CN106711551A - 电池的加热监控装置、方法及电池系统 - Google Patents

电池的加热监控装置、方法及电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池的加热监控装置，其中，电池包括带加热电阻的电芯，加热电阻与加热电源构成加热回路，加热监控装置包括：电压测量单元，电压测量单元用于检测加热电阻的电压；电流测量单元，电流测量单元用于检测加热回路的电流；控制单元，控制单元分别与电压测量单元和电流测量单元相连，控制单元用于根据加热电阻的电压和加热回路的电流计算加热电阻的电阻率以获得加热电阻的温度，并根据加热电阻的温度对加热回路进行控制，以对电池的加热过程进行监控，能够利用加热电阻的电阻率随温度变化的特性来实时监控加热电阻的温度，保护电池电芯不受损坏，保证电池加热过程安全可靠。本发明还公开了一种电池系统和一种电池的加热监控方法。

Description

电池的加热监控装置、方法及电池系统
技术领域
本发明涉及电池加热技术领域，特别涉及一种电池的加热监控装置、一种电池系统以及一种电池的加热监控方法。
背景技术
为了解决锂离子电池低温性能差的问题，一般采用外部加热的方式对电池进行加热，但是，采用外部加热方式时，电池的加热速度较慢、加热效率低。
相关技术中提出了一种加热方案，是在电池电芯内部增加金属Ni箔等加热部件，然后在电池工作时通过控制电流强制通过加热部件，利用加热部件发热来对电池进行加热，从而达到电芯快速加热的目的，加热效率相对较高。然而，此种加热方案存在电芯内部局部温度过高的风险，并且加热部件与隔膜直接接触，如果加热部件的温度高于150℃，就有可能造成隔膜闭孔、收缩，电解液蒸发，从而造成电芯损坏，或引发安全问题，因此这种方案需要对内部加热部件的温度进行实时监控。而如果在电芯内部加热部件上增加温度传感器的方式进行温度监控，无疑更增加了电芯结构的复杂性，并且造成成本的上升。
所以，需要对相关技术中的电池加热监控技术进行改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种电池的加热监控装置，能够利用加热电阻的电阻率随温度变化的特性来实时监控加热电阻的温度，保护电池电芯不受损坏，保证电池加热过程安全可靠。
本发明的另一个目的在于提出一种电池系统。
本发明的又一个目的在于提出一种电池的加热监控方法。
为实现上述目的，本发明一方面实施例提出了一种电池的加热监控装置，其中，所述电池包括带加热电阻的电芯，所述加热电阻与加热电源构成加热回路，所述加热监控装置包括：电压测量单元，所述电压测量单元用于检测所述加热电阻的电压；电流测量单元，所述电流测量单元用于检测所述加热回路的电流；控制单元，所述控制单元分别与所述电压测量单元和所述电流测量单元相连，所述控制单元用于根据所述加热电阻的电压和所述加热回路的电流计算所述加热电阻的电阻率以获得所述加热电阻的温度，并根据所述加热电阻的温度对所述加热回路进行控制，以对所述电池的加热过程进行监控。
根据本发明实施例的电池的加热监控装置，通过加热电阻与加热电源构成加热回路，并通过电压测量单元检测加热电阻的电压和电流测量单元检测加热回路的电流，从而控制单元根据加热电阻的电压和加热回路的电流来计算加热电阻的电阻率，并利用加热电阻的电阻率随温度变化的特性以获得加热电阻的温度，然后根据加热电阻的温度对加热回路进行控制，实现对电池的加热过程进行监控，防止电池加热过程中局部温度过高来损坏电池电芯，保护电池电芯不受损坏，并且无需在电池内部设置温度传感器，降低了电池电芯结构的复杂性和成本，也不存在温度测量失效的问题，保证电池加热过程安全可靠。
根据本发明的一个实施例，所述的电池的加热监控装置还包括加热开关，所述加热开关串联在所述加热回路中，所述加热开关受所述控制单元控制，其中，当所述加热电阻的温度达到预设的温度保护阈值时，所述控制单元控制所述加热开关断开，以断开加热回路。
根据本发明的一个实施例，所述加热电阻包括第一加热电阻极耳和第二加热电阻极耳，所述电压测量单元并联在所述第一加热电阻极耳与所述第二加热电阻极耳之间，所述电流测量单元串联在所述加热回路中。
根据本发明的一个实施例，当所述加热电源进行恒压输出时，所述加热回路的电流与所述加热电阻的温度呈反相关关系，所述控制单元则在所述加热回路的电流小于预设的电流阈值时控制所述加热开关断开，以断开加热回路。
根据本发明的一个实施例，当所述加热电源进行恒流输出时，所述加热电阻的电压与所述加热电阻的温度呈正相关关系，所述控制单元则在所述加热电阻的电压达到预设的电压阈值时控制所述加热开关断开，以断开加热回路。
根据本发明的一个实施例，所述加热电阻为金属电阻、PTC电阻、石墨膜电阻或碳纳米管膜电阻。
此外，本发明的实施例还提出了一种电池系统，其包括上述的电池的加热监控装置。
根据本发明实施例的电池系统，通过上述的电池的加热监控装置，能够利用加热电阻的电阻率随温度变化的特性来获得加热电阻的温度，并根据加热电阻的温度对加热回路进行控制，实现对电池的加热过程进行监控，从而防止电池加热过程中局部温度过高来损坏电池电芯，保护电池电芯不受损坏，并且无需在电池内部设置温度传感器，降低了电池电芯结构的复杂性和成本，也不存在温度测量失效的问题，保证电池加热过程安全可靠。
为实现上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种电池的加热监控方法，其中，所述电池包括带加热电阻的电芯，所述加热电阻与加热电源构成加热回路，所述加热监控方法包括以下步骤：检测所述加热电阻的电压，并检测所述加热回路的电流；根据所述加热电阻的电压和所述加热回路的电流计算所述加热电阻的电阻率以获得所述加热电阻的温度；以及根据所述加热电阻的温度对所述加热回路进行控制，以对所述电池的加热过程进行监控。
根据本发明实施例的电池的加热监控方法，在加热电阻与加热电源构成加热回路对电池进行加热时，通过检测加热电阻的电压和检测加热回路的电流，来计算加热电阻的电阻率，并利用加热电阻的电阻率随温度变化的特性以获得加热电阻的温度，然后根据加热电阻的温度对加热回路进行控制，实现对电池的加热过程进行监控，防止电池加热过程中局部温度过高来损坏电池电芯，保护电池电芯不受损坏，并且无需在电池内部设置温度传感器，降低了电池电芯结构的复杂性和成本，也不存在温度测量失效的问题，保证电池加热过程安全可靠。
根据本发明的一个实施例，所述加热回路中还串联有加热开关，其中，当所述加热电阻的温度达到预设的温度保护阈值时，控制所述加热开关断开，以断开加热回路。
根据本发明的一个实施例，当所述加热电源进行恒压输出时，所述加热回路的电流与所述加热电阻的温度呈反相关关系，则在所述加热回路的电流小于预设的电流阈值时控制所述加热开关断开，以断开加热回路。
根据本发明的一个实施例，当所述加热电源进行恒流输出时，所述加热电阻的电压与所述加热电阻的温度呈正相关关系，则在所述加热电阻的电压达到预设的电压阈值时控制所述加热开关断开，以断开加热回路。
根据本发明的一个实施例，所述加热电阻为金属电阻、PTC电阻、石墨膜电阻或碳纳米管膜电阻。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的电池的加热监控装置的方框示意图；
图2为根据本发明一个实施例的金属镍电阻的电阻率随温度变化的曲线示意图；
图3为根据本发明一个实施例的恒压加热模式下流过金属镍电阻的电流随温度变化的曲线示意图；
图4为根据本发明一个实施例的恒流加热模式下金属镍电阻的端电压随温度变化的曲线示意图；
图5为根据本发明实施例的电池的加热监控方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图来描述本发明实施例提出的电池的加热监控装置、电池系统以及电池的加热监控方法。
参考附图1所示，本发明实施例的电池的加热监控装置包括电压测量单元105、电流测量单元106和控制单元100。其中，电池可以是锂电池101，电池包括带加热电阻103的电芯，即加热电阻103内置在锂电池101中，锂电池101还包括正负极耳102a和102b，加热电阻103与加热电源108例如直流电源DC构成加热回路。加热电源108可以是车载低压蓄电池、车载充电机、地面充电桩或电池本身。
电压测量单元105用于检测加热电阻103的电压，其中，电压测量单元105可以是电压表、电压采集芯片等。电流测量单元106用于检测加热回路的电流，其中，电流测量单元106可以是电流表、分流器(检流电阻)或电流霍尔传感器等。
如图1所示，控制单元100分别与电压测量单元105和电流测量单元106相连，控制单元100用于根据加热电阻103的电压和加热回路的电流计算加热电阻103的电阻率以获得加热电阻103的温度，并根据加热电阻103的温度对加热回路进行控制，以对电池101的加热过程进行监控。其中，控制单元100可以是独立的硬件单元，例如温度监控控制器，也可以集成在电池管理系统BMS中。
也就是说，本发明实施例的电池的加热监控装置是利用加热电阻的电阻率随温度变化的特性，通过电压测量单元检测加热电阻两端的电压和电流测量单元检测经过加热电阻的电流来计算加热电阻的实时电阻率，从而可获得加热电阻的实时温度，并根据控制单元中预设的温度保护阈值对加热电阻的实时温度进行比较，来控制加热回路，例如可切断加热或调整加热功率，实现对电池的加热过程进行监控和保护，保护电池电芯不受损坏。
在本发明的实施例中，加热电阻103可以为金属电阻、PTC电阻、石墨膜电阻或碳纳米管膜电阻。其中，可以理解的是，基于加热电阻的类型不同，加热电阻的电阻率与温度的关系可以是线性的，也可以是非线性的，只要加热电阻具有电阻率随温度进行规律变化的特性即可。
具体地，根据本发明的一个实施例，如图1所示，上述的电池的加热监控装置还包括加热开关107，加热开关107串联在加热回路中，加热开关107受控制单元100控制，其中，当加热电阻103的温度达到预设的温度保护阈值时，控制单元100控制加热开关107断开，以断开加热回路。
其中，如图1所示，加热电阻103包括第一加热电阻极耳104a和第二加热电阻极耳104b，电压测量单元105例如电压表并联在第一加热电阻极耳104a与第二加热电阻极耳104b之间，电流测量单元106例如电流表串联在加热回路中。
当加热电阻为金属电阻时，本发明可利用金属电阻的电阻率随温度升高而增大的特性，通过测量金属电阻的端电压和流过金属电阻的电流，可间接地检测金属电阻本身的温度。例如金属电阻为金属镍电阻时，温度每升高1℃，金属镍电阻的电阻率约增加0.69％，具体可参考图2所示，设定20℃时电阻为0.5欧姆。在本发明的一个示例中，可设定电池电芯内部加热电阻正常的加热温度为40℃，限温保护为60℃，温度升高20℃，金属镍电阻的电阻率会增大13％，这个变化足以被检测到，从而本发明实施例的电池的加热监控装置可利用金属电阻的电阻率随温度升高而增大的特性，实现对电池电芯内部加热电阻的温度监控和限温保护，从而无需温度传感器对加热电阻的温度进行检测，降低了电池电芯结构的复杂性和成本。
在本发明的实施例中，实际工作时，可以是直流恒压加热、恒流加热或恒功率加热。其中，在本发明的一个实施例中，当加热电源108进行恒压输出时，加热回路的电流与加热电阻的温度呈反相关关系，控制单元100则在加热回路的电流小于预设的电流阈值时控制加热开关107断开，以断开加热回路。例如恒压加热时，随着金属电阻本身温度的升高，电阻增大，加热电流减小，如果通过控制单元100监控到加热回路的电流减小到限温保护点对应的值即预设的电流阈值时，就应该立即切断加热开关107。其中，恒压加热模式下，流过金属镍电阻的电流随温度变化的曲线如图3所示。
在本发明的另一个实施例中，当加热电源108进行恒流输出时，加热电阻的电压与加热电阻的温度呈正相关关系，控制单元100则在加热电阻的电压达到预设的电压阈值时控制加热开关107断开，以断开加热回路。例如恒流加热时，随着加热电阻本身温度的升高，电阻增大，加热电阻的端电压增大，如果通过控制单元100监控到加热电阻的端电压增大到限温保护点对应的值即预设的电压阈值时，就应该立即切断加热开关107。其中，恒流加热模式下，金属镍电阻的端电压随温度变化的曲线如图4所示。
其中，需要说明的是，在本发明的实施例中，电池可包括多个电芯，可以将整个电池内所有电芯的内部加热电阻作为一个整体来监控，也可以针对每个电芯分别进行测量，分别监控每个电芯内部加热电阻的温度。
根据本发明实施例的电池的加热监控装置，通过加热电阻与加热电源构成加热回路，并通过电压测量单元检测加热电阻的电压和电流测量单元检测加热回路的电流，从而控制单元根据加热电阻的电压和加热回路的电流来计算加热电阻的电阻率，并利用加热电阻的电阻率随温度变化的特性以获得加热电阻的温度，然后根据加热电阻的温度对加热回路进行控制，实现对电池的加热过程进行监控，防止电池加热过程中局部温度过高来损坏电池电芯，保护电池电芯不受损坏，并且无需在电池内部设置温度传感器，降低了电池电芯结构的复杂性和成本，也不存在温度测量失效的问题，保证电池加热过程安全可靠。
图5为根据本发明实施例的电池的加热监控方法的流程图。其中，电池包括带加热电阻的电芯，所述加热电阻与加热电源构成加热回路。如图5所示，该电池的加热监控方法包括以下步骤：
S1，检测加热电阻的电压，并检测加热回路的电流。
其中，可通过电压表、电压采集芯片等电压测量单元来检测加热电阻的电压，并且可通过电流表、分流器(检流电阻)或电流霍尔传感器等电流测量单元来检测加热回路的电流。
S2，根据加热电阻的电压和加热回路的电流计算加热电阻的电阻率以获得加热电阻的温度。
本发明是利用加热电阻的电阻率随温度变化的特性，通过电压测量单元检测加热电阻两端的电压和电流测量单元检测经过加热电阻的电流来计算加热电阻的实时电阻率，从而可获得加热电阻的实时温度。
S3，根据加热电阻的温度对加热回路进行控制，以对电池的加热过程进行监控。
即言，可根据预设的温度保护阈值对加热电阻的实时温度进行比较，来控制加热回路，例如可切断加热或调整加热功率，实现对电池的加热过程进行监控和保护，保护电池电芯不受损坏。
根据本发明的一个实施例，所述加热回路中还串联有加热开关，其中，当所述加热电阻的温度达到预设的温度保护阈值时，控制所述加热开关断开，以断开加热回路。
其中，在本发明的一个实施例中，当所述加热电源进行恒压输出时，所述加热回路的电流与所述加热电阻的温度呈反相关关系，则在所述加热回路的电流小于预设的电流阈值时控制所述加热开关断开，以断开加热回路。例如恒压加热时，随着金属电阻本身温度的升高，电阻增大，加热电流减小，如果通过控制单元监控到加热回路的电流减小到限温保护点对应的值即预设的电流阈值时，就应该立即切断加热开关。其中，恒压加热模式下，流过金属镍电阻的电流随温度变化的曲线如图3所示。
在本发明的另一个实施例中，当所述加热电源进行恒流输出时，所述加热电阻的电压与所述加热电阻的温度呈正相关关系，则在所述加热电阻的电压达到预设的电压阈值时控制所述加热开关断开，以断开加热回路。例如恒流加热时，随着加热电阻本身温度的升高，电阻增大，加热电阻的端电压增大，如果通过控制单元监控到加热电阻的端电压增大到限温保护点对应的值即预设的电压阈值时，就应该立即切断加热开关。其中，恒流加热模式下，金属镍电阻的端电压随温度变化的曲线如图4所示。
在本发明的实施例中，加热电阻可以为金属电阻、PTC电阻、石墨膜电阻或碳纳米管膜电阻。
根据本发明实施例的电池的加热监控方法，在加热电阻与加热电源构成加热回路对电池进行加热时，通过检测加热电阻的电压和检测加热回路的电流，来计算加热电阻的电阻率，并利用加热电阻的电阻率随温度变化的特性以获得加热电阻的温度，然后根据加热电阻的温度对加热回路进行控制，实现对电池的加热过程进行监控，防止电池加热过程中局部温度过高来损坏电池电芯，保护电池电芯不受损坏，并且无需在电池内部设置温度传感器，降低了电池电芯结构的复杂性和成本，也不存在温度测量失效的问题，保证电池加热过程安全可靠。
此外，本发明的实施例还提出了一种电池系统，其包括上述的电池的加热监控装置。
根据本发明实施例的电池系统，通过上述的电池的加热监控装置，能够利用加热电阻的电阻率随温度变化的特性来获得加热电阻的温度，并根据加热电阻的温度对加热回路进行控制，实现对电池的加热过程进行监控，从而防止电池加热过程中局部温度过高来损坏电池电芯，保护电池电芯不受损坏，并且无需在电池内部设置温度传感器，降低了电池电芯结构的复杂性和成本，也不存在温度测量失效的问题，保证电池加热过程安全可靠。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种电池的加热监控装置，其特征在于，所述电池包括带加热电阻的电芯，所述加热电阻与加热电源构成加热回路，所述加热监控装置包括：
电压测量单元，所述电压测量单元用于检测所述加热电阻的电压；
电流测量单元，所述电流测量单元用于检测所述加热回路的电流；
控制单元，所述控制单元分别与所述电压测量单元和所述电流测量单元相连，所述控制单元用于根据所述加热电阻的电压和所述加热回路的电流计算所述加热电阻的电阻率以获得所述加热电阻的温度，并根据所述加热电阻的温度对所述加热回路进行控制，以对所述电池的加热过程进行监控。
2.如权利要求1所述的电池的加热监控装置，其特征在于，还包括加热开关，所述加热开关串联在所述加热回路中，所述加热开关受所述控制单元控制，其中，当所述加热电阻的温度达到预设的温度保护阈值时，所述控制单元控制所述加热开关断开，以断开加热回路。
3.如权利要求1或2所述的电池的加热监控装置，其特征在于，所述加热电阻包括第一加热电阻极耳和第二加热电阻极耳，所述电压测量单元并联在所述第一加热电阻极耳与所述第二加热电阻极耳之间，所述电流测量单元串联在所述加热回路中。
4.如权利要求2所述的电池的加热监控装置，其特征在于，当所述加热电源进行恒压输出时，所述加热回路的电流与所述加热电阻的温度呈反相关关系，所述控制单元则在所述加热回路的电流小于预设的电流阈值时控制所述加热开关断开，以断开加热回路。
5.如权利要求2所述的电池的加热监控装置，其特征在于，当所述加热电源进行恒流输出时，所述加热电阻的电压与所述加热电阻的温度呈正相关关系，所述控制单元则在所述加热电阻的电压达到预设的电压阈值时控制所述加热开关断开，以断开加热回路。
6.如权利要求1所述的电池的加热监控装置，其特征在于，所述加热电阻为金属电阻、PTC电阻、石墨膜电阻或碳纳米管膜电阻。
7.一种电池系统，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的电池的加热监控装置。
8.一种电池的加热监控方法，其特征在于，所述电池包括带加热电阻的电芯，所述加热电阻与加热电源构成加热回路，所述加热监控方法包括以下步骤：
检测所述加热电阻的电压，并检测所述加热回路的电流；
根据所述加热电阻的电压和所述加热回路的电流计算所述加热电阻的电阻率以获得所述加热电阻的温度；以及
根据所述加热电阻的温度对所述加热回路进行控制，以对所述电池的加热过程进行监控。
9.如权利要求8所述的电池的加热监控方法，其特征在于，所述加热回路中还串联有加热开关，其中，当所述加热电阻的温度达到预设的温度保护阈值时，控制所述加热开关断开，以断开加热回路。
10.如权利要求8或9所述的电池的加热监控方法，其特征在于，当所述加热电源进行恒压输出时，所述加热回路的电流与所述加热电阻的温度呈反相关关系，则在所述加热回路的电流小于预设的电流阈值时控制所述加热开关断开，以断开加热回路。
11.如权利要求8或9所述的电池的加热监控方法，其特征在于，当所述加热电源进行恒流输出时，所述加热电阻的电压与所述加热电阻的温度呈正相关关系，则在所述加热电阻的电压达到预设的电压阈值时控制所述加热开关断开，以断开加热回路。
12.如权利要求8所述的电池的加热监控方法，其特征在于，所述加热电阻为金属电阻、PTC电阻、石墨膜电阻或碳纳米管膜电阻。
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