CN112186305A - 一种低温电池混合自加热装置及基于其的自加热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温电池混合自加热装置及基于其的自加热方法，属于锂离子电池自加热技术领域，设置电池和晶体管两个热源，两个热源共同为低温电池加热，一方面，通过对晶体管驱动器控制晶体管产生加热电流，加热电流流经电池内部产生电池内部自加热热量。另一方面，通过控制晶体管使其工作于加热区，晶体管本身也产生热量。晶体管热量通过热板传递至电池与电池内部生热联合加热电池，形成电池内部自加热与晶体管回路加热的混合加热方式，实现低温电池的快速自加热。该装置能够充分利用电池自加热和加热回路中的生热，极大地提高了自加热装置的能量效率，能量损失极低。

Description

一种低温电池混合自加热装置及基于其的自加热方法
技术领域
本发明属于锂离子电池自加热技术领域，涉及一种低温电池混合自加热装置及基于其的自加热方法。
背景技术
锂离子电池由于其高能量密度、高比功率、较长的循环寿命和自放电率低等优点，已经广泛应用于电动汽车、移动机器人和可持续能源系统中储存电能。对于高纬度的地区(温度可低至40℃)，上述设备中锂离子电池不可避免的会应用在较低温度环境中。在低温环境下，锂离子电池的内阻将急剧增大(多则高达10倍)，同时电池的容量会发生不可逆转的下降，极大地影响了电池的功率输出，使得锂离子电池性能将大大降低。因此，保证锂离子电池在低温环境下工作在合适的温度范围内是至关重要的。电池自加热系统的主要功能就是在低温环境下，将电池组的工作温度迅速提升至合适的范围内，延长电池的使用寿命，提高充放电性能。在高寒地区，锂离子电池工作前，通过电池自加热系统可以有效地将电池组加热至合适温度，保证电池组容量和安全。设计有效的电池自加热系统对于控制电池工作在适宜温度，保证电池组高效使用具有重要意义。
目前，电池适应低温环境的主要方式有：1.向电池内部添加适当的添加剂、改善电池材料；2.外部热管理方法；3.内部自加热方法。方法1，向电池内部添加适当的添加剂、改善电池材料的措施虽然可以使电池有效适应低温，但同时造成电池能量密度的下降，二者形成冲突关系，此方法不能用于成熟的商业化电池。方法2，外部热管理方法利用了传统的电池热管理系统，包括基于空气、液体、相变材料、热管等热管理系统以及利用正温度系数膜和金属电阻膜加热电池。前两者通过将空气、液体加热后通入电池模组给低温电池加热；相变材料可以和硅脂板等结合进行电池的加热保温；热管、正温度系数膜以及金属电阻膜都是通过热传导、热对流的方式给电池进行外部加热。然而外部热管理方法所需的能量较大，在热量传递的过程中会有额外的能量损失，使得通过热管理办法加热电池比冷却电池更加困难，并且加热电池所需时间较长。方法3，内部自加热方法利用电池自身内部产生的热量进行加热，包括利用交流电加热、恒流放电加热、脉冲、互脉冲加热方法。交流加热方法中，将交流电波施加于电池，产生的热量加热电池本身，加热效果主要受交流电的频率和幅度影响。恒流放电加热将恒定电流施加于电池，产生的热量加热电池本身，其电流速率对温升影响较大。互脉冲加热方法将被加热电池组分为两组，使用DCDC转换器将脉冲电流在两个电池组间互相传递，用于电池模组的加热。而其缺点是低温下充电可能导致镀锂现象的发生，且DCDC转换器成本较高，不适于大规模使用。
上述方法中，内部自加热方式最适用于低温电池的加热。而由于现有方法中加热回路产生的外部能量没有得到充分利用，其自加热方法存在着加热效率低的问题。若想提升加热效率则需要提升加热电流，带来过大能耗。低温环境对锂离子电池性能和寿命影响均较大，因此需要设计一种应用于低温电池的，兼顾加热速度，能量损失和加热电流大小的锂离子电池自加热方法以满足锂离子在低温环境下的应用需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低温电池自加热装置与及基于其的自加热方法，该装置结构设计合理，能够兼顾加热速度、能量损失及加热电流大小的技术问题，因而可以广泛应用于低温环境下的锂离子电池加热。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种低温电池混合自加热装置，包括电池、晶体管、热板及晶体管驱动器；
所述电池与热板贴合设置，电池的正极与晶体管的D极连接，电池的负极与晶体管的S极连接；所述晶体管安装在热板上，晶体管回路导通产生的热量被热板充分吸收，通过热传导的形式传递给电池；
晶体管驱动器一端为PWM控制信号输入端，另外两端分别与晶体管的G极和S级连接，晶体管驱动器能够通过PWM控制信号驱动晶体管切换工作状态。
优选地，所述晶体管驱动器为一个电阻和一共电容串联而成的低通RC滤波结构，用于将PWM脉宽调制信号滤波成DC电压信号。
进一步优选地，所述电阻的一端接PWM输入端，另一端的两个分支分别连接电容和晶体管的G极；所述电容的另一端连接晶体管的S极。
进一步优选地，当电压信号稳定在加热区范围之内时，所述晶体管被视为加热回路区中由PWM调控的可变电阻器，通过控制PWM脉宽使得晶体管维持在加热区范围，使晶体管加热稳定可控。
选地，将由晶体管驱动器驱动的晶体管视为一个可调节电阻Re，能够通过PWM脉宽调控与晶体管驱动器的过滤使晶体管的电阻处于动态可调范围内。
选地，所述晶体管采用MOSFET管或三极管。
选地，电池通过导热胶与热板贴合设置。
本发明还公开了一种具备低温自加热功能的电池模组/电池包，由上述的低温电池混合自加热装置叠加而成。
本发明还公开了基于上述的低温电池混合自加热装置的自加热方法，晶体管驱动器通过PWM脉宽控制对晶体管进行驱动器控制，实现晶体管工作于加热区，进而实现电池内部自加热与晶体管回路加热的混合加热方式；其中：
电池内部加热，视为热源I：通过电池的电流为I，电池内部自加热产生热量；
晶体管视为热源II：通过晶体管中的电流为Ih，通过PWM脉宽控制晶体管驱动器使得晶体管处于加热区，晶体管回路产生热量并通过热板将热量传递给电池；
热源I和热源II共同产热为低温电池加热。
进一步地，通过电池的电流为I，电池内部自加热产生热量：
Qbat＝I2Rin
Qbat为电池内部自加热产生的热量，Rin为电池内阻；
另一部分电流Ih进入晶体管回路中，通过PWM脉宽控制晶体管驱动器使得晶体管处于加热区，晶体管回路产生热量：
QMOS＝Ih 2Re
QMOS为晶体管回路产生的热量，Re为晶体管的等效电阻；
热源I和热源II共同产热为低温电池加热：
Q＝Qbat+QMOS＝I2Rin+Ih 2Re
Q为混合自加热方法的总加热量
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的一种低温电池自加热装置，设置电池和晶体管两个热源，电池内部自加热视为热源I，晶体管视为热源II，两个热源共同为低温电池加热，一方面，通过对晶体管驱动器控制晶体管产生加热电流，加热电流流经电池内部产生电池内部自加热热量。另一方面，通过控制晶体管使其工作于加热区，晶体管本身也产生热量。晶体管热量通过热板传递至电池与电池内部生热联合加热电池，形成电池内部自加热与晶体管回路加热的混合加热方式，实现低温电池的快速自加热。该装置能够充分利用电池自加热和加热回路中的生热，经实验验证，新装置能在107s内将电池从-20℃加热至0℃，温升速率约为0.187℃/s；能在148s内将电池从-20℃加热至10℃；在203s内将电池从-20℃加热至20℃，温升速率约为0.20℃/s。实验结果显示，本发明的自加热装置比大多数现有的自热方法快，因此该装置极大地提高了自加热装置的能量效率，能量损失极低。晶体管产生的热量几乎是电池自加热生热的数倍，因此具有比传统方法更高的温升速率。同时，该装置中晶体管镶嵌在热板上，电池与热板贴合，不仅能增大热传导的换热面积，同时能够节省整体空间占用率，方便模块化的安装设计，更加适应于高寒地区的电动汽车、移动机器人等相关设备的锂电池应用场合。
同时，可以将多个上述的低温电池自加热装置叠放形成具备低温自加热功能的电池模组或电池包，以满足不同的应用场景需求。
本发明公开的基于上述低温电池自加热装置进行电池自加热的方法，在将电池从-20℃加热至0℃过程中，采用恒流法时电流的最大幅度为1.3C，这是一个极其小的电流，其发热电流相比于传统方法较低，在较小的加热电流下也能具有较高的加热速度。
附图说明
图1为本发明的低温电池混合自加热装置示意图。
图2为本发明的低温电池混合自加热装置内部原理示意图。
图3为本发明的晶体管等效电阻示意图。
图4为本发明的低温电池混合自加热装置组成的电池模组示意图。
图中：1-电池，2-晶体管，3-热板，4-晶体管驱动器，5-低温电池混合自加热装置，6-电阻，7-电容。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1、2所示，本发明提供的一种低温电池混合自加热装置5，包括电池1、晶体管2、热板3和晶体管驱动器4。
电池1用导热胶与热板3贴合保证良好热传导，电池1的正极与晶体管2的D极连接，电池1的负极与晶体管2的S极连接。晶体管2安装在热板3上，其回路导通产生的热量被热板3充分吸收，通过热传导的形式传递给低温的电池1。晶体管驱动器4一端输入PWM控制信号，另外两端分别与晶体管2的G极和S级连接，通过晶体管驱动器4控制晶体管2使其工作在不同工作模式。
如图2所示，晶体管驱动器4由一个电阻6串联一个电容7组成，电阻6一端接PWM输入端，另一端分别连接电容7和晶体管2的G极，电容7另一端连接晶体管2的S极。晶体管驱动器4内低通RC滤波结构可将PWM脉宽调制信号滤波成DC电压信号，当电压信号稳定在加热区范围之内时，晶体管2可被视为可变电阻器，晶体管2开始生热。通过控制PWM脉宽可以使得晶体管2维持在加热范围，保证晶体管加热稳定可控。
如图2所示，当进行混合自加热时，通过电池1的电流为I，电池1内部自加热产生热量；通过晶体管2中的电流为Ih，使用PWM脉宽控制晶体管驱动器4使得晶体管2处于加热区，晶体管2回路产生热量并通过热板3将热量传递给电池1。两个热源共同产热，形成低温电池的混合自加热结构。
如图3所示，为混合自加热装置晶体管等效电阻示意图。在该装置中，可将由晶体管驱动器4驱动的晶体管2视为一个可调节电阻Re。通过PWM脉宽调控与晶体管驱动器4的过滤，晶体管2的电阻处于一种动态可调范围。
如图4所示，可将多个低温电池混合自加热装置5叠放在一起，形成具备低温自加热功能的电池模组、电池包，便于在实际场合中进行应用。
以下为一种低温电池混合自加热装置5的生热过程，即低温电池混合自加热方法：
一种低温电池混合自加热方法，应用于上述低温电池混合自加热装置5。工作原理基于图2、图3。通过PWM脉宽控制对晶体管进行驱动器控制，实现晶体管工作于加热区，进而实现电池内部自加热与晶体管回路加热的混合加热方式。
当进行混合自加热时，部分电流I进入电池内部，电池内部自加热产生热量：
Qbat＝I2Rin
Qbat为电池内部自加热产生的热量，Rin为电池内阻。
另一部分电流Ih进入晶体管回路中，通过PWM脉宽控制晶体管驱动器使得晶体管处于加热区，晶体管回路产生热量：
QMOS＝Ih 2Re
QMOS为晶体管回路产生的热量，Re为晶体管的等效电阻。
如图1所示，通过热板将晶体管产生的热量传递给电池，与电池内部自加热相结合。总体上，形成低温电池混合自加热结构的两个热源共同产热：
Q＝Qbat+QMOS＝I2Rin+Ih 2Re
Q为混合自加热方法的总加热量。
综上所述，本发明公开的低温电池混合自加热装置，通过PWM脉宽调制等方法对晶体管的控制，可以使所述晶体管工作等效于电阻合适的加热范围内，晶体管产生热量通过热板传递至电池，同时电池自身通电生热，两种热量同时为低温电池加热，形成高效自加热结构。本发明公开的低温电池的高效自加热装置与方法，不仅能利用电池自身生热，还能有效利用晶体管回路中的热量，即使加热电流较小，也可以得到较大的加热速率。该方法具有加热成本低，升温速率高，能量损失低等特点，可以广泛用于低温环境下锂离子电池加热。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低温电池混合自加热装置，其特征在于，包括电池(1)、晶体管(2)、热板(3)及晶体管驱动器(4)；
所述电池(1)与热板(3)贴合设置，电池(1)的正极与晶体管(2)的D极连接，电池(1)的负极与晶体管(2)的S极连接；所述晶体管(2)安装在热板(3)上，晶体管(2)回路导通产生的热量被热板(3)充分吸收，通过热传导的形式传递给电池(1)；
晶体管驱动器(4)一端为PWM控制信号输入端，另外两端分别与晶体管(2)的G极和S级连接，晶体管驱动器(4)能够通过PWM控制信号驱动晶体管(2)切换工作状态。
2.根据权利要求1所述的低温电池混合自加热装置，其特征在于，所述晶体管驱动器(4)为一个电阻和一共电容串联而成的低通RC滤波结构，用于将PWM脉宽调制信号滤波成DC电压信号。
3.根据权利要求2所述的低温电池混合自加热装置，其特征在于，所述电阻的一端接PWM输入端，另一端的两个分支分别连接电容和晶体管(2)的G极；所述电容的另一端连接晶体管(2)的S极。
4.根据权利要求2所述的低温电池混合自加热装置，其特征在于，当电压信号稳定在加热区范围之内时，所述晶体管(2)被视为加热回路区中由PWM调控的可变电阻器，通过控制PWM脉宽使得晶体管(2)维持在加热区范围，使晶体管(2)加热稳定可控。
5.根据权利要求1所述的低温电池混合自加热装置，其特征在于，将由晶体管驱动器(4)驱动的晶体管(2)视为一个可调节电阻Re，能够通过PWM脉宽调控与晶体管驱动器(4)的过滤使晶体管(2)的电阻处于动态可调范围内。
6.根据权利要求1所述的低温电池混合自加热装置，其特征在于，所述晶体管(2)采用MOSFET管或三极管。
7.根据权利要求1所述的低温电池混合自加热装置，其特征在于，电池(1)通过导热胶与热板(3)贴合设置。
8.一种具备低温自加热功能的电池模组/电池包，其特征在于，由权利要求1～7中任意一项所述的低温电池混合自加热装置叠加而成。
9.权利要求1～7中任意一项所述的低温电池混合自加热装置的自加热方法，其特征在于，晶体管驱动器(4)通过PWM脉宽控制对晶体管进行驱动器控制，实现晶体管(2)工作于加热区，进而实现电池(1)内部自加热与晶体管(2)回路加热的混合加热方式；其中：
电池(1)内部加热，视为热源I：通过电池(1)的电流为I，电池(1)内部自加热产生热量；
晶体管(2)视为热源II：通过晶体管(2)中的电流为Ih，通过PWM脉宽控制晶体管驱动器(4)使得晶体管(2)处于加热区，晶体管(2)回路产生热量并通过热板(3)将热量传递给电池(1)；
热源I和热源II共同产热为低温电池加热。
10.根据权利要求9所述的自加热方法，其特征在于，通过电池(1)的电流为I，电池(1)内部自加热产生热量：
Qbat＝I2Rin
Qbat为电池内部自加热产生的热量，Rin为电池内阻；
另一部分电流Ih进入晶体管回路中，通过PWM脉宽控制晶体管驱动器使得晶体管处于加热区，晶体管回路产生热量：
QMOS＝Ih 2Re
QMOS为晶体管回路产生的热量，Re为晶体管的等效电阻；
热源I和热源II共同产热为低温电池加热：
Q＝Qbat+QMOS＝I2Rin+Ih 2Re
Q为混合自加热方法的总加热量。
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