CN112382806B - 实现内外部联合加热的锂离子动力电池系统及控制方法 - Google Patents

实现内外部联合加热的锂离子动力电池系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

实现内外部联合加热的锂离子动力电池系统及控制方法，通过内外部联合加热方法在低温环境下对电池进行加热，充分利用电池自加热过程中放出的能量，实现电池在低温环境下的快速加热。同时，通过控制加热模块中的电流调整模块调整加热过程中的开关通断频率和电流通断时间、通过电阻调节开关选择多回路加热膜中的不同加热电阻回路等，实现电池在低温加热过程中的加热速率快、加热过程耗能小、加热过程对电池寿命和安全性影响小等目标需求。

Description

实现内外部联合加热的锂离子动力电池系统及控制方法
技术领域
本发明属于锂离子动力电池技术领域，具体涉及一种能够在低温环境下实现内外部联合加热的锂离子动力电池及其加热控制方法。
背景技术
由于锂离子动力电池性能在低温环境下急剧下降，因此现有电动载运工具在低温环境下启动运行时，都需要对动力电池系统进行加热，以使之达到合适的工作温度。现有技术中常用的加热手段主要有内部加热、外部加热和内外部联合加热三种。譬如，专利CN211320267U公开了一种用于电池模块的外部加热方法，通过在电池模块长度方向设置加热膜对电池进行低温加热。由于该方案中加热膜设置在电池侧面，与电池接触面较小，只通过外部加热方法进行加热时加热效果有限。专利CN111261979A公开了一种低温自控内加热动力电池，将加热膜嵌入电池内部并与电池阳极片和阴极片连接，通过外部温控开关控制加热回路的通断，低温时温控开关闭合，加热膜导通发热从电池内部对其进行加热。但是该方法没有结合其他一些必要的控制手段，加热模式固定，且未考虑加热过程的能耗以及其对电池寿命安全的影响。专利CN111216600A公开了一种使用功率控制模块控制，通过调节电池自加热时的电流频率和开关通断时间来调节加热速度和加热功率，实现变功率加热。但由于所使用的加热膜阻抗恒定，无法有效调节外部加热膜与电池自产热之间的功率分配。
因此，本领域中尚缺乏在低温环境下加热温升速率高、能耗小，且对动力电池本身寿命安全性影响小的动力电池加热结构和相应的控制方式。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种实现内外部联合加热的锂离子动力电池系统，由以下部件组成：
锂离子动力电池组、加热控制模块、可变电阻加热膜、数据采集模块、电流调整模块、加热膜电阻调节开关、外部加热源、加热回路开关以及电池管理系统；
其中，可变电阻加热膜具有多条不同阻值的加热回路，与所述加热膜电阻调节开关配合切换不同回路；
所述数据采集模块采集所述锂离子动力电池组的电流、电压和温度数据，并将温度数据提供给所述电池管理系统；所述电池管理系统基于当前SOC和温度数据通过控制加热控制模块控制加热回路开关，用于开启或关闭加热功能；电池管理系统还基于SOC和温度数据为所述加热控制模块提供控制信号参数；
所述电流调整模块基于加热控制模块提供的控制信号参数调整电流通断时间和开关频率；所述加热控制模块基于控制信号参数对加热电阻调节开关进行控制，结合电流调整模块的控制使可变电阻加热膜产生需要的加热总功率和加热速率；
所述外部电源用于当电池不满足自加热条件时给可变电阻加热膜供电，通过加热膜对电池进行加热。
进一步地，加热控制模块通过控制电流调整模块开关闭合时间控制总加热功率、通过控制开关通断频率控制加热速度、通过选择外部加热电阻大小控制内外部加热功率分配。
进一步地，所述电流调整模块为MOSFET或其他具有通断功能的电子元器件。
进一步地，所述加热膜为柔性加热膜，可以依据不同的电池形状如圆柱形电池、方形电池、软包电池等制成不同的形状，包覆在电池单体、电池模组等外表面。
进一步地，所述可变电阻加热膜中包含多条阻值不同的发热电阻丝。
相应地，本发明还提供了一种实现内外部联合加热的锂离子动力电池系统控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1)：系统初始化；
电池管理系统依据数据采集模块所采集得到的电流、电压和温度数据判断电池当前的状态，如果电池温度低于预设的加热温度，则开启加热功能；
加热功能开启后，将当前SOC与预设的最低加热SOC进行比较，在当前SOC大于可进行自加热的最低SOC时使用内外部联合加热；在当前SOC较小时，则不开启内外部联合加热功能，仅使用外部加热。当内外部联合加热时，加热模块启动并保持待机状态；
步骤2)：加热参数设定；
电池管理系统依据SOC、温度数据以及加热目标需求(加热过程耗时短、加热过程耗能小、加热过程对电池寿命安全性影响小)，基于预先制定的加热策略选择最优的加热开关频率、开关导通时间、加热膜加热回路，并将选择的控制信号参数发送给加热控制模块；
步骤3)：加热；
加热控制模块接收到来自于电池管理系统的加热命令和控制参数后，向加热回路开关、加热膜电阻调节开关、电流调整模块发送控制信号；加热回路开关首先闭合，而后加热膜电阻回路选择开关闭合选择的电阻所在回路，最后电流调整模块开始工作；电池通过加热膜回路电阻放电，电池自身产生的热量从电池内部加热，加热膜产生的热量从外部对电池加热；
步骤4)：加热停止；
当电池温度达到预设的目标温度后，加热控制模块控制加热回路开关断开，电流调整模块停止工作，同时向电池管理系统发送加热完成信息。
上述本发明所提供的实现内外部联合加热的锂离子动力电池系统和控制方法，相对于现有技术至少具有以下有益效果：
当电池满足自加热条件时，通过内外部联合加热方法在低温环境下对电池进行加热，充分利用电池自加热过程中产生的热量，实现电池在低温环境下的快速加热。同时，通过加热模块中的电流调整模块调整加热过程中的开关通断频率和电流通断时间、通过电阻调节开关选择加热膜中的不同加热电阻回路等，实现电池在低温加热过程中的加热速率快、加热过程耗能小、加热过程对电池寿命安全性影响小等目标需求。
附图说明
图1为本发明所提供的控制方法流程示意图；
图2为本发明所提供的系统控制原理图；
图3为本发明所提供的外部供电加热控制原理图。
附图标记说明：1-锂离子动力电池组，2-加热回路开关，3-数据采集模块，4-电流调整模块，5-加热膜电阻条件开关，6-可变电阻加热膜，7-加热控制模块，8-电池管理系统，9-外部加热电源，10-加热膜回路选择开关，11-外部加热回路开关。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明所提供的实现内外部联合加热的锂离子动力电池系统，如图2所示，由以下部件组成：
锂离子动力电池组1、加热控制模块5、可变电阻加热膜6、数据采集模块3、电流调整模块4、加热膜电阻调节开关5、外部加热源9、加热回路开关2以及电池管理系统1；
其中，可变电阻加热膜具有多条不同阻值的加热回路，与所述加热膜电阻调节开关配合切换不同回路；
所述数据采集模块采集所述锂离子动力电池组的电流、电压和温度参数，并将温度数据提供给所述电池管理系统；所述电池管理系统基于SOC和温度数据控制通过加热控制模块控制加热回路开关，用于开启或关闭加热功能；电池管理系统还基于SOC和温度数据为所述加热控制模块提供控制信号参数；
所述电流调整模块基于加热控制模块提供的控制信号调整电流通断时间和频率；所述加热控制模块基于控制信号对加热电阻调节开关进行控制，结合电流调整模块的控制使可变电阻加热膜产生需要的加热总功率和加热速率；
所述外部电源用于在电池不满足自加热条件时给加热膜供电对电池进行加热。
本发明所提供的一种实现内外部联合加热的锂离子动力电池系统控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1)：系统初始化；
电池管理系统依据数据采集模块所采集得到的电流、电压和温度数据判断电池当前的状态，如果电池温度低于预设的加热温度，则开启加热功能；
加热功能开启后，将当前SOC与预设的最低加热SOC进行比较，在当前SOC大于最低自加热SOC时使用内外部联合加热；在当前SOC较小时，则不开启内外部联合加热功能，仅使用外部电源给加热膜供电。电池满足内外部联合加热条件时，加热模块启动并保持待机状态；
步骤2)：加热参数设定；
电池管理系统依据SOC、温度数据以及加热目标需求(加热过程耗时短、加热过程耗能小、加热过程对电池寿命安全性影响小)，基于预先制定的加热策略选择最优的加热电流频率、开关导通时间、加热膜阻值大小，并将选择的控制信号及参数发送给加热控制模块；
步骤3)：加热；
加热控制模块接收到来自于电池管理系统的加热命令和控制参数后，向加热回路开关、加热膜电阻调节开关、电流调整模块发送控制信号；加热回路开关首先闭合，而后加热膜电阻回路选择开关闭合选择的电阻所在回路，最后电流调整模块开始工作；电池通过加热膜回路电阻放电，电池自身产生的热量从电池内部加热，加热膜产生的热量从外部对电池加热；
步骤4)：加热停止；
当电池温度达到预设的目标温度后，加热控制模块控制加热回路开关断开，电流调整模块停止工作，同时向电池管理系统发送加热完成信息。
图3示出了在本发明的一个优选实施方式中，采用了外部加热电源9为加热功能提供电力，并结合具有多个可分别单独控制的加热膜电阻值选择开关10，用于提供100mΩ、200mΩ、300mΩ、400mΩ的四种加热电阻阻值，相互配合能够进一步实现多种不同的加热总功率搭配形式。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种利用锂离子动力电池系统进行加热控制的方法，其特征在于：
所述锂离子动力电池系统由以下部件组成：
锂离子动力电池组、加热控制模块、可变电阻加热膜、数据采集模块、电流调整模块、加热膜电阻调节开关、外部电源、加热回路开关电池管理系统、以及外部加热单元；
其中，可变电阻加热膜具有多条不同阻值的加热回路，与所述加热膜电阻调节开关配合切换不同回路；
所述数据采集模块采集所述锂离子动力电池组的电流、电压和温度数据，并将电池当前温度数据提供给所述电池管理系统；所述电池管理系统基于电池当前SOC和温度数据通过控制加热控制模块控制加热回路开关，用于开启或关闭加热功能；电池管理系统还基于SOC和温度数据为所述加热控制模块提供控制信号参数；
所述电流调整模块基于加热控制模块提供的控制信号调整电流通断时间和通断频率；所述加热控制模块基于控制信号对加热电阻调节开关进行控制，选择指定的电阻回路，结合电流调整模块的控制使可变电阻加热膜产生需要的加热总功率和加热速率；
所述外部加热单元用于在电池SOC不满足自加热条件时给加热膜供电，通过可变电阻加热膜对电池进行加热；
所述外部电源用于在电池SOC不满足自加热条件时为可变电阻加热膜提供电力；
所述方法具体包括以下步骤：
步骤1)：系统初始化；
电池管理系统依据数据采集模块所采集得到的电流、电压和温度数据判断电池当前的状态，如果电池温度低于预设的加热温度，则开启加热功能；
加热功能开启后，将当前SOC与预设的最低加热SOC进行比较，在当前SOC大于最低自加热SOC时使用内外部联合加热；在当前SOC较小时，则不开启内外部联合加热功能，仅使用外部加热；电池满足内外部联合加热条件时，加热模块启动并保持待机状态；
步骤2)：加热参数设定；
电池管理系统依据电池当前SOC、温度数据以及加热目标需求，基于预先制定的加热策略选择最优的加热开关通断频率、开关导通时间、加热膜阻值大小，并将选择的控制信号发送给加热控制模块；
步骤3)：加热；
加热控制模块接收到来自于电池管理系统的加热命令和控制参数后，向加热回路开关、加热膜电阻调节开关、电流调整模块发送控制信号；加热回路开关首先闭合，而后加热膜电阻回路选择开关闭合选择的电阻所在回路，最后电流调整模块开始工作；电池通过加热膜回路电阻放电，电池自身产生的热量从电池内部加热，加热膜产生的热量从外部对电池加热；
步骤4)：加热停止；
当电池温度达到预设的目标温度后，加热控制模块控制加热回路开关断开，电流调整模块停止工作，同时向电池管理系统发送加热完成信息。
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