CN108054469A - 电动汽车动力电池内外部联合加热-均衡一体化拓扑及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车动力电池内外部联合加热‑均衡一体化拓扑及方法，包括：每一个电池单体均并联MOSFET开关；所述MOSFET开关的散热片通过热传导装置连接到单体电池的表面。本发明有益效果：不需要任何外接电源和设备就能实现电池的内外部同时加热和被动均衡，具有体积小、成本低和容易实现等优点，在电动汽车动力电池组低温加热和均衡中具有重要的工程应用价值。

Description

电动汽车动力电池内外部联合加热-均衡一体化拓扑及方法
技术领域
本发明涉及车载动力电池低温加热技术领域，尤其涉及一种电动汽车动力电 池内外部联合加热-均衡一体化拓扑及方法。
背景技术
在低温环境下，锂离子动力电池的充、放电性能会急剧变差，极大地降低了 电动汽车的续驶里程，还会对电池造成永久性伤害，降低电池的有效容量和使用 寿命。因此，应对车载锂离子动力电池进行预加热，使电池内芯达到正常工作温 度范围内。
电池低温加热是保障动力电池在低温环境下高效、安全运行的必要手段。目 前，学者已经提出了很多加热方法，可分为外部加热和内部加热两大类。根据传 热介质不同，外部加热方法又可分为气体、液体、相变材料和电加热丝等方法。 外部加热方法具有加热慢、不均匀、效率低、体积大、成本高、可靠性低等缺点。 内部加热方法是指在充放电过程中直接利用电池内阻的实部从电芯内部产热，避 免了热量长距离的传导和扩散到环境中。因此，内部加热方法具有加热速度快、 加热均匀、效率高、成本低、可靠性高等优点。
其中，内部加热又有直流加热和交流加热方法。其中，直流加热对电池的要 求苛刻，要求在一定的SOC范围内，且电流幅值不能过大和持续时间不能过长， 否则会在电池负极产生锂枝晶，严重影响电池寿命，甚至造成电池内部短路。
根据低温环境下直流充电和交流充放电下电池电极反应机理，在直流充电 过程中因锂在石墨负极活性材料颗粒中的固相扩散系数降低，导致电化学反应生 成的锂不能及时向颗粒内部扩散而在负极活性材料颗粒表面积累，即产生析锂。 对电池加载交流电流时，锂离子在电极活性材料颗粒中的扩散过程交替进行，嵌 锂和脱锂反应交替进行，不会产生析理，因此不会对电池的容量造成永久性损伤。
因此，内部交流加热方法具有很大发展前景，因为该方法展示出了优越的加 热性能，即加热速度快、效率高、一致性好以及对电池无损伤。但是，现有的交 流加热方法的交流激励通常由非车载的充放电设备产生，具有体积大和重量沉等 缺点，是交流加热方法应用到电动汽车上的主要障碍。
至今为止，仍然没有一个体积小、效率高、可靠性高、不需额外电源的车载 交流加热器。
发明内容
本发明的目的就是解决上述问题，提供了一种电动汽车动力电池内外部联合 加热-均衡一体化拓扑及方法，该拓扑电路在不需要任何外接电源的情况下动力 电池能够提供足够的能量来实现自身加热，同时将MOSFET开关散发的热量用 于实现电池的外部加热，进一步提高加热速度和效率。
本发明公开了一种电动汽车动力电池内外部联合加热-均衡一体化拓扑，包 括：每一个电池单体均并联MOSFET开关；所述MOSFET开关的散热片通过热 传导装置连接到单体电池的表面。
进一步地，所述热传导装置为铝箔胶带
进一步地，通过设定频率的PWM信号控制MOSFET开关的开闭。
本发明公开了一种电动汽车动力电池内外部联合加热-均衡一体化拓扑的工 作方法，包括：
通过设定频率的PWM信号控制MOSFET开关的开闭；
当MOSFET开通时，对单体电池进行放电，通过欧姆损耗实现对电池的内 部加热；
在高频信号的驱动下，MOSFET开关中产生的热量实现对电池的外部加热。
进一步地，通过设置MOSFET开关的驱动信号的频率以及占空比，实现对 电池单体电压的被动均衡。
本发明进一步公开了一种车载动力电池交流加热器，包括上述的任一种电动 汽车动力电池内外部联合加热-均衡一体化拓扑；
和/或，
采用上述的任一种电动汽车动力电池内外部联合加热-均衡一体化拓扑的工 作方法。
本发明有益效果：
本发明提出的内外部联合加热-均衡一体化拓扑不需要任何外接电源和设备 就能实现电池的内外部同时加热和被动均衡，具有体积小、成本低和容易实现等 优点，在电动汽车动力电池组低温加热和均衡中具有重要的工程应用价值。
在不改变电池结构和电解质的情况下，提出的加热器能够保障锂离子电池在 全温度和全电压范围内高效、安全工作，对提高高寒天气下电动汽车的续驶里程 具有重要意义；在无需任何变化或重组的情况下可应用到其他种类的可充放电电 池。
附图说明
图1为电池加热过程中MOSFET开关的产热情况；
图2为本发明电动汽车动力电池内外部联合加热-均衡一体化拓扑图；
图3(a)为本发明拓扑工作模态一；
图3(b)为本发明拓扑工作模态二；
图4为本发明实施例在-20℃下，开关频率为150kHz的电池加热结果；
图5为本发明实施例在-20℃下，开关频率为150kHz的有无外部加热的加 热结果对比；
图6为本发明实施例开关频率为500kHz，占空比为40％的被动均衡结果。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，在电池加热过程中，由于MOSFET开关工作在高频硬开关模 式，将在MOSFET开关内产生大量的热量，散热片温度高达211℃。一方面， MOSFET开关需要散热；另一方面，电池需要加热。因此，可将该热量用于实 现电池的外部加热，进一步提高加热速度和效率。
本发明公开了一种电动汽车动力电池内外部联合加热-均衡一体化拓扑，如 图2所示，每个电池单体只并联连接一个MOSFET开关。MOSFET开关的散热 片通过铝箔胶带或者其他便于传热的导体连接电池的表面。
通过一个高频的PWM信号(100kHZ-150kHZ)控制MOSFET开关，即可 实现电池内外部加热。具体而言，当MOSFET开通时，对电池进行放电，欧姆 损耗可实现对电池的内部加热；在高频信号的驱动下，MOSFET开关中产生的 热量可实现对电池的外部加热。
另外，通过设置合适的驱动信号的频率和占空比，也可实现对电池单体电压 的被动均衡。
如图3(a)和图3(b)所示，对电动汽车动力电池内外部联合加热-均衡一 体化拓扑的工作过程介绍如下：
模态一：MOSFET开通，对电池进行放电，欧姆损耗实现对电池的内部加 热；MOSFET开关中产生的热量实现对电池的外部加热。
模态二：MOSFET关断，无电流。MOSFET开关中产生的热量仍然可对电 池的外部加热。
为了验证提出的内外部联合加热器的有效性，图4给出了在-20℃下，开关 频率为150kHz的加热结果。电流幅值为9.36A(3.7C)。只需1.9分钟就可将电池 单体加热到0℃以上。其平均加热速度为10.5℃/分钟。大约消耗了5％电池能量。
为了验证外部加热的有效性，图5给出了在-20℃下，开关频率为150kHz 的有、无外部加热的实验结果对比。其中，电池单体B1只有内部加热，B2具有 内外部联合加热。可以看出，在加热2.9分钟后，内外部联合加热的B2的温度 比只有内部加热的B1的温度高出10.5℃，证明了外部加热的有效性。
图6给出了开关频率为500kHz，占空比为40％的被动均衡结果。由于 VB1>VB2，通过控制与B1并联连接的MOSFET实现对B1的周期性放电。可以看 出，在1831s后，较高电池单体电压VB1下降到较低电池单体电压VB2，最终实 现了电压均衡。实验结果表明，提出的加热器在更高频率和较低占空比下可实现 对电池单体的被动均衡。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保 护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本 领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的 保护范围以内。

Claims (6)

1.一种电动汽车动力电池内外部联合加热-均衡一体化拓扑，其特征在于，包括：每一个电池单体均并联MOSFET开关；所述MOSFET开关的散热片通过热传导装置连接到单体电池的表面。
2.如权利要求1所述的一种电动汽车动力电池内外部联合加热-均衡一体化拓扑，其特征在于，所述热传导装置为铝箔胶带。
3.如权利要求1所述的一种电动汽车动力电池内外部联合加热-均衡一体化拓扑，其特征在于，通过设定频率的PWM信号控制MOSFET开关的开闭。
4.一种如权利要求1所述的电动汽车动力电池内外部联合加热-均衡一体化拓扑的工作方法，其特征在于，包括：
通过设定频率的PWM信号控制MOSFET开关的开闭；
当MOSFET开通时，对单体电池进行放电，通过欧姆损耗实现对电池的内部加热；
在高频信号的驱动下，MOSFET开关中产生的热量实现对电池的外部加热。
5.如权利要求4所述的一种电动汽车动力电池内外部联合加热-均衡一体化拓扑的工作方法，其特征在于，通过设置MOSFET开关的驱动信号的频率以及占空比，实现对电池单体电压的被动均衡。
6.一种车载动力电池交流加热器，其特征在于，包括权利要求1-3所述的任一种电动汽车动力电池内外部联合加热-均衡一体化拓扑；
和/或，
采用权利要求4-5所述的任一种方法。
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