CN108808173B - 一种锂离子电池低温内外组合加热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池低温内外组合加热装置，包括在锂离子电池正负极之间相互并联的外部加热模块与内部加热模块，外部加热模块包括依次串联连接的第一开关、IGBT模块及外部加热板且IGBT模块被引入PWM控制信号并接受PWM控制信号控制，内部加热模块包括串联连接的第二开关及交流电源，通过所述第一开关、第二开关各自的开启与关闭分别控制外加热过程与内加热过程的状态，内部加热模块利用交流电源产生特定频率的交流电流，再结合PWM控制信号占空比的改变控制IGBT模块的导通与关断的时间占比进而控制外加热过程和内加热过程的加热功率分配比例以达到对锂离子电池的低温内外组合加热。该装置结构简单、加热效果好，还能调整加热功率分配比例实现最优加热。

Description

一种锂离子电池低温内外组合加热装置及方法

技术领域

本发明涉及电池加热技术领域，具体涉及一种锂离子电池低温内外组合加热装置及方法。

背景技术

近年来，由于全球石油资源的枯竭和环境的恶化，新能源利用和研究成为各国未来发展的重点，发展新能源汽车是世界各国普遍公认的解决汽车节能与环保问题的主要技术手段，而动力电池(即锂离子电池)是新能源汽车发展的核心部件。研究表明，当锂离子电池温度过低，其释放的功率和容量会显著降低，大倍率充电及过充造成的析锂会导致锂离子电池容量的不可逆衰减，可能引起锂离子电池内发生短路并埋下安全隐患。目前锂离子电池的相关制造企业和科研人员已在锂离子电池的低温性能及低温加热方面开展了大量研究。

按照目前锂离子电池的制造现状，从材料本身改善锂离子电池低温性能的难度较大，故而采用辅助手段提高锂离子电池在低温环境下的性能成为较为可行的研究方向。现有技术中锂离子电池低温加热方法主要有两大类，分别为电池外部环境加热方法和电池内部交流加热方法。

例如，常见的空气加热法、液体加热法、宽线金属膜加热方法和帕尔贴加热法等均属于电池外部环境加热方法类，这类方法容易改变电池结构、能量耗散较大、热效率较低；此外，由于锂离子电池本身的传热系数较低，使得这类方法对锂离子电池内部的加热效果不明显，该加热方法加热时还会在锂离子电池内部会产生较大的温度梯度，导致锂离子电池中心的温度变化显著滞后于锂离子电池表面，使得温度不一致，严重影响锂离子电池的寿命，加热效果也不理想。

其中内部交流加热方法虽然能够使锂离子电池内部温度梯度变小，加热速率相对更均匀，但该方法对锂离子电池性能要求很高，不仅需要锂离子电池具有较高SOC，而且在环境温度过低的情况下对锂离子不能进行大电流充电，否则会严重影响锂离子电池寿命，还容易在锂离子电池负极产生锂枝晶，造成锂离子电池内部短路，因此安全性极低。低温环境下流经锂离子电池的电流也会受到环境温度、电池类型、老化程度等参数的影响，并且在低温内部交流加热过程中，也需要限制锂离子电池两端的电压，若两端产生过压也容易导致锂离子电池析锂进而导致锂离子电池容量的不可逆衰减，还可能引发锂离子电池内部短路，存在安全隐患。而锂离子电池内部交流加热过程中对锂离子电池电流或电压的限制又会对产热速率和加热速率产生约束，进而导致锂离子电池低温加热时间变长。故而目前的锂离子电池的加热方法仍然存在锂离子电池加热温度梯度大、电池加热时间长和存在安全隐患等缺点。

发明内容

本发明针对现有技术中锂离子电池低温加热通常仅采用单独外加热方法容易能量耗散较大、热效率较低、能量损失大、加热温度梯度大且加热效果差或仅采用单独内加热方法安全性极低、低温下大电流充电易伤害锂离子电池或造成内部短路等缺陷，提供了一种锂离子电池低温内外组合加热装置，该装置有效利用在锂离子电池正负极之间并联连接的外部加热模块与内部加热模块实现内外组合加热，达到对锂离子电池的最优加热效果，结构简单、控制便捷，大大提高了加热效率，增强了加热效果，应用性极强。本发明还涉及一种锂离子电池低温内外组合加热方法。

本发明的技术方案如下：

一种锂离子电池低温内外组合加热装置，包括相互并联且均连接在锂离子电池正负极之间的外部加热模块与内部加热模块，所述外部加热模块包括依次串联连接的第一开关、IGBT模块及外部加热板且所述IGBT模块被引入PWM控制信号并接受PWM控制信号控制，所述内部加热模块包括串联连接的第二开关及交流电源，通过所述第一开关、第二开关各自的开启与关闭分别控制外部加热模块与内部加热模块的启动与停止进而控制外加热过程与内加热过程的状态，所述内部加热模块利用交流电源产生特定频率的交流电流，结合PWM控制信号占空比的改变控制IGBT模块的导通与关断的时间占比进而控制外加热过程和内加热过程的加热功率分配比例以达到对锂离子电池的低温内外组合加热。

所述外部加热板采用PTC加热板或PTC加热片；

和/或，所述IGBT模块为封装的IGBT模块，内部封装有并联连接的一个已有IGBT和一个已有反并联二极管。

所述交流电源的电能来自外接交流电源；或，所述交流电源的电能来自电动汽车本身的锂离子电池。

当第一开关闭合第二开关断开且PWM控制信号处于高电平时，或第一开关与第二开关均闭合且PWM控制信号处于高电平时，为内外加热同时进行模式；

当第一开关断开第二开关闭合时，或第一开关与第二开关均闭合且PWM控制信号处于低电平时，为内加热单独进行模式；

当第一开关闭合第二开关断开且PWM控制信号处于低电平时，或第一开关与第二开关均断开时，为非加热模式。

一种锂离子电池低温内外组合加热方法，在锂离子电池正负极之间并联增设包括依次串联的第一开关、IGBT模块、外部加热板的外部加热模块及包括依次串联连接的第二开关、交流电源的内部加热模块，向所述IGBT模块引入PWM控制信号并通过PWM控制信号控制IGBT模块，通过所述第一开关、第二开关各自的开启与关闭分别控制外部加热模块与内部加热模块的启动与停止进而控制外加热过程与内加热过程的状态，内部加热模块利用交流电源产生特定频率的交流电流，结合PWM控制信号占空比的改变控制IGBT模块的导通与关断的时间占比进而控制外加热过程和内加热过程的加热功率分配比例以达到对锂离子电池的低温内外组合加热。

所述外部加热板采用PTC加热板或PTC加热片；

和/或，所述IGBT模块为封装的IGBT模块，内部封装有并联连接的一个已有IGBT和一个已有反并联二极管。

所述交流电源的电能来自外接交流电源；或，所述交流电源的电能来自电动汽车本身的锂离子电池。

当第一开关闭合第二开关断开且PWM控制信号处于高电平时，或第一开关与第二开关均闭合且PWM控制信号处于高电平时，为内外加热同时进行模式，通过建立等效电路分别计算内加热与外加热的加热功率并计算内外加热功率匹配比例，再通过PWM控制信号的占空比的改变调节内外加热功率分配比例，以达到对锂离子电池的低温内外组合加热；

当第一开关断开第二开关闭合时，或第一开关与第二开关均闭合且PWM控制信号处于低电平时，为内加热单独进行模式；

当第一开关闭合第二开关断开且PWM控制信号处于低电平时，或第一开关与第二开关均断开时，为非加热模式。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及了一种锂离子电池低温内外组合加热装置，该装置有效利用在锂离子电池正负极之间并联连接的并均具有特定器件的外部加热模块与内部加热模块，在原有的锂离子电池(也可称为锂离子电池模块)的基础上进一步增加了两个模块，等效成并联的三大模块，三大模块协同工作，通过外部加热模块与内部加热模块中第一开关、第二开关各自的开启与关闭分别控制外部加热模块与内部加热模块的启动与停止进而控制外加热过程与内加热过程的状态，同时通过PWM控制信号的占空比的改变控制外部加热模块中IGBT模块的导通与关断的时间占比，进而控制外加热过程与内加热过程的加热功率分配比例，以安全高效地实现锂离子电池低温内外组合加热，并达到对锂离子电池的最优加热效果，节省加热时间，减小锂离子电池的温度梯度。本发明避免了现有技术采用单独外加热方法容易能量耗散较大、热效率较低、加热温度梯度大且加热效果差的问题，也避免了现有技术单独内加热方法安全性极低、低温下大电流充电易伤害锂离子电池或造成内部短路等问题，本发明将两种加热方式的功率结合起来，在不同的温度下，锂离子电池始终具有高的加热功率，进而达到理想要求。该锂离子电池低温内外组合加热装置结构简单、体积小巧、控制便捷，加热时间短、锂离子电池的温度梯度小，大大提高了加热效率，增强了加热效果，方便高效，应用性极强。

本发明还涉及了一种锂离子电池低温内外组合加热方法，该方法与上述锂离子电池低温内外组合加热装置相对应，可理解为是实现该锂离子电池低温内外组合加热装置的方法，该方法充分结合了锂离子电池内加热和外加热技术，将外部加热模块与内部加热模块采用并联形式连接到电路中，利用PWM控制信号控制IGBT模块闭合和断开的时间，改变PWM控制信号的占空比，即可控制IGBT模块的导通与关断的时间占比，进而控制外加热过程和内加热过程的加热功率分配比例，达到对锂离子电池的低温内外组合加热。在内加热和外加热结合的情况下，锂离子电池内部温度梯度减小，克服了随着加热时间的增加锂离子电池内部传热慢导致的温度梯度逐渐增大的问题，通过特定技术手段控制锂离子电池内加热和外加热的功率分配比例，保证了锂离子电池内部温度梯度能够处于合理的范围内，实现锂离子电池的最优加热。通过本发明锂离子电池低温内外组合加热方法，可明显缩短加热时间，甚至加热效率能够提高一倍以上。

附图说明

图1为本发明一种锂离子电池低温内外组合加热装置的一种优选结构示意图。

图2为本发明一种锂离子电池低温内外组合加热装置的一种优选等效电路原理图。

图3为本发明锂离子电池低温内外组合加热装置在第一开关与第二开关均闭合且PWM控制信号处于高电平时的内外加热同时进行模式下的一种优选的等效电路图及电流流向示意图。

图中各标号列示如下：

1－锂离子电池；2－外部加热模块；3－内部加热模块。

具体实施方式

本发明涉及了一种锂离子电池低温内外组合加热装置，包括相互并联且均连接在锂离子电池正负极之间的外部加热模块与内部加热模块，外部加热模块包括依次串联连接的第一开关、IGBT模块及外部加热板且IGBT模块被引入PWM控制信号并接受PWM控制信号控制，内部加热模块包括串联连接的第二开关及交流电源，即在原有的锂离子电池(也可称锂离子电池模块)的基础上进一步增加了均具有特定器件的两个模块，等效成并联的三大模块，三大模块协同工作，通过外部加热模块与内部加热模块中的第一开关、第二开关各自的开启与关闭分别控制外部加热模块与内部加热模块的启动与停止进而控制外加热过程与内加热过程的状态，内部加热模块利用交流电源产生特定频率的交流电流，同时通过结合PWM控制信号的占空比的改变控制外部加热模块中IGBT模块的导通与关断的时间占比，进而控制外加热过程和内加热过程的加热功率分配比例，以达到对锂离子电池的低温内外组合加热，有效减少了加热时间，保证了加热效果，大大提高了加热效率和锂离子电池加热的安全性。

下面结合附图对本发明进行说明，图1为本发明一种锂离子电池低温内外组合加热装置的一种优选结构示意图，如图所示，锂离子电池低温内外组合加热装置包括相互并联且均连接在锂离子电池1正负极之间的外部加热模块2与内部加热模块3，外部加热模块2包括依次串联连接的第一开关、IGBT模块及外部加热板且所述IGBT模块被引入PWM控制信号并接受PWM控制信号控制，其中外部加热板可以采用PTC加热板或PTC加热片，本实施例中优选采用具有热阻小、换热效率高等优点的PTC加热片，第一开关、IGBT模块与PTC加热片依次串联，外部加热模块2通过加热片实现对锂离子电池1的外部加热，内部加热模块3包括串联连接的第二开关及交流电源并利用交流电源产生特定频率的交流电流，利用低温时锂离子电池1的内阻大的特点根据焦耳定律实现锂离子电池1的内部加热，能够保证热量在锂离子电池1内部均匀扩散，本装置在原有的锂离子电池1(也可称为锂离子电池模块)的基础上进一步增加了均具有特定器件的两个模块，等效成并联的三大模块，三大模块协同工作，通过外部加热模块2与内部加热模块3中第一开关、第二开关各自的开启与关闭分别控制外部加热模块2与内部加热模块3的启动与停止进而控制外加热过程与内加热过程的状态，再结合PWM控制信号占空比的改变控制IGBT模块的导通与关断的时间占比进而控制外加热过程和内加热过程的加热功率分配比例以安全高效地达到对锂离子电池1的低温内外组合加热，不仅可以在锂离子电池1的内部和外部同时加热，而且可以控制锂离子电池1内外加热的功率分配比例，达到对锂离子电池1的最优加热效果，节省加热时间，减小锂离子电池1的温度梯度。本发明避免了现有技术采用单独外加热方法容易能量耗散较大、热效率较低、加热温度梯度大且加热效果差的问题，也避免了现有技术单独内加热方法安全性极低、低温下大电流充电易伤害锂离子电池1或造成内部短路等问题，本发明将两种加热方式结合起来，在不同的温度下，锂离子电池1始终具有高的加热功率，进而达到理想要求，且该锂离子电池低温内外组合加热装置结构简单、体积小巧、控制便捷，加热时间短、锂离子电池1的温度梯度小，大大提高了加热效率，增强了加热效果，方便高效，应用性极强。

进一步地，外部加热模块2中的IGBT模块采用封装的IGBT模块，内部封装有并联连接的一个已有IGBT和一个已有反并联二极管。

进一步地，内部加热模块3中交流电源的电能来自外接交流电源；或，交流电源的电能来自电动汽车本身的锂离子电池1，本实施例中优选采用外接交流电源。

图2为本发明一种锂离子电池低温内外组合加热装置的一种优选等效电路原理图，如图2所示，锂离子电池低温内外组合加热装置包括相互并联且均连接在锂离子电池1正负极之间的外部加热模块2与内部加热模块3，锂离子电池1等效包括锂离子电池静置电压U_ocv和锂离子电池内阻R₀，外部加热模块2包括依次串联连接的第一开关K₁、IGBT模块及PTC加热片，所述IGBT模块包括并联连接的已有IGBT Q和已有反并联二极管D，所述IGBT模块被引入PWM控制信号并接受PWM控制信号控制具体表现为所述已有IGBT Q的e极被引入PWM控制信号，优选所述已有IGBT Q的e极可以借助于IGBT驱动电路引入PWM控制信号并接受该PWM控制信号的控制，所述PTC加热片等效为PTC加热片电阻R₁，当PWM控制信号为高电平时IGBT模块导通使得PTC加热片开始工作从而实现对锂离子电池1的外部加热，内部加热模块3包括串联连接的第二开关K₂及交流电源AC并利用交流电源AC产生特定频率的交流电流，再利用低温时锂离子电池内阻R₀大的特点根据焦耳定律实现锂离子电池1的内部加热，且能够保证热量在锂离子电池1内部均匀扩散，本装置在原有的锂离子电池1的基础上进一步增加了均具有特定器件的两个模块，等效成并联的三大模块，三大模块协同工作，通过外部加热模块2与内部加热模块3中第一开关K₁、第二开关K₂各自的开启与关闭分别控制外部加热模块2与内部加热模块3的启动与停止进而控制外加热过程与内加热过程的状态，再结合PWM控制信号占空比的改变控制已有IGBT Q的导通与关断的时间占比进而控制外加热过程和内加热过程的加热功率分配比例以安全高效地达到对锂离子电池1的低温内外组合加热，并达到对锂离子电池1的最优加热效果。

进一步如图2所示，本发明锂离子电池低温内外组合加热装置中的外部加热模块2和内部加热模块3分别有一个单独控制的第一开关K₁和第二开关K₂，分别控制两个模块是否需要启动。当第一开关K₁闭合第二开关K₂断开且已有IGBT的e极被引入的PWM控制信号处于高电平时，或第一开关K₁与第二开关K₂均闭合且已有IGBT的e极被引入的PWM控制信号处于高电平时，为内外加热同时进行模式，具体表现为：当第一开关K₁闭合第二开关K₂断开且已有IGBT的e极被引入的PWM控制信号处于高电平时，已有IGBT导通，锂离子电池1与PTC加热片形成串联回路，一方面PTC加热片进行工作对锂离子电池1进行外部加热，同时由于低温下锂离子电池内阻R₀再结合焦耳定律实现对锂离子电池的内部加热，最终实现内外组合加热，克服单一加热方式存在的加热效果差、加热安全性差等问题，并且根据功率定义式分别计算电池外加热过程和电池内加热过程的加热功率进而计算得到二者的功率分配比例；当第一开关K₁与第二开关K₂均闭合且已有IGBT的e极被引入的PWM控制信号处于高电平时，已有IGBT导通，使得锂离子电池1、外部加热模块2与内部加热模块3三个模块接通，即使得锂离子电池1与PTC加热片与交流电源AC三者相互并联且交流电源为整个电路提供电能，如图3所示等效电路图及其电流流向，此时所述PTC加热片进行工作对锂离子电池1进行外部加热，同时交流电源产生的特定频率的交流电流流经锂离子电池，由于低温下锂离子电池内阻R₀再结合焦耳定律实现对锂离子电池的内部加热，最终实现内外组合加热，基于基尔霍夫定律、焦耳定律及加热功率定义式分别计算外加热过程和内加热过程的加热功率进而计算得到二者的功率分配比例。

当第一开关K₁断开第二开关K₂闭合时，或第一开关K₁与第二开关K₂均闭合且PWM控制信号处于低电平时，为内加热单独进行模式，具体表现为：当第一开关K₁断开第二开关K₂闭合时，锂离子电池1与内部加热模块3相连，内部加热模块3中的交流电源AC产生特定频率的交流电流流经锂离子电池1，此时只有锂离子电池内阻R₀基于焦耳定律产生的焦耳热来为锂离子电池1进行内加热，基于加热功率定义式可以计算获得内加热过程的加热功率，而此时外加热过程的加热功率为0；第一开关K₁与第二开关K₂均闭合且PWM控制信号处于低电平时，已有IGBT不能导通，故而仍然是只有锂离子电池1与内部加热模块3相连，内部加热模块3中的交流电源AC产生特定频率的交流电流流经锂离子电池1进而实现对锂离子电池1的内加热。

当第一开关K₁闭合第二开关K₂断开且PWM控制信号处于低电平时，或第一开关K₁与第二开关K₂均断开时，为非加热模式，此时IGBT不能导通，PTC加热片不能进行工作，同时交流电源AC也无法接入回路，整体装置表现为非加热模式。

综上，结合图1和图2所示的锂离子电池低温内外组合加热装置能够通过第一开关K₁、第二开关K₂各自的开启与关闭合理有效地实现锂离子电池1的内外组合加热，且再结合PWM控制信号的高电平与低电平信号的占空比的改变控制已有IGBT的导通与关断的时间占比，快速高效地实现对锂离子电池1外加热过程与内加热过程的加热功率分配比例的调整，使得锂离子电池1始终具有高的加热功率，进而达到理想要求，实现最优加热效果。

本发明还涉及了一种锂离子电池低温内外组合加热方法，该方法与上述锂离子电池低温内外组合加热装置相对应，可理解为是实现该锂离子电池低温内外组合加热装置的方法，故图1-图3同样适用于所述方法。下面结合图1和图2对该方法进行说明：该方法通过在锂离子电池1正负极之间并联增设包括依次串联的第一开关K₁、IGBT模块、外部加热板的外部加热模块2及包括依次串联连接的第二开关K₂、交流电源AC的内部加热模块2，向所述IGBT模块引入PWM控制信号并通过PWM控制信号控制IGBT模块，通过所述第一开关K₁、第二开关K₂各自的开启与关闭分别控制外部加热模块2与内部加热模块3的启动与停止进而控制外加热过程与内加热过程的状态，内部加热模3块利用交流电源AC产生特定频率的交流电流再利用利用低温时锂离子电池1的内阻大的特点根据焦耳定律实现锂离子电池1的内部加热，再结合PWM控制信号占空比的改变控制IGBT模块的导通与关断的时间占比进而控制外加热过程和内加热过程的加热功率分配比例以达到对锂离子电池1的低温内外组合加热，其中所述外部加热板可以采用PTC加热板或PTC加热片，本实施例中优选采用具有热阻小、换热效率高等优点的PTC加热片，所述IGBT模块优选采用封装的IGBT模块且内部封装有并联连接的一个已有IGBT和一个已有反并联二极管，所述交流电源AC的电能可以来自外接交流电源或交流电源的电能来自电动汽车本身的锂离子电池1，在本实施例中优选采用外接交流电源，在图2的优选等效电路原理图中，锂离子电池1等效包括锂离子电池静置电压U_ocv和锂离子电池内阻R₀，所述IGBT模块包括并联连接的已有IGBT Q和已有反并联二极管D，所述IGBT模块被引入PWM控制信号并接受PWM控制信号控制具体表现为所述已有IGBT Q的e极被引入PWM控制信号，优选所述已有IGBT Q的e极可以借助于IGBT驱动电路引入PWM控制信号并接受该PWM控制信号的控制，所述PTC加热片等效为PTC加热片电阻R₁，当PWM控制信号为高电平时IGBT模块导通使得PTC加热片开始工作从而实现对锂离子电池1的外部加热，内部加热模块3包括串联连接的第二开关K₂及交流电源AC并利用交流电源AC产生特定频率的交流电流，再利用低温时锂离子电池内阻R₀大的特点根据焦耳定律实现锂离子电池1的内部加热，且能够保证热量在锂离子电池1内部均匀扩散，该方法与上述锂离子电池1低温内外组合加热装置相对应，可理解为是实现该锂离子电池低温内外组合加热装置的方法，该方法充分结合了锂离子电池1内加热和外加热技术，将外部加热模块2与内部加热模块3采用并联形式连接到电路中，利用PWM控制信号控制IGBT模块闭合和断开的时间，通过改变PWM控制信号的占空比，即可控制IGBT模块的导通与关断的时间占比，进而控制外加热过程和内加热过程的加热功率分配比例，达到对锂离子电池1的低温内外组合加热，在内加热和外加热结合的情况下，锂离子电池1内部温度梯度减小，克服了随着加热时间的增加锂离子电池1内部传热慢导致的温度梯度逐渐增大的问题，通过特定技术手段控制锂离子电池1内加热和外加热的功率分配比例，保证了锂离子电池1内部温度梯度能够处于合理的范围内，实现锂离子电池1的最优加热。通过本发明锂离子电池低温内外组合加热方法，可明显缩短加热时间，甚至加热效率能够提高一倍以上。

进一步如图2所示，本发明锂离子电池低温内外组合加热方法中的外部加热模块2和内部加热模块3分别有一个单独控制的第一开关K₁和第二开关K₂，分别控制两个模块是否需要启动。当第一开关K₁闭合时，利用PWM控制信号(或称PWM波)来控制已有IGBT的通断，当PWM波处于高电位时，已有IGBT导通，外部加热模块2工作，锂离子电池1启动外加热的功能，通过改变PWM波的占空比即可控制外部加热模块2工作的时间占比，进而控制了锂离子电池1内外加热功率的分配比例。当第二开关K₂闭合时，内部加热模块3通过交流电源AC产生一固定频率的交流电流，通过锂离子电池内阻进一步产生焦耳热，实现锂离子电池的低温交流自加热功能。

具体地，(ⅰ)当第一开关K₁闭合第二开关K₂断开且已有IGBT的e极被引入的PWM控制信号处于高电平时，或第一开关K₁与第二开关K₂均闭合且已有IGBT的e极被引入的PWM控制信号处于高电平时，为内外加热同时进行模式，具体表现为：当第一开关K₁闭合第二开关K₂断开且已有IGBT的e极被引入的PWM控制信号处于高电平时，已有IGBT导通，锂离子电池1与PTC加热片形成串联回路，一方面PTC加热片进行工作对锂离子电池1进行外部加热，同时由于低温下锂离子电池内阻R₀再结合焦耳定律实现对锂离子电池的内部加热，最终实现内外组合加热，克服单一加热方式存在的加热效果差、加热安全性差等问题，并且根据功率定义式分别计算电池外加热过程和电池内加热过程的加热功率进而计算得到二者的功率分配比例，具体计算过程如下：

电路中电流为：

其中U_ocv为锂离子电池1的静置电压，R₀为锂离子电池内阻，R₁为PTC加热片电阻。

PTC加热片给锂离子电池1进行外加热过程的加热功率P₁为：

锂离子电池内阻R₀产生的焦耳热功率P₀(即给锂离子电池1进行内加热过程的加热功率)为：

锂离子电池1外加热过程与内加热过程加热功率分配比例为P₁：P₀＝R₁：R₀。

(ⅱ)当第一开关K₁与第二开关K₂均闭合且已有IGBT的e极被引入的PWM控制信号处于高电平时，已有IGBT导通，使得锂离子电池1、外部加热模块2与内部加热模块3三个模块接通，即使得锂离子电池1与PTC加热片与交流电源AC三者相互并联且交流电源为整个电路提供电能，此时所述PTC加热片进行工作对锂离子电池1进行外部加热，同时交流电源产生的特定频率的交流电流流经锂离子电池，由于低温下锂离子电池内阻R₀再结合焦耳定律实现对锂离子电池的内部加热，最终实现内外组合加热，基于基尔霍夫定律、焦耳定律及加热功率定义式分别计算外加热过程和内加热过程的加热功率进而计算得到二者的功率分配比例，具体计算过程如下：

设定交流电源AC产生的交流电流为I_m，通过锂离子电池1的电流为I₀，通过PTC加热片的电流为I₁，具体等效电路图如图3所示，并结合基尔霍夫定律可得：

因此通过锂离子电池1的电流I₀和通过PTC加热片的电流I₁分别为：

根据通过PTC加热片的电流I₁，计算得到PTC加热片给锂离子电池1进行外加热过程的加热功率P₁为：

根据锂离子电池内阻R₀，计算得到给锂离子电池1进行内加热过程的加热功率P₀为：

锂离子电池1外加热过程与内加热过程加热功率分配比例为

(ⅲ)当第一开关K₁断开第二开关K₂闭合时，或第一开关K₁与第二开关K₂均闭合且PWM控制信号处于低电平时，为内加热单独进行模式，具体表现为：当第一开关K₁断开第二开关K₂闭合时，锂离子电池1与内部加热模块3相连，内部加热模块3中的交流电源AC产生特定频率的交流电流流经锂离子电池1，此时只有锂离子电池内阻R₀基于焦耳定律产生的焦耳热来为锂离子电池1进行内加热，基于加热功率定义式可以计算获得内加热过程的加热功率，而此时外加热过程的加热功率为0；当第一开关K₁与第二开关K₂均闭合且PWM控制信号处于低电平时，已有IGBT不能导通，故而仍然是只有锂离子电池1与内部加热模块3相连，内部加热模块3中的交流电源AC产生特定频率的交流电流流经锂离子电池1进而实现对锂离子电池1的内加热，上述两种控制状态下，均是只有内部交流模块3与锂离子电池1连接形成回路，其只有内加热过程，内加热过程的加热功率具体计算过程如下：

设定交流电源AC产生的交流电流为I_m，此时I_m全部流经锂离子电池1且只有通过锂离子电池内阻R₀产生的焦耳热为锂离子电池1实现内加热过程，此时内加热的加热功率P₀为：

P₀＝I_m ²R₀ (9)

再进一步地将第一开关K₁与第二开关K₂均闭合且PWM控制信号处于高电平时的内外加热同时进行模式与第一开关K₁与第二开关K₂均闭合且PWM控制信号处于低电平时的单独内加热模式结合起来，即保持第一开关K₁与第二开关K₂均闭合，当PWM控制信号处于高电平时，为内外加热同时进行模式，当PWM控制信号处于低电平时，不进行外加热过程只进行内加热过程，而通过改变PWM控制信号高电平与低电平的相对比例(也就是改变占空比)，就能控制外加热过程在整个加热过程中所占的时间比例，进而有效调整外加热过程与内加热过程的加热功率的比例分配，以达到锂离子电池1的最优加热效果。

此时外加热过程与内加热过程的加热功率的比例分配的具体计算过程如下：

设定PWM控制信号的占空比为η，即IGBT模块(具体为已有IGBT Q)处于导通的时间占比为η，处于断开状态的时间占比为1-η，故外加热过程的加热功率P₁为：

内加热过程的加热功率P₀为：

锂离子电池外加热过程与内加热过程的加热功率比例分配为：

由此，在锂离子电池内阻R₀、PTC加热片电阻R₁、锂离子电池1的静置电压(即锂离子电池开路电压)U_ocv和交流加热模块的交流电流I_m已知的情况下，通过改变PWM控制信号的占空比即可改变锂离子电池1外加热过程与内加热过程的加热功率的分配比例，再基于锂离子电池所需要的加热需求(根据需求看可提前预设加热时间及加热温度梯度)，结合具体的各项参数，以实现锂离子电池的最优加热，且通过本发明，可明显缩短加热时间，甚至加热效率能够提高一倍以上。

(ⅳ)当第一开关K₁闭合第二开关K₂断开且PWM控制信号处于低电平时，或第一开关K₁与第二开关K₂均断开时，为非加热模式，此时IGBT不能导通，PTC加热片不能进行工作，同时交流电源AC也无法接入回路，整体表现为非加热模式。

综上，结合图1、图2和图3所示的锂离子电池低温内外组合加热方法能够通过第一开关K₁、第二开关K₂各自的开启与关闭合理有效地实现锂离子电池1的内外组合加热，且再结合PWM控制信号的高电平与低电平信号的占空比的改变控制已有IGBT的导通与关断的时间占比，快速高效地实现对锂离子电池1外加热过程与内加热过程的加热功率分配比例的调整，使得锂离子电池1始终具有高的加热功率，进而达到理想要求，且在内加热和外加热结合的情况下，锂离子电池内部温度梯度减小，克服了随着加热时间的增加锂离子电池内部传热慢导致的温度梯度逐渐增大的问题，通过特定技术手段控制锂离子电池内加热和外加热的功率分配比例，保证了锂离子电池内部温度梯度能够处于合理的范围内，实现锂离子电池的最优加热。

进一步地，本发明所述的锂离子电池低温内外组合加热方法适用于厚度不同的多种锂离子电池，且在锂离子电池外加热过程与内加热过程同时进行的情况下，锂离子电池的内部温度随锂离子电池厚度尺寸方向上的变化(即温度梯度)明显比只有外加热过程时减小，使得锂离子电池内部传热均匀，能够延长锂离子电池的寿命。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (8)

1.一种锂离子电池低温内外组合加热装置，其特征在于，包括相互并联且均连接在锂离子电池正负极之间的外部加热模块与内部加热模块，所述外部加热模块包括依次串联连接的第一开关、IGBT模块及外部加热板且所述IGBT模块被引入PWM控制信号并接受PWM控制信号控制，所述内部加热模块包括串联连接的第二开关及交流电源，通过所述第一开关、第二开关各自的开启与关闭分别控制外部加热模块与内部加热模块的启动与停止进而控制外加热过程与内加热过程的状态，所述内部加热模块利用交流电源产生特定频率的交流电流，结合PWM控制信号占空比的改变控制IGBT模块的导通与关断的时间占比进而控制外加热过程和内加热过程的加热功率分配比例以达到对锂离子电池的低温内外组合加热。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池低温内外组合加热装置，其特征在于，所述外部加热板采用PTC加热板或PTC加热片；

和/或，所述IGBT模块为封装的IGBT模块，内部封装有并联连接的一个已有IGBT和一个已有反并联二极管。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池低温内外组合加热装置，其特征在于，所述交流电源的电能来自外接交流电源；或，所述交流电源的电能来自电动汽车本身的锂离子电池。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池低温内外组合加热装置，其特征在于，当第一开关与第二开关均闭合且PWM控制信号处于高电平时，为内外加热同时进行模式；

当第一开关断开第二开关闭合时，或第一开关与第二开关均闭合且PWM控制信号处于低电平时，为内加热单独进行模式；

当第一开关闭合第二开关断开且PWM控制信号处于低电平时，或第一开关与第二开关均断开时，为非加热模式。

5.一种锂离子电池低温内外组合加热方法，其特征在于，在锂离子电池正负极之间并联增设包括依次串联的第一开关、IGBT模块、外部加热板的外部加热模块及包括依次串联连接的第二开关、交流电源的内部加热模块，向所述IGBT模块引入PWM控制信号并通过PWM控制信号控制IGBT模块，通过所述第一开关、第二开关各自的开启与关闭分别控制外部加热模块与内部加热模块的启动与停止进而控制外加热过程与内加热过程的状态，内部加热模块利用交流电源产生特定频率的交流电流，结合PWM控制信号占空比的改变控制IGBT模块的导通与关断的时间占比进而控制外加热过程和内加热过程的加热功率分配比例以达到对锂离子电池的低温内外组合加热。

6.根据权利要求5所述的锂离子电池低温内外组合加热方法，其特征在于，所述外部加热板采用PTC加热板或PTC加热片；

和/或，所述IGBT模块为封装的IGBT模块，内部封装有并联连接的一个已有IGBT和一个已有反并联二极管。

7.根据权利要求5所述的锂离子电池低温内外组合加热方法，其特征在于，所述交流电源的电能来自外接交流电源；或，所述交流电源的电能来自电动汽车本身的锂离子电池。

8.根据权利要求5所述的锂离子电池低温内外组合加热方法，其特征在于，当第一开关与第二开关均闭合且PWM控制信号处于高电平时，为内外加热同时进行模式，通过建立等效电路分别计算内加热与外加热的加热功率并计算内外加热功率匹配比例，再通过PWM控制信号的占空比的改变调节内外加热功率分配比例，以达到对锂离子电池的低温内外组合加热；

当第一开关断开第二开关闭合时，或第一开关与第二开关均闭合且PWM控制信号处于低电平时，为内加热单独进行模式；

当第一开关闭合第二开关断开且PWM控制信号处于低电平时，或第一开关与第二开关均断开时，为非加热模式。

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