CN111422100A - 电池包的加热电路、电源系统和电动车辆 - Google Patents

电池包的加热电路、电源系统和电动车辆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池包的加热电路、电源系统和电动车辆，所述加热电路包括：电池包；第一开关，第一端与电池包的正极连接；第二开关，第一端与第一开关的第二端连接，第二端与电池包的负极连接；第一二极管，阴极与电池包的正极连接，阳极与第一开关的第二端连接；第二二极管，阳极与电池包的负极连接，阴极与第一开关的第二端连接；电感，第一端与第一开关的第二端连接；电容，第一端与电感的第二端连接，第二端与电池包的负极连接。该加热电路可以利用电池包本身充、放电时的充、放电流流经电池内阻产生热量实现对电池电芯的直接加热，加热效率高，且不占用空间体积，不需要复杂的控制电路和执行元件，集成化程度高、成本低。

Description

电池包的加热电路、电源系统和电动车辆
技术领域
本发明涉电气技术领域，特别涉及一种电池包的加热电路、一种电源系统和一种电动车辆。
背景技术
电池包的工作性能受环境影响很大，例如温度，温度过高或过低会影响电池包的充、放电速率，最严重的表现为，BMS(Battery Mangement System，电池管理系统)会禁止电池包充放电，导致电池包停止工作。因此，需要对电池包的温度进行调节，例如，在电池包温度较低时对电池包进行加热，以提高电池包内模组及电芯温度，从而提高电池包充放电效率。
相关技术中，电池包的加热方式主要有：利用加热膜、PTC(Positive TemperatureCoefficient，正温度系数)热敏电阻或液冷等进行加热。
然而，上述的加热方式，无论是加热膜、PTC还是液冷方式，都是间接加热方式，外部加热的热量需要经过传导才能到达电芯，如加热膜和PTC需要经过模组然后给电芯加热，而液冷需要通过加热器给液体加热，然后通过液体流动，将热量传导到模组，加热速率慢、效率低。并且，都需设置额外的加热器件，占用空间大，还需要配置复杂的控制电路及执行元件，集成化程度降低、成本较高。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种加热电路，该加热电路可以利用电池包本身充、放电时的充、放电流流经电池内阻产生热量实现对电池电芯的直接加热，加热效率高，且不占用空间体积，不需要复杂的控制电路和执行元件，集成化程度高、成本低，且电池包一次放电能够进行两次加热且电池包放出电荷能够给电池包进行回充，减少电池包电荷损失，节约电池能量。
本发明的第二个目的在于提出一种电源系统。
本发明的第三个目的在于提出一种电动车辆
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种电池包的加热电路，包括：电池包；第一开关，所述第一开关的第一端与所述电池包的正极连接；第二开关，所述第二开关的第一端与所述第一开关的第二端连接，所述第二开关的第二端与所述电池包的负极连接；第一二极管，所述第一二极管的阴极与所述电池包的正极连接，所述第一二极管的阳极与所述第一开关的第二端连接；第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述电池包的负极连接，所述第二二极管的阴极与所述第一开关的第二端连接；电感，所述电感的第一端与所述第一开关的第二端连接；电容，所述电容的第一端与所述电感的第二端连接，所述电容的第二端与所述电池包的负极连接。
根据本发明实施例的电池包的加热电路，通过控制第一开关和第二开关的开/闭，可以利用电池包本身充、放电时的充、放电流流经电池内阻产生热量实现对电池电芯的直接加热，加热效率高，且不占用空间体积，不需要复杂的控制电路和执行元件，集成化程度高、成本低，且电池包一次放电能够进行两次加热且电池包放出电荷能够给电池包进行回充，减少电池包电荷损失，节约电池能量。
另外，根据本发明上述实施例的电池包的加热电路还具有如下附加技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述第一开关和/或所述第二开关为金属氧化物半导体场效应晶体管。
根据本发明的一个实施例，上述的加热电路还包括：控制器，用于当所述电池包需要加热时，控制所述第一开关闭合以及所述第二开关断开，以使所述电池包放电，当所述电池包放电结束时，控制所述第一开关断开以及所述第二开关闭合，以使所述电容放电，当所述电容产生放电电流时，控制所述第二开关断开，以使所述电容为所述电池包充电。
根据本发明的一个实施例，所述控制器还用于：
当所述电容为所述电池包充电结束时，再次判断所述电池包是否需要加热。
根据本发明的一个实施例，所述控制器具体用于：当所述电池包的温度低于预设的温度阈值时，判断出所述电池包需要加热；当所述电池包的温度等于或者高于所述温度阈值时，判断出所述电池包不需要加热。
根据本发明的一个实施例，所述控制器具体用于：当所述电感两端的电压相等时，判断出所述电池包放电结束。
根据本发明的一个实施例，所述控制器具体用于：当所述电容不再产生放电电流时，判断出所述电容为所述电池包充电结束。
根据本发明的一个实施例，所述控制器为电池管理系统。
为达到上述目的，本发明的第二方面实施例提出的一种电源系统，其包括本发明第一方面实施例所述的电池包的加热电路。
本发明实施例的电源系统，通过上述的电池包的加热电路，可以利用电池包本身充、放电时的充、放电流流经电池内阻产生热量实现对电池电芯的直接加热，加热效率高，且不占用空间体积，不需要复杂的控制电路和执行元件，集成化程度高、成本低，且电池包一次放电能够进行两次加热且电池包放出电荷能够给电池包进行回充，减少电池包电荷损失，节约电池能量。
为达到上述目的，本发明的第三方面实施例提出的一种电动车辆，包括本发明第二方面实施例所述的电源系统。
根据本发明实施例的电动车辆，通过上述的电源系统，可以利用电池包本身充、放电时的充、放电流流经电池内阻产生热量实现对电池电芯的直接加热，加热效率高，且不占用空间体积，不需要复杂的控制电路和执行元件，集成化程度高、成本低，且电池包一次放电能够进行两次加热且电池包放出电荷能够给电池包进行回充，减少电池包电荷损失，节约电池能量。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，
图1是根据本发明一个实施例的电池包的加热电路的电路拓扑图；
图2是根据本发明一个实施例的电池包的加热电路的原理示意图；
图3是根据本发明另一个实施例的电池包的加热电路的原理示意图；
图4是根据本发明一个实施例的电池包的加热电路的工作流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图来描述本发明实施例提出的电池包的加热电路、电源系统和电动车辆。
图1是根据本发明一个实施例的电池包的加热电路的电路拓扑图。如图1所示，该加热电路包括：电池包E、第一开关K1、第二开关K2、第一二极管D1、第二二极管D2、电感L、电容C。
其中，第一开关K1的第一端与电池包E的正极连接；第二开关K2的第一端与第一开关K1的第二端连接，第二开关K2的第二端与电池包E的负极连接；第一二极管D1的阴极与电池包E的正极连接，第一二极管D1的阳极与第一开关K1的第二端连接；第二二极管D2的阳极与电池包E的负极连接，第二二极管D2的阴极与第一开关K1的第二端连接；电感L的第一端与第一开关K1的第二端连接；电容C的第一端与电感L的第二端连接，电容C的第二端与电池包E的负极连接。
在本发明的实施例中，第一开关K1和/或第二开关K2可以为MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)。
具体地，电池包E是由n个电芯Cell1～Celln通过串并联组成模组，然后通过模组间串并联组成电池包，而每个电芯本身都具有内阻CellR，电池包E初始电压为U，本发明就是利用电芯内阻在电池包充放电过程中产生的热量达到自动加热的目的。可以通过对K1、K2进行控制，利用储能元件电感L、电容C控制电池包进行充/放电，由于电感L、电容C是储能电器元件，不会消耗能量，整个充/放电过程闭合回路中只有电芯内阻是耗能元件，而电芯内阻消耗的电能基本全部用来产热从而提升电芯温度。由此，该加热电路可以利用电池包本身充、放电时的充、放电流流经电池内阻产生热量实现对电池电芯的直接加热，与外部加热方式相比，加热效率高，且不占用空间体积，不需要复杂的控制电路和执行元件，集成化程度高、成本低。
根据本发明的一个实施例，上述的加热电路还可以包括：控制器(图中未具体示出)，控制器用于当电池包E需要加热时，控制第一开关K1闭合以及第二开关K2断开，以使电池包E放电，当电池包E放电结束时，控制第一开关K1断开以及第二开关K2闭合，以使电容C放电，当电容C产生放电电流时，控制第二开关K2断开，以使电容C为电池包E充电。
进一步而言，控制器具体用于：当电感L两端的电压相等时，判断出电池包E放电结束；当电容C不再产生放电电流时，判断出电容C为电池包E充电结束。
具体地，如图1所示，当电池包E需要加热时，控制器控制K1闭合且K2断开，电池包E、第一开关K1、电感L及电容C会形成一个闭合回路，由于电池包E存在高压且电感两端电压不相等，闭合回路会导通此时电流为i1，电池包E开始放电，以给电感L和电容C充电。随着电池包E的放电过程，电池包E的电压会降低，而电容C随电荷量的增加两侧电压会升高，当电感L两侧电压达到平衡时，且电池包电压U与电容电压相等时，电池包E放电结束。因为整个放电过程闭合回路中只有电芯内阻是耗能元件，电感L和电容C均为储能元器件，基本不消耗能量，所以在放电过程中只有电芯内阻耗电，而电芯内阻消耗的电能基本全部用来产热从而提升电芯温度，电池包放电通过电芯内阻对电芯直接加热。
其中，电池包E在该放电过程(第一次放电)中，电感第一次存储能量J1为：
Figure BDA0002296137210000041
其中，i1为电池包放电电流，L为电感值。
电容第一次存储能量J2为：
Figure BDA0002296137210000042
ΔU1为电池包放电电压，C为电容值。
因此，电池包E放电过程可以为电芯提供的热量为：
Figure BDA0002296137210000051
当电池包放电结束时，控制器控制第一开关K1断开且第二开关K2闭合，此时，如图2示，电容C、电感L及K2会形成一个闭合回路。由于电容C存在电压所以闭合回路会导通，电路中电流为i2。
当检测到闭合回路中放电电流i2存在后，如图3所示，断开第二开关K2且保持第一开关K1处于打开状态。由于电感上电流具有不能突变的特性，且二极管D2的具有阻流作用，此时，电容C、电感L、第一二极管D1及电池包会形成一个闭合回路，电流只能经过D1流向电池包E，闭合回路中的电流为i3，电容C放电会给电池包E充电。在电容C给电池包E充电过程中，闭合回路中除电芯内阻无耗能元器件，流经电池包E的电流i3通过电芯内阻对电芯进行二次加热。在电容C给电池包E充电过程中，与其它加热方式对比，电池包E可以回收第一次释放的电荷，这样就降低电池包E的电荷损耗，节约电池能量。其中，在电容C给电池包E充电过程中，
电感第二次释放的能量J3为：
Figure BDA0002296137210000052
其中，i3为电容给电池包的充电电流，L为电感值。
电容第二次释放能量J4为：
Figure BDA0002296137210000053
ΔU2为电容给电池包的充电电压，C为电容值。
因此，电容C给电池包E充电的过程可以为电芯提供的热量为：
Figure BDA0002296137210000054
根据本发明的一个实施例，控制器还用于：当电容C为电池包E充电结束时，再次判断电池包是否需要加热。如果判断需要加热，重复上述步骤即可(即控制第一开关K1闭合以及第二开关K2断开，以使电池包E放电，当电池包E放电结束时，控制第一开关K1断开以及第二开关K2闭合，以使电容C放电，当电容C产生放电电流时，控制第二开关K2断开，以使电容C为电池包E充电)，以继续对电池进行直接加热，直至电池温度达到预设的温度阈值。
在本发明的实施例中，控制器可以根据温度判断电池包是否需要加热，控制器具体用于：当电池包的温度低于预设的温度阈值时，判断出电池包需要加热；当电池包的温度等于或者高于温度阈值时，判断出电池包不需要加热。预设的温度阈值可以根据实际情况预设，例如可以为0℃。
在本发明的实施例中，控制器为电池管理系统。
为使本领域技术人员更清楚的理解本发明，下面结合图4的电池包的加热电路的工作流程图对加热电路的工作流程进行说明，如图4所示，本发明实施例的电池包的加热电路的工作流程包括：
S1，开始。
S2，控制器判断电池包是否需要加热。如果是，则执行步骤S3；如果否，则执行步骤S9。
S3，控制器控制第一开关K1闭合且第二开关K2断开，以使电池包放电。
S4，控制器判断电感L两端的电压是否相等。如果是，说明电池包放电结束，执行步骤S5，如果否，则继续执行当前步骤。
S5，控制器控制第一开关K1断开以及第二开关K2闭合，以使电容C放电。
S6，判断电容C是否产生放电电流。如果是，则执行步骤S7；如果否，则继续执行当前步骤。
S7，控制器控制第二开关K2断开，并保持第一开关K1处于打开状态，以使电容C为电池包E充电。
S8，判断电容C是否不再产生放电电流。如果是，说明电容C为电池包E充电结束，返回步骤S2；如果否，则继续执行当前步骤。
S9，结束。
上述的电池包的加热电路及其控制策略，通过电池包放电过程中，电芯内阻耗电生热实现第一次对电芯加热，且电池包放电过程给电感电容充电。然后利用电感及电容的储能能力及电感中电流不能突变的特性，电池包放电过程中电容电感储存电荷，通过策略控制电容放电，从而给电池包充电，因电流流经电芯内阻再次生热，第二次对电芯进行加热。电池包放电过程给电容充电，电容放电过程给电池包充电，两个过程的耗能元件只有电芯内阻，电池包可以回收第一次释放的电荷，这样就降低电池包的电荷损耗，节约电池能量。
综上所述，根据本发明实施例的电池包的加热电路，通过控制第一开关和第二开关的开/闭，可以利用电池包本身充、放电时的充、放电流流经电池内阻产生热量实现对电池电芯的直接加热，加热效率高，且不占用空间体积，不需要复杂的控制电路和执行元件，集成化程度高、成本低，且电池包一次放电能够进行两次加热且电池包放出电荷能够给电池包进行回充，减少电池包电荷损失，节约电池能量。
本发明的实施例还提出了一种电源系统，其包括本发明上述实施例所述的电池包的加热电路。
本发明实施例的电源系统，通过上述的电池包的加热电路，可以利用电池包本身充、放电时的充、放电流流经电池内阻产生热量实现对电池电芯的直接加热，加热效率高，且不占用空间体积，不需要复杂的控制电路和执行元件，集成化程度高、成本低，且电池包一次放电能够进行两次加热且电池包放出电荷能够给电池包进行回充，减少电池包电荷损失，节约电池能量。
本发明的实施例还提出了一种电动车辆，包括本发明上述实施例所述的电源系统。
根据本发明实施例的电动车辆，通过上述的电源系统，可以利用电池包本身充、放电时的充、放电流流经电池内阻产生热量实现对电池电芯的直接加热，加热效率高，且不占用空间体积，不需要复杂的控制电路和执行元件，集成化程度高、成本低，且电池包一次放电能够进行两次加热且电池包放出电荷能够给电池包进行回充，减少电池包电荷损失，节约电池能量。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种电池包的加热电路，其特征在于，包括：
电池包；
第一开关，所述第一开关的第一端与所述电池包的正极连接；
第二开关，所述第二开关的第一端与所述第一开关的第二端连接，所述第二开关的第二端与所述电池包的负极连接；
第一二极管，所述第一二极管的阴极与所述电池包的正极连接，所述第一二极管的阳极与所述第一开关的第二端连接；
第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述电池包的负极连接，所述第二二极管的阴极与所述第一开关的第二端连接；
电感，所述电感的第一端与所述第一开关的第二端连接；
电容，所述电容的第一端与所述电感的第二端连接，所述电容的第二端与所述电池包的负极连接。
2.根据权利要求1所述的加热电路，其特征在于，所述第一开关和/或所述第二开关为金属氧化物半导体场效应晶体管。
3.根据权利要求1所述的加热电路，其特征在于，还包括：
控制器，用于当所述电池包需要加热时，控制所述第一开关闭合以及所述第二开关断开，以使所述电池包放电，当所述电池包放电结束时，控制所述第一开关断开以及所述第二开关闭合，以使所述电容放电，当所述电容产生放电电流时，控制所述第二开关断开，以使所述电容为所述电池包充电。
4.根据权利要求3所述的加热电路，其特征在于，所述控制器还用于：
当所述电容为所述电池包充电结束时，再次判断所述电池包是否需要加热。
5.根据权利要求4所述的加热电路，其特征在于，所述控制器具体用于：
当所述电池包的温度低于预设的温度阈值时，判断出所述电池包需要加热；
当所述电池包的温度等于或者高于所述温度阈值时，判断出所述电池包不需要加热。
6.根据权利要求4所述的加热电路，其特征在于，所述控制器具体用于：
当所述电感两端的电压相等时，判断出所述电池包放电结束。
7.根据权利要求4所述的加热电路，其特征在于，所述控制器具体用于：
当所述电容不再产生放电电流时，判断出所述电容为所述电池包充电结束。
8.根据权利要求3所述的加热电路，其特征在于，所述控制器为电池管理系统。
9.一种电源系统，其特征在于，包括：如权利要求1-8任一项所述的电池包的加热电路。
10.一种电动车辆，其特征在于，包括：如权利要求9所述的电源系统。
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