CN111463511A - 用于低温环境的锂电池系统及其控制方法 - Google Patents

用于低温环境的锂电池系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于低温环境的锂电池系统及其控制方法，包括设置于BMS电路板上的第一控制单元和第二控制单元；所述第一控制单元包括依次连接的充电电路、超级电容、温控器和电热软膜；所述第二控制单元包括依次连接的温度传感器、温控触发器、处理器；所述处理器通过驱动电路与电热器连接；所述温度传感器包括用于采集锂电池组的温度；其中，当环境温度为‑60℃～‑30℃时，所述第一控制单元工作；当环境温度高于‑30℃时，所述第二控制单元工作。本发明将超级电容、电热软膜、温控器和温控触发器结合，使锂电池系统的应用环境温度范围大大拓宽。

Description

用于低温环境的锂电池系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及锂电池控制领域，特别是一种用于低温环境的锂电池系统及其控制方法。
背景技术
为了使锂电池能在低于0℃的环境中使用，目前的方案是采用BMS对锂电池所处的环境温度进行控制，一般将环境温度控制在5℃以上，但BMS中元器件的温度不能低于-40℃，所以在温度低于-40℃的环境中，锂电池系统无法正常安全使用，且由于汽车级的电子元件使用的环境温度不能低于-40℃，所以现有BMS技术改进无法满足环境温度低于-40℃时可靠工作的要求，只有脱离原BMS电路板，采用机械式的温度控制方案才能解决此问题。锂电池系统是新能源技术中的关键组成部分，普通锂电池的工作温度不能低于0℃，加BMS对锂电池系统进行环境温度控制后，也只能在-40℃以上的环境中使用，而在中国现有气象资料中，我国最低气温记录为-52.3℃，这使得锂电池的使用范围受到了极大的限制，因此亟需一种能在超低温环境下使用的锂电池系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种用于低温环境的锂电池系统及其控制方法，保证锂电池系统在超低温(低于-40℃)环境下能正常安全使用。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于低温环境的锂电池系统，包括设置于BMS电路板上的第一控制单元和第二控制单元；所述第一控制单元包括依次连接的充电电路、超级电容、温控器和电热软膜；所述第二控制单元包括依次连接的温度传感器、温控触发器、处理器；所述处理器通过驱动电路与电热器连接；所述温度传感器用于采集锂电池组的温度；其中，当环境温度为-60℃～-30℃时，所述第一控制单元工作；当环境温度高于-30℃时，所述第二控制单元工作。
本发明采用上述结构，分段解决现有技术锂电池系统不能应用于超低温环境，例如 -60℃的问题，保证了锂电池系统在超低温环境下可以正常安全使用。
为了便于操作，所述第一控制单元中，所述超级电容通过启动开关与所述温控器连接。
本发明的温控器包括静连接片和动连接片；所述静连接片上设置有静触点；所述动连接片上设置有两个动触点；当温度小于-35℃时，所述静触点与其中一个所述动触点接触；另外一个所述动触点与设置于双金属片上的触点接触。采用双金属片温控器，主要工作原理是在环境温度低于-30℃时，双金属片温控器闭合，由低温超级电容所储存在电量放电使电热软膜发热，从而加热BMS电路板。控制简单。
本发明所述静连接片和动连接片上分别设置有第一接线柱和第二接线柱。便于接线。
所述动连接片和所述双金属片上均设置有固定柱，便于将温控器固定于电路板上。
作为一个发明构思，本发明还提供了一种用于低温环境的锂电池系统，其包括设置于BMS电路板上的依次连接的充电电路、超级电容、温控器和电热软膜；当环境温度小于-35℃时，所述电热软膜加热所述BMS电路板；当环境温度大于-25℃，所述电热软膜停止工作。
本发明的超级电容能在-60℃～60℃温度范围内正常工作，耐压5.5V，其特点是充放电速度快，在环境温度低于-35℃的情况下，为电热软膜加热提供能源；在环境温度高于0℃的情况下，锂电池系统正常工作，锂电池可以给低温超级电容充电，补足其能量。低温超级电容的容量大小可以根据电热软膜的功率大小、加热时间和电路板面积综合选择。
本发明中，所述电热软膜功率P与所述电路板面积s之间的关系式为：
Figure BDA0002470207960000021
上述表达式中：电路板面积为s，单位为cm2。电热软膜功率为P，单位为W。电热软膜的尺寸与BMS电路板的尺寸一致。
本发明还提供了一种上述锂电池系统的控制方法，该方法包括：当环境温度高于-35℃时，启动电热软膜加热；当环境温度高于-30℃时，启动BMS电路板；当温度高于- 25℃时，停止所述电热软膜加热；当BMS电路板正常启动，或者电热软膜停止加热时，若环境温度低于0℃，则启动电热器加热，当环境温度高于10℃时，停止电热器加热。
本发明还提供了另一种上述锂电池系统的控制方法，该方法包括：当环境温度低于 -35℃时，所述电热软膜加热所述BMS电路板；当环境温度高于0℃时，锂电池组为所述超级电容充电。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
1、本发明将超级电容、电热软膜、温控器和温控触发器结合，使锂电池系统的应用环境温度范围大大拓宽，各功能部件优劣互补，极大地拓展了锂电池系统的应用范围；
2、本发明的锂电池系统可以在环境温度低于-40℃以下工作，解决了现有技术锂电池不能在超低温环境下工作的难题；
3、本发明锂电池系统结构简单，成本低廉；
4、本发明控制方法容易实现，实用性强。
附图说明
图1为本发明实施例第一控制单元结构示意图；
图2为本发明实施例第二控制单元结构示意图；
图3为本发明实施例-35℃～-25℃双金属片温控器结构图；
图4为本发明超级电容充电电路原理图；
图5为本发明CPU电路原理图；
图6为本发明-30℃温控触发器电路原理图；
图7为本发明电源电路原理图；
图8为本发明PTC加热驱动电路原理图；
图9为本发明NTC温度传感器接口电路原理图；
图10为本发明控制流程图。
具体实施方式
本发明应用于低温环境的锂电池系统由超低温(此处指-60℃～-30℃)环境控制电路 (第一控制单元)和低温环境控制电路(第二控制单元)分段解决锂电池系统应用于-60℃的问题。
如图1所示，超低温环境控制电路由低温超级电容充电电路、低温超级电容、启动开关、双金属片温控器和电热软膜连接而成。主要工作原理是在环境温度低于-30℃时，双金属片温控器闭合，由低温超级电容所储存在电量放电使电热软膜发热，从而加热BMS 电路板。
如图2所示，低温环境控制电路由CPU、-30℃温控触发器、电源电路、晶体振荡电路、PTC加热器驱动电路和NTC温度传感器接口电路组成。PTC加热器、NTC温度传感器均设置于锂电池上。在BMS电路板加热到-30℃时，-30℃温控触发器输出触发信号，使CPU开始工作，通过NTC温度传感器采样锂电池组的温度，输出控制信号控制 PTC加热器加热锂电池组，构成一个闭环的温度控制系统，使锂电池组温度加热至10℃，然后整个锂电池组可以正常工作。
图1中，低温超级电容能在-60℃～60℃温度范围内正常工作，耐压5.5V，其特点是充放电速度快，在环境温度低于-35℃的情况下，为电热软膜加热提供能源；在环境温度高于0℃的情况下，锂电池系统正常工作，锂电池可以给低温超级电容充电，补足其能量。低温超级电容的容量大小可以根据电热软膜的功率大小、加热时间和电路板面积综合选择。
电热软膜的作用是给BMS电路板加热，电热软膜根据电路板面积定制。其功率大小和尺寸由BMS电路板面积决定。
低温超级电容的规格，选择容量500F，耐压5.5V的电容。低温超级电容的最高充电电压U0为5V(电源电压)，考虑实际使用情况，升温时间t1定60s。低温超级电容在充电至100％的条件下，对电热软膜放电，在放电过程中，电容不断放出能量并为电热软膜所消耗，从而通过电热软膜转换成热量。经过对三种标准厚度不同面积的BMS电路板进行加热试验，得出三组试验数据：
表1 BMS板厚度为0.1cm常用BMS板面积对应的电热软膜功率
Figure BDA0002470207960000051
表2 BMS板厚度为0.16cm常用BMS板面积对应的电热软膜功率
Figure BDA0002470207960000052
表3 BMS板厚度为0.2cm常用BMS板面积对应的电热软膜功率
BMS电路板面积(cm<sup>2</sup>) 100 200 300 400
电热软膜功率(W) 19 41 70 111
利用计算机进行回归分析，由上述三组数据得出经验公式：
Figure BDA0002470207960000053
上述表达式中：电路板面积为s，单位为cm2。电热软膜功率为P，单位为W。电热软膜的尺寸与BMS电路板的尺寸一致。
本发明实施例各单元电路分析如下：
(1)超级电容充电电路
如图4所示，超级电容充电电路主要由线性稳压集成电路U5(7805)及外围电路构成，U5的输入引脚、电容C10正端、二极管D3阴极接+12V电源；U5的输出引脚通过防反向二极管D4接电阻R12，U5的接地引脚、电容C10负极、U5输出端的电容C11 负极均接地，电容C11正极接入U5的输出引脚与防反向二极管D4阳极之间；电阻 R12接低温超级电容正极，低温超级电容与电容C11并联；低温超级电容正极、启动开关、双金属片温度控制器、电热软膜、低温超级电容负极依次连接构成回路；二极管D3是防止+12V断电时C11对7805输出端3脚放电，从而损坏线性稳压集成电路U5。C10 和C11是交流去耦电容。D4是防反向二极管，在+12V断电时，防止低温超级电容通过
Figure BDA0002470207960000061
按一般的5倍RC时间常数充满计算，充电时间为：
t＝5R12C＝5×5×500＝12500(s) (3-2)
(2)双金属片温度控制器
-35℃～-25℃双金属片温控器结构如图3所示，其包括静连接片2和动连接片3；静连接片2上设置有静触点4；动连接片3上设置有两个动触点5；静连接片2和动连接片3上分别设置有第一接线柱1和第二接线柱8，便于接线。动连接片3和双金属片6上均设置有固定柱7。当温度小于-35℃时，所述静触点4与其中一个所述动触点 5接触；另外一个动触点5与设置于双金属片6上的触点9接触。
图4中的启动开关接双金属片温控器的第一接线柱1，图4中的电热软膜接双金属片温控器的第二接线柱8。
如图3所示，当温度小于-35℃时，双金属片使动触点和静触点接触，开关导通；当温度升高，由于热传导的滞后性，温度大于-25℃时，双金属片使动触点和静触点分离，开关断开。
(3)CPU电路(处理器)
CPU采用汽车级的芯片U1，具体型号为NXP的S9KEAZ128，工作温度范围为- 40℃～-125℃。晶体振荡器Y1和电容C2、C3与CPU内部反馈电路构成晶体振荡电路，为CPU提供时钟。如图5所示，晶体振荡器Y1与电容C2、C3串联而成的串联支路并联，电容C2、C3串联点接地；晶体振荡器Y1两端分别接芯片U1的XTAL脚和EXTAL脚。
(4)温控触发器
-30℃温控触发器电路主要是一个电压比较器电路。NTC3950为负温度系数热敏电阻，在-30℃时，电阻值为180K，小于-30℃时，电阻增大，大于-30℃时，电阻减小。
图6中，LM393为电压比较器。电压比较器LM393负输入端接电阻R1和电阻 NTC3950的连接点；电压比较器LM393正输入端接电阻R2和电阻R3连接点。电阻 R1和电阻NTC3950的连接点电压为U1，电阻R2和电阻R3连接点的电压为U2。电压比较器输出端通过电阻R4接光耦U3(型号为LTV-217)；当温度小于-30℃时，电阻 NTC3950的电阻值增大，U1>U2，LM393输出低电平，触发信号输出高电平；当温度大于-30℃时，NTC3950的电阻值减小，U1<U2，LM393输出高电平，触发信号输出低电平，触发CPU工作。
(5)电源电路
图7中，电源电路主要由线性稳压集成电路7805(U4)及外围电路构成，线性稳压集成电路U4输入引脚、交流去耦电容C6正端、C7正端、二极管D2阴极均接+12V电源；交流去耦电容C6负端、C7负端、C8负端、C9负端、线性稳压集成电路接地引脚均接地；二极管D2阳极、交流去耦电容C8正端、C9正端均接+5V电源。二极管D2是防止+12V 断电时C8和C9对线性稳压集成电路输出端3脚放电，从而损坏线性稳压集成电路。 C6、C7和C8、C9是交流去耦电容。电源电路为第二控制单元上的各部件提供工作电源。
(6)PTC加热驱动电路
图8中，PTC加热驱动电路是由CPU控制三极管T2的开关，再由三极管控制 MOS管T1开关12V电源，再驱动继电器线圈，继电器开关控制PTC的加热。从而实现三极管T2基极通过电阻R8接U1的引脚PTG2；三极管T2的发射极通过电阻R7 接MOS管T1的栅极、贴片二极管Z1的阳极；T1的源极接+12V电源，贴片二极管 Z1的阴极接+12V电源；贴片二极管Z1与电阻R6并联；T1的漏极接高压直流继电器 RELAY1的线圈；高压直流继电器RELAY1的线圈与二极管D1并联；高压直流继电器RELAY1的触点一端接电池负极，另一端接PTC加热器，PTC加热器接电池正极。
(7)NTC温度传感器接口电路
NTC温度传感器接口电路负责采样锂电池组的温度信号，将温度信号转换为电压信号送到CPU的模数转换输入端。图9中，负温度系数热敏电阻NTC3950正端、二极管NTC3950负端、二极管Z2阳极、电容C5负端接地。
本实施例的控制流程如图10所示，具体过程为：
1)闭合启动开关；
2)判断温度是否低于-35℃，若是，进入步骤2)；否则，BMS电路板正常启动，进入步骤6)；
3)启动电热软膜加热；
4)判断环境温度是否高于-30℃，若是，进入步骤4)；否则，重复步骤4)；
5)触发BMS电路板启动；
6)判断温度是否高于-25℃，若是，停止电热软膜加热，进入步骤7)；否则，重复步骤6)；
7)判断温度是否低于0℃，若是，启动PTC加热，进入步骤8)；否则，进入判断温度是否高于10℃，若是，停止PTC加热，进入步骤9)；否则，重复锂电池系统正常工作。
从上述控制流程可以看出，本发明可以进行分段控制，在环境温度低于-35℃时，利用第一控制单元为锂电池系统加热，保证锂电池正常工作，从而满足了锂电池系统应用于超低温环境的要求。

Claims (10)

1.一种用于低温环境的锂电池系统，其特征在于，包括设置于BMS电路板上的第一控制单元和第二控制单元；所述第一控制单元包括依次连接的充电电路、超级电容、温控器和电热软膜；所述第二控制单元包括依次连接的温度传感器、温控触发器、处理器；所述处理器通过驱动电路与电热器连接；所述温度传感器用于采集锂电池组的温度；其中，当环境温度为-60℃～-30℃时，所述第一控制单元工作；当环境温度高于-30℃时，所述第二控制单元工作。
2.根据权利要求1所述的用于低温环境的锂电池系统，其特征在于，所述第一控制单元中，所述超级电容通过启动开关与所述温控器连接。
3.根据权利要求1所述的用于低温环境的锂电池系统，其特征在于，所述温控器包括静连接片(2)和动连接片(3)；所述静连接片(2)上设置有静触点(4)；所述动连接片(3)上设置有两个动触点(5)；当温度小于-35℃时，所述静触点(4)与其中一个所述动触点(5)接触；另外一个所述动触点(5)与设置于双金属片(6)上的触点(9)接触。
4.根据权利要求3所述的用于低温环境的锂电池系统，其特征在于，所述静连接片(2)和动连接片(3)上分别设置有第一接线柱(1)和第二接线柱(8)。
5.根据权利要求3所述的用于低温环境的锂电池系统，其特征在于，所述动连接片(3)和所述双金属片(6)上均设置有固定柱(7)。
6.一种用于低温环境的锂电池系统，其特征在于，包括设置于BMS电路板上的依次连接的充电电路、超级电容、温控器和电热软膜；当环境温度小于-35℃时，所述电热软膜加热所述BMS电路板；当环境温度大于-25℃，所述电热软膜停止工作。
7.根据权利要求1～6之一所述的用于低温环境的锂电池系统，其特征在于，所述电热软膜功率P与所述电路板面积s之间的关系式为：
Figure FDA0002470207950000021
其中，史为电路板面积，单位为cm2；P为电热软膜功率，单位为W。
8.根据权利要求1～6之一所述的用于低温环境的锂电池系统，其特征在于，所述电热软膜的尺寸与BMS电路板的尺寸一致。
9.一种权利要求1～8之一所述锂电池系统的控制方法，其特征在于，该方法包括：当环境温度高于-35℃时，启动电热软膜加热；当环境温度高于-30℃时，启动BMS电路板；当温度高于-25℃时，停止所述电热软膜加热；当BMS电路板正常启动，或者电热软膜停止加热时，若环境温度低于0℃，则启动电热器加热，当环境温度高于10℃时，停止电热器加热。
10.一种权利要求1～8之一所述锂电池系统的控制方法，其特征在于，该方法包括：当环境温度低于-35℃时，所述电热软膜加热所述BMS电路板；当环境温度高于0℃时，锂电池组为所述超级电容充电。
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