CN107666026A - 一种电动车锂离子动力电池组加热装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动车锂离子动力电池组加热装置，用于车载电池组的加热，该装置以充电机为加热电源，内置加热控制器产生交变加热电流，通过该电流在电芯内部的热效应达到电池组加热；所述装置包括待加热电池组，电池管理系统，加热控制器，加热电源，放电负载和温度传感器，加热控制器输入端与加热电源连接，输出端与电池组连接，另一输出端连接到放电负载，该负载的另一端接到电池组与加热电源的公共端；装置启动后加热控制器以内置频率（如1KHz）将电池组在放电负载和加热电源间切换，形成一持续的，幅值受控的交变电流流过电池组，加热控制器内部的均衡控制保证每个周期里充电和放电电量相等，电池组在所述交变电流作用下静荷电态不改变。

Description

一种电动车锂离子动力电池组加热装置和方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池应用领域，尤其涉及电动车锂离子电池组的加热设计，适用于电动车，储能系统的锂离子电池组的加热。

背景技术

锂离子电池是目前在广泛应用的能量密度最大的移动储能电源，已被越来越多地应用到电动汽车，储能电站等新能源领域。锂离子电池在实际使用时对环境温度的要求较为苛刻，大多数的锂离子电池在低温条件下禁止任充放电，这时因为：一，低温使得锂离子电池的直流内阻的变大导致充放电效率变低，例如一款2.6Ah三元锂离子电池，在零下10^oC时充电只能充入设计容量的不到十分之一；二是在低温下锂离子电池内部电极活性材料的电化学反应速度变慢，锂离子及其它导电离子在电极内部的扩散与常温状态下相比变得更困难，在这种情况下强制对电池进行充电或放电，会导致锂离子在电极表面聚集，甚至会有锂离子还原成锂，导致所谓的电极“析锂”；“析锂”对锂离子电池来说是致命的，直接后果是严重影响电池寿命，甚至会造成电池内部短路和热失控。所以在低温环境下运行的以锂离子电池为动力的电动车要求它的电池系统必须具备充电前的预加热功能。

在电池包内安装电加热器的加热方案已被很多电动车采用，加热所需能量取自于外部电源或电池包自身，常见的电加热材料有PTC电阻型材料，电阻丝和电加热膜，或用这些材料而做成的加热板，这种加热方式优点是安全、可靠、成本低；缺点是加热不均匀，加热时常常造成电池组各单体电池之间，或同一单体电池的内部与外部的温度不一致，这同样会严重损害锂离子电池的循环寿命和一致性。用外加热方式要保证电池组的温度场均匀通常是困难的，即使做到相对均匀也是要以系统结构复杂，体积大，实施成本高为代价。

也有通过对电池大电流放电使其内部产生热而达到对电池加热的方案披露；但是这通常应用到那些允许低温放电的电池体系，如铅酸电池；针对锂离子电池系统很少应用。

利用大功率的交流电流流经电池组，以电流在电池组内部的电热效应对电池组进行加热的技术方案是可行的；该方案中被加热电池自身就是热源，热量由里及外传递，使得温度场分布更合理、均匀；且如果频率选的足够高，该交流电流不会对电池做实质性的充电或放电，因此也不会有电池内部的锂离子迁移，上述的“析锂”现象也不会发生，所以这是一种相对“稳妥”的锂离子电池的加热方式；但在实际中交流加热方案却很少应用，这主要是附加大功率交流加热电源实现困难，成本高等原因所致。本发明公开了一种针对电动车锂离子电池组的加热装置，以交流加热的方式，实现了一种可靠的，低成本的，对电池组不造成伤害的加热方法。

对于锂离子电池的电极动力学过程，可以用等效电路的方式描述（参见图2）；电动势原件（40）等效电池在开路状态下的电压，电阻（41）等效电池欧姆内阻，它反映了锂离子电池内部所有物理连接、电液、隔膜、SEI膜形成的电阻总和；（43）是电池内部的双层电容，存在于电极的电化学反应界面，与电极比表面积成正比例关系，对大容量的锂离子电池，其值都在几个到几十个法拉。阻抗（42）描述电极动力学过程中的电化学极化行为，恒相位元件（44）描述电极过程中的浓差极化行为；电池的外部总电流为I，流过（42，44）支路的分电流Ir 作为总电流I的一部分，是电极过程的反应应电流，其值由正负电极之间锂离子的迁移数目决定，如果Ir为零则表明电池内部没有锂离子的迁移，这时的电化学极化和浓差极化也为之零。在外电流是一交流电流的情况下，随着交流频率加大，双层电容（43）对电流I的阻抗将成反比例关系地减小，当频率足够大时，电容（43）对电流I的阻抗近乎为0，电流I全部流经双层电容（43），反应电流Ir近似为零，换而言之，对于频率足够高的交流外电流，锂离子电池内部几乎不会发生锂离子迁移和“析锂”现象发生。但外部交流电流在欧姆内阻（41）上会生成焦耳热，大小为该电阻值与电流的有效值的平方之积。

发明内容

本发明涉及了一种容易实现的，对电池性能无损害的，而且成本低廉的电动车锂离子动力电池组加热装置；所述加热装置的工作原理是通过对被加热的锂离子电池组（1）输入一个频率和幅值确定的交变电流，该电流通过电池组内部的组合连接，分流到所述电池组的每个单体电芯，以该电流在电芯内阻产生热量为电池加热，其电热转换功率为电流有效值的平方与电池欧姆内阻之乘积。

参考图（1，2，4），所述交变电流Ib的产生由加热控制器（3）结合直流加热电源（5）与放电负载（4）共同完成的；通过所述加热控制器（3）的内部开关元件（32）将控制器（3）的（B+）端交替接通到（+）端和（L）端；（B+）端接通（+）端形成所述直流加热供电电源（5）对所述电池组（1）充电，（B+）接通到（L）端形成所述电池组（1）经由所述放电负载（4）进行放电。所述加热控制器（3）内部含有电量平衡控制单元（31）保证的交变电流Ib的每个充放电交变周期的放电电量等于充电电量，所述电量平衡控制单元（31）是一积分电路或软件实现积分算法，输入是电流（Ib）的取样信号，输出是与所述电池组（1）的电量变化成比例的电压值。

参考图（4、5），经取样电阻（51）得到所述交变电流的取样信号送到电量平衡控制单元（31），该控制单元对输入作积分运算在（54）端输出一个与电池组（1）的电量变化成正比的信号波形为（56）；假设控制器开关（32）置于（+）端，加热电源（5）对电池组（1）充电，时间Δt后开关由（+）端切向（L）端，停止充电转入放电状态，电流Ib的波形（55）显示为一个宽度Δt的正脉冲；在放电周期里（31）的输出如（56）所示，是一个趋向于0的过程，在信号为0点（57）电池组（1）的放电电量刚好等于前一个充电周期充入的电量，此时控制器将开关（32）由（L）端切换到（+）端停止放电，开启下一个充电周期。

电量平衡控制单元（31）可以由模拟的硬件电路实现，也可以由数字系统的软件完成，其完成的功能是相同的，即对电流Ib进行积分运算。

所述电池组加热装置涉及的放电负载（4）可以是无源负载，如大功率电阻，辅助加热板等；也可以是有源负载，如电能变换器，将脉冲形式的放电能量回馈到加热控制器（3）的输入端；放电负载是构成放电回路，控制放电电流的元件，无源放电负载是耗能型的，将放电电能转换成热，所以此时无源放电负载可以作为辅助加热部件；有源负载不消耗能量，可将放电的能量回馈到加热器的输入端，图（2）所示为有源负载的一种实现方式。

所述电池组加热装置关于单体电池温度控制环节，由温度传感器（7）的测量和单体电池内部温度估计算法结合来实现；温度传感器通常是由电池监控系统统一配置和管理；对于电池内部加热方案，电池内部温度不能直接测得，加热装置通过电池管理系统的电芯温度用估计算法取得；根据传热学定律，并假设单体电芯是个均匀的加热体，加热功率为w，这时电芯内部的平均温度满足：

cρV dT/dt = w – Aσ(T – Ts)；

T：电池内部平均温度，c:电池材料平均比热；ρ电池材料平均比重；V电池体积，w为总加热功率在该单体电池上的分量，A单体电池表面积，σ电池表面到温度传感器间介质的热传导系数, Ts为温度传感器读出值，所述传热学参数可以依照传热学定义用试验方法确定，所述传热学方程也表达为一离散形式：

T(k) = a T(K-1) + b w（k） + c Ts(k);

这里a,b,c 为待定参数，与数据采样时间有关，采样时间确定后，可由所述连续传热微分方程数参数导出；w(k),Ts(k)是当前电路外加功率和温度测量值；T(k), T(k-1)为池内部温度的当前值和上一步值；可以假设电池内部温度在加热前等于温度测量值，即T(0) =Ts(0); 如果温度传感器测量的是电池组箱体内部温度，即电池的环境温度，上述方法也可以使用但是要对Ks做修正要加入表面与环境之间的热交换系数；在此涉及的加热装置的实际使用情况，电池环境温度温度变化缓慢，如果知道加热开始时的环境温度Ts(0)，和恒定加热的功率w(k) = w(0) = w ，上述公式可以用来估计电池从初始温度T(0)加热到某给定温度所需要的时间。

所述针对电池组（1）的加热装置不限定充放电电流为恒流，所述直流加热电源（5）可以用充电机替代，放电可以简化为恒定电阻放电，从而给出了一个简单，低成本的实施方案，这也是本发明专利的一个明显特地之一。

附图说明

图1为本发明结构原理示意图。

图2为结构原理图和一种有源放电负载原理图。

图3为锂离子电池极化过程等效电路图。

图4为加热控制器原理示意图。

图5为充电放电电量均衡控制器原理示意图。

图6为本发明一种实施设计电路图。

具体实施方式

下面结合结合附图6和具体实施方式对本发明作详细说明，但本专利的保护范围不限于此；本例仅针对一种常见的电动车配置，电池组标称电压144V，容量22Ah，由2.2Ah三元18650圆柱形锂离子单体电芯10P40S可组合而成；电芯欧姆内阻35mΩ±2mΩ；允许充电的温度范围：0到40^oC；充电前电池剩余电量约是标称容量5%；加热电源采用车载充电机，6.6kW，可输出电流约20A；开关元件选用耐压650V的Infineon的SPA11N60C3场效应管两只并联使用；电池组加热之前置于-5^oC冷库内24小时，电池荷电态10%；8只100K（PTC）的温度电阻作为温度传感器件分别置于8颗不同的单体电芯表面并有导热硅胶固定，传感器与电池管理系统的对应端口相连接；本实施例中放电负载为无源负载选用了500W，3.5Ω的电阻；放电为恒电阻放电；本实验的目的是：测试所述锂离子电池组加热装置的可应用性和有效性，即对每只单体电池而言，在给定的加热功率下，电池表面温度每上升一摄氏度需要的时间，同时保证电池不受到损害；从加热电池组中拆解出两只电芯分析，并和未加热的同型号电芯比对，无论在电池容量，欧姆内阻和正负电极表观均无显著差异。

参照图6，虚线为加热控制器（3）；切换开关由上述NMOS管实现，场效应管（61）控制电池放电，（63）控制电池充电；单元（64）以一8位MCU构成的逻辑控制单元分别控制NMOS管（61），（63）轮流导通；充电时间周期由（64）控制，设定为0.6mS，放电控制NMOS（61）的开通与关断由电量均衡电路（31）的输出过零信号经由（64）来控制，保证每个充放电周期里对电池组的净充放电量为零；电流的切换周期近似为1kHz；考虑到用NMOS作开关控制元件，它们的栅极控制电压为正电压，所以本实施电路图的电位参考点与结图1不同，但原理完全相同，仍属于本专利所申明的保护范围之内。

在本实施例中，所述电量均衡器由以运算放大器实现的一模拟积分器，积分器的输入为电池组电流的取样，由一个75mΩ的取样电阻（51）实现，其输出信号送至单元（64）做过零判断并控制放电NMOS（61）关断。

在本实施例中，所述放电电流平均值设计为40A，待加热电池组的1kHz的欧姆总阻抗为0.65Ω，总的加热功率约1kW,分配到每只单体电芯的功率约2.5W；电芯的基本参数和导热参数如下：

在本实施例中，在加热启动后8个温度传感器的每10分钟的记录数据如下,T1—T8为8个温度传感器读出值：

Claims (5)

1.一种电动车锂离子动力电池组加热装置，用于对锂离子电池组（1）加热，其特征在于该装置包括电池管理系统（2），加热控制器（3），放电负载（4），直流加热供电电源（5）和温度传感器（6）；电池管理系统（2）与加热控制器（3）之间有数据接口连接，所述温度传感器（6）通过线束与电池管理系统（2）连接，所述电池组（1）的各并联组合通过电压采样线束与电池管理系统（2）连接；所述加热控制器（3）的输入端（+），与所述直流加热供电电源（5）正极连接，输出端（B+）与所述电池组（1）正极连接，另一输出端（L）连接到所述放电负载（4）的正极，放电负载的负极接到所述供电电源（5）和电池组（1）的公共负极。

2.根据权利要求1所述的一种电动车锂离子动力电池组加热装置，其特征在于所述加热控制器（3）以某一设定频率，通过开关元件（32）将所述控制器（3）的（B+）端交替接通到其（+）端和（L)端；（B+）端接通（+）端形成所述直流加热供电电源（5）对所述电池组（1）充电，（B+）接通到（L）端形成所述电池组（1）经由所述放电负载（4）进行放电，从而生成流过所述电池组（1）的交变电流（Ib）。

3.根据权利要求1所述的一种电动车锂离子动力电池组加热装置，其特征在于所述加热控制器（3）内包括了充电电量、放电电量平衡控制单元（31）保证所生成的交变电流（Ib）的每个充放电交变周期的放电电量等于其充电电量，所述电量平衡控制单元（31）是一积分电路或软件积分算法，输入信号是电流（Ib）或（Ib）的取样，输出信号是与所述电池组（1）的电量变化成比例的电压值，所述加热控制器（3）应用该信号控制放电截止。

4.根据权利要求1所述的一种电动车锂离子动力电池组加热装置，其特征在于所述直流加热供电电源（5）可以由电动车整车配备的车载充电机或外部直流充电机替代。

5.根据权利要求1所述的一种电动车锂离子动力电池组加热装置，其特征在于所述放电负载（4）是一无源电阻类元件，如大功率电阻或电阻类加热元件等；或者是一有源装置，可将脉动放电电流的能量回馈到加热控制器（3）的输入端。