CN107845840A - 电池加热电路 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种电池加热电路，包括：温度传感器、电池管理装置和充电电路。温度传感器安装在电池包内，温度传感器检测电池包的实时温度并发送温度信号。电池管理装置与温度传感器连接，电池管理装置接收温度传感器发送的温度信号。充电电路与电池管理装置连接。其中，电池管理装置将温度信号与临界温度相比较，温度信号低于或等于临界温度，电池管理装置控制充电电路工作于高频加热模式，充电电路为电池包加热；温度信号高于临界温度，电池管理装置控制充电电路工作于充电模式，为电池包充电。该电池加热电路利用电池在低温下内阻大，生热多的特性，通过对电池的高频充放电来实现对电池的加热。高频交流充电加热不会对电池安全性产生影响。
Description
技术领域
本发明涉及电池热管理技术领域，更具体地说，涉及低温环境下的电池加热技术领域。
背景技术
锂离子电池以其比功率高、能力密度大、寿命长、自放电率低和贮藏时间长等优点，已逐步取代其他电池成为主要的车用动力电池。虽然锂离子电池有许多优点，但是在低温下锂离子电池的充放电性能存在较大问题，这对电动汽车的使用性能，尤其是低温环境下电动汽车的使用性能产生较大影响。一方面，低温降低了电动汽车的续驶里程，因为低温下电池锂离子扩散速率下降，电池放电很快就达到截止电压，电池的可用能量降低，电动汽车的续航里程衰减。另一方面，低温严重影响了电池的充电安全性和充电时间，低温充电时，电池电压很快达到电池的最大截止电压，很可能引起电池瞬间电压过充，造成电池内部析锂，引发电池短路，增大电池安全性风险。目前低温下一般对电池进行限电流充电，大大延长了充电时间，使得用户体验显著下降。
我国地域辽阔，存在大量平均温度较低的地区，低温地区的用户使用电动车时会显著受到低温下电池充电性能的影响。为了改善电池在低温下的充电性能，一般都会考虑在低温环境中对电池进行加热，将电池温度提升至合适的温度后再对电池进行充电。目前在电池低温加热领域主要采取的方式有外部加热法和内部加热法。外部加热主要有流体换热、电阻丝加热、电加热膜加热等，这类加热方法在加热的同时存在加热缓慢、效率低、电池内外温度梯度大等缺点。内部加热法主要有电池放电加热和电池交流充电加热，电池放电加热无法维持电池的SOC。而电池交流充电加热由于加热迅速、效率高等优点非常适合电池加热。
发明内容
本发明揭示了一种电池加热电路，在低温环境下通过高频充放电对电池进行加热。
根据本发明的一实施例，提出一种电池加热电路，包括：温度传感器、电池管理装置和充电电路。温度传感器安装在电池包内，温度传感器检测电池包的实时温度并发送温度信号。电池管理装置与温度传感器连接，电池管理装置接收温度传感器发送的温度信号。充电电路与电池管理装置连接。其中，电池管理装置将温度信号与临界温度相比较，温度信号低于或等于临界温度，电池管理装置控制充电电路工作于高频加热模式，充电电路为电池包加热；温度信号高于临界温度，电池管理装置控制充电电路工作于充电模式，为电池包充电。
在一个实施例中，充电电路包括充电机和加热电路，加热电路包括电池充电电路、电池充电续流电路、电池放电电路和电池放电续流电路。
在一个实施例中，电池管理装置控制充电电路工作于高频加热模式，电池充电电路和电池放电电路以高频交替导通和断开，电池包高频充放电以进行加热，电池管理装置控制充电电路工作于充电模式，电池充电电路始终导通而电池放电电路始终断开，电池包进行连续充电。
在一个实施例中，加热电路包括：电容、第一开关管和第二开关管、第一二级管和第二二极管、第一电感和第二电感，加热电路嵌入充电机的输出端和电池包之间。
在一个实施例中，电容、第一开关管、第一电感和第二电感、以及电池包串联，构成电池充电电路。第二二极管、第一电感和第二电感、以及电池包串联，构成电池充电续流电路。第二开关管、第一电感和第二电感、以及电池包串联，构成电池放电电路。电容、第一二极管、第一电感和第二电感、以及电池包串联，构成电池放电续流电路。
在一个实施例中，电池管理装置包括加热控制器和驱动电路。驱动电路连接到第一开关管和第二开关管，驱动电路控制第一开关管和第二开关管的导通和断开。加热控制器根据电池管理装置确定的工作模式向驱动电路发送控制信号，在高频加热模式，加热控制器采样电池包的充放电电流，通过滞环比较器和驱动电路向第一开关管和第二开关管发送互补的驱动信号，第一开关管和第二开关管以高频交替导通和断开，电池包以高频充放电，在充电模式，控制单元通过驱动电路控制第一开关管始终导通、第二开关管始终断开，电池包连续充电。
在一个实施例中，第一开关管和第二开关管是MOSFET或IGBT。
本发明主要具有以下有益效果：
在充电机电路中嵌入了一种交流高频加热电路，充电机可以实现电池的低温加热功能，同时不影响充电机的正常充电功能。低温下首先开启低温交流加热模式，对电池进行交流高频加热，并有效的避免了电池低温充电时枝晶的形成，提高了电池充电安全性，且不会对电池寿命造成衰减。
选用的电容和电感能够与电池进行能量交换，电路不额外消耗能量，仅利用电池内阻在交流充放电时产生的热量对电池进行自内而外的加热，能量损耗小，效率高，温升速度快，在电池升温过程中整个电池温度一致性高。
通过对开关管的控制和电感的选型，可以控制交流电流的大小和频率，能够满足较宽范围的设计要求。
通过控制每个交流周期内电池充放电能量的一致，保证在加热过程中电池不消耗自身能量，利用电网作为电池加热能量来源。
同时本发明的电池加热电路利用电池在低温下内阻大，生热多的特性，通过对电池的高频充放电来实现对电池的加热。高频交流充电加热不会对电池安全性产生影响。本发明能显著提升低温环境下电池的充电性能和充电效率，且安全可靠。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路采用的电池充电策略。
图2揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路的结构框图。
图3揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路的电路图。
图4揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路中电池管理装置的工作原理示意图。
图5揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路工作于高频加热模式下，电池包充电而电感储能的状态。
图6揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路工作于高频加热模式下，电池包充电而电感释能的状态。
图7揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路工作于高频加热模式下，电池包放电而电感储能的状态。
图8揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路工作于高频加热模式下，电池包放电而电感释能的状态。
图9揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路工作于高频加热模式下，流经电池包的电流的周期性变化示意图。
具体实施方式
图1揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路采用的电池充电策略。为延长电池的使用寿命，缩短电池的充电时间，当出于低温条件下时，不宜直接对电池进行充电，而是先对电池进行加热。参考图1所示，本发明的充电策略中会设置临界温度，当电池温度低于或等于设置的临界温度时，充电电路工作在高频加热模式，通过对电池的高频充放电来对电池加热，使电池温度逐渐升高。当电池温度高于设置的临界温度时，充电电路转换为正常充电模式，对电池进行持续充电。
图2揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路的结构框图。如图2所示，该电池加热电路包括：温度传感器102、电池管理装置104和充电电路106。温度传感器102安装在电池包202内，温度传感器102检测电池包202的实时温度并发送温度信号。电池管理装置104与温度传感器102连接，电池管理装置104接收温度传感器102发送的温度信号。充电电路106的输入连接到交流电源，充电电路106的输出连接到电池包202。充电电路106还与电池管理装置104连接。图2所示的电池加热电路采用图1所示的电池充电策略。电池管理装置104将温度信号与临界温度相比较，温度信号低于或等于临界温度，电池管理装置104控制充电电路106工作于高频加热模式，充电电路106使得电池包进行高频充放电以为电池包202加热。温度信号高于临界温度，电池管理装置104控制充电电路106工作于充电模式，为电池包202进行持续充电。
在一个实施例中，充电电路包括充电机和加热电路，加热电路包括电池充电电路、电池充电续流电路、电池放电电路和电池放电续流电路。电池管理装置控制充电电路工作于高频加热模式时，电池充电电路和电池放电电路以高频交替导通和断开，电池包高频充放电以进行加热。电池管理装置控制充电电路工作于充电模式时，电池充电电路始终导通而电池放电电路始终断开，电池包进行连续充电。图3揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路的电路图。在图3所示的实施例中，电池充电电路、电池充电续流电路、电池放电电路和电池放电续流电路所组成的加热电路包括的具体构成如下：加热电路包括：电容C2、第一开关管K1和第二开关管K2、第一二级管D1和第二二极管D2、第一电感L1和第二电感L2，加热电路嵌入充电机的输出端和电池包之间。在图3所示的实施例中，充电机的输入端连接到交流电源，充电机的输入端具有AC/DC转换器(图中标记为AC/DC)。充电机的输出端输出直流电源，充电机的输出端具有DC/DC转换器(图中标记为DC/DC)。在AC/DC转换器和DC/DC转换器之间，设置有隔离电容C1。在图3所示的实施例中，电池包由E标记，在电池包E和加热电路的第一电感L1和第二电感L2之间设置有EMC滤波器(图中标记为EMC)。
电池充电电路、电池充电续流电路、电池放电电路和电池放电续流电路分别构成如下：
电容C2、第一开关管K1、第一电感L1和第二电感L2、以及电池包E串联，构成电池充电电路。
第二二极管D2、第一电感L1和第二电感L2、以及电池包E串联，构成电池充电续流电路。
第二开关管K2、第一电感L1和第二电感L2、以及电池包E串联，构成电池放电电路。
电容C2、第一二极管D1、第一电感L1和第二电感L2、以及电池包E串联，构成电池放电续流电路。
图4揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路中电池管理装置的工作原理示意图。参考图4所示，电池管理装置包括加热控制器141和驱动电路142。驱动电路142连接到第一开关管K1和第二开关管K2，驱动电路142控制第一开关管K1和第二开关管K2的导通和断开。在一个实施例中，第一开关管K1和第二开关管K2是MOSFET或IGBT。加热控制器141根据电池管理装置确定的工作模式向驱动电路142发送控制信号：在高频加热模式下，加热控制器141采样电池包的充放电电流，通过滞环比较器和驱动电路142向第一开关管K1和第二开关管K2发送互补的驱动信号，第一开关管和第二开关管以高频交替导通和断开，电池包以高频充放电。在充电模式下，控制单元141通过驱动电路142控制第一开关管K1始终导通、第二开关管K2始终断开，电池包连续充电。
图5～图8揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路工作于高频加热模式下的各个状态的电路示意图。在高频加热模式下，充电电路工作在恒压输出模式以维持电容C2的电压稳定，且电容C2电压比电池包的电压略高。
图5揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路工作于高频加热模式下，电池包充电而电感储能的状态。图5所示的状态称为电池充电阶段，此处标记为阶段1，在电池充电阶段(阶段1)，电池充电电路工作。第一开关管K1导通，第二开关管K2关断，电容C2为电池包充电，充电电流由电容C2正极流经第一开关管K1、第一电感L1、电池包正极、电池包负极、第二电感L2，最后流回电容C2负极。由于电感的储能作用，充电电流是逐渐增大的。当充电电流增大到设定的最大阈值时，加热控制器驱动第一开关管K1关断，第二开关管K2导通，进入图6所示的电池充电续流阶段(阶段2)。
图6揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路工作于高频加热模式下，电池包充电而电感释能的状态。图6所示的状态称为电池充电续流阶段，此处标记为阶段2，在电池充电续流阶段(阶段2)，电池充电续流电路工作。第一开关管K1关断，第二开关管K2导通，由于电感电流不能突变，电感继续为电池充电。充电电流由第一电感L1流经电池包正极、电池包负极、第二电感L2、第二二极管D2，最后流回第一电感L1。电感释放能量，充电电流逐渐减小。当电流减小到0时，电池包进入放电阶段。
图7揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路工作于高频加热模式下，电池包放电而电感储能的状态。图7所示的状态称为电池放电阶段，此处标记为阶段3，在电池放电阶段(阶段3)，电池放电电路工作。第一开关管K1关断，第二开关管K2导通，电池包自放电，放电电流由电池包正极流经第一电感L1、第二开关管K2、第二电感L2，最后流回电池包负极。由于电感的储能作用，放电电流是逐渐增大的。当放电电流增大到设定的最大阈值时，加热控制器驱动第一开关管K1导通，第二开关管K2关断，进入图8所示的电池放电续流阶段(阶段4)。
图8揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路工作于高频加热模式下，电池包放电而电感释能的状态。图8所示的状态称为电池放电续流阶段，此处标记为阶段4，在电池放电续流阶段(阶段4)，电池放电续流电路工作。第一开关管K1导通，第二开关管K2关断，由于电感电流不能突变，电池包继续向电容C2放电，放电电流由电池包正极流经第一电感L1、第一二极管D1、电容C2正极、电容C2负极、第二电感L2，最后流回电池包负极。电感释放能量，放电电流逐渐减小。当电流减小到0时，电池包重新进入图5所示的电池充电阶段(阶段1)，开始新一轮的循环过程。
图9揭示了根据本发明的一实施例的电池加热电路工作于高频加热模式下，流经电池包的电流的周期性变化示意图。阶段1、阶段2、阶段3和阶段4分别对应图5、图6、图7和图8所示的工作状态。加热控制单元利用滞环比较器，在电流充放电的峰值处切换第一开关管K1和第二开关管K2的驱动信号。在图9中，横坐标为时间t，纵坐标为电流i，阶段1、阶段2、阶段3和阶段4构成一个周期T。一个周期之后进入下一个周期。在图9中示出了两个周期，总共2T的时间作为示例。
本发明具有如下的特点和优势：
在充电电路中嵌入了一种交流高频加热电路，充电电路可以实现电池的低温加热功能，同时不影响充电电路的正常充电功能。低温下首先开启低温交流加热模式，对电池进行交流高频加热，并有效的避免了电池低温充电时枝晶的形成，提高了电池充电安全性，且不会对电池寿命造成衰减。
选用的电容和电感能够与电池进行能量交换，电路不额外消耗能量，仅利用电池内阻在交流充放电时产生的热量对电池进行自内而外的加热，能量损耗小，效率高，温升速度快，在电池升温过程中整个电池温度一致性高。
通过对开关管的控制和电感的选型，可以控制交流电流的大小和频率，能够满足较宽范围的设计要求。
通过控制每个交流周期内电池充放电能量的一致，保证在加热过程中电池不消耗自身能量，利用电网作为电池加热能量来源。
本发明的电池加热电路利用电池在低温下内阻大，生热多的特性，通过对电池的高频充放电来实现对电池的加热。高频交流充电加热不会对电池安全性产生影响。本发明能显著提升低温环境下电池的充电性能和充电效率，且安全可靠。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。
Claims (7)
1.一种电池加热电路，其特征在于，包括：
温度传感器，安装在电池包内，温度传感器检测电池包的实时温度并发送温度信号；
电池管理装置，与温度传感器连接，电池管理装置接收温度传感器发送的温度信号；
充电电路，与电池管理装置连接；
其中，电池管理装置将温度信号与临界温度相比较，温度信号低于或等于临界温度，电池管理装置控制充电电路工作于高频加热模式，充电电路为电池包加热；温度信号高于临界温度，电池管理装置控制充电电路工作于充电模式，为电池包充电。
2.如权利要求1所述的电池加热电路，其特征在于，所述充电电路包括充电机和加热电路，加热电路包括电池充电电路、电池充电续流电路、电池放电电路和电池放电续流电路。
3.如权利要求2所述的电池加热电路，其特征在于，电池管理装置控制充电电路工作于高频加热模式，电池充电电路和电池放电电路以高频交替导通和断开，电池包高频充放电以进行加热，电池管理装置控制充电电路工作于充电模式，电池充电电路始终导通而电池放电电路始终断开，电池包进行连续充电。
4.如权利要求3所述的电池加热电路，其特征在于，所述加热电路包括：电容、第一开关管和第二开关管、第一二级管和第二二极管、第一电感和第二电感，加热电路嵌入充电机的输出端和电池包之间。
5.如权利要求4所述的电池加热电路，其特征在于，
电容、第一开关管、第一电感和第二电感、以及电池包串联，构成电池充电电路；
第二二极管、第一电感和第二电感、以及电池包串联，构成电池充电续流电路；
第二开关管、第一电感和第二电感、以及电池包串联，构成电池放电电路；
电容、第一二极管、第一电感和第二电感、以及电池包串联，构成电池放电续流电路。
6.如权利要求4所述的电池加热电路，其特征在于，所述电池管理装置包括加热控制器和驱动电路；
驱动电路连接到第一开关管和第二开关管，驱动电路控制第一开关管和第二开关管的导通和断开；
加热控制器根据电池管理装置确定的工作模式向驱动电路发送控制信号，在高频加热模式，加热控制器采样电池包的充放电电流，通过滞环比较器和驱动电路向第一开关管和第二开关管发送互补的驱动信号，第一开关管和第二开关管以高频交替导通和断开，电池包以高频充放电，在充电模式，控制单元通过驱动电路控制第一开关管始终导通、第二开关管始终断开，电池包连续充电。
7.如权利要求4所述的电池加热电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管是MOSFET或IGBT。
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