CN109130816A - 电池加热装置及电动汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种电池加热装置及电动汽车，属于电池管理领域。该装置包括：电容模块、开关模块、检测模块以及控制模块，其中，所述检测模块用于检测所述电容模块的电压和所述电池的温度；所述控制模块用于：根据所述电容模块的电压，控制所述开关模块进行开闭以循环执行以下操作，使所述电池加热：所述电池对所述电容模块充电以及所述电容模块对所述电池放电；以及根据所述电池的温度，控制所述开关模块进行断开，以使所述电池停止加热。该电池加热装置及电动汽车的电路简单、控制简单、成本低且可靠性高。

Description

电池加热装置及电动汽车
技术领域
本发明涉及电池管理，具体地涉及电池加热装置及电动汽车。
背景技术
电动汽车的电池在低温时内阻增加、充放电电流变小且充放电功率受限。因此低温环境下对锂电池充电或使用前，必须对电池进行预加热，需将其加热至正常温度范围。电动汽车车载的电池管理系统(BMS)对电池加热的方式大体可分外部加热与内部加热两大类。
外部加热方式有空气加热、液体加热、相变材料加热以及热阻加热器或者热泵加热。这些加热方式一般位于电池包中，或者设置在热循环介质的容器中。一般采用对电池加热的方法，是用加热后的“冷却液”通过电池散热片从电芯外部来给电池包的电芯加热，但该方法由于是从外部加热，需要先加热电芯壳体，然后再间接传递到电解液和电池的正、负极，加热效率较低。
内部加热法加热电池，则是通过交流电流激励电池内部电化学物质，使电池本身产生热量。相比于外部加热来说，交流激励加热结构设计上会相对简单，它在电池正负极加载一定频率的交流激励，激励作用在电池内部电化学物质上，起到为电池加热的作用。例如使用电感组成的电路实现，但是电路比较复杂且成本高。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种电池加热装置及电动汽车，电池加热装置及电动汽车的电路简单、控制简单、成本低且可靠性高。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种电池加热装置，该装置包括：电容模块、开关模块、检测模块以及控制模块，其中，所述检测模块用于检测所述电容模块的电压和所述电池的温度；所述控制模块用于：根据所述电容模块的电压，控制所述开关模块进行开闭以循环执行以下操作，使所述电池加热：所述电池对所述电容模块充电以及所述电容模块对所述电池放电；以及根据所述电池的温度，控制所述开关模块进行断开，以使所述电池停止加热。
优选地，所述电容模块包括第一电容以及第二电容，所述开关模块包括第一开关、第二开关以及第三开关，其中，在所述第一开关和所述第二开关闭合，所述第三开关断开时，所述第一电容和所述第二电容并联；在所述第一开关和所述第二开关断开，所述第三开关闭合时，所述第一电容和所述第二电容串联。
优选地，所述第一开关连接在所述电池的正极和所述第一电容的一端之间，所述第一电容的另一端连接所述电池的负极；所述第二电容连接在所述电池的正极和所述第二开关的一端之间，所述第二开关的另一端连接所述电池的负极；所述第三开关连接在所述第一电容和所述第二电容之间。
优选地，所述第一开关、所述第二开关以及所述第三开关是IGBT开关。
优选地，所述根据所述电池的温度控制所述开关模块进行断开包括：在所述电池的温度大于等于温度阈值时，控制所述第一开关、所述第二开关以及所述第三开关断开。
优选地，所述根据所述电容模块的电压控制所述开关模块进行开闭来控制所述电池对所述电容模块充电包括：在所述第一电容和所述第二电容的电压的和为预设范围的电池的电压时，控制所述第一开关和所述第二开关闭合，所述第三开关断开，以使所述电池对所述第一电容和所述第二电容充电。
优选地，所述根据所述电容模块的电压控制所述开关模块进行开闭来控制所述电容模块对所述电池放电包括：在所述第一电容和所述第二电容的电压为预设范围的电池的电压时，控制所述第一开关和所述第二开关断开，所述第三开关闭合，以使所述第一电容和所述第二电容对所述电池放电。
优选地，所述预设范围为90％-110％。
本发明实施例还提供一种电动汽车，该电动汽车包括上文所述的电池加热装置。
通过上述技术方案，采用本发明提供的电池加热装置和电动汽车，该装置包括：电容模块、开关模块、检测模块以及控制模块，其中，所述检测模块用于检测所述电容模块的电压和所述电池的温度；所述控制模块用于根据所述电容模块的电压，控制所述开关模块进行开闭以循环执行所述电池对所述电容模块充电以及所述电容模块对所述电池放电，使所述电池加热；以及根据所述电池的温度，控制所述开关模块进行断开，以使所述电池停止加热。本发明利用电池的内阻，使用电容通过瞬时的充放电电流在内阻上产生热量，电路简单、控制简单、成本低且可靠性高。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明一实施例提供的电池加热装置的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的电池加热装置的电路的示意图；
图3是本发明一实施例提供的电池加热装置充电电路的示意图；
图4是本发明一实施例提供的电池加热装置放电电路的示意图。
附图标记说明
1 电容模块 2 开关模块
3 检测模块 4 控制模块
S1 第一开关 S2 第二开关
S3 第三开关 C1 第一电容
C2 第二电容。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
图1是本发明一实施例提供的电池加热装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括：电容模块1、开关模块2、检测模块3以及控制模块4，其中，所述检测模块3用于检测所述电容模块1的电压和所述电池的温度；所述控制模块4用于：根据所述电容模块1的电压，控制所述开关模块2进行开闭以循环执行以下操作，使所述电池加热：所述电池对所述电容模块1充电以及所述电容模块1对所述电池放电；以及根据所述电池的温度，控制所述开关模块2进行断开，以使所述电池停止加热。
与直流电流加热相比，交流电流或正负方波电流在放电和充电周期内都可以加热电池，使得电池温度上升，而电池荷电状态(SOC)基本上是不变的。使用交变的电流直接对锂离子电池加热，仅仅利用电池内部的电阻效应产热。测试结果表明，在一定倍率的电流下，不同的SOC状态下和不同温度下(-20℃～40℃)的不同的电池都会快速产热。
本发明实施例只使用电容和开关，控制简单、体积小，重量轻、可靠性高。内部加热，本质上是能量在电池和其它器件之间流动和交换，交换过程中产生的电流对电池产生了加热作用。本发明实施例就是电池先把能量充到电容，电容再把能量放给电池。
除了控制开关模块2以外，控制模块4不进行其它控制，因此本发明实施例在已知电池的电压的时候，检测电容模块1的电压，并根据电容模块1的电压控制开关模块2，以完成电池充电到电容以及电容放电给电池。另外，本发明实施例的目的是对电池进行加热，在电池的温度足够时就不需继续加热。因此本发明实施例还检测电池的温度，在多次充放电后，控制模块4还根据电池的温度控制开关模块2，以在电池的温度足够时停止加热。具体的控制方式将在下文详述。
图2是本发明一实施例提供的电池加热装置的电路的示意图。如图2所示，所述电容模块1包括第一电容C1以及第二电容C2，所述开关模块2包括第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3，其中，所述第一开关S1、所述第二开关S2以及所述第三开关S3是IGBT开关，在所述第一开关S1和所述第二开关S2闭合，所述第三开关S3断开时，所述第一电容C1和所述第二电容C2并联；在所述第一开关S1和所述第二开关S2断开，所述第三开关S3闭合时，所述第一电容C1和所述第二电容C2串联。
本发明实施例通过切换第一电容C1和第二电容C2的串并联方式来改变连接电池的电容的电压，从而可以控制充放电。例如，本发明实施例中，在第一开关S1和第二开关S2闭合，第三开关S3断开时，第一电容C1以及第二电容C2并联，此时连接电池的电容的电压为第一电容C1和第二电容C2的电压叠加；在第一开关S1和第二开关S2断开，第三开关S3闭合时，第一电容C1和第二电容C2串联，此时连接电池的电容的电压为第一电容C1和第二电容C2各自的电压。利用该原理，可以仅控制开关来控制第一电容C1、第二电容C2以及电池的充放电，即，在第一电容C1和第二电容C2串联时，充放电结束后二者的电压的和为预设范围(优选为90％-110％)的电池的电压(均大概为电池的电压的一半)，此时将二者并联，电池会对二者进行充电；在第一电容C1和第二电容C2并联时，充放电结束后二者的电压为预设范围(优选为90％-110％)的电池的电压(均大概等于电池的电压)，此时将二者串联，二者会对电池进行放电。
另外，由于实际运行中，本发明实施例提供的电池加热装置的充电过程以及放电过程均极为短暂，导致第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3会以极快的频率开闭，因此普通开关难以完美完成开闭任务，对此，本发明实施例使用的第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3为IGBT开关，IGBT开关可以用来以极快的频率进行开闭，从而可以更适合本发明实施例提供的电池加热装置。
对于上述控制开关开闭以切换串并联的技术方案，本发明实施例提供一种如图2的电池、第一开关S1、第二开关S2、第一电容C1、第二电容C2以及第三电容的连接结构。即，所述第一开关S1连接在所述电池的正极和所述第一电容C1的一端之间，所述第一电容C1的另一端连接所述电池的负极；所述第二电容C2连接在所述电池的正极和所述第二开关S2的一端之间，所述第二开关S2的另一端连接所述电池的负极；所述第三开关S3连接在所述第一电容C1和所述第二电容C2之间。当然，也有其它连接结构可以实现上述技术方案，在此不再赘述。
图3是本发明一实施例提供的电池加热装置充电电路的示意图。如图3所示，其中箭头为在两个回路中产生的短时大电流，在所述第一电容C1和所述第二电容C2的电压的和为预设范围的电池的电压时，控制所述第一开关S1和所述第二开关S2闭合，所述第三开关S3断开，以使所述电池对所述第一电容C1和所述第二电容C2充电。
设电池的电压400V，在第一电容C1和第二电容C2的电压的和小于电池的电压时，无论串联还是并联，都可进行充电，但是当第一电容C1和第二电容C2的电压的和等于电池的电压时，串联第一电容C1和第二电容C2无法使电池对第一电容C1和第二电容C2进行充电，即串联充电仅可以将第一电容C1和第二电容C2的和充电到电池的电压400V。但是此时也不能使第一电容C1和第二电容C2对电池进行放电，如需对电池继续加热，此时必须要改变串并联方式，即将第一电容C1和第二电容C2由串联改变为并联继续进行充电。
因此在本发明实施例中，可以在需要对第一电容C1和第二电容C2充电时，直接将第一开关S1和第二开关S2闭合，第三开关S3断开，使第一电容C1和第二电容C2并联进行充电，直到第一电容C1和第二电容C2的电压为电池的电压(400V)时，此时对于等于电池电压的电容无论串联或并联都无法继续充电，相比于上述串联充电可以一步到位，减少开关动作次数。
图4是本发明一实施例提供的电池加热装置放电电路的示意图。如图4所示，其中箭头为在回路中产生的短时大电流，在所述第一电容C1和所述第二电容C2的电压为预设范围的电池的电压时，控制所述第一开关S1和所述第二开关S2断开，所述第三开关S3闭合，以使所述第一电容C1和所述第二电容C2对所述电池放电。
由于充电不可能使第一电容C1和第二电容C2的各自电压超过电池的电压(400V)，因此只有将第一电容C1和第二电容C2串联才可以对电池进行放电。在本发明实施例中，可以在第一电容C1和第二电容C2的电压为预设范围的电池的电压时(理论上充电不会使第一电容C1和第二电容C2的电压大于电池电压，但可能有其它因素影响了电压)，控制所述第一开关S1和所述第二开关S2断开，所述第三开关S3闭合，使第一电容C1和第二电容C2串联进行放电，直到第一电容C1和第二电容C2的电压的和为预设范围的电池的电压时，此时第一电容C1和第二电容C2无论串联或并联都无法继续放电。
在第一电容C1和第二电容C2无法继续放电时，需要电池对第一电容C1和第二电容C2再次进行充电，在电池无法对第一电容C1和第二电容C2继续充电时，再次使第一电容C1和第二电容C2进行充电，如此循环重复，直到在电池的温度大于等于温度阈值时，控制第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3断开，结束对电池的加热。
以下整体描述本发明提供的电池加热装置的工作流程：
正常运行时，第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3处于断开状态，第一电容C1和第二电容C2未接入系统；
第一步：加热时，先闭合第一开关S1和第二开关S2，电池通过第一开关S1和第二开关S2给两个并联的第一电容C1和第二电容C2充电，使第一电容C1和第二电容C2快速充电到约等于电池电压，与此同时，回路电流下降直到为0；
第二步：先断开第一开关S1和第二开关S2；
第三步：再合上第三开关S3。此时，第一电容C1和第二电容C2串联，他们的电压叠加(叠加后电压约为电池的电压的两倍)，所以，第一电容C1和第二电容C2开始对电池放电，叠加后电压降低至电池的电压，同时放电电流快速降低直到为0，此时第一电容C1和第二电容C2的电压的和约等于电池的电压；
重复：第一步，对第一电容C1和第二电容C2两个并联电容充电；以及第二、三步，第一电容C1和第二电容C2两个串联电容对电池放电。
在此过程中检测电池包温度，当温度达到温度阈值时，第一开关S1、第二开关S2以及第三开关S3断开，结束加热。
相比于使用电感，本发明实施例使用电容具有更多优势，具体地，按电容1μF，电压400V进行计算，充电后每个电容的能量增加为C×U2/2-C×(U/2)2/2＝0.06J，从800V放电到400V时，放出的能量同样为0.06J，2个电容则是0.12J。
而使用电感时，当使用100A的电感，要达到0.12J的能量，根据电感能量0.5×L×I2，相应的电感值为24μH。100A、24μH的电感体积、重量、成本比电容高很多。
本发明实施例还提供一种电动汽车，该电动汽车包括上文所述的电池加热装置。
通过上述技术方案，采用本发明提供的电池加热装置和电动汽车，该装置包括：电容模块、开关模块、检测模块以及控制模块，其中，所述检测模块用于检测所述电容模块的电压和所述电池的温度；所述控制模块用于根据所述电容模块的电压，控制所述开关模块进行开闭以循环执行所述电池对所述电容模块充电以及所述电容模块对所述电池放电，使所述电池加热；以及根据所述电池的温度，控制所述开关模块进行断开，以使所述电池停止加热。本发明利用电池的内阻，使用电容通过瞬时的充放电电流在内阻上产生热量，电路简单、控制简单、成本低且可靠性高。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (9)

1.一种电池加热装置，其特征在于，该装置包括：
电容模块、开关模块、检测模块以及控制模块，其中，
所述检测模块用于检测所述电容模块的电压和所述电池的温度；
所述控制模块用于：
根据所述电容模块的电压，控制所述开关模块进行开闭以循环执行以下操作，使所述电池加热：所述电池对所述电容模块充电以及所述电容模块对所述电池放电；以及
根据所述电池的温度，控制所述开关模块进行断开，以使所述电池停止加热。
2.根据权利要求1所述的电池加热装置，其特征在于，
所述电容模块包括第一电容以及第二电容，所述开关模块包括第一开关、第二开关以及第三开关，其中，
在所述第一开关和所述第二开关闭合，所述第三开关断开时，所述第一电容和所述第二电容并联；
在所述第一开关和所述第二开关断开，所述第三开关闭合时，所述第一电容和所述第二电容串联。
3.根据权利要求2所述的电池加热装置，其特征在于，所述第一开关连接在所述电池的正极和所述第一电容的一端之间，所述第一电容的另一端连接所述电池的负极；所述第二电容连接在所述电池的正极和所述第二开关的一端之间，所述第二开关的另一端连接所述电池的负极；所述第三开关连接在所述第一电容和所述第二电容之间。
4.根据权利要求2或3所述的电池加热装置，其特征在于，所述第一开关、所述第二开关以及所述第三开关是IGBT开关。
5.根据权利要求2所述的电池加热装置，其特征在于，所述根据所述电池的温度控制所述开关模块进行断开包括：
在所述电池的温度大于等于温度阈值时，控制所述第一开关、所述第二开关以及所述第三开关断开。
6.根据权利要求2所述的电池加热装置，其特征在于，所述根据所述电容模块的电压控制所述开关模块进行开闭来控制所述电池对所述电容模块充电包括：
在所述第一电容和所述第二电容的电压的和为预设范围的电池的电压时，控制所述第一开关和所述第二开关闭合，所述第三开关断开，以使所述电池对所述第一电容和所述第二电容充电。
7.根据权利要求2所述的电池加热装置，其特征在于，所述根据所述电容模块的电压控制所述开关模块进行开闭来控制所述电容模块对所述电池放电包括：
在所述第一电容和所述第二电容的电压为预设范围的电池的电压时，控制所述第一开关和所述第二开关断开，所述第三开关闭合，以使所述第一电容和所述第二电容对所述电池放电。
8.根据权利要求6或7所述的电池加热装置，其特征在于，所述预设范围为90％-110％。
9.一种电动汽车，其特征在于，该电动汽车包括权利要求1-8中任意一项权利要求所述的电池加热装置。
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