CN105356007B - 一种对电池组预加热的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种对电池组预加热的方法和系统。根据本发明的一个实施例，对电池组预加热的方法包括：选择所述电池组的一个或多个单体电池组成放电模块，将该放电模块耦合至DC/DC模块的输入端，将该DC/DC模块的输出端耦合至所述电池组的充电模块，使得该放电模块通过放电来预加热所述电池组。
Description
技术领域
本发明属于电力电子领域，特别涉及对电池组预加热的方法和系统。
背景技术
为了让使用可充电电池的混合动力电动汽车或者纯电动汽车在低温环境下也能正常工作，通常需要对可充电电池进行预加热，使得可充电电池在低温环境下的体积/质量比功率、体积/质量比能量、充电性能等参数满足车辆的要求。
现有技术通常通过加热器加热、媒介传热的方式实现对可充电电池的预加热。然而，这种技术方案设计复杂，而且无法根据电池组的温度分布情况进行局部温度微调，导致单体电池间温差变大。另一方面，这种技术方案成本较高、通用性较差，而且借助介质传热的导热效率较低，造成较低的能量利用率。另一种技术方案利用谐振电路来提高电池的能量利用效率，然而这种技术方案会降低整个电池组的质量/体积比能量和质量/体积比功率，而且在谐振时，电流和电压都会产生比较大的纹波，影响电路稳定工作，在大脉冲电流回充时，将缩短电池组的使用寿命。
发明内容
本发明提供了一种对电池组预加热的方法和系统。根据本发明的一个实施例，对电池组预加热的方法包括：选择所述电池组的一个或多个单体电池组成放电模块，将该放电模块耦合至DC/DC模块的输入端，将该DC/DC模块的输出端耦合至所述电池组的充电模块，使得该放电模块通过放电来预加热所述电池组。根据本发明的另一个实施例，对电池组预加热的系统包括：开关组、DC/DC模块、与所述开关组和DC/DC模块耦合的控制单元，其中，控制单元被配置成控制开关组的开关来选择所述电池组的一个或多个单体电池组成放电模块，将该放电模块耦合至DC/DC模块的输入端，以及将该DC/DC模块的输出端耦合至所述电池组的充电模块，使得该放电模块通过放电来预加热所述电池组。
本发明通过电池自加热来实现电池预加热，无需依赖额外的传热介质和电热元件，提供了电池能量利用效率和加热速度。
根据本发明的技术方案，电池组能够边放电边充电，加热时间得以缩短。另一方面，根据本发明的实施例能够加快电池组局部的预加热，通过让局部电池大电流放电整个电池组小电流充电，不会影响电池正常循环寿命，具有可靠的实用使用价值。此外，本发明的技术方案也可以兼容充电机加热方案，以及能够和DC/DC主动均衡方式共用一套硬件设备、结构简单、控制方便、成本低，支持灵活配置，有利于电池组的工程化和产品化。
附图说明
在下文的描述中，参照附图描述本发明的方面。
图1是根据本发明的一个实施例的对电池组预加热的系统示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的对电池组预加热的方法示意图。
具体实施方式
附图通过图例的方式示出了可以实施本发明的具体细节。这些实施例以充分的细节被描述以使得本领域技术人员能够实施本发明。可以这些具体细节的较少程度来实践这些实施例，还可以在不偏离本发明的范围的情况下对这些实施例进行结构、逻辑和功能的变化。这些实施例不一定是相互排斥的，因为根据具体的应用，一个实施例的特征可以与另一个实施例的特征相结合以形成新的实施例。在以下的描述中，为简便起见，仅仅描述与本发明紧密相关的元件/部件。
图1是根据本发明的一个实施例的对电池组预加热的系统示意图。如图所示，电池组由单体电池串联组成，该系统包括：开关组、DC/DC模块、与所述开关组和DC/DC模块耦合的控制单元。控制单元被配置成控制开关组的开关来选择所述电池组的一个或多个单体电池组成放电模块，将该放电模块耦合至DC/DC模块的输入端，以及将该DC/DC模块的输出端耦合至所述电池组的充电模块，使得该放电模块通过放电来预加热所述电池组。
在一个实施例中所述开关组的开关分别被设置在所述电池组的一个单体电池的正负两端，或者在由两个或多个单体电池串联组成的电池单元的正负两端。如图1所示，示例性地设置了五个开关K1-K5，其中，例如K1和K2被设置在单体电池C1的两端，K2和K3被设置在由单体电池C2和C3组成的电池单元的两端，K3和K4被设置在单体电池C4两端，K4和K5被设置在单体电池C5两端。可以通过切换所述开关组的开关来选择所述电池组的一个或多个单体电池组成放电模块。例如，当闭合K1和K2时，C1成为放电模块，当闭合K2和K3时，C2、C3组成放电模块，当闭合K1和K4时，C1、C2、C3、C4组成放电模块。本领域的技术人员可以理解，还可以由不同的开关组的设置以及切换开关的方法。
在一个实施例中，控制单元被配置成使所述放电模块放电预定时间。
在一个实施例中，系统还可以包括温度检测单元，该温度检测单元用于检测所述放电模块的温度，响应于所述温度超过预定温度，所述控制单元使所述放电模块停止放电。
在一个实施例中，该温度检测单元用于检测所述电池组的单体电池的温度，响应于该单体电池的温度低于所述电池组的平均温度或者第一预定温度，并且该单体电池不在当前放电模块中时，所述控制单元切换所述开关组的开关使得该单体电池被选择成为放电模块的部分，响应于该单体电池的温度低于所述电池组的平均温度或者第一预定温度，并且该单体电池在当前放电模块中时，所述控制单元增大当前放电模块的放电电流和/或延长放电时间；响应于该单体电池的温度高于所述电池组的平均温度或者第二预定温度，并且该单体电池在当前放电模块中时，所述控制单元使得当前放电模块停止放电，或者减小当前放电模块的放电电流和/或者缩短放电时间。
可替换地，可以将单体电池的电荷状态作为参考来代替温度，在一个实施例中，系统还可以包括电荷状态检测单元，该电荷状态检测单元用于检测所述放电模块的电荷状态，响应于所述电荷状态超过预定电荷状态，所述控制单元使所述放电模块停止放电。这里，电荷状态指放电模块的单体电池的平均电荷状态。在另一个实施例中，该电荷状态检测单元用于检测所述电池组的单体电池的电荷状态，响应于该单体电池的电荷状态高于所述电池组的平均电荷状态或者第一预定电荷状态，并且该单体电池不在当前放电模块中时，所述控制单元切换所述开关组的开关使得该单体电池被选择成为放电模块的部分，响应于该单体电池的电荷状态高于所述电池组的平均电荷状态或者第一预定电荷状态，并且该单体电池在当前放电模块中时，所述控制单元增大当前放电模块的放电电流和/或延长放电时间；响应于该单体电池的电荷状态低于所述电池组的平均电荷状态或者第二预定电荷状态，并且该单体电池在当前放电模块中时，所述控制单元使得当前放电模块停止放电，或者减小当前放电模块的放电电流和/或者缩短放电时间。
可以理解的是，本发明可以包括一个以上DC/DC模块，控制单元通过切换开关控制电池与一个或多个DC/DC模块的耦合，以及控制相应的DC/DC模块与充电模块的耦合进行放电和充电。
优选地，DC/DC模块可以是双向DC/DC模块。
在一个实施例中，所述控制单元被配置成将该DC/DC模块的输出端耦合至所述电池组的总正端和总负端，使得所述电池组成为充电模块。示例性地，当闭合K1和K2时，C1放电，DC/DC的输出1和输出2被耦合至电池组的总正端和总负端，从而C1放出的电量通过DC/DC的输出端被充入整个电池组中。
在一个实施例中，所述控制单元被配置成将该DC/DC模块的输出端耦合至所述电池组的一个单体电池的正负两端使其成为充电模块，或者由两个或多个单体电池串联组成的电池单元的正负两端使其成为充电模块。示例性地，当闭合K1和K2时，C1放电，DC/DC的输出1和输出2通过开关K3和K5被耦合至C4和C5组成的充电模块，从而C1放出的电量通过DC/DC的输出端被充入C4和C5组成的充电模块中。
在一个实施例中，控制单元被配置成通过切换开关使得电池组中的单体电池依次放电预定的时间段。可替换地，控制单元被配置成通过切换开关使得电池组中的单体电池依次放电预定的温度差或者放电至预定的温度值。例如，当C1的温度升高超过5摄氏度，或者当C1的温度升至预定的N摄氏度时，控制单元转而切换开关使下一单体电池或者电池单元进行放电。在本发明中，电池单元的温度指电池单元的单体电池的平均温度，电池组的温度是指电池组的单体电池的平均温度。在一个示例中，温度通过测量电池表面温度获得。
根据本发明的其它实施例，开关组的开关可以是接触器、继电器、固态继电器、光继电器、三极管、MOS管、IGBT等用于开关的元件。DC/DC模块可以是BUCK、BOOST等已知的单一的DC/DC拓扑，也可以是上述几种拓扑的组合。单体电池适用的电池类型为锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池等二次电池。控制单元可以通过单片机、DSP等微处理器以及辅助电路实现。
图2是根据本发明的一个实施例的对电池组预加热的方法示意图。该方法包括，在步骤201中，选择所述电池组的一个或多个单体电池组成放电模块；在步骤202中，将该放电模块耦合至DC/DC模块的输入端；在步骤203中，将该DC/DC模块的输出端耦合至所述电池组的充电模块，使得该放电模块通过放电来预加热所述电池组。
在一个实施例中，设置开关组，分别在所述电池组的一个单体电池的正负两端，或者在由两个或多个单体电池串联组成的电池单元的正负两端设置开关，以及通过切换所述开关组的开关来选择所述电池组的一个或多个单体电池组成放电模块。
在一个实施例中，使所述放电模块放电预定时间。
在一个实施例中，检测所述放电模块的温度，当所述温度超过预定温度时，使所述放电模块停止放电。
在一个实施例中，检测所述电池组的单体电池的温度，当该单体电池的温度低于所述电池组的平均温度或者第一预定温度，并且该单体电池不在当前放电模块中时，切换所述开关组的开关使得该单体电池被选择成为放电模块的部分，当该单体电池的温度低于所述电池组的平均温度或者第一预定温度，并且该单体电池在当前放电模块中时，增大当前放电模块的放电电流和/或延长放电时间；当该单体电池的温度高于所述电池组的平均温度或者第二预定温度，并且该单体电池在当前放电模块中时，使得当前放电模块停止放电，或者减小当前放电模块的放电电流和/或者缩短放电时间。
在一个实施例中，通过将该DC/DC模块的输出端耦合至所述电池组的总正端和总负端，使得所述电池组成为充电模块。
在一个实施例中，通过将该DC/DC模块的输出端耦合至所述电池组的一个单体电池的正负两端使其成为充电模块，或者由两个或多个单体电池串联组成的电池单元的正负两端使其成为充电模块。
在一个示例中，当有多个DC/DC模块时，可以先选定一个DC/DC模块，然后再为该DC/DC模块选择相应的放电模块。
在另一个示例中，通过以下过程对单体电池逐一进行放电。在该示例中，DC/DC模块的输出被耦合至整个电池组。现再次参考图1，对整个电池组加热时，可以按如下的步骤进行操作：
C1的放电操作：先闭合开关组中的K1和K2，把单体电池C1选为放电模块，让单体电池C1开始放电；同时，C1放出的电量通过DC/DC模块输出端充入整个电池组中，当C1放电预定时间或者C1的温度升高超过预定值后，让DC/DC模块暂停工作，C1放电操作完成。
C2-C3组成的电池单元的放电操作: 先断开开关组中的K1，而使K2保持闭合状态，闭合开关K3，把C2-C3组成的电池单元选为放电模块，让C2-C3组成的电池单元开始放电；同时，C2-C3组成的电池单元放出的电量通过DC/DC模块输出端充入整个电池组中，当C2-C3组成的电池单元放电预定时间或者C2-C3的平均温度升高超过预定值后，让DC/DC模块暂停工作，C2-C3放电操作完成。
接着，依次放电C4和C5。如此不断的重复上述操作，便可以实现整个电池组的加热。
Claims (14)
1.一种对电池组预加热的方法，其特征在于，所述电池组由单体电池串联组成，该方法包括：
选择所述电池组的一个或多个单体电池组成放电模块，
将该放电模块耦合至DC/DC模块的输入端，
将该DC/DC模块的输出端耦合至所述电池组的充电模块，使得该放电模块通过放电来预加热所述电池组。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
设置开关组，分别在所述电池组的一个单体电池的正负两端，或者在由两个或多个单体电池串联组成的电池单元的正负两端设置开关，以及通过切换所述开关组的开关来选择所述电池组的一个或多个单体电池组成放电模块。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
使所述放电模块放电预定时间。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
检测所述放电模块的温度，当所述温度超过预定温度时，使所述放电模块停止放电。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
检测所述电池组的单体电池的温度，
当该单体电池的温度低于所述电池组的平均温度或者第一预定温度，并且该单体电池不在当前放电模块中时，切换所述开关组的开关使得该单体电池被选择成为放电模块的部分，
当该单体电池的温度低于所述电池组的平均温度或者第一预定温度，并且该单体电池在当前放电模块中时，增大当前放电模块的放电电流和/或延长放电时间；
当该单体电池的温度高于所述电池组的平均温度或者第二预定温度，并且该单体电池在当前放电模块中时，使得当前放电模块停止放电，或者减小当前放电模块的放电电流和/或者缩短放电时间。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
通过将该DC/DC模块的输出端耦合至所述电池组的总正端和总负端，使得所述电池组成为充电模块。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
通过将该DC/DC模块的输出端耦合至所述电池组的一个单体电池的正负两端使其成为充电模块，或者由两个或多个单体电池串联组成的电池单元的正负两端使其成为充电模块。
8.一种对电池组预加热的系统，其特征在于，所述电池组由单体电池串联组成，该系统包括：
开关组、DC/DC模块、与所述开关组和DC/DC模块耦合的控制单元，其中，
控制单元被配置成控制开关组的开关来选择所述电池组的一个或多个单体电池组成放电模块，将该放电模块耦合至DC/DC模块的输入端，以及将该DC/DC模块的输出端耦合至所述电池组的充电模块，使得该放电模块通过放电来预加热所述电池组。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，
所述开关组的开关分别被设置在所述电池组的一个单体电池的正负两端，或者在由两个或多个单体电池串联组成的电池单元的正负两端。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，
控制单元被配置成使所述放电模块放电预定时间。
11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，还包括温度检测单元，
该温度检测单元用于检测所述放电模块的温度，响应于所述温度超过预定温度，所述控制单元使所述放电模块停止放电。
12.如权利要求9所述的系统，其特征在于，
还包括温度检测单元，该温度检测单元用于检测所述电池组的单体电池的温度；
其中，响应于该单体电池的温度低于所述电池组的平均温度或者第一预定温度，并且该单体电池不在当前放电模块中时，所述控制单元切换所述开关组的开关使得该单体电池被选择成为放电模块的部分，
响应于该单体电池的温度低于所述电池组的平均温度或者第一预定温度，并且该单体电池在当前放电模块中时，所述控制单元增大当前放电模块的放电电流和/或延长放电时间；
响应于该单体电池的温度高于所述电池组的平均温度或者第二预定温度，并且该单体电池在当前放电模块中时，所述控制单元使得当前放电模块停止放电，或者减小当前放电模块的放电电流和/或者缩短放电时间。
13.如权利要求9所述的系统，其特征在于，
所述控制单元被配置成将该DC/DC模块的输出端耦合至所述电池组的总正端和总负端，使得所述电池组成为充电模块。
14.如权利要求9所述的系统，其特征在于，
所述控制单元被配置成将该DC/DC模块的输出端耦合至所述电池组的一个单体电池的正负两端使其成为充电模块，或者由两个或多个单体电池串联组成的电池单元的正负两端使其成为充电模块。
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