CN104442636A - 车载电瓶自加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气控制技术领域，尤其是一种车载电瓶自加热装置，包括包裹在电瓶电极上的加热体，还包括智能温控器和综合管理器；所述智能温控器实时检测电瓶的温度、电压等参数，结合从LIN总线接收的控制命令，通过控制流入加热体的电流大小来控制加热速度。所述电瓶综合管理器实时采集环境温度、按键命令，根据不同电瓶的热力学模型，通过LIN总线向智能温控器发送控制命令，以确保最优的加热速度，同时所述电瓶综合管理器读取智能温控器采集的各个电瓶的状态信息，通过CAN总线接口发送给车载显示屏，便于维护人员查看各个电瓶的状态。本发明为装备低温环境下正常启动提供一种手段，同时延长电瓶的使用寿命。

Description

车载电瓶自加热装置

技术领域

本发明涉及电气控制技术领域，尤其是一种车载电瓶自加热装置。

背景技术

电瓶是军用装备电气系统的核心部件，主要用于装备启动、电气设备供电等。军用装备需要在-43℃低温环境下工作，对电瓶的低温性能要求极其严格。当前，装备上使用的电瓶主要为铅酸电池，低温时，由于电瓶内部的化学反应急剧减弱，电瓶的容量、放电能力大幅下降，无法给启动电机提供足够的启动电流，导致装备启动困难。同时，相比常温条件，低温时电瓶的充电时间变长，使用寿命缩短。

对电瓶加热是提高其低温放电能力、延长使用寿命的有效手段。当前，对电瓶的加热措施主要有以下三种技术途径：

第一种是通过热交换对电瓶加热，用发动机冷却系统产生的热量加热电瓶，或者通过加温锅对电池加热。例如：专利申请号2009.10082219.x的专利提出了一种混合动力电动汽车电池加热综合利用装置，利用发动机废气对电动汽车蓄电池进行加热的装置。

第二种是通过220V电网、车载电网、太阳能、机械能等外部能量对电瓶加热。例如：专利申请号为201110247105.3的专利申请提出了一种低温蓄电池充电加热方法及装置，利用太阳能对蓄电池进行加热的方法及装置，同时为提高效率，将蓄电池放在保温箱中保温。专利申请号为201220027120.7的专利提出了一种锂离子电池加热系统，在锂离子电池外部包裹加热膜，利用外部电源给加热膜供电来加热锂电池。

第三种是利用电瓶自身的能量对电瓶加热。例如：专利申请号为201220487435.x的专利提出了一种低温自动加热的锂电池应急启动电源，将电阻片包裹在锂电池上，通过锂电池自己的电能供电来加热锂电池。专利申请号为200910185971.7的专利提出了一种锂离子动力电池加热装置，将加热套包裹在锂电池上，通过自身电能来加热锂电池。

但是，若采用第一种加热方法，需要对装备的动力辅助系统等进行改造，技术难度大，可行性低。第二种方法需要外部提供能量，当装备在野外作业时，很难获得220V电源对电瓶加热。同时由于车载电瓶容量大，采用太阳能、机械能等也很难达到加热效果。第三种方法中，已有方案都是通过包裹在电池上包裹加热材料加热，由于军用装备上使用的基本为铅酸电池，外壳为塑料材料，导热性差，在外壳包裹加热材料加热效率很低；同时，在进行训练时，装备上的电瓶要经常拆卸，在外壳包裹加热材料，影响电瓶的拆卸；另外，现有技术方案都采用开环控制，加热速度无法精确控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种车载电瓶自加热装置，当车辆在低温环境时，利用电瓶自身的电能进行加热，以提高电瓶在低温环境下的放电能力，为装备低温环境下正常启动提供一种手段，同时延长电瓶的使用寿命。

为了解决上述技术问题，本发明包括包裹在电瓶电极上的加热体，还包括智能温控器和综合管理器；

所述智能温控器实时检测电瓶的温度、电压等参数，结合从LIN总线接收的控制命令，通过控制流入加热体的电流大小来控制加热速度；

所述电瓶综合管理器实时采集环境温度、按键命令，根据不同电瓶的热力学模型，通过LIN总线向智能温控器发送控制命令，以确保最优的加热速度，同时所述电瓶综合管理器读取智能温控器采集的各个电瓶的状态信息，通过CAN总线接口发送给车载显示屏，便于维护人员查看各个电瓶的状态。

本发明采用双总线结构，用CAN总线进行外部通讯，兼容性好。用LIN总线进行内部通讯，扩展性好，当电瓶数量变化时，可以灵活地组网；

针对不同电瓶，建立了相应的热力学模型，采用不同的加热策略，使电瓶电量和加热电流达到最优匹配；

采用闭环PWM控制，加热速度可精确控制；

热量通过电瓶电极直接导入到电解液中，加热效率高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是智能温控器组成示意图；

图3是电瓶综合管理器组成示意图；

图4电源模块电路原理图；

图5温度检测模块电路原理图；

图6 LIN总线接口电路原理图；

图7 功率模块电路原理图；

图8 CAN总线接口电路原理图。

具体实施方式

本发明所列举的实施例，只是用于帮助理解本发明，不应理解为对本发明保护范围的限定，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明思想的前提下，还可以对本发明进行改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。

如图1所示，本发明由加热体100、智能温控器200、电瓶综合管理器300组成。

加热体100直接包裹在电瓶电极上进行加热，热量通过电极导入到电解液中，从而提高加热效率。智能温控器200实时检测电瓶的温度、电压等参数，结合从LIN总线接收的控制命令，通过控制流入加热体的电流大小来控制加热速度。电瓶综合管理器300实时采集环境温度、按键命令，根据不同电瓶的热力学模型，通过LIN总线向智能温控器200发送控制命令，以确保最优的加热速度；同时，电瓶综合管理器300读取智能温控器200采集的各个电瓶的状态信息，通过CAN总线接口发送给车载显示屏4，便于维护人员查看各个电瓶的状态。

加热体100，内部为金属材料，单个加热体导通电阻为0.5欧姆，当通入电流时产生热量来对电极加热。加热体100紧密包裹在电瓶电极上，通过电极将热量导入到电解液中，以提高加热效率。加热体外部为绝热材料，防止热量扩散，以提高电能利用率。

智能温控器200至少包括电源模块201、核心控制器202、温度检测模块203、电压检测模块204、LIN总线接口205、功率模块206。智能温控器200实时检测电瓶的温度、电压等参数，结合从LIN总线接收的控制命令，以PWM的方式，控制功率模块206的开关周期，从而调节流入加热体的电流大小来控制加热速度。下面对智能温控器200的各个模块进行说明。

电源模块201，与其连接的模块有核心控制器202、温度检测模块203、电压检测模块204、LIN总线接口205。电源模块201的主要作用是将车载电瓶的+24V电源转换为+5V电源，为系统的各个模块提供工作电源，其电路原理图见图4。

核心控制器202，与其连接的模块有电源模块201、温度检测模块203、电压检测模块204、LIN总线接口205、功率模块206。核心控制器202，其型号为C8051F500，主要作用是测量电瓶温度、电压信息；完成LIN总线通讯；利用PWM信号控制功率模块206的导通占空比，从而调节加热电流的大小，以实现对加热体100加热速度的控制。

温度检测模块203，与其连接的模块有核心控制器202。温度检测模块203的作用是采集电瓶电解液温度，将紧贴在电极上的温度传感器输出的信号经过调理后，传送给核心控制器202进行模数变化。因电瓶的热力学模型已知，可以计算出电极温度与电瓶电解液温度的函数关系，通过测量电极温度从而计算出电瓶电解液温度，其电路原理图见图5。

电压检测模块204，与其连接的模块有核心控制器202。电压检测模块204的作用是采集电瓶电压，将电瓶电压进行分压调理后，传送给核心控制器202进行模数变化。

LIN总线接口205，与其连接的模块有核心控制器202。LIN总线接口205的作用是实现智能温控器200与电瓶综合管理器300的通讯，以完成控制命令传输、数据交互等任务，其电路原理图见图6。

功率模块206，与其连接的模块有核心控制器202。功率模块206接收核心控制器202发送的PWM信号，控制功率芯片的导通占空比，从而调节加热电流的大小，以实现对加热体100加热速度的控制，其电路原理图见图7。

电瓶综合管理器300至少包括电源模块301、核心控制器302、温度检测模块303、按键检测模块304、LIN总线接口305、CAN总线接口206。电瓶综合管理器300实时采集环境温度、按键命令，根据不同电瓶的热力学模型，通过LIN总线向智能温控器200发送控制命令，以确保最优的加热速度；同时，电瓶综合管理器300读取智能温控器200采集的各个电瓶的状态信息，通过CAN总线接口发送给车载显示屏，便于维护人员查看各个电瓶的状态。

电源模块301，与其连接的模块有核心控制器302、温度检测模块303、按键检测模块304、LIN总线接口305、CAN总线接口306。电源模块301的主要作用是将车载电瓶的+24V电源转换为+5V电源，为系统的各个模块提供工作电源，其电路原理图见图4。

核心控制器302，与其连接的模块有电源模块301、温度检测模块303、按键检测模块304、LIN总线接口305、CAN总线接口306。核心控制器302，其型号为C8051F500，主要作用是测量电瓶温度、按键信息；完成LIN总线通讯；完成CAN总线通讯；完成对各型电瓶热力学模型的解算。

温度检测模块303，与其连接的模块有核心控制器302。温度检测模块303的作用是采集环境温度，将温度传感器输出的信号经过调理后，传送给核心控制器302进行模数变化，从而计算出环境温度，其电路原理图见图5。

按键检测模块304，与其连接的模块有核心控制器302。按键检测模块304的作用是采集操纵人员的按键操作信息，从而完成电瓶类型选取、参数设置等任务。

LIN总线接口305，与其连接的模块有核心控制器302。LIN总线接口305的作用是实现电瓶综合管理器300与智能温控器200的通讯，以完成控制命令传输、数据交互等任务，其电路原理图见图6。

CAN总线接口306，与其连接的模块有核心控制器302。CAN总线接口306的作用是实现电瓶综合管理器300与车载显示屏等外部设备的通讯，以完成状态信息传输等任务，其电路原理图见图8。

为进一步说明本实施例提供的车载电瓶加热装置，下面对系统中的核心电路进行说明。

图4为电源模块电路原理图，其中，电源模块201和电源模块301电路相同。图4中，F1为自恢复保险丝，容量为1A，D1为TVS管，型号为SMCJ54A，F1和D1构成入口保护电路，可实现过流、反接、浪涌电压保护。U1为电压变换芯片，型号为LM2576HVS-5，将+24V电压变换为+5V电压，为系统的各个模块提供工作电源。图中其他元件为辅助元件，起滤波、稳压等作用。

图5为温度检测模块电路原理图，其中温度检测模块203和温度检测模块303电路相同。图中，采用电阻pt1000采集温度信号，与电阻R12、R17、R18构成桥电路将温度信号转换为电压信号。U6为运算放大器，型号为OPA348，与电阻R13、R14、R19、R20构成放大电路，将电压调理到适合核心控制器采样的电压值。电阻R16和电容C14组成滤波电路。二极管D6为保护二极管，型号为BAT54S，用于对进入核心控制器的电压进行限幅。

图6为 LIN总线接口电路原理图，其中LIN总线接口205和LIN总线接口305电路相同。因为核心控制器202和核心控制器302内部只带LIN总线控制器，没有LIN总线驱动器，因此，图6中采用型号为TJA1020TD的芯片U5作为LIN总线驱动，其他元件为U5的外围辅助元件。

图7为功率模块电路原理图。图中U3为功率开关，型号为BTS50085，PWM信号输入第3引脚，驱动电流通过第1、2、6、7引脚输出。电阻RS为采样电阻，用于采集输出电流信号，电阻R1、R2和电容C7、C8对信号进行滤波后，通过芯片U2进行采样。U2为高端检流专用芯片，型号为MAX9611，与核心控制器202之间采用I2C总线通信，将测量得到的工作电流值发送给核心控制器202，用于状态信息显示及故障诊断。

图8 为CAN总线接口电路原理图。因为核心控制器302内部只带CAN总线控制器，没有CAN总线驱动器，因此，图8中采用型号为CTM1050T的芯片U4作为CAN总线驱动。电感T1和二极管D5用于总线保护，其中T1型号为B82793S513N201，D5型号为PESD1CAN。电阻R15和电容C13用于实现地线的隔离。图中其他元件为U4的外围辅助元。

Claims (3)

1.车载电瓶自加热装置，包括电瓶本体（1），其特征在于，所述电瓶本体（1）的电极（2）上的加热体（100），还包括智能温控器（200）和综合管理器（300）；

所述智能温控器（200）实时检测电瓶的温度、电压等参数，结合从LIN总线接收的控制命令，通过控制流入加热体的电流大小来控制加热速度；

所述电瓶综合管理器（300）实时采集环境温度、按键命令，根据不同电瓶的热力学模型，通过LIN总线向智能温控器发送控制命令，以确保最优的加热速度，同时所述电瓶综合管理器读取智能温控器采集的各个电瓶的状态信息，通过CAN总线接口发送给车载显示屏，便于维护人员查看各个电瓶的状态。

2.根据权利要求1所述的车载电瓶自加热装置，其特征在于，所述智能温控器（200）包括电源模块（201）、核心控制器（202）、温度检测模块（203）、电压检测模块（204）、LIN总线接口（205）和功率模块（206）。

3.根据权利要求1所述的车载电瓶自加热装置，其特征在于，所述电瓶综合管理器（300）由电源模块（301）、核心控制器（302）、温度检测模块（303）、按键检测模块（304）、LIN总线接口（305）、CAN总线接口（306）。