CN108321465A - 基于电容器的电池内部交流加热电路、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于电容器的电池内部交流加热电路、系统及方法，所述电池监控单元对待加热电池的状态进行监控并传输至微控制器，所述微控制器根据待加热电池的状态控制加热电路的工作状态，具体的，微控制器通过两路互补的PWM信号控制加热电路中开关器件的导通与闭合，使加热电路不断的重复电容与待加热电池之间的相互充放电过程，从而实现待加热电池的内加热。本发明能够实现单体电池之间，或者电池组之间的低温快速加热，具有较高的加热效率。

Description

基于电容器的电池内部交流加热电路、系统及方法

技术领域

本发明涉及电池加热技术领域，特别是涉及基于电容器的电池内部交流加热电路、系统及方法。

背景技术

伴随着能源短缺与环境污染的加剧，近些年来，混合电动汽车和纯电动汽车得到了前所未有的发展。而汽车动力电池是影响混合动力汽车和纯电动汽车的性能和成本的关键因素。常见的汽车动力电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池。目前锂电池凭借其能量密度大、寿命长、自放电率低、污染小等众多优点，成为发展最快、前景最好的汽车动力电池。

锂离子电池在常温下能够有一个较好的表现，但是，电动汽车在实际的行驶过程中，会经常遇到低温的环境，在我国尤其是在北方冬天，汽车会长时间处在低温环境中。极低的温度会对锂化合物活性产生影响，导致锂离子电池存在能量损失、内阻增加、电池充放电性能变差等缺点，这使得电动汽车在低温环境中续航里程大大缩短。故锂离子电池需要加热系统来保证汽车低温环境下能够正常运行。

加热装置可以被分为外部加热和内部加热。常见的外部加热装置有通过加热空气或者液体来通过热的对流与传导来加热电池，还有使用隔热材料将电池与加热源包裹在一起，加热源常见的有电阻，通过对电阻通以电流产生热量来加热电池。使用外部加热装置加热电池存在加热不一致性等问题，同时还会有大量的热量流失到外界环境中，造成了大量的能量损失。外部加热装置还需要外部设备来对电池进行加热，存在设备制造成本高以及体积大等缺点，在电动汽车的应用上存在很多弊端。

内部加热是指利用电池内阻产生的热量来对电池进行加热，相对于外部加热，它不需要复杂的加热装置，同时对于能量的损耗较小，符合节能的理念。内部加热又分为交流电加热和直流电加热，直流电加热与交流电加热相比，效率低同时还易造成析锂，对电池产生损害，故交流电加热更受欢迎。快速高效同时体积小的交流电加热装置将成为电动汽车加热装置的主流加热装置。

综上所述，电动汽车在低温环境中存在续航里程缩短等问题，因此对于电动汽车的动力锂电池，加热电路的存在具有重要的意义，它可以使得电池在低温环境中能够正常工作，使得电动汽车在低温环境中的续航里程得到提高。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于电容器的电池内部交流加热电路，本发明将电容作为储能元件，通过PWM信号控制开关器件的通断来实现电容与电池之间的相互充放电，利用低温环境中电池内阻变大，从而对电池内部加热。

基于电容器的电池内部交流加热电路，所述加热电路包括四个回路，分别是：

电容C1、开关管S3、待加热电池B1、B2构成一个回路；

待加热电池B1、电容C1、开关管S1、开关管S2构成一个回路，其中，开关管S1、S2反向串联；

电容C2、开关管S6、待加热电池B1、B2构成一个回路；

待加热电池B2、电容C2、开关管S4、开关管S5构成一个回路，其中，开关管S4、S5反向串联。

进一步的，所述开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6均为MOS管。

进一步的，所述待加热电池B1、B2串联，B1的阴极与B2的阳极连接，电容C1一端连接电池B1的阳极，MOS管S1漏极D与电容C1的另一端相连，MOS管S1源极S与MOS管S2的源极S相连，MOS管S2的漏极D与待加热电池B1阴极相连；

MOS管S3漏极D与电容C1和MOS管S1的公共端相连，MOS管S3源极S与待加热电池B2的阴极相连；

电容C2一端连接待加热电池B2的阴极，MOS管S4漏极D与B2阳极相连，MOS管S4源极S与S5的源极S相连，MOS管S5的漏极D与电容C2的另一端相连；

MOS管S6源极S与电容C2和MOS管S5的公共端相连，MOS管S6漏极D与待加热电池B1的阳极相连。

进一步的，待加热电池为相串联的两节电池单体或相串联的等量两组电池。

基于电容器的电池内部交流加热系统，包括上述加热电路、电池监控单元及微控制器，所述电池监控单元对待加热电池的状态进行监控并传输至微控制器，所述微控制器根据待加热电池的状态控制加热电路的工作状态，具体的，微控制器通过两路互补的PWM信号控制加热电路中开关器件的导通与闭合，使加热电路不断的重复电容与待加热电池之间的相互充放电过程，从而实现待加热电池的内加热。

进一步的，所述电池监控单元包括数模转换模块，通过数模转换模块将待加热电池的电压、电流及温度信号转换成数字信号，将数字信号并传输至微控制器。

基于电容器的电池内部交流加热方法，包括：

获取温度：微控制器通过电池监控单元获取待加热电池的温度；

加热判断：待加热电池供电工作时，微控制器通过获取电池的温度，与待加热电池需加热的温度作比较，若当前待加热电池的温度低于待加热电池需加热的温度，则开启电池加热电路；

开启加热：微控制器通过发送PWM信号，控制加热电路的开关器件的关断，通过两路互补的PWM信号，实现电容与待加热电池之间的相互充放电，从而实现待加热电池的内加热；

关闭加热：微控制器通过获取待加热电池的温度，与待加热电池停止加热的温度作对比，若当前待加热电池的温度高于待加热电池停止加热的温度，则停止对待加热电池的加热。

进一步的，所述待加热电池需加热的温度、待加热电池停止加热的温度均可人为通过微控制器进行设定。

进一步的，当待加热电池对电容进行充电时，MOS管S1、S2、S4、S5断开，MOS管S3、S6闭合，待加热电池B1、B2与电容C1、MOS管S3构成一个闭合回路，电池B1、B2与电容C2、MOS管S6构成一个闭合回路；

电容电压小于待加热电池的电压，待加热电池对电容进行充电，待加热电池放电，有电流流经待加热电池，待加热电池因为本身存在内阻，且在低温环境中内阻较大，将进行内加热。

进一步的，两个电容分别对两节电池进行充电，MOS管S1、S2、S4、S5闭合，MOS管S3、S6断开，电池B1与电容C1、MOS管S1、S2构成一个闭合回路，电池B2与电容C2、MOS管S4、S5构成一个闭合回路；

电容电压大于待加热电池的电压时，电容对待加热电池进行放电，待加热电池被充电，有电流流经电池，待加热电池进行内加热。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明能够实现单体电池之间，或者电池组之间的低温快速加热，具有较高的加热效率。

(2)本发明加热电路简单，体积小。

(3)本发明可以实现电池的快速加热，同时对于电池的损耗较小。

(4)本发明对电池的损耗较小，对电池加热不会造成电池的电量或者温度的不一致性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的基于两个电池组的电池加热电路实现方法的组成示意图；

图2为本发明的基于两节单体电池加热电路实现方法的组成示意图；

图3为本发明的基于电容器的电池加热电路；

图4为本发明的加热电路电容电压大于单体电池(单组电池)时的工作原理图；

图5为本发明的加热电路电容电压小于两节电池(两组电池)时的工作原理图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在电池内加热上的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了基于电容器的电池内部交流加热电路、系统及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，提供了基于电容器的电池内部交流加热电路，该基于电容器的电池内部交流加热电路中包括2个电容C和6个MOS管，所述单体电池(电池组)B1、B2串联，B1的阴极与B2的阳极连接，电容C1一端连接电池B1的阳极，MOS管S1漏极D与电容C1的另一端相连，MOS管S1源极S与S2的源极S相连，S1、S2反向串联，MOS管S2的漏极D与B1阴极相连。MOS管S3漏极D与电容C1和MOS管S2的公共端相连，S3源极S与电池B2的阴极相连。电容C2一端连接电池B2的阴极，MOS管S4漏极D与电池B2的阳极相连，MOS管S4源极S与S5的源极S相连，S4、S5反向串联，MOS管S5漏极D与电容C2的另一端相连。MOS管S6源极S与电容C2和MOS管S5的公共端相连，S6漏极D与电池B1的阳极相连。

本申请的另一种典型的实施方式中，还公开了基于电容器的电池内部交流加热系统，包括微控制器、电池监控单元以及电池加热电路。所述微控制器连接并控制电池监控单元与电池加热单元，所述电池监控单元对电池的状态进行监控，主要实时采集电池的温度，所述电池加热电路可实现任意节数电池的加热。

本申请的上述电池加热电路可以实现任意2节(2组)电池之间的加热。

所述微控制器与电池监控单元相连，所述电池监控单元包括数模转换模块来实现将电池单体的电压、电流、温度信号转换成数字信号，从而获得电池的电压、电流以及温度，监测电池的状态，可根据电池开路电压与电池SOC的关系或者安时积分来计算达到目标温度所损失的能量。

所述微控制器与电池加热电路相连，所述微控制器包括脉宽调制PWM信号输出端，所述脉宽调制PWM信号输出端通过驱动电路连接电池加热电路的开关器件，产生相应的控制驱动信号，控制开关器件的开通与闭合，通过升降压变化实现电容与电池之间的充放电来完成电池的内部加热。

所述电池加热电路由两路互补的PWM信号驱动，实现电池与电容之间的充放电，从而实现电池加热。

本发明的工作原理为：

微控制器通过电池监控单元获取电池的温度，与目标温度作对比，若需要进行加热，则微处理器给出PWM信号驱动电池加热电路。电池加热电路通过MOS管开关器件可实现两节电池对电容充电，这时电容电压达到两节电池的电压，再通过MOS管开关器件实现电容对一节电池的放电，这时电容电压达到一节电池的电压，不断的重复上述两个过程，就可实现电池的充放电，从而实现电池的加热。

如图1所示，基于电池组的电池加热系统的组成示意图，电池监控单元获取电池的温度，将温度信号发送给控制器，微控制器判断开始加热与停止加热的时机。微控制器通过PWM信号控制加热电路开关器件的开通与闭合，从而控制对电池的加热。

如图3所示，基于电容器的加热电路。所述电池加热电路两节单体电池(或两个等量电池的电池组)串联，电容C1与MOS管S3以及电池B1、B2构成一个回路，MOS管S1、S2反向串联，即两者的源极连接在一起，S1、S2的漏极一端接在电池B1的阴极，另一端接在电容C1与MOS管S3之间，即B1、C1、S1、S2构成一个回路。电容C2与MOS管S6以及电池B1、B2构成一个回路，MOS管S4、S5反向串联，即两者的源极连接在一起，S4、S5的漏极一端接在电池B1的阴极，另一端接在电容C2与MOS管S6之间，即B2、C2、S4、S5构成一个回路。

微控制器通过发送PWM信号驱动加热电路的MOS管开关器件，控制开关器件的开关与闭合，对MOS管S1、S2、S4、S5使用相同的PWM信号，对MOS管S3、S6使用互补的PWM信号，实现电容与电池之间的相互充放电，从而对电池进行内加热。同时，电池监控单元实时采集电池的温度信息，当加热到一定温度，停止加热。

基于电容器的加热系统的加热方法，包括以下步骤：

(1)获取温度：微控制器通过电池监控单元，获取电池的温度。

(2)加热判断：待加热电池供电工作时，微控制器通过获取电池的温度，与电池需加热的温度作比较，若低于这个温度，则开启电池加热电路。

(3)开启加热：微控制器通过发送PWM信号，控制加热电路的开关器件的关断，通过两路互补的PWM信号，可以实现电容与电池之间的相互充放电，从而实现电池的内加热。

(4)关闭加热：微控制器通过获取电池的温度，与电池停止加热的温度作对比，若高于这个温度，则停止对电池的加热。

更为详细的实施例子，以串联的两节单体电池B1、B2为例，进行详细描述。

如图2所示，微控制器通过电池检测单元获取电池的温度，当电池温度低于设定温度时(如0℃)，启动加热电路，通过PWM信号控制开关器件的导通。

如图4所示，两节电池对电容进行充电。MOS管S1、S2、S4、S5断开，MOS管S3、S6闭合，电池B1、B2与电容C1、MOS管S3构成与一个闭合回路，电池B1、B2与电容C2、MOS管S6构成与一个闭合回路，这个时候，电容电压小于两节电池的电压，电池对电容进行充电，电池放电，有电流流经电池，电池因为本身存在内阻，且在低温环境中内阻较大，会进行内加热。

如图5所示，两个电容分别对两节电池进行充电。MOS管S1、S2、S4、S5闭合，MOS管S3、S6断开。电池B1与电容C1、MOS管S1、S2构成一个闭合回路，电池B2与电容C2、MOS管S4、S5构成一个闭合回路，这时，电容电压大于单节电池的电压，电容对电池进行放电，电池被充电，有电流流经电池，电池进行内加热。

微控制器通过两路互补的PWM信号控制MOS管开关器件的导通与闭合，使加热电路不断的重复图3和图4所述的电池充放电过程，从而实现电池的加热。

微控制器实时检测电池的温度，当电池温度达到所需要求时，微控制器控制开关器件的关断，停止加热。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于电容器的电池内部交流加热电路，其特征是，所述加热电路包括四个回路，分别是：

电容C1、开关管S3、待加热电池B1、B2构成一个回路；

待加热电池B1、电容C1、开关管S1、开关管S2构成一个回路，其中，开关管S1、S2反向串联；

电容C2、开关管S6、待加热电池B1、B2构成一个回路；

待加热电池B2、电容C2、开关管S4、开关管S5构成一个回路，其中，开关管S4、S5反向串联。

2.如权利要求1所述的基于电容器的电池内部交流加热电路，其特征是，所述开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6均为MOS管。

3.如权利要求2所述的基于电容器的电池内部交流加热电路，其特征是，所述待加热电池B1、B2串联，B1的阴极与B2的阳极连接，电容C1一端连接电池B1的阳极，MOS管S1漏极D与电容C1的另一端相连，MOS管S1源极S与MOS管S2的源极S相连，MOS管S2的漏极D与待加热电池B1阴极相连；

MOS管S3漏极D与电容C1和MOS管S1的公共端相连，MOS管S3源极S与待加热电池B2的阴极相连；

电容C2一端连接待加热电池B2的阴极，MOS管S4漏极D与B2阳极相连，MOS管S4源极S与S5的源极S相连，MOS管S5的漏极D与电容C2的另一端相连；

MOS管S6源极S与电容C2和MOS管S5的公共端相连，MOS管S6漏极D与待加热电池B1的阳极相连。

4.如权利要求1-3任一所述的基于电容器的电池内部交流加热电路，其特征是，待加热电池为相串联的两节电池单体或相串联的等量两组电池。

5.基于电容器的电池内部交流加热系统，其特征是，包括权利要求1所述的加热电路、电池监控单元及微控制器，所述电池监控单元对待加热电池的状态进行监控并传输至微控制器，所述微控制器根据待加热电池的状态控制加热电路的工作状态，具体的，微控制器通过两路互补的PWM信号控制加热电路中开关器件的导通与闭合，使加热电路不断的重复电容与待加热电池之间的相互充放电过程，从而实现待加热电池的内加热。

6.如权利要求5所述的基于电容器的电池内部交流加热系统，其特征是，所述电池监控单元包括数模转换模块，通过数模转换模块将待加热电池的电压、电流及温度信号转换成数字信号，将数字信号并传输至微控制器。

7.权利要求5或6所述的基于电容器的电池内部交流系统的加热方法，其特征是，包括：

获取温度：微控制器通过电池监控单元获取待加热电池的温度；

加热判断：待加热电池供电工作时，微控制器通过获取电池的温度，与待加热电池需加热的温度作比较，若当前待加热电池的温度低于待加热电池需加热的温度，则开启电池加热电路；

开启加热：微控制器通过发送PWM信号，控制加热电路的开关器件的关断，通过两路互补的PWM信号，实现电容与待加热电池之间的相互充放电，从而实现待加热电池的内加热；

关闭加热：微控制器通过获取待加热电池的温度，与待加热电池停止加热的温度作对比，若当前待加热电池的温度高于待加热电池停止加热的温度，则停止对待加热电池的加热。

8.权利要求7所述的基于电容器的电池内部交流系统的加热方法，其特征是，所述待加热电池需加热的温度、待加热电池停止加热的温度均可人为通过微控制器进行设定。

9.权利要求7所述的基于电容器的电池内部交流系统的加热方法，其特征是，当待加热电池对电容进行充电时，MOS管S1、S2、S4、S5断开，MOS管S3、S6闭合，待加热电池B1、B2与电容C1、MOS管S3构成一个闭合回路，电池B1、B2与电容C2、MOS管S6构成一个闭合回路；

电容电压小于待加热电池的电压，待加热电池对电容进行充电，待加热电池放电，有电流流经待加热电池，待加热电池因为本身存在内阻，且在低温环境中内阻较大，将进行内加热。

10.权利要求7所述的基于电容器的电池内部交流系统的加热方法，其特征是，两个电容分别对两节电池进行充电，MOS管S1、S2、S4、S5闭合，MOS管S3、S6断开，电池B1与电容C1、MOS管S1、S2构成一个闭合回路，电池B2与电容C2、MOS管S4、S5构成一个闭合回路；

电容电压大于待加热电池的电压时，电容对待加热电池进行放电，待加热电池被充电，有电流流经电池，待加热电池进行内加热。