CN110034591A - 极寒环境锂离子电池组快速充电装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种极寒环境锂离子电池组快速充电装置及方法，包括：内置均衡模块和充电接口的复合隔热装置以及与之相连的温度管理模块、数据采集模块与充电控制模块，本发明针对现有极寒环境(‑40℃至‑65℃之间)快速充电技术的空白，通过高效的控制策略，使数据采集模块、均衡模块、充电控制模块、温度管理模块相互配合协调，实现极寒环境下电池组快速充电的需求。合理的隔热装置与新型石墨烯加热装置设计，与传统PI膜加热装置相比电池组预热时间缩短70％以上。极寒环境下本发明装置可在1小时内电池组充入75％的电量，在2小时左右快速充满大容量锂离子电池组。对于缩短极地科考设备其准备周期、延长电池组循环寿命、提高充电安全性具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池测试领域的技术，具体涉及一种在-40℃至-65℃的极寒环境下锂离子电池快速充电装置及方法。
背景技术
在极寒环境下(-40℃至-65℃)常规锂离子电池性能严重下降，尤其是充电性能会大幅度衰减。当电池表面温度降低到-20℃以下时，锂离子电池的内阻会迅速增大，容量迅速衰减。极寒环境下电池充电会导致电池表面出现鼓包，电池内部的锂离子析锂产生枝晶，严重的情况下会刺破隔膜，导致电池内部短路，造成严重的安全事故。目前极地科考设备急需采用低成本高性能常规锂离子电池组作为动力源或电源，所以亟需开发一种适用于极寒环境下锂离子电池组快速充电技术，提高科考设备的充电安全性、降低设备维护成本、缩短设备准备周期。
发明内容
本发明针对相关技术存在的一些不足，提出一种极寒环境锂离子电池组快速充电装置及方法，基于实验获得的极寒环境下锂离子电池电气特性参数，旨在将电池组迅速预热到最合适的充电温度，配合充电控制策略对电池组快速充电，再利用混合均衡电路缓解电池组容量不一致性，从而实现在-40℃到-65℃低温环境下对锂离子电池组进行快速、可靠的充电，对于提高科考设备的正常工作、降低设备维护成本、缩短设备准备周期具有重要意义。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：内置均衡模块和充电接口的复合隔热装置以及与之相连的温度管理模块、数据采集模块与充电控制模块，其中：锂离子电池组设置于复合隔热装置内部并分别与均衡模块和充电接口相连，均衡模块与锂离子电池组相连并实现电流反激均衡和被动均衡，数据采集模块与锂离子电池组相连并采集实时充电状态经分析后分别向温度管理模块和充电控制模块输出温度数字信息和电压数字信息，温度管理模块与复合隔热装置相连并基于采集的温度数字信息进行温度控制，输出调温电压以控制复合隔热装置内部温度，充电控制模块与充电接口相连并基于采集的电压数字信息和电流数字数字信息，输出充电电压。
所述的复合隔热装置还包括：充电接口、电池加热装置、用于放置电池组的箱体骨架、由隔热材料铺设的电池箱外板，其中：充电接口与充电控制模块相连并对锂离子电池组进行充电，电池加热装置与温度管理模块相连对锂离子电池组进行预热，复合隔热装置的箱体骨架采用abs工程塑料材料制成，在保证结构强度的同时实现轻量化，具体尺寸根据电池类型以及电池组规格决定；电池箱外板的隔热材料采用石棉隔热板并在外部铺设EVA泡棉层，导热系数小于0.018W/(m·K)，具有防水、防静电、隔热保温、较高的机械强度。
所述的电池加热装置由厚度为0.2mm，额定功率为1W/cm2的石墨烯加热片构成。加热实际尺寸由电池组规格决定，加热片紧密包裹电池组四周，电池之间夹入加热片。
所述的石墨烯加热片采用导电的石墨烯材料取代传统的电热丝，该石墨烯材料铺设在两片透明的聚乙烯薄膜之间，通电时碳原子发出大量的热辐射实现加热功能。
所述的数据采集模块包括：用于采集实时充电状态的电压采集单元、电流采集单元和温度采集单元，分别采集电池的端电压、充电电流、电池表面温度。
所述的电压采集单元通过内置的12通道16位模数转换(ADC)芯片与锂离子电池组中的各个单体电池的极耳相连以测量各单体电池的端电压模拟信息并转化成电压数字信息。
所述的电流采集单元通过霍尔传感器测量电池组电流模拟信息并转化成电流数字信息。
所述的温度采集单元通过热敏电阻测量电池表面温度模拟信息并转化成温度数字信息。
所述的均衡模块包括：反激式均衡单元和被动均衡单元。
所述的被动均衡单元中设有12路额定电流3A的N型金属-氧化物半导体场效应晶体管(N-MOSFET)、用于在均衡电路内起到分流电流与耗散电流能量的耗散电阻、用于控制12路N-MOSFET的通断来达到控制各单体电池被动均衡单元通断的被动式均衡控制芯片。
所述的反激式均衡单元包括：12路均衡电路和与之相连用于控制通断的反激式均衡控制芯片，每一路上包含一个额定电流为10A的N-MOSFET、变压器、肖基特二极管、滤波电容、用于测量均衡电流大小的精密电阻，其中：反激式均衡控制芯片控制变压器初级感应线圈上产生交变电流，引起次级感应线圈产生感应电动势从而导通次级均衡电路为电池充电。均衡峰值电流最大可达10A以上。
所述的温度管理模块通过串行外设接口(SPI)接收数据采集模块的温度数字信息，该温度控制器上优选设有继电器以实现加热装置的双位控制。
所述的充电控制模块采用具有中央计算单元(MCU)的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)充电电路，其中：MCU输出PWN信号控制IGBT通断频率，MCU实时读取数据采集模块输出的电压数字信息、温度数字信息和充电电流数据，计算电池组中各单体电池实时的SOC，基于预先设计的充电电流控制策略控制充电电流大小以及均衡模块的启停，实现电池组在低温下的快速充电及防止电池组出现过流与过充。
本发明涉及一种极寒环境锂离子电池组快速充电方法，首先通过对锂离子电池组进行预热，当预热温度到达设定温度时依次以1C、0.7C、0.5C、0.3C和0.1C倍率恒流充电；最后再对电池组进行恒压充电。
技术效果
与现有技术相比，本发明的技术效果包括：
1)采用新型石墨烯加热片，并电池箱内采用新型加热片布局。石墨烯加热片与传统的硅胶加热片(PI膜)相比具有重量轻、厚度小、加热功率大等特点。石墨烯加热片所产生的热量主要是以热辐射的形式传递给外界。而传统的PI膜依靠加热传导将热量传递给外界，加热器与电池组间的空隙会导致电池组温度分布不均。所以石墨烯加热片的加热效率更高、加热速度极快，所产生的温度场更加均匀。在加热片布局上，除了在电池组箱体四周布置加热片外，还在电池与电池之间夹入石墨烯加热片。电池箱内部铺设EVA泡棉。泡棉表面的铝塑膜可以有效的将石墨烯加热片释放的热辐射反射到电池组表面，在提高加热速度的同时减少了热量的耗散。相比传统加热方式，通过采用新型加热片与加热片布局，电池组从-65℃预热到25℃的时间仅为7分钟。与传统PI膜加热装置相比预热时间缩短70％以上，电池组内部温度场分布差从15℃左右减少到4℃内。
2)由于温度分布不均加大了电池组不一致性，通过反激式均衡+被动式均衡大幅减少电池不一致性对充电时间的影响。可以在2小时左右充满大容量锂离子电池组(各单体电池SOC>95％)，1小时内为电池组充入75％以上的电池容量。
3)是首次极寒环境下锂离子电池组快速充电装置的设计与开发，并通过极寒环境模拟舱在实验室中模拟出-65℃的极寒环境。对整套充电装置进行了多次测试，并根据充电测试结果优化了温度管理模块。温度管理模块可以基于环境温度和电池组SOC来决定电池组的预热温度，在不影响电池充电性能的前提下预热功耗保持在最低水平。并调整了温度传感器布置位置，从而能更准确的测量电池组实际温度。
4)通过大量模拟极寒环境下充电测试，制定了最合理的充电控制策略，对设备硬件与充电电流大小的控制与配合。所述的充电控制策略大幅缩短充电时间，并能有效延长电池组循环寿命。
附图说明
图1为本系统结构示意图；
图1中：101石棉隔热层、102EVA泡棉、103充电接口、104外部电源、105充电控制模块、106数据采集模块、107温度管理模块、108石墨烯加热片、109均衡模块；
图2为图1中电池组均衡模块内的被动均衡单元原理图；
图2中：201功率型耗散电阻、202N-MOSFET、203限流电阻；
图3为图1中单体电池反激式均衡单元原理图；
图3中：301被均衡单体电池正极、302被均衡单体电池负极、303N-MOSFET-Q1、304精密电阻-R1D、305反激式变压器、306精密电阻-R1I、307电池组负极、308N-MOSFET-Q2、309电池组正极、310初级均衡电路、311次级均衡电路；
图4为图1中温度控制模块控制流程图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例中充电控制模块105读取数据采集模块数据，利用其内置的基于扩展卡尔曼滤波器算法计算各单体电池的SOC；充电控制模块105通过控制均衡模块109实现各单体电池的电量均衡；充电控制模块105通过PWN信号驱动模块上IGBT的通断控制电池组充电电流大小；温度管理模块107通过控制石墨烯加热片电流的通断实现对电池组的预热。隔热装置分为两层，内层为102EVA泡棉，外层为石棉隔热板101；石墨烯加热片108包裹每一块电池，保证温度场均匀分布。
如图2所示，为所述的被动均衡单元结构示意图，该被动均衡单元由多个被动均衡支路组成，每一被动均衡支路包括依次串联的功率型耗散电阻组、额定电流为3A的N-MOSFET202和限流电阻203，每个功率型耗散电阻组由四个功率型耗散电阻201并联构成，每一个耗散电阻耗散功率为1W。201耗散电阻的数量可根据实际使用的需要酌情删减，从而可以得到不同的充电均衡效果。
所述的被动均衡是指：由于电池两端存在压差，当电路中202N-MOSFET导通后，被动均衡单元导通，此时201功率型耗散电阻内有电流流过。当充电电流大于耗散电流时，被动均衡单元起到分流充电电流作用。当充电电流小于耗散电流时，被动均衡单元起到减小被均衡电池SOC的功能。为了防止耗散电阻由于热电效应，出现过热烧毁，一般采用多个耗散电阻并联布局。
如图3所示，为所述的反激式均衡单元示意图，该反激式均衡单元包括初级均衡电路310和与之通过反激式变压器305相耦合的次级均衡电路311，其中：初级均衡电路310上的端口G1P受到反激式均衡控制芯片控制，分别用于控制反激式均衡单元中初级均衡电路310中额定电流为10A的N-MOSFET-Q1N-MOSFET的通断。精密电阻-R1D与精密电阻-R1I基于欧姆效应分别测量初级均衡电路310与次级均衡电路311中均衡电流的大小，并将电流信息通过端口I1P与端口I1S反馈给反激式均衡控制芯片。
所述的反激均衡是指：导通N-MOSFET-Q1303，初级均衡电路310内产生逐渐增大的电流，电流流过激变式变压器305的初级感应线圈。当精密电阻-R1D检测到初级均衡电路310中电流达到设定值时控制芯片关闭N-MOSFET-Q1。N-MOSFET此时激变式变压器305的次级线圈产生反激式感应电动势。此时肖基特二极管308导通。变压器上的感应电动势变为次级均衡电路311的感应电流，产生的电流可以为用于为需要充电的电池充电。当精密电阻-R1I检测到次级均衡电路311的内电流为0后，导通N-MOSFET-Q1，不断重复上述过程即达到电池组均衡效果，电路峰值均衡电流最大可达10A以上。
如图4所示，为图1所示极寒环境锂离子电池组快速充电装置中温度管理模块控制流程图。电池组加热装置由若干个石墨烯加热片组成。每个加热片附近布置多个热敏电阻温度测点。温度控制采用双位控制，当温度测点的温度与设定预热温度之差小于1℃时，热管理模块上特定的继电器打开，断开该温度测点边上的加热片电流输入。若测点温度与预热温度差大于1℃时，继电器吸合，加热片持续加热。当电池组内各单体电池SOC均达到95％以上时，认为电池组已经充满电，加热停止。
本实施例具体充电控制策略，包括以下步骤：
步骤1)温度采集模块监测电池组内温度分布，同时采集外部环境温度。基于外部环境温度与电池组内部温度、电池的SOC，由温度管理模块内置的算法计算出最优的预热温度，并将该温度作为设定温度。
步骤2)若预热温度到达设定温度，进入步骤3)开始充电。若预热温度未到达设定温度，返回步骤1)继续预热电池组。
所述的设定温度采用但不限于室温，如25℃。
步骤3)1C倍率恒流充电：
3.1)电流采集模块检测电池组充电电流大小。
3.2)电压采集模块检测各单体电池端电压。
3.3)MCU基于电流监测模块反馈的电流信号，通过PID控制律，调节输出的PWN信号的占空比，从而实现对充电电流大小的准确控制。
3.4)MCU基于扩展卡尔曼滤波算法、电池组电流数据、单体电池电压数字信息计算各单体电池的SOC。
3.5)当有单体锂离子电池SOC达到80％时，启动反激式均衡模块将SOC较大的电池中的电量转移到SOC较小的电池中。当被均衡的电池SOC降低到电池组SOC平均值后，均衡关闭。
3.6)当有单体电池端电压到达截止电压后，启动该单体电池外部的被动均衡单元，将部分充电电流分流至耗散电阻。被均衡的电池输出电压将出现回落，避免了对电池的过充。当被均衡电池SOC降低到电池组SOC平均值后，均衡关闭。
3.7)当被均衡的电池电压再次升至截止电压时，跳转至下一充电步骤。
步骤4)0.7C倍率对电池组恒流充电，重复步骤3.1-3.7。
步骤5)0.5C倍率对电池组恒流充电，重复步骤3.1-3.7。
步骤6)0.3C倍率对电池组恒流充电，重复步骤3.1-3.7。
步骤7)0.1C倍率对电池组恒流充电，重复步骤3.1-3.7。
步骤8)电池组恒压充电：
8.1)电流采集模块检测电池组充电电流大小。
8.2)电压采集模块检测各单体电池端电压。
8.3)充电控制模块的MCU基于电流监测模块反馈的电流信号，通过PID控制律，调节输出的PWN信号的占空比，从而实现对充电电流大小的准确控制。
8.4)启动反激式均衡模块将SOC较大的电池中的电量转移到SOC较小的电池中。
8.5)当充电电流小于0.02C时停止充电。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (9)
1.一种极寒环境锂离子电池组快速充电装置，其特征在于，包括：内置均衡模块和充电接口的复合隔热装置以及与之相连的温度管理模块、数据采集模块与充电控制模块，其中：锂离子电池组设置于复合隔热装置内部并分别与均衡模块和充电接口相连，均衡模块与锂离子电池组相连并实现电流反激均衡和被动均衡，数据采集模块与锂离子电池组相连并采集实时充电状态经分析后分别向温度管理模块和充电控制模块输出温度数字信息和电压数字信息，温度管理模块与复合隔热装置相连并基于采集的温度数字信息进行温度控制，输出调温电压以控制复合隔热装置内部温度，充电控制模块与充电接口相连并基于采集的电压数字信息和电流数字数字信息，输出充电电压。
2.根据权利要求1所述的极寒环境锂离子电池组快速充电装置，其特征是，所述的复合隔热装置还包括：充电接口、基于石墨烯加热片的电池加热装置、用于放置电池组的箱体骨架、由隔热材料铺设的电池箱外板，其中：充电接口与充电控制模块相连并对锂离子电池组进行充电，电池加热装置与温度管理模块相连对锂离子电池组进行预热。
3.根据权利要求2所述的极寒环境锂离子电池组快速充电装置，其特征是，所述的箱体骨架采用abs工程塑料材料制成，隔热材料采用石棉隔热板并在外部铺设EVA泡棉层。
4.根据权利要求2所述的极寒环境锂离子电池组快速充电装置，其特征是，所述的石墨烯加热片采用导电的石墨烯材料取代传统的电热丝，该石墨烯材料铺设在两片透明的聚乙烯薄膜之间，通电时碳原子发出大量的热辐射实现加热功能。
5.根据权利要求1所述的极寒环境锂离子电池组快速充电装置，其特征是，所述的数据采集模块包括：用于采集实时充电状态的电压采集单元、电流采集单元和温度采集单元，分别采集电池的端电压、充电电流、电池表面温度。
6.根据权利要求5所述的极寒环境锂离子电池组快速充电装置，其特征是，所述的电压采集单元通过内置的12通道16位ADC芯片与锂离子电池组中的各个单体电池的极耳相连以测量各单体电池的端电压模拟信息并转化成电压数字信息；所述的电流采集单元通过霍尔传感器测量电池组电流模拟信息并转化成电流数字信息；所述的温度采集单元通过热敏电阻测量电池表面温度模拟信息并转化成温度数字信息。
7.根据权利要求1所述的极寒环境锂离子电池组快速充电装置，其特征是，所述的均衡模块包括：反激式均衡单元和被动均衡单元，其中：
所述的被动均衡单元中设有12路额定电流3A的N-MOSFET、用于在均衡电路内起到分流电流与耗散电流能量的耗散电阻、用于控制12路N-MOSFET的通断来达到控制各单体电池被动均衡单元通断的被动式均衡控制芯片；
所述的反激式均衡单元包括：12路均衡电路和与之相连用于控制通断的反激式均衡控制芯片，每一路上包含一个额定电流为10A的N-MOSFET、变压器、肖基特二极管、滤波电容、用于测量均衡电流大小的精密电阻，其中：反激式均衡控制芯片控制变压器初级感应线圈上产生交变电流，引起次级感应线圈产生感应电动势从而导通次级均衡电路为电池充电。
8.根据权利要求1所述的极寒环境锂离子电池组快速充电装置，其特征是，所述的充电控制模块采用具有MCU的IGBT充电电路，其中：MCU输出PWN信号控制IGBT通断频率，MCU实时读取数据采集模块输出的电压数字信息、温度数字信息和充电电流数据，计算电池组中各单体电池实时的SOC，基于预先设计的充电电流控制策略控制充电电流大小以及均衡模块的启停，实现电池组在低温下的快速充电及防止电池组出现过流与过充。
9.一种根据上述任一权利要求所述装置的极寒环境锂离子电池组快速充电方法，其特征在于，首先通过对锂离子电池组进行预热，当预热温度到达设定温度时依次以1C、0.7C、0.5C、0.3C和0.1C倍率恒流充电；最后再对电池组进行恒压充电。
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