CN108390131A - 纯内阻电池加热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纯内阻电池加热系统，属于动力电池能源应用领域。它包括外部控制电路、电池，通过外部控制电路和电池回路产生的持续以及脉冲电流，并作用在电池低温内阻上从而实现利用焦耳热对电池的预热。本技术方案无需改变锂离子电池内部及外部的结构，任何市场上现有的锂离子电池都可以使用该系统来实现预加热功能；整个预加热系统通过简单的外部控制电路来实现，成本可以控制在较低范围内；该预加热系统可以快速预热锂离子电池，在一分钟之内可以将电池由零下三十度加热至零度；由于依靠电池自身发热，该加热系统可以非常均匀地加热电池，从而实现电池组内温差的最小化。

Description

纯内阻电池加热系统
技术领域
本发明属于动力电池能源应用领域，具体来说，是一种纯内阻电池加热系统。
背景技术
现阶段锂离子电池已非常广泛地应用在日常生活当中。由于具有较高的能量密度和比能量，锂离子电池已经是未来电动汽车行业必不可少的核心部件。然而锂离子电池对工作温度的需求较为苛刻，过低的温度(由锂离子电池正负极材料，电解液材料，以及装配工艺决定)会导致锂离子电池在放电过程中可用能量的急剧衰减；并且在充电过程中，阳极表面会出现镀锂现象，其将加速锂离子电池寿命的衰减，甚至导致电池的短路和安全隐患。这些锂离子电池在低温下的缺陷都会影响其在一些驱动设备(比如：电动汽车)中的正常使用：比如纯电动汽车在低温时续航能力会迅速降低甚至无法正常启动，手机在低温下会自动关机，相机在低温下闪光功能也无法使用。因而，一个锂离子电池快速预热技术是锂离子电池在低温环境下启动和正常工作必不可少的部分。
锂离子电池预热装置需要达到的基本要求是：当检测到电池处于低温并不适宜运行时，加热系统可以将电池组中每个电池的温度都均衡地加热到适宜运行的温度区间，并且确保所有电池间的最大温度差不高于5摄氏度(最好在3摄氏度以内)，从而达到延长整体电池组寿命周期的效果。在满足该基本要求的基础上，高效快速的加热系统则会更进一步地促进锂离子电池驱动设备在寒冷地区的应用广泛性。
现有的预加热系统主要有三大类：空气对流加热系统，交流电加热，以及内置加热片加热。
电热丝对流加热系统是最为普遍的一种外部加热装置，其通过在入风口加设电热丝来实现强制对流的加热效果。这种加热方法具有以下缺点：1)由于加热的过程由电池外部传导至电池内部，这样会产生较大的电池内外温差；2)在加热过程中，大量的热风由出口散失，将会导致加热效率相对较低；3)对于较大的电池组，入风口和出风口的电池存在非常大的温度差，这将致使电池组中电池温度产生不均一性。
区别于空气对流加热，其余两种加热系统均由电池的内部来实现对电池的预热。
交流电加热通过外部电源提供的高频率交流电对电池进行连续充放电使得电池产生焦耳热从而加热电池。这种加热方法有两个缺点：1)加热时间相对较慢，加热时间一般在10分钟左右；2)长期高频电流的作用会引起锂离子电池的寿命衰减。
近年来，一种新的锂离子电池预加热系统采用了将加热片置于片状电池内部的设计，其可以在1分钟之内将锂离子电池从零下三十度加热至零度。然而，该设计的加热仅限于片状锂离子电池的加热。对于圆柱状锂离子电池，该设计将无法实现。同时该设计需要对锂离子电池内部的结构进行改造，增加了工艺难度和制造成本。
发明内容
本发明目的是旨在提供了克服现有技术的不足，设计出一种纯内阻电池加热系统。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种纯内阻电池加热系统，包括外部控制电路、电池，通过外部控制电路和电池回路产生的持续以及脉冲电流，并作用在电池低温内阻上从而实现利用焦耳热对电池的预热。
进一步限定，所述外部控制电路包括微程序控制器、电流传感器、温度传感器、控制开关，所述电流传感器与控制开关串联后与锂离子电池构成回路；
所述电流传感器、温度传感器、控制开关均与微程序控制器信号连通，所述温度传感器用于感应电池温度。
进一步限定，所述微程序控制器通过对比电流传感器感应电流值与电池最大许可电流值对控制开关进行控制。
进一步限定，所述电池为可充放式电池。
进一步限定，所述控制开关为莫斯管。
进一步限定，所述电池为锂离子聚合物电池、镍氢电池、镍铬电池、镍锌电池之中的任意一种。
进一步限定，包括如下步骤：
S1，信号获取；
温度传感器获取电池温度信号，并传输至微程序控制器；
S2，数据处理；
微程序控制器将电池温度信号进行识别，当温度处于设定值时，闭合控制开关。
S3，电流比对；
电流感应器对回路中的电流进行感应，并传输至微程序控制器中与电池最大许可电流进行比对，当电流传感器获取电流值大于电池最大许可值时，微程序控制器断开控制开关。
采用上述技术方案的发明，
1)无需改变锂离子电池内部及外部的结构，任何市场上现有的锂离子电池都可以使用该系统来实现预加热功能；
2)整个预加热系统通过简单的外部控制电路来实现，成本可以控制在较低范围内；
3)该预加热系统可以快速预热锂离子电池，在一分钟之内可以将电池由零下三十度加热至零度；
4)由于依靠电池自身发热，该加热系统可以非常均匀地加热电池，从而实现电池组内温差的最小化；
5)由于是依靠电池内阻进行加热，绝大多数能量消耗都用来给电池本身加热，所以整个预热系统的效率可以达到95％以上。
附图说明
本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；
图1为外部控制电路原理示意图；
图2为控制电路控制流程图；
图3为装配有可控纯内阻电池预热系统的18650型号锂离子电池的加热曲线图；
图4为测试的18650型号锂离子电池在不同工作环境下的放电曲线图；
主要元件符号说明如下：
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。
如图1、图2所示，一种纯内阻电池加热系统，包括外部控制电路、电池，通过外部控制电路和电池回路产生的持续以及脉冲电流，并作用在电池低温内阻上从而实现利用焦耳热对电池的预热。
进一步限定，所述外部控制电路包括微程序控制器、电流传感器、温度传感器、控制开关，所述电流传感器与控制开关串联后与锂离子电池构成回路；
所述电流传感器、温度传感器、控制开关均与微程序控制器信号连通，所述温度传感器用于感应电池温度。
进一步限定，所述微程序控制器通过对比电流传感器感应电流值与电池最大许可电流值对控制开关进行控制。
进一步限定，所述电池为可充放式电池。
进一步限定，所述控制开关为莫斯管。
进一步限定，所述电池为锂离子聚合物电池、镍氢电池、镍铬电池、镍锌电池之中的任意一种。
进一步限定，包括如下步骤：
S1，信号获取；
温度传感器获取电池温度信号，并传输至微程序控制器；
S2，数据处理；
微程序控制器将电池温度信号进行识别，当温度处于设定值时，闭合控制开关。
S3，电流比对；
电流感应器对回路中的电流进行感应，并传输至微程序控制器中与电池最大许可电流进行比对，当电流传感器获取电流值大于电池最大许可值时，微程序控制器断开控制开关。
本发明通过外部控制电路和锂离子电池回路产生的持续以及脉冲电流作用在电池低温内阻上从而实现利用焦耳热对锂离子电池的预热。在设计上，锂离子电池或电池组的两个极端直接与外部控制电路连接。在预热过程中，电池或电池组和外部控制电路形成通路，由于低温下电池内阻的急剧增加，这时产生的预热电流处于安全范围以内。该过程产生的焦耳热将快速的实现锂离子电池的预加热过程。之后随着电池温度升高内阻的降低，回路中的预热电流将超过电池安全工作区间内，这时外部控制电路将对电池进行高频连续性的通断控制使预热电流维持在安全工作区间内，从而尽可能快的实现电池的预热。本发明欲保护通过利用电池或电池组与外部控制电路形成的回路而产生的持续以及脉冲电流和纯电池内阻的焦耳加热原理实现的电池或电池组预热技术以及实现该可控持续以及脉冲电流的控制原理。
纯内阻电池预热原理：
在低温情况下(通常<-10℃)，锂离子的扩散以及镶嵌过程都会变得困难，这将会大幅度地增加锂离子电池的内阻。利用该特点，锂离子电池在低温下利用纯自身内阻的加热过程将变得缓和而且可控，便于实现利用电池自身内阻发热来对锂离子电池预加热的功能。
在运行时，本技术方案所介绍的锂离子电池预加热系统将通过温度传感器自动检测电池温度，当电池温度低于适宜工作范围时，系统将开启加热选项。本设计的基本工作原理和步骤如下：
微程序控制器上的温度传感器获取电池温度信号，当温度低于设定下限值时，外部控制电路中开关(比如：莫斯管)闭合。电池正负极将与外部控制电路形成通路。由于电池内阻在低温时较大，回路电流处于低位。这时电流将持续作用在电池内阻上产生焦耳热来实现自身加热。本技术方案中电池(或电池组)的产热全部由电池(或电池组)自身的内部电阻(或阻抗)与回路中电流产生的焦耳热来实现，外部回路中无电阻元件。
在电池温度升高过程中，电池内阻将随之降低。这时电池与外部控制电路中产生的电流将迅速增加。为了避免大电流对电池以及加热外部控制电路的影响，外部控制电路中的电流传感器将获取回路电流信号，并将其与电路板、电池(或电池组)的最大许可电流进行比对。当传感器所获取电流大于最大许可电流设定值时，外部控制电路将断开开关(比如：莫斯管)，从而阻止电流进一步的增长。本技术方案中的最大许可电流是指电池所允许的最大工作电流或最大瞬时(峰值)电流；最大许可电流与电池的类型，材料，制造，以及在该电流下的放电时间有关，一般由电池生产厂商提供；为安全起见，也可以根据实际应用对本技术方案的预热系统加设安全因子使其在低于电池最大许可电流的情况下运行。
通常情况下，外部控制电路在第一次切断电路时，电池温度仍未到达合适的工作区间(比如：-10℃以上)，这时外部控制电路中的微程序控制器将输出脉宽调制信号对电流进行控制，同时其将配合电流传感装置以及电路开关(比如：莫斯管)快速连续通断电路，使得回路电流始终控制在安全范围内(即不高于电池最大许可电流)，同时可以最快程度地实现电池的加热过程。
当温度传感器探测到电池温度达到适宜工作温度时，电路开关(比如：莫斯管)将断开，电池组将进行正常放电工作。
实验；
为了验证该可控纯内阻电池加热系统对锂离子电池的预热情况，在实验中，我们对一枚18650型号的锂离子电池进行了测试。在测试之前，我们首先将电池置于电池槽中，并通过导线将电池的极端与外部控制电路板相连接。连接好的电池槽随之被置于内部温度为-30℃的环境测试箱中进行冷却用来模拟低温环境。电池冷却过程持续12小时以使电池的内外部温度均达到-30℃的低温。
测试中，微程序控制器通过外部电源驱动。接通电源后，当温度传感器探测到电池温度低于设定值时，外部控制电路中的控制开关将闭合，纯内阻加热过程将开启，电池温度随之快速上升，如图3所示。可以看到在测试中，电池在第42秒时温度由-30℃升至0℃。该加热时间和市场上现有加热系统的加热时间相比有大幅度的提升，同时该设计不需要改变电池结构，为其在寒冷地区锂离子电池驱动设备(比如电动车)上的广泛应用打下了基础。
图4比较了该18650型号锂离子电池在不同环境下的放电容量以及性能。在室温下(25℃)，电池的放电过程是非常平顺的，其内阻也保持在比较低的范围内，其放电曲线如图4中所示。在测试过程中，放电电流设定为3A,可以看到该电池输出了3.1Ah的容量。为了与常温下的放电情况进行比对，我们将该电池置于-30℃的环境箱进行了冷却处理，让其在温度稳定在设定温度-30℃时进行放电测试。在该环境下，电池的放电曲线图如图4中所示。可以看到，当电池温度降至-30℃时，锂离子电池由于内阻的急剧增大导致其在通电瞬间外部电压迅速降至为零，从而无法释放出容量。相比较而言，当该电池通过本技术方案所指的纯内阻预热方法预热至0℃后，电池可以正常运行并释放出绝大部分的容量，其放电曲线如图4中的所示，进而保障了锂离子电池供应设备的正常运行。
以上对本发明提供的纯内阻电池加热系统进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种纯内阻电池加热系统，包括外部控制电路、电池，其特征在于：通过外部控制电路和电池回路产生的持续以及脉冲电流，并作用在电池低温内阻上从而实现利用焦耳热对电池的预热。
2.根据权利要求1所述的纯内阻电池加热系统，其特征在于：所述外部控制电路包括微程序控制器、电流传感器、温度传感器、控制开关，所述电流传感器与控制开关串联后与锂离子电池构成回路；
所述电流传感器、温度传感器、控制开关均与微程序控制器信号连通，所述温度传感器用于感应电池温度。
3.根据权利要求1所述的纯内阻电池加热系统，其特征在于：所述微程序控制器通过对比电流传感器感应电流值与电池最大许可电流值对控制开关进行控制。
4.根据权利要求2或3任一项所述的纯内阻电池加热系统，其特征在于：所述电池为可充放式电池。
5.根据权利要求4所述的纯内阻电池加热系统，其特征在于：所述控制开关为莫斯管。
6.根据权利要求4所述的纯内阻电池加热系统，其特征在于：所述电池为锂离子聚合物电池、镍氢电池、镍铬电池、镍锌电池之中的任意一种。
7.根据权利要求2所述的纯内阻电池加热系统，其特征在于：包括如下步骤：
S1，信号获取；
温度传感器获取电池温度信号，并传输至微程序控制器；
S2，数据处理；
微程序控制器将电池温度信号进行识别，当温度处于设定值时，闭合控制开关；
S3，电流比对；
电流感应器对回路中的电流进行感应，并传输至微程序控制器中与电池最大许可电流进行比对，当电流传感器获取电流值大于电池最大许可值时，微程序控制器断开控制开关。
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