CN104779652B - 一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机，包括依次连接的电源输入接口P1、整流模块Mod1、滤波模块Mod2、稳压模块Mod3和充电机输出接口P2，还包括选通模块Mod4、交流加热模块Mod5、控制单元Mod6和温度传感器TS，所述的选通模块Mod4、交流加热模块Mod5依次连接在稳压模块Mod3和充电机输出接口P2之间，所述的控制单元Mod6分别连接选通模块Mod4、交流加热模块Mod5和温度传感器TS，所述的温度传感器TS与待充电汽车动力电池包B连接。与现有技术相比，本发明可有效实现电池预加热，同时能够避免低温充放电过程中枝晶的形成。

Description

一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机

技术领域

本发明涉及一种电池充电装置，尤其是涉及一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机，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加热。

背景技术

动力电池作为制约电动汽车发展的关键部件，迎来了前所未有的发展机遇，锂离子电池具有工作电压高、质量轻、比能量高、循环寿命长、快速充电等优良特性，被认为是未来几年电动汽车用电源的重要发展方向，并且在移动式电子设备以及国防军工等高新技术中得到了越来越广泛的应用。尽管锂离子电池因其诸多的优点而得到广泛的应用，但是锂离子电池应用领域拓宽的同时，也暴露了一些问题，锂离子电池低温性能始终差强人意，限制了电池的使用范围。常用的电动汽车锂离子动力电池在-10℃时，容量及工作电压会明显降低，-20℃时性能会明显恶化，放电比容量骤降，仅能保持常温时比容量的30％左右。在温度低的季节和地区，锂离子电池性能发挥受到了极大的限制，特别是对电动汽车的使用。锂离子电池低温性能的缺陷在很大程度上限制了其在动力电池领域的广泛应用。

目前，国内外的关于锂离子电池低温研究并不多，特别是国内的电池低温预加热研究更是凤毛麟角，且国内的电池低温预加热主要集中在加热膜加热，宽线法加热等外部加热方法，外部加热不仅能量消耗大，造成电池容量的过度浪费，同时加热效果差，温度梯度大，加热时间长等缺点。国外的关于电池预加热的主要集中在电池的内部加热，利用电池的内阻，不需外部任何加热装置，节省成本，结构简单。但不管是外部加热还是内部加热研究都处于研究的初步阶段，并未深入探讨其内部变化及电池产热规律。

多孔电极和浓缩溶液理论是解释电池充放电过程中，电池内部微观变化和反应过程的一套理论体系，利用多孔电极理论，我们可以找到低温下电池性能恶化的原因，进而避开导致电池性能恶化的因素，利用电池的自身内阻，使用高频交流电来对电池进行加热。

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利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机，可有效实现电池预加热，同时能够避免低温充放电过程中枝晶的形成。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机，通过电池包充电接口P3与待充电汽车动力电池包B连接，所述的充电机包括依次连接的电源输入接口P1、整流模块Mod1、滤波模块Mod2、稳压模块Mod3和充电机输出接口P2，所述的充电机输出接口P2与电池包充电接口P3连接，还包括选通模块Mod4、交流加热模块Mod5、控制单元Mod6和温度传感器TS，所述的选通模块Mod4、交流加热模块Mod5依次连接在稳压模块Mod3和充电机输出接口P2之间，所述的控制单元Mod6分别连接选通模块Mod4、交流加热模块Mod5和温度传感器TS，所述的温度传感器TS与待充电汽车动力电池包B连接；

温度传感器TS将实时采集的待充电汽车动力电池包B的温度转换为电信号后传输给控制单元Mod6，控制单元Mod6控制选通模块Mod4和交流加热模块Mod5，实现对待充电汽车动力电池包B的正常充电或预加热。

所述的选通模块Mod4包括开关S1、S2，所述的S1、S2均为可控单刀双掷开关，所述的开关S1的动端连接稳压模块Mod3，开关S1的第一不动端连接充电机输出接口P2，第二不动端连接交流加热模块Mod5；所述的开关S2的动端连接稳压模块Mod3，开关S2的第一不动端连接充电机输出接口P2，第二不动端连接交流加热模块Mod5。

所述的交流加热模块Mod5为频率可控的直流逆变模块，控制单元Mod6根据温度信息控制交流加热模块Mod5输出不同频率的交流电。

所述的交流加热模块Mod5包括开关管M1、M2、M3、M4和可变电阻R1，所述的开关管M1、M2、M3、M4的基极均与控制单元Mod6连接，所述的M1的集电极连接开关S1的第二不动端，发射极分别连接M2的集电极和充电机输出接口P2，所述的M2的发射极连接开关S2的第二不动端，所述的M3的集电极连接充电机输出接口P2，发射极连接开关S2的第二不动端，所述的M4的发射极连接充电机输出接口P2，集电极连接可变电阻R1的一端，所述的可变电阻R1的另一端连接开关S2的第二不动端。

所述的交流加热模块Mod5包括开关管M1、M2、M3、M4、M5、M6，电感L1和电阻R1，所述的电感L1和电阻R1并联后，两端分别连接开关管M3的发射极和开关管M4的集电极，所述的开关管M1、M2、M3、M4、M5、M6的基极均与控制单元Mod6连接，所述的M1的集电极连接开关S1的第二不动端，发射极连接充电机输出接口P2，所述的M2的发射极连接开关S2的第二不动端，集电极连接充电机输出接口P2，所述的M3的集电极连接充电机输出接口P2，所述的M4的发射极连接充电机输出接口P2，所述的M5的集电极连接M4的集电极，发射极连接充电机输出接口P2，所述的M6的发射极连接M3的发射极，集电极连接充电机输出接口P2。

所述的开关管M1、M2、M3、M4、M5、M6均为半导体开关管器件，所述的半导体开关管器件包括MOSFET。

所述的充电机输出接口P2包括电源接口和信号接口。

所述的温度传感器TS包括热电偶或红外感应器，温度传感器TS通过充电机输出接口P2的信号接口与控制单元Mod6连接。

所述的控制单元Mod6为微控制器。

所述的待充电汽车动力电池包B包括由n节单体动力电池串联或并联而成的电池模块，所述的电池包充电接口P3连接在电池模块两端。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明是利用高频充放电控制对电池进行预加热；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)本发明充放电控制的频率高于电化学阻抗谱测试中离子固相扩散的最低频率点，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为本发明的结构原理图；

图2为本发明的一种电路示意图；

图3为本发明控制单元的连接示意图；

图4为本发明实例中交流充放电预加热工作模式下电池模块放电阶段，开关管M2、M4开启，开关管M1、M3关闭时的电流流向示意图；

图5是本发明实例中交流充放电预加热工作模式下电池模块充电阶段，开关管M1、M3开启，开关管M2、M4关闭时的电流流向示意图；

图6是本发明实例中交流充放电预加热工作模式下电池模块的电流变化图；

图7是本发明实例中另一种具体电路整体结构框图；

图8是本发明实例中另一种具体电路在交流充放电预加热工作模式下电池模块初始充电阶段，开关管M1、M2开启，开关管M3、M4、M5、M6关闭时的电流流向示意图；

图9是本发明实例中另一种具体电路在交流充放电预加热工作模式下电池模块放电阶段，开关管M1、M2、M5、M6关闭，开关管M3、M4开启时的电流流向示意图；

图10是本发明实例中另一种具体电路在交流充放电预加热工作模式下电池模块充电阶段，开关管M1、M2、M5、M6开启，开关管M3、M4关闭时的电流流向示意图。

图中，箭头表示电流流向。

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1

如图1所示，一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机A，通过电池包充电接口P3与待充电汽车动力电池包B连接，充电机包括依次连接的电源输入接口P1、整流模块Mod1、滤波模块Mod2、稳压模块Mod3和充电机输出接口P2，所述的充电机输出接口P2与电池包充电接口P3连接，另外还包括选通模块Mod4、交流加热模块Mod5、控制单元Mod6和温度传感器TS，选通模块Mod4、交流加热模块Mod5依次连接在稳压模块Mod3和充电机输出接口P2之间，控制单元Mod6分别连接选通模块Mod4、交流加热模块Mod5和温度传感器TS，温度传感器TS与待充电汽车动力电池包B连接。温度传感器TS将实时采集的待充电汽车动力电池包B的温度转换为电信号后传输给控制单元Mod6，控制单元Mod6控制选通模块Mod4和交流加热模块Mod5，实现对待充电汽车动力电池包B的正常充电或预加热。

如图2和图3所示，选通模块Mod4可控选通开关模块，可根据温度信息由控制单元Mod6控制，使充电机可选择正常充电模式或选择交流预加热模式。选通模块Mod4包括开关S1、S2，S1、S2均为可控单刀双掷开关，均分别连接稳压模块Mod3、控制单元Mod6和充电机输出接口P2。开关S1的动端连接稳压模块Mod3，开关S1的第一不动端a连接充电机输出接口P2，第二不动端b连接交流加热模块Mod5；开关S2的动端连接稳压模块Mod3，开关S2的第一不动端a连接充电机输出接口P2，第二不动端b连接交流加热模块Mod5。

交流加热模块Mod5为频率可控的直流逆变模块，控制单元Mod6根据温度信息控制交流加热模块Mod5输出不同频率的交流电。交流加热模块Mod5包括开关管M1、M2、M3、M4和可变电阻R1，开关管M1、M2、M3、M4的基极均与控制单元Mod6连接，M1的集电极连接开关S1的第二不动端b，发射极分别连接M2的集电极和充电机输出接口P2，M2的发射极连接开关S2的第二不动端b，M3的集电极连接充电机输出接口P2，发射极连接开关S2的第二不动端b，M3的发射极连接充电机输出接口P2，集电极连接可变电阻R1的一端，可变电阻R1的另一端连接开关S2的第二不动端b。开关管M1、M2、M3、M4采用MOSFET或其他类型的半导体开关管器件。

充电机输出接口P2包括电源接口和信号接口。温度传感器TS可以采用热电偶或红外感应器等，温度传感器TS通过充电机输出接口P2的信号接口与控制单元Mod6连接，把温度转换成电信号，发送到控制单元Mod6。

待充电汽车动力电池包B包括由n节单体动力电池串联或并联而成的电池模块，电池包充电接口P3连接在电池模块两端。

控制单元Mod6为微控制器MCU，可以实时接收温度传感器的信号，并根据温度高低来控制开关S1、S2的导通方向，即根据温度选择正常充电模式或交流预加热模式。当电池温度满足工作要求时，开关S1、S2的第一不动端a接通，系统进入正常充电模式，微控制器MCU进入休眠状态，但可以低温唤醒，所有的外设进入断电状态。当温度低时，开关S1、S2的第二不动端b接通，系统被唤醒并进入交流充放电预加热工作模式，外设上电，微控制器MCU可以控制输出矩形脉冲的产生、停止，微控制器MCU产生矩形脉冲方式可以是PFM(频率调制)或者PWM(脉宽调制)。当电池模块需要低温加热时，微控制器根据具体温度高低来产生一定占空比和频率的矩形脉冲到开关管M1、M2、M3、M4的驱动电路，控制开关管M1、M2、M3、M4的开启或者关断。

上述动力电池充电机的各开关管在正常充电模式时处于断开状态。当锂离子电池模块需要低温加热时，开关S1、S2的第二不动端b接通，系统被唤醒并进入交流充放电预加热工作模式，微控制器MCU先导通开关管M2、M4，待充电汽车动力电池包B放电，电流从电池模块的正极流向电池包充电接口P3的正极口，经充电机输出接口P2的正极口，然后进入充电机，流过开关管M2，经过可变电阻R1，开关管M4，充电机输出接口P2的负极口，最后经由电池包充电接口P3的负极口回到电池模块的负极。从而实现电池模块的放电过程，由此完成一个放电循环。电流流向如附图4所示。然后导通开关管M1、M3，待充电汽车动力电池包B充电，电流从稳压电源输出模块的正极端流出，流过双掷开关S1、开关管M1、充电机输出接口P2的正极口，经由电池包充电接口P3的正极口，流向电池模块的正极，然后经过电池模块的负极，流向电池包充电接口P3的负极口，经充电机输出接口P2的负极口，然后进入充电机，流过开关管M3、双掷开关S2，最终流回稳压电源输出模块的负极端。从而实现电池模块的充电过程，由此完成一个充电循环。电流流向如附图5所示。至此即可实现电池包的一个充放电循环。在这个循环中，实现对电池模块的高频充放电，该频率点高于电化学阻抗测试发生电化学反应的最高频率点，在电池外部的损耗由充电机从电网获得补偿给电池，电池包内部只有电池欧姆内阻及锂离子液相迁移内阻产生的热量，由此实现高效的电池模块快速无损内部加热。

附图6是本发明实例中交流预加热模式下，占空比为50％时，锂离子电池模块B1的充放电电流变化图。

实施例2

如图7所示，本实施例中，选通模块Mod4包括开关S1、S2，交流加热模块Mod5包括开关管M1、M2、M3、M4、M5、M6，电感L1和电阻R1，所述的电感L1和电阻R1并联后，两端分别连接开关管M3的发射极和开关管M4的集电极，所述的开关管M1、M2、M3、M4、M5、M6的基极均与控制单元Mod6连接，所述的M1的集电极连接开关S1的第二不动端，发射极连接充电机输出接口P2，所述的M2的发射极连接开关S2的第二不动端，集电极连接充电机输出接口P2，所述的M3的集电极连接充电机输出接口P2，所述的M4的发射极连接充电机输出接口P2，所述的M5的集电极连接M4的集电极，发射极连接充电机输出接口P2，所述的M6的发射极连接M3的发射极，集电极连接充电机输出接口P2。上述动力电池充电机的各开关管在正常充电模式时处于断开状态，开关S1、S2的第一不动端a接通。当锂离子电池模块需要低温加热时，开关S1、S2的第二不动端b接通，系统被唤醒并进入交流充放电预加热工作模式，根据图8-图10，实现高效的电池模块快速无损内部加热。本实施例其余同实施例1。

Claims (7)

1.一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机，通过电池包充电接口P3与待充电汽车动力电池包B连接，所述的充电机包括依次连接的电源输入接口P1、整流模块Mod1、滤波模块Mod2、稳压模块Mod3和充电机输出接口P2，所述的充电机输出接口P2与电池包充电接口P3连接，其特征在于，还包括选通模块Mod4、交流加热模块Mod5、控制单元Mod6和温度传感器TS，所述的选通模块Mod4、交流加热模块Mod5依次连接在稳压模块Mod3和充电机输出接口P2之间，所述的控制单元Mod6分别连接选通模块Mod4、交流加热模块Mod5和温度传感器TS，所述的温度传感器TS与待充电汽车动力电池包B连接；

温度传感器TS将实时采集的待充电汽车动力电池包B的温度转换为电信号后传输给控制单元Mod6，控制单元Mod6控制选通模块Mod4和交流加热模块Mod5，实现对待充电汽车动力电池包B的正常充电或预加热；

所述的选通模块Mod4包括开关S1、S2，所述的S1、S2均为可控单刀双掷开关，所述的开关S1的动端连接稳压模块Mod3，开关S1的第一不动端连接充电机输出接口P2，第二不动端连接交流加热模块Mod5；所述的开关S2的动端连接稳压模块Mod3，开关S2的第一不动端连接充电机输出接口P2，第二不动端连接交流加热模块Mod5；

所述的交流加热模块Mod5包括开关管M1、M2、M3、M4和可变电阻R1，所述的开关管M1、M2、M3、M4的基极均与控制单元Mod6连接，所述的M1的集电极连接开关S1的第二不动端，发射极分别连接M2的集电极和充电机输出接口P2，所述的M2的发射极连接开关S2的第二不动端，所述的M3的集电极连接充电机输出接口P2，发射极连接开关S2的第二不动端，所述的M4的发射极连接充电机输出接口P2，集电极连接可变电阻R1的一端，所述的可变电阻R1的另一端连接开关S2的第二不动端；或者

所述的交流加热模块Mod5包括开关管M1、M2、M3、M4、M5、M6，电感L1和电阻R1，所述的电感L1和电阻R1并联后，两端分别连接开关管M3的发射极和开关管M4的集电极，所述的开关管M1、M2、M3、M4、M5、M6的基极均与控制单元Mod6连接，所述的M1的集电极连接开关S1的第二不动端，发射极连接充电机输出接口P2，所述的M2的发射极连接开关S2的第二不动端，集电极连接充电机输出接口P2，所述的M3的集电极连接充电机输出接口P2，所述的M4的发射极连接充电机输出接口P2，所述的M5的集电极连接M4的集电极，发射极连接充电机输出接口P2，所述的M6的发射极连接M3的发射极，集电极连接充电机输出接口P2。

2.根据权利要求1所述的一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机，其特征在于，所述的交流加热模块Mod5为频率可控的直流逆变模块，控制单元Mod6根据温度信息控制交流加热模块Mod5输出不同频率的交流电。

3.根据权利要求1所述的一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机，其特征在于，所述的开关管M1、M2、M3、M4、M5、M6均为半导体开关管器件，所述的半导体开关管器件包括MOSFET。

4.根据权利要求1所述的一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机，其特征在于，所述的充电机输出接口P2包括电源接口和信号接口。

5.根据权利要求4所述的一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机，其特征在于，所述的温度传感器TS包括热电偶或红外感应器，温度传感器TS通过充电机输出接口P2的信号接口与控制单元Mod6连接。

6.根据权利要求1所述的一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机，其特征在于，所述的控制单元Mod6为微控制器。

7.根据权利要求1所述的一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机，其特征在于，所述的待充电汽车动力电池包B包括由n节单体动力电池串联或并联而成的电池模块，所述的电池包充电接口P3连接在电池模块两端。