4.根据权利要求2所述的一种锂离子电池自加热装置，其特征在于，所述的温度传感器(2)设在锂离子电池单体(1)表面。

5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池自加热装置，其特征在于，所述的控制单元(5)存储有用于控制高频充放电控制电路(4)的设定频率和预设电流。

6.一种如权利要求2所述的锂离子电池自加热装置的自加热方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)单体状态监控电路(3)实时通过电压采样信号线(6)和温度传感器(2)采集各锂离子电池单体(1)的电压、温度信息，并将信息传输给控制单元(5)；

2)控制单元(5)检测各锂离子电池单体(1)是否存在过压或欠压，若是，则执行步骤9)，若否，则执行步骤3)；

3)控制单元(5)检测各锂离子电池单体(1)的温度是否低于设定下限值，若是，则执行步骤4)，若否，则执行步骤9)；

4)控制单元(5)调用控制单元(5)存储的设定频率和预设电流；

5)控制单元(5)按设定频率和电流控制高频充放电控制电路(4)启动，对锂离子电池组(11)进行高频充放电；

6)控制单元(5)再次检测各锂离子电池单体(1)是否存在过压或欠压，若是，则按设定规律降低充放电电流幅值，并执行步骤7)，若否，则执行步骤8)；

7)判断当前充放电电流是否小于设定电流限制，若是，则执行步骤9)，若否，则返回步骤5)；

8)控制单元(5)检测各锂离子电池单体(1)的温度是否达到预期温度，若是，则执行步骤9)，若否，则返回步骤5)；

9)控制单元(5)控制高频充放电控制电路(4)停止。