CN111216600A - 一种可调加热速度的电池系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可调加热速度的电池系统及其控制方法，所述电池系统包括电池组、加热片、功率控制模块、电池管理系统；当电池组的温度低于预设的自加热开启温度时，开启功率控制模块，电池管理系统将采集到的电池组状态信息传递给功率控制模块，功率控制模块通过PWM信号调节加热片的电流通断时间及开关频率来调节加热功率和加热速度，从而实现电池自加热；当电池组的温度达到预设的自加热关闭温度时，关闭功率控制模块，停止加热；其中，所述功率控制模块进一步包括电流调整模块、电流采集模块和加热控制模块；本发明可实现动力电池系统在低温下加热速率快、续驶里程长、低温下可快速充电的有益效果。

Description

一种可调加热速度的电池系统及其控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车的电池技术领域，尤其涉及一种可调加热速度的电池系统及其控制方法。
背景技术
随着新能源行业的迅猛发展，电动汽车已经普及到全世界各个地方。电动汽车的核心是电池系统，电池系统的充放电性能在很大程度上影响电动汽车的动力性、经济性。一方面，电动汽车在低温条件下，电池系统充放电功率低，在很大程度上影响电动汽车的动力性、、续驶里程和充电时间等，用户抱怨多；另一个方面，虽然应用于低温地区的电动汽车，其电池系统已具备加热系统及保温系统，但都存在加热功率低、速度慢、保温效果差的问题。
上述两方面原因严重影响了电动汽车在低温地区的使用推广，严重影响了客户的使用体验。因此，为了解决上述两个问题，开发一种安全可靠的具有快速自加热且可调加热速度功能的电池系统是十分有必要的。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述缺陷，提供一种可调加热速度的电池系统及其控制方法，以解决现有技术中电池系统加热功率不可调节、加热速度慢的问题，实现电池系统加热速率快、故障率低、维护难度小和安全性好的有益效果。
本发明的技术方案是这样实现的：
提供一种可调加热速度的电池系统，所述电池系统包括电池组、加热片、功率控制模块、电池管理系统；其中，所述电池组分别与加热片及功率控制模块进行电气连接；所述功率控制模块分别与电池组、加热片及电池管理系统进行电气连接；
当电池组的温度低于预设的自加热开启温度时，开启功率控制模块，电池管理系统将采集到的电池组状态信息传递给功率控制模块，功率控制模块通过PWM(脉冲宽度调制)信号调节加热片的电流通断时间及频率来调节加热功率和加热速度，从而实现电池自加热；当电池组的温度达到预设的自加热关闭温度时，关闭功率控制模块，停止加热；
其中，所述功率控制模块进一步包括电流调整模块、电流采集模块和加热控制模块，所述电流调整模块与加热片、电流采集模块、加热控制模块进行电气连接，用于调整流经加热片的电流，从而调整系统加热功率；所述加热控制模块与电流采集模块、电流调整模块及电池管理系统进行电气连接，加热控制模块与电池管理系统进行信息交互，加热控制模块向电流调整模块发送电流调整命令，加热控制模块读取电流采集模块采集到的加热电流。
电池管理系统采集的电池组状态信息具体为，单体电池最高电压，单体电池单体平均电压、单体电池最低电压、单体电池最高温度、单体电池最低温度、单体电池压差、电池组整体电压、电池组整体温度、电池组绝缘状态、电池加热运行模式等，用于向电流调整模块设置加热功率。
进一步地，所述电池管理系统与加热控制模块进行信息交互，具体为：电池管理系统向加热控制模块发送车辆状态信息及加热运行模式需求，所述加热运行模式包括驻车加热模式、行驶加热模式、直流充电加热模式、交流充电加热模式；其中，直流充电加热模式、交流充电加热模式通过充电机实现充电加热，具有两种运行方式可选，一种为：通过充电机向加热片单独提供高压进行加热，另一种为：充电机向电池组与加热片同时提供高压供电。
电池管理系统，对所采集电池组状态信息进行运算，选择当前加热运行模式，并将当前加热运行模式发送至加热控制模块。在加热过程中，电池管理系统向加热控制模块实时发送电池组当前状态信息。
进一步地，所述电流调整模块包括开关电子元器件、隔离驱动单元、隔离电源，通过PWM信号控制加热电流通断时间和开关频率；
其中开关电子元器件为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)、可控硅、继电器等中任一具有导通和关断功能或具备导通角可调整的电子元器件。优选地，当电流调整模块为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)时，其电路具体为包括隔离驱动单元、隔离电源及IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，处理器功率控制模块输出PWM信号经隔离驱动单元后，产生IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的控制信号，隔离驱动单元由隔离电源供电。
进一步地，所述电流采集模块包括霍尔传感器、LDO(低压差线性稳压器)、端口防护电路、信号调理电路，霍尔传感器将采集到电流信号通过端口防护电路和信号调整电路后传输至电流采集模块接口。霍尔传感器将采集到电流信号的传输通道分为高量程通道和低量程通道，其中，高量程通道将高频电流信号通过端口防护电路一和信号调整电路一后传输至电流采集模块接口一，低量程通道将低频电流信号通过端口防护电路二和信号调整电路二后传输至电流采集模块接口二。
进一步地，所述加热控制模块通过脉冲宽度调制信号对电流调整模块进行控制。所述加热控制模块包括MCU控制器、电源电路、时钟、CAN通信芯片、电流调整模块接口、电流采集模块接口和电池管理系统接口，MCU控制器通过CAN通信芯片与电池管理系统接口连接，MCU控制器通过PWM产生模块与电流调整模块接口连接，MCU控制器通过ADC通道与电流采集模块接口连接。
进一步地，所述加热片为镍片、铜片、铝片、铁片、石墨片、PTC加热器或加热薄膜中一种或多种。
进一步地，所述加热片由多个单独加热片单元通过串联连接、并联连接或串并联混合连接而成；所述加热片设置在单体电池内部、单体电池外部、电池组模组底部、电池模组顶部或电池组模组侧面。
进一步地，所述电池组由多个单体电池串联、并联或串并联混合所组成；其中，所述单体电池为磷酸铁锂电池、三元锂电池、锰酸锂电池、固态锂电池、镍氢电池、镍镉电池、银锌电池、燃料电池或铅酸电池中的一种，优选地，单体电池数量为1至9999个。
本发明还涉及了一种可调节加热速度的电池系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤1)：将可调节加热速度的电池系统初始化，通过电池管理系统实时采集当前电池组信息，将所采集到的电池组信息进行运算，选择当前电池组加热运行模式，电池管理系统将加热控制模块所需电池组的状态信息及加热运行模式发送至加热控制模块；所述加热运行模式分为驻车加热模式、行驶加热模式、直流充电加热模式、交流充电加热模式四种；
步骤2)：加热控制模块根据接收到的电池组加热运行模式信息，切换加热控制模块至相应的加热运行模式；加热控制模块根据当前加热运行模式设定的参数，向电流调整模块发送对应的PWM信号，以实时调整加热回路电流值；加热控制模块接收电流采集模块反馈的电流值，调整PWM信号，使实际电流值达到设定值，实现闭环控制，同时诊断加热回路是否产生故障；若存在故障，则依据故障等级判断是否停止当前加热运行模式或降低加热功率，若无故障，则继续进行当前加热运行模式；
步骤3)：当电池组中的单体电池的温度、温差、压差达到预设阈值，或者单体电池的电压、绝缘电阻低于预设阈值时，进行报警，加热控制模块向电流调整模块发送加热功率为零的控制指令；
步骤4)：向电池管理系统发送关闭加热运行模式请求，退出当前加热运行模式；并返回至步骤1)。
进一步地，加热控制模块判断加热片、电流调整模块、电流采集模块是否发生故障，电流调整模块响应加热控制模块的故障操作。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
通过适配设置加热片、电流调整模块、电流采集模块、加热控制模块、电池管理系统，并且将加热运行模式分为驻车加热模式、行驶加热模式、直流充电加热模式、交流充电加热模式四种，解决现有技术中电池组加热效率低、加热方式单一、加热功率不可调节的问题，实现动力电池系统在低温下加热速率快、续驶里程长、低温下可快速充电的有益效果。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明的可调节加热速度的电池系统原理图；
图2是本发明的电流调整模块电路原理图；
图3是本发明的电流采集模块相关电路原理图；
图4是本发明的加热控制模块电路原理图。
其中，电池组1、加热片2、功率控制模块3、电流调整模块4、电流采集模块5、电池管理系统6、加热控制模块7
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
如图1-4所示，一种可调加热速度的电池系统，所述电池系统包括电池组1、加热片2、功率控制模块3、电池管理系统6；其中，所述电池组1分别与加热片2及功率控制模块3进行电气连接；所述功率控制模块3分别与电池组1、加热片2及电池管理系统6进行电气连接。
当电池组1的温度低于预设的自加热开启温度时，开启功率控制模块3，电池管理系统6将采集到的电池组1状态信息传递给功率控制模块3，功率控制模块3通过PWM(脉冲宽度调制)信号调节加热片2的电流通断时间及频率来调节加热功率和加热速度，从而实现电池自加热；当电池组1的温度达到预设的自加热关闭温度时，关闭功率控制模块3，停止加热。
其中，所述功率控制模块3进一步包括电流调整模块4、电流采集模块5和加热控制模块7，所述电流调整模块4与加热片2、电流采集模块5、加热控制模块7进行电气连接，用于调整流经加热片2的电流，从而调整系统加热功率；所述加热控制模块7与电流采集模块5、电流调整模块4及电池管理系统6进行电气连接，加热控制模块7与电池管理系统6进行信息交互，加热控制模块7向电流调整模块4发送电流调整命令，加热控制模块7读取电流采集模块5采集到的加热电流。
电池管理系统6采集的电池组1状态信息具体为：单体电池最高电压，单体电池单体平均电压、单体电池最低电压、单体电池最高温度、单体电池最低温度、单体电池压差、电池组1整体电压、电池组1整体温度、电池组1绝缘状态、电池加热运行模式等，用于向电流调整模块4设置加热功率。
所述电池管理系统6与加热控制模块7进行信息交互，具体为：电池管理系统6向加热控制模块7发送车辆状态信息及加热运行模式需求，所述加热运行模式包括驻车加热模式、行驶加热模式、直流充电加热模式、交流充电加热模式；其中，直流充电加热模式、交流充电加热模式中具有两种运行方式可选，一种为：通过充电机向加热片2单独提供高压进行加热，另一种为：充电机向电池组1与加热片2同时提供高压供电。
电池管理系统6，对所采集电池组1状态信息进行运算，选择当前加热运行模式，并将当前加热运行模式发送至加热控制模块7。在加热过程中，电池管理系统6向加热控制模块7实时发送电池组1当前状态信息。
所述电流调整模块4包括开关电子元器件、隔离驱动单元、隔离电源，通过PWM信号控制加热电流通断时间；其中开关电子元器件为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)、可控硅、继电器等中任一具有导通和关断功能或具备导通角可调整的电子元器件。优选地，当电流调整模块4的开关电子元器件为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)时，电流调整模块4可具体为包括隔离驱动单元、隔离电源及IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，加热控制模块7输出PWM信号经隔离驱动单元后，产生IGBT(绝缘栅双极型晶体管)的控制信号，隔离驱动单元由隔离电源供电。
所述电流采集模块5包括霍尔传感器、LDO(低压差线性稳压器)、端口防护电路、信号调理电路，霍尔传感器将采集到电流信号通过端口防护电路和信号调整电路后传输至ADC通道。具体地，霍尔传感器将采集到电流信号的传输通道分为高量程通道和低量程通道，其中，高量程通道将高频电流信号通过端口防护电路一和信号调整电路一后传输至电流采集模块接口一，低量程通道将低频电流信号通过端口防护电路二和信号调整电路二后传输至电流采集模块接口二。
所述加热控制模块7通过PWM信号对电流调整模块4进行控制。所述加热控制模块7包括MCU控制器、电源电路、时钟、CAN通信芯片、电流调整模块接口、电流采集模块接口和电池管理系统接口，MCU控制器通过CAN通信芯片与电池管理系统接口连接，MCU控制器通过PWM产生模块与电流调整模块接口连接，MCU控制器通过ADC通道与电流采集模块接口连接。
所述加热片2为镍片、铜片、铝片、铁片、石墨片、PTC加热器或加热薄膜中一种或多种。
所述加热片2由多个单独加热片单元通过串联连接、并联连接或串并联混合连接而成；所述加热片2设置在单体电池内部、单体电池外部、电池组1模组1底部或电池组1模组侧面。
所述电池组1由多个单体电池串联、并联或串并联混合所组成；其中，所述单体电池为磷酸铁锂电池、三元锂电池、锰酸锂电池、固态锂电池、镍氢电池、镍镉电池、银锌电池、燃料电池或铅酸电池中的一种，优选地，单体电池数量为1至9999个。
基于以上的一种可调节加热速度的电池系统，其控制方法，包括如下步骤：
步骤1)：将可调节加热速度的电池系统初始化，通过电池管理系统6实时采集当前电池组1信息，将所采集到的电池组1信息进行运算，选择当前电池组1加热运行模式，电池管理系统6将加热控制模块7所需电池组1的状态信息及热运行模式发送至加热控制模块7；所述加热运行模式分为驻车加热模式、行驶加热模式、直流充电加热模式、交流充电加热模式四种；
步骤2)：加热控制模块7根据接收到的电池组1加热运行模式信息，切换加热控制模块7至相应的加热运行模式；加热控制模块7根据当前加热运行模式设定的参数，向电流调整模块4发送对应的PWM信号，以实时调整加热回路电流值；加热控制模块7接收电流采集模块5反馈的电流值，调整PWM信号，使实际电流值达到设定值，实现闭环控制，同时诊断加热回路是否产生故障；若存在故障，则依据故障等级判断是否停止当前加热运行模式或降低加热功率，若无故障，则继续进行当前加热运行模式；
步骤3)：当电池组1中的单体电池的温度、温差、压差高于预设阈值，或者单体电池的电压、绝缘电阻低于预设阈值时，进行报警，加热控制模块7向电流调整模块4发送加热功率为零的控制指令；
步骤4)：向电池管理系统6发送关闭加热运行模式请求，确认后退出当前加热运行模式；并返回至步骤1)，等待下一次加热运行模式。
进一步地，加热控制模块7判断加热片2、电流调整模块4、电流采集模块5是否发生故障，电流调整模块4响应加热控制模块7的故障操作。
为了验证本发明的技术效果，通过以下几个具体实施例来进行说明。
实施例1：
单体电池采用锂离子电池，单体容量为70Ah，额定电压为3.7V，电池系统为4并36串，电池加热片2采用镍片，阻值为80mΩ，加热片2内置电池内部，加热片2的连接方式为4并36串，环境温度为-20℃，电池管理系统6向加热控制模块7发送驻车加热模式。电池管理系统6发送加热模式给加热控制模块7后，PWM发送占空比为100％，加热控制模块7迅速启动，IGBT100％导通，以最大速度加热，加热电流最大为147A，电池系统温度以每5℃/min的速度迅速上升，当电池温度达到设定停止加热温度10℃时，加热控制模块7停止加热动作，加热停止。此时电池温度已经达到10℃以上，车辆可以启动行驶，或进行充电。
实施例2：
单体电池采用锂离子电池，单体容量为70Ah，额定电压为3.7V，电池系统为4并36串，电池加热片2采用镍片，阻值为80mΩ，加热片2内置电池内部，加热片2的连接方式为4并36串，环境温度为-20℃，车辆插入直流充电机，电池管理系统6发送直流充电加热模式给加热控制模块7。加热控制模块7发送PWM占空比为60％，加热控制模块7启动，控制IGBT脉冲工作，加热开始，加热电流为149A，充电机输出电流设定为60A，电池系统温度以每5℃/min的速度迅速上升，当电池温度达到充电停止加热温度10℃时，加热控制模块7停止加热动作，加热停止，充电机继续工作，电池管理系统6发送充电电流请求为140A，电池开始充电，充电SOC(剩余电量)达到100％时停止充电。
实施例3：
单体电池采用锂离子电池，单体容量为70Ah，额定电压为3.7V，电池系统为4并36串，电池加热片2采用镍片，阻值为80mΩ，加热片2内置电池内部，加热片2的连接方式为4并36串，环境温度为-20℃，车辆插入交流充电枪，电池管理系统6发送交流充电加热模式给加热控制模块7。加热控制模块7发送PWM占空比为90％，加热控制模块7启动，控制IGBT脉冲工作，加热开始，加热电流为139A，充电机输出电流设定为20A，电池系统温度以每5℃/min的速度迅速上升，当电池温度达到充电停止加热温度10℃时，加热控制模块7停止加热动作，加热停止，充电机继续工作，电池管理系统6发送充电电流请求为20A，电池开始充电，充电SOC(剩余电量)达到100％时停止充电。
实施例4
单体电池采用锂离子电池，单体容量为70Ah，额定电压为3.7V，电池系统为4并168串，电池加热片2采用镍片，阻值为80mΩ，加热片2内置电池内部，加热片2的连接方式为4并168串，环境温度为-20℃，驾驶员启动车辆，车辆以10km/h的速度行驶，电池管理系统6发送行驶加热模式给加热控制模块7。加热控制模块7发送PWM占空比为20％，加热控制模块7启动，控制IGBT脉冲工作，加热开始，加热电流为29A，电池系统温度以每1℃/min的速度上升，当电池温度达到停止加热温度10℃时，加热控制模块7停止加热动作，加热停止，车辆继续行驶，车速可达到最高100km/h的速度行驶，刹车回收能量正常。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调节加热速度的电池系统，其特征在于，所述电池系统包括电池组(1)、加热片(2)、功率控制模块(3)、电池管理系统(6)；
其中，所述电池组(1)分别与加热片(2)及功率控制模块(3)进行电气连接；所述功率控制模块(3)分别与电池组(1)、加热片(2)及电池管理系统(6)进行电气连接；
当电池组(1)的温度低于预设的自加热开启温度时，开启功率控制模块(3)，电池管理系统(6)将采集到的电池组(1)状态信息传递给功率控制模块(3)，功率控制模块(3)通过PWM信号调节加热片(2)的电流通断时间及开关频率来调节加热功率和加热速度；当电池组(1)的温度达到预设的自加热关闭温度时，关闭功率控制模块(3)，停止加热；
其中，所述功率控制模块(3)进一步包括电流调整模块(4)、电流采集模块(5)和加热控制模块(7)，
所述加热控制模块(7)与电流采集模块(5)、电流调整模块(4)及电池管理系统(6)进行电气连接，加热控制模块(7)与电池管理系统(6)进行信息交互，加热控制模块(7)向电流调整模块(4)发送电流调整命令，加热控制模块(7)读取电流采集模块(5)采集到的加热电流，实现闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种可调节加热速度的电池系统，其特征在于，所述电池管理系统(6)与加热控制模块(7)进行信息交互，具体为：电池管理系统(6)向加热控制模块(7)发送车辆状态信息及加热运行模式需求，所述加热运行模式包括驻车加热模式、行驶加热模式、直流充电加热模式、交流充电加热模式；在加热过程中，电池管理系统(6)向加热控制模块(7)实时发送电池组(1)当前状态信息。
3.根据权利要求1或2所述的一种可调节加热速度的电池系统，其特征在于，所述电流调整模块(4)包括开关电子元器件、隔离驱动单元、隔离电源，通过PWM信号控制加热电流通断时间，开关电子元器件为IGBT、MOSFET、可控硅或继电器中的任一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种可调节加热速度的电池系统，其特征在于，所述电流采集模块(5)包括霍尔传感器、LDO、端口防护电路、信号调理电路，霍尔传感器将采集到电流信号通过端口防护电路和信号调整电路后传输至电流采集模块接口。
5.根据权利要求1或2所述的一种可调节加热速度的电池系统，其特征在于，所述加热控制模块(7)通过PWM信号对电流调整模块(4)进行控制，所述加热控制模块(7)包括MCU控制器、电源电路、时钟、CAN通信芯片、电流调整模块接口、电流采集模块接口和电池管理系统接口，MCU控制器通过CAN通信芯片与电池管理系统接口连接，MCU控制器通过PWM产生模块与电流调整模块接口连接，MCU控制器通过ADC通道与电流采集模块接口连接。
6.根据权利要求1或2所述的一种可调节加热速度的电池系统，其特征在于，所述加热片(2)为镍片、铜片、铝片、铁片、石墨片、PTC加热器或加热薄膜中一种或多种。
7.根据权利要求6所述的一种可调节加热速度的电池系统，其特征在于，所述加热片(2)由多个单独加热片单元通过串联连接、并联连接或串并联混合连接而成；所述加热片(2)设置在单体电池内部、单体电池外部、电池组(1)模组底部、电池组(1)模组顶部或电池组(1)模组侧面。
8.根据权利要求7所述的一种可调节加热速度的电池系统，其特征在于，所述电池组(1)由多个单体电池串联、并联或串并联混合所组成；其中，所述单体电池为磷酸铁锂电池、三元锂电池、锰酸锂电池、固态锂电池、镍氢电池、镍镉电池、银锌电池、燃料电池或铅酸电池中的一种。
9.如权利要求1-8任一项所述的一种可调节加热速度的电池系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)：将可调节加热速度的电池系统初始化，通过电池管理系统(6)实时采集当前电池组(1)信息，将所采集到的电池组(1)信息进行运算，选择当前电池组(1)加热运行模式，电池管理系统(6)将加热控制模块(7)所需电池组(1)的状态信息及加热运行模式发送至加热控制模块(7)；所述加热运行模式分为驻车加热模式、行驶加热模式、直流充电加热模式、交流充电加热模式四种；
步骤2)：加热控制模块(7)根据接收到的电池组(1)加热运行模式信息，切换加热控制模块(7)至相应的加热运行模式；加热控制模块(7)根据当前加热运行模式设定的参数，向电流调整模块(4)发送对应的PWM信号，以实时调整加热回路电流值；加热控制模块(7)接收电流采集模块(5)反馈的电流值，调整PWM信号，使实际电流值达到设定值，实现闭环控制，同时诊断加热回路是否产生故障；若存在故障，则依据故障等级判断是否停止当前加热运行模式或降低加热功率，若无故障，则继续进行当前加热运行模式；
步骤3)：当电池组(1)中的单体电池的温度、温差、压差、加热时间达到预设阈值，或者单体电池的电压、绝缘电阻低于预设阈值时，进行报警，加热控制模块(7)向电流调整模块(4)发送加热功率为零的控制指令；
步骤4)：向电池管理系统(6)发送关闭加热运行模式请求，确认后退出当前加热运行模式；并返回至步骤1)。
10.根据权利要求9所述的一种可调节加热速度的电池系统的控制方法，其特征在于，加热控制模块(7)判断加热片(2)、电流调整模块(4)、电流采集模块(5)是否发生故障，电流调整模块(4)响应加热控制模块(7)的故障操作。
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