CN105449298B - 一种便携式电池组低温高功率输出辅助装置 - Google Patents

一种便携式电池组低温高功率输出辅助装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种便携式电池组低温高功率输出辅助装置，包括功率电阻、MOS管、按钮开关、时间控制开关和温度保护开关，功率电阻的一端连接正极第一导线，功率电阻的另一端通过正极第二导线与MOS管的D脚连接，MOS管的S脚连接负极导线；按钮开关、时间控制开关、温度保护开关依次相连，按钮开关通过第三导线与正极第一导线相连接，温度保护开关通过第四导线与MOS管的G脚相连接；正极第一导线、功率电阻、正极第二导线、MOS管和负极导线构成的电路为一次回路，第三导线、按钮开关、时间控制开关、温度保护开关和第四导线构成的电路为二次回路。本发明的辅助装置，可使得电池组在低温情况下短时间内恢复高功率输出能力。

Description

一种便携式电池组低温高功率输出辅助装置
技术领域
本发明涉及一种电池组辅助装置，尤其是涉及一种要求低温情况下电池组仍然需要进行高功率输出的便携式电池组低温高功率输出辅助装置。
背景技术
随着化学电池组技术的进步，其储能的比能量快速提升，单位成本逐步下降，加上电池组本身所具有的快速响应、设置便捷等特点，使得电池组的应用变得越来越广泛。在数码产品中作为能量的供应装置，具有便携式和高能量密度的特点。在新能源(如风力发电、太阳能光伏发电)接入中作为能量的缓冲装置，平滑新能源，提升新能源的渗透率；在汽车中作为制动能量的回收装置，兼作为特殊工况(如启动、加速)的辅助动力能源提供装置(一般在HEV或PHEV中)，或直接作为汽车全部动力的能源来源(即纯电动汽车)；在微智能电网中，作为能源的缓冲平台，调配发电、用电之间的关系，维持整个微网的稳定运行和经济运行，等等。
通常情况下，电池组的使用环境为0℃～45℃，在这一温度范围内，电池组具有较佳的综合性能，例如高功率输出性能、循环寿命、安全性能等。如果使用环境为极端低温或极端高温，那么电池组的某些性能就往往大幅度降低，例如零下20℃情况下，LCO型锂离子电池组(正极为钴酸锂、负极为石墨)的高功率输出性能就大幅度下降。
因此，为了应对极端环境温度下的使用工况，往往通过对电池组外部的环境进行管控的方式。例如EV上使用的电池组，为了使得电池组在低温或高温下仍然能够正常工作，通常是在电池组周围设置热管理装置(如空调)，但是这种控制电池组环境温度的方法，往往带来热管理成本高、热管理效率低的问题。
同时，在某些需要电池组满足高功率输出工况工作的场合(如汽车启动点火)，由于要求电池组在很短的时间内(～3S)输出很大的功率，因此不可能通过外部的加热来使得电池组自身达到能够高功率输出工作的温度，一方面这需要较长的时间，此外还需消耗很多的电池组存储能量；而且通过外部加热的方式存在电池组自身温度不均衡的隐患(延长加热时间可以改善这一隐患，但是时间过长将导致满足应用需求变得没有意义，即用户不可能接受这么长的等待时间)。更进一步，对有低温高功率输出需求的场合，可以通过优化电池组的设计来进行改善，但是通过改变电池组化学体系本身，往往带来电池组成本的大幅度增加或其它性能的大幅度下降(例如电池组的高温性能降低)。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明旨在提供一种可以使得电池组在低温情况下，在很短的时间内恢复高功率输出能力的便携式电池组低温高功率输出辅助装置。本发明通过以下方案实现：
一种便携式电池组低温高功率输出辅助装置，包括功率电阻、MOS管、按钮开关、时间控制开关和温度保护开关，所述功率电阻的一端连接正极第一导线，功率电阻的另一端通过正极第二导线与MOS管的D脚连接，MOS管的S脚连接负极导线；按钮开关、时间控制开关、温度保护开关依次相连，所述按钮开关通过第三导线与正极第一导线相连接，所述温度保护开关通过第四导线与MOS管的G脚相连接；所述正极第一导线、功率电阻、正极第二导线、MOS管和负极导线构成的电路为一次回路，所述第三导线、按钮开关、时间控制开关、温度保护开关和第四导线构成的电路为二次回路。一次回路为工作回路，对低温电池组实施温度辅助调整；二次回路为控制回路，实施对一次回路工作的时间和温度控制。
所述功率电阻的阻值满足公式(1)，功率电阻的质量和比热的乘积满足公式(2)，
其中:N为组成电池组的单体电池数量；I为电池组的低温最大允许放电电流，单位为A；R为功率电阻的阻值，单位为Ω；m为功率电阻的质量，单位为Kg；CP为功率电阻的比热，单位为J/(℃*Kg)；t为便携式电池组低温高功率输出辅助装置使用前所处的环境温度，单位为℃。
功率电阻的上述参数设置，可以很好地实现低温情况下，对电池组进行辅助调整的目的，通过将该辅助装置作为电池组负载，串联成一个电路，电池组在低温下进行大电流放电，由于低温情况下，电池组自身内阻较大，产生剧烈的自热热量，在很短的时间内使得电池组内部温度上升，从而使得电池组具备高功率输出的能力。同时，这种调整又不会对电池组自身产生过放电能损伤。
所述温度保护开关的动作温度设定为10～55℃，时间控制开关的闭合工作时间设定为20～60S。所述二次回路实施对一次回路的控制功能，具体包括：控制一次回路导通、控制一次回路断开。当二次回路开关按钮按下闭合，且温控开关未达到断开保护温度值因而处于闭合状态，且MOS管G脚有正向驱动电压，以上三个条件同时满足情况下，一次回路被导通，电池组通过一次回路进行大电流放电。当二次回路开关按钮松开断开，或温控开关未达到断开保护温度值因而处于断开状态，或MOS管G脚无正向驱动电压，以上三个条件任何一个条件满足情况下，一次回路被断开，电池组大电流放电终止，电池组被保护。二次回路的设置，既可以实现低温情况下电池组一次回路导通进行大电流放电，从而实现自热升温，又可以限制大电流放电的时间，避免过度放电或电池组升温过度，同时满足自热升温需求和过热安全保护需求。
与现有技术相比，本发明的便携式电池组低温高功率输出辅助装置具有以下的优点：
(1)电池组可实现快速的自热升温。传统的通过外部环境加热，电池组由低温逐渐升温，需要几十分钟乃至几小时，尤其是要达到电池组内部温度的均匀，所需时间更长，这直接导致低温情况下，电池组不能正常满足使用需求。本发明的便携式电池组低温高功率输出辅助装置，通过让电池组在短时间内(一般是20S～60S)大电流放电，让电池组快速自热，电池组在1～2分钟内就恢复了原本低温条件下所不具备的高功率输出的能力。便携式电池组低温高功率输出辅助装置，通过实现电池组的大电流放电，一方面电流越大，电池组自热升温至一定温度所需的时间越短；同时，在电池组低温允许的最大放电电流限制范围内，放电电流越大，电池组所释放出的能量中用于自热的比率越高，越能缩短自热升温的时间。
(2)可以实现电池组自热过程中的有效保护。二次回路可以实现对一次回路的有效控制，二次回路中温度开关的设置，有效控制了电池组释放能量的总量，同时也防止辅助装置温升过大。电池组高功率输出能力越强，辅助装置温升越快，越有利于降低电池组自热温升，因而不会出现由于辅助装置导致电池组自热过头的现象。
(3)可以实现电池组低温环境下快速恢复高功率输出的能力。通过一次回路和二次回路所组成的电池组辅助装置，电池组在低温环境下获得了快速的自热升温，这种自热升温是从内而升的，温度的均匀性较好，并且受到了有效的控制和保护。电池组温度上升后，达到能够进行高功率输出的能力，可以立即投入相应的工况工作，例如汽车启动点火。
附图说明
图1是实施例1中的便携式电池组低温高功率输出辅助装置的结构示意图
图2是实施例1中电池组在常温20±3℃下的充电特性和放电特性曲线图
图3是实施例1中电池组在常温20±3℃下不同放电功率的放电曲线图
图4是实施例1中电池组在低温-20±2℃下不同放电功率的放电曲线图
图5(a)是实施例1中电池组在低温-20±2℃下采用便携式电池组低温高功率输出辅助装置调整过程中功率电阻的温度-时间曲线图
图5(b)是实施例1中电池组在低温-20±2℃下采用便携式电池组低温高功率输出辅助装置调整过程中电池组的温度-时间曲线图
图5(c)是实施例1中电池组在低温-20±2℃下采用便携式电池组低温高功率输出辅助装置调整过程中电池组的电压-时间曲线图
图6是实施例1中电池组在低温-20±2℃下采用便携式电池组低温高功率输出辅助装置调整后的不同放电功率的放电曲线图
具体实施方式
实施例1
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
一种便携式电池组低温高功率输出辅助装置，如图1所示，包括功率电阻1、MOS管2、按钮开关3、时间控制开关4和温度保护开关5，MOS管2采用N沟道增强型MOS管，功率电阻1的一端连接正极第一导线6，功率电阻1的另一端通过正极第二导线7与MOS管2的D脚连接，MOS管2的S脚连接负极导线8；按钮开关3、时间控制开关4、温度保护开关5依次相连，按钮开关3通过第三导线9与正极第一导线6相连接，温度保护开关5通过第四导线10与MOS管2的G脚相连接；正极第一导线6、功率电阻1、正极第二导线7、MOS管2和负极导线8构成的电路为一次回路，第三导线9、按钮开关3、时间控制开关4、温度保护开关5和第四导线10构成的电路为二次回路。一次回路为工作回路，对低温电池组实施温度辅助调整；二次回路为控制回路，实施对一次回路工作的时间和温度控制。
所述功率电阻的阻值满足公式(1)，功率电阻的质量和比热的乘积满足公式(2)，
其中:N为组成电池组的单体电池数量；I为电池组的低温最大允许放电电流，单位为A；R为功率电阻的阻值，单位为Ω；m为功率电阻的质量，单位为Kg；CP为功率电阻的比热，单位为J/(℃*Kg)；t为便携式电池组低温高功率输出辅助装置使用前所处的环境温度，单位为℃。
本实施例中便携式汽车启动电源采用的电池组为聚合物锂离子电池组，由3只单体电池串联而成，单体电池型号为0845120(厚度8mm，宽度45mm，高度120mm)，正极为钴酸锂材料，负极为石墨材料，单体电池的标称电压和容量分别为3.7V和3400mAh；电池组的额定电压为11.1V，额定能量为37.7kWh。该电池组需满足1000W额定功率输出工作2S以上的能力，且电池组工作时电压不得低于4.5V。
在本实施例中，电池组低温最大允许放电电流为80A，由 进行计算，依据组成电池组的单体电池数量N为3，电池组的低温最大允许放电电流I为80A，得到功率电阻的阻值范围为：0.06Ω≤R≤0.115Ω，本实施例采用0.10Ω的功率电阻。一次回路中功率电阻材质的选择，依据：
其中组成电池组的单体电池数量N为3，功率电阻的阻值R为0.1Ω，便携式电池组低温高功率输出辅助装置使用前所处的环境温度t为-20℃，计算得到：98.7J/℃≤m×CP≤607.5J/℃，本实施例功率电阻材质选择m×CP＝210J/℃。本实施例中，MOS管选择N沟道增强型MOS管(开启电压VT为4V，最大漏极电流ID为120A)，温度保护开关为常闭型(动作温度为45±2℃，复位温度40±2℃)，时间控制开关为常开型(接收到按钮开关的触发信号即闭合，开始计时40S后断开)；一次回路中的正极第一导线、正极第二导线、负极导线的载流截面均为16mm2，二次回路中的第三导线、第四导线的载流截面均为1mm2。
在常温20±3℃下，将电池组先以680mA放残电至8.0V，以3400mA恒流充电至12.6V，然后恒压12.6V充电至电流逐渐减小至170mA，停止充电，搁置15分钟，以3400mA恒流放电至8.0V截止，电池组的充电容量为3.52Ah，电池组放电容量为3.43Ah，电池组在常温20±3℃下的充电特性曲线图和放电特性曲线图如图2所示，其中“△”表示的曲线为放电特性曲线，“○”表示的曲线为充电特性曲线。
在常温20±3℃下，将电池组先以680mA放残电至8.0V，以3400mA恒流充电至12.6V，然后恒压12.6V充电至电流逐渐减小至170mA，停止充电，搁置15分钟，分别以1000W、700W、500W、1200W、1500W恒功率放电2S，电压截止保护为4.5V，电池组在常温20±3℃下不同放电功率的放电曲线图如图3所示，其中“◇”表示的曲线为放电功率500W的放电曲线，“○”表示的曲线为放电功率700W的放电曲线，“△”表示的曲线为放电功率1000W的放电曲线，“□”表示的曲线为放电功率1200W的放电曲线，“＊”表示的曲线为放电功率1500W的放电曲线。由图3可知，在常温20±3℃环境下，电池组完全能够满足1000W额定功率输出工作2S以上的能力，且电池组工作时的总电压在10V以上，满足电池组电压不低于4.5V的要求；以1500W额定功率输出2S，电池组电压仍然可以保持在9V，这表明该电池组在常温情况下具有良好的高功率输出能力。
将电池组在常温20±3℃下以3400mA恒流充电至12.6V，然后恒压12.6V充电至电流逐渐减小至170mA，停止充电，再将电池组放入-20±2℃下搁置24小时，在-20±2℃环境下以1000W或700W或500W恒功率放电2S，电压截止保护为0V，电池组在低温-20±2℃下不同放电功率的放电曲线图如图4所示，其中“◇”表示的曲线为放电功率500W的放电曲线，“○”表示的曲线为放电功率700W的放电曲线，“△”表示的曲线为放电功率1000W的放电曲线。由图4可知，在低温-20±2℃环境下，电池组不能够满足1000W额定功率输出工作2S以上的能力，如果以1000W进行强制放电输出，则电池组电压在0.5S内快速降低到0V。同时，在低温-20±2℃环境下，电池组也不能够满足700额定功率输出工作2S以上的能力，如果以700W进行强制放电输出，则电池组总电压在0.6S内快速降低到0V。进一步降低输出功率，在低温-20±3℃环境下，该电池组可以以500W额定功率输出稳定工作2S，但是电池组电压只有7V～6V；对比20±3℃环境下，图3中看出，同样以500W额定功率输出稳定工作2S，电池组电压范围为11.5V～11.2V。温度降低40度，电池组的500W额定功率输出放电电压平台下降约40％以上。
将电池组在常温20±3℃下以3400mA恒流充电至12.6V，然后恒压12.6V充电至电流逐渐减小至170mA，停止充电，再将电池组放入-20±2℃下搁置24小时，在-20±2℃环境下，将电池组的正极、负极分别与便携式电池组低温高功率输出辅助装置的正极第一导线、负极导线相连接。按下便携式电池组低温高功率输出辅助装置的按钮开关，时间控制开关接收到按钮开关触发信号进行闭合，温度保护开关由于环境温度为-20±2℃，未达到其设定的工作温度范围，因此处于常闭状态，由此二次回路正向电压施加到MOS管G脚，G-S达到开启电压4V条件，MOS管被导通，电池组通过一次回路给功率电阻这一负载做功，功率电阻温度上升，时间控制开关计时达到40S，时间控制开关断开，MOS管G-S间的正向偏置电压被断开，MOS被断开一次回路放电停止，电池组被放电保护。
图5(a)为电池组在低温-20±2℃下采用便携式电池组低温高功率输出辅助装置调整过程中功率电阻的温度-时间曲线图，由图5(a)可以看出，功率电阻的温度从-20℃在60S时间内快速上升到接近40℃，并在后续的40S时间内上升到55℃。初期60S功率电阻温度的快速上升，是由于电池组在以较大功率对功率电阻做功导致的，后续40S温度是上升是由于功率电阻表面温度滞后于内部温度，加上测量温度滞后与实际温度造成的。电池组通过一次回路给功率电阻做功放电的过程中，也在给自身做功，这是由于电池组在低温环境下，自身的内阻大幅度增加(充满电情况下，本实施例电池组常温20±3℃环境下1000HZ交流内阻为6.1毫欧，而在低温-20±2℃环境下1000HZ交流内阻为14.1毫欧，低温下相对常温内阻增加1.3倍)，因此低温大功率输出工作的同时，电池组自身由于极化的存在，也消耗大量的能量，从而发生快速的自热现象。
图5(b)为电池组在低温-20±2℃下采用便携式电池组低温高功率输出辅助装置调整过程中电池组的温度-时间曲线图，由图5(b)中可以看出，电池组的温度在60S内快速自热，从-20℃上升到+5℃。
图5(c)为电池组在低温-20±2℃下采用便携式电池组低温高功率输出辅助装置调整过程中电池组的电压-时间曲线图，由图5(c)中可以看出，电池组在给功率电阻做功的40S过程中，电池组的电压由7V下降到6.5V，随后又逐渐上升到7.8V，这是由于随着电池组放电进行，结合图5(b)的分析可知，电池组的温度出现了快速的上升，因而导致电池组的高功率输出能力增强，放电平台不仅没有随着放电的进行下降，反而出现了上升的情况。温度保护开关的设置，是考虑到作为便携式装置，需满足对人身安全的要求，低温辅助装置不能过温从而产生对人的伤害。温度保护开关的动作温度设定为45±2℃，使得便携式电池组低温高功率输出辅助装置外壳的温度不至于高于40℃，同时温度保护开关与时间控制开关在二次回路中属于串联关系，一旦时间控制开关设置值过长或其它故障，温度保护开关能够从温度上升的结果上做最后的安全保障。
图6是实施例1中电池组在低温-20±2℃下采用便携式电池组低温高功率输出辅助装置调整后的不同放电功率的放电曲线图，其中“◇”表示的曲线为放电功率500W的放电曲线，“○”表示的曲线为放电功率700W的放电曲线，“△”表示的曲线为放电功率1000W的放电曲线。从图6中可看出，电池组经过便携式电池组低温高功率输出辅助装置的调整后，电池组由原来不能进行1000W高功率输出工作，转变为完全能够进行正常的高功率输出。电池组经过自热后，1000W放电2S的电池组电压为8.6V～8.1V之间，比常温20±3℃下(图3中的“△”表示的曲线)10.4V～10.1V要低约2V，这是由于电池组自热后温度仍然只有7℃，没有达到常温20℃。但是，在7℃情况下，电池组完全能够满足汽车启动点火的工况要求；电池组完全具备700W输出2S的能力，且电池组平台为9.8V～9.1V。同时，电池组500W输出2S的电池组工作平台为10.3V～10.1V，相对比低温-20℃下(图3中的“◇”表示的曲线)为7.0V～6.2V。
本发明虽然是以钴酸锂型锂离子电池组为例来进行说明，但是同样适用于三元锂离子电池组、磷酸亚铁锂离子电池组、锰酸锂离子电池组等可充电电池组所构成的电池组或能源模块。
本发明虽然是以汽车启动电源为例在进行说明，但是同样使用于电池组在低温情况下需要高功率输出的工况，例如无人机电池组、发动机启动电池组等。
以上所述仅是本发明的优选的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和修饰，这些改进和修饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种便携式电池组低温高功率输出辅助装置，其特征在于：包括功率电阻、MOS管、按钮开关、时间控制开关和温度保护开关，所述功率电阻的一端连接正极第一导线，功率电阻的另一端通过正极第二导线与MOS管的D脚连接，MOS管的S脚连接负极导线；按钮开关、时间控制开关、温度保护开关依次相连，所述按钮开关通过第三导线与正极第一导线相连接，所述温度保护开关通过第四导线与MOS管的G脚相连接；所述正极第一导线、功率电阻、正极第二导线、MOS管和负极导线构成的电路为一次回路，所述第三导线、按钮开关、时间控制开关、温度保护开关和第四导线构成的电路为二次回路；所述功率电阻的阻值满足公式(1)，
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其中：N为组成电池组的单体电池数量，I为电池组的低温最大允许放电电流，R为功率电阻的阻值。
2.如权利要求1所述的一种便携式电池组低温高功率输出辅助装置，其特征在于：所述功率电阻的质量和比热的乘积满足公式(2)，
<mrow> <mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>N</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mn>1.6</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mi>R</mi> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>30</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mn>50</mn> <mo>-</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;le;</mo> <mi>m</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>P</mi> </msub> <mo>&amp;le;</mo> <mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>N</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mn>3.0</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mi>R</mi> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>60</mn> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mn>60</mn> <mo>-</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>...</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中：N为组成电池组的单体电池数量，R为功率电阻的阻值,m为功率电阻的质量，CP为功率电阻的比热，t为便携式电池组低温高功率输出辅助装置使用前所处的环境温度。
3.如权利要求1或2所述的一种便携式电池组低温高功率输出辅助装置，其特征在于：所述温度保护开关的动作温度设定为10～55℃，时间控制开关的闭合工作时间设定为20～60S。
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