CN112531855B - 基于lc谐振和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种基于LC谐振和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路，包括电池组、LC谐振单元和导电膜；LC谐振单元引出两个正极连接端和两个负极连接端，每个连接端上均安装有谐振单元开关，一个正极连接端和一个负极连接端上的谐振单元开关组成一对谐振单元开关；电池组包含多个串联的电池单体，每个电池单体的正、负极分别经过两个电池单体开关与LC谐振单元上各自的谐振单元开关相连；导电膜包覆在动力电池表面，导电膜的两端分别通过连接开关与LC谐振单元的一个正极连接端和一个负极连接端上的谐振单元开关相连。利用LC谐振单元和导电膜作为电路的一部分，既能均衡电量又能利用均衡过程中产生的热量对低温环境中的动力电池进行加热。

Description

基于LC谐振和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路
技术领域
本发明属于动力电池电量均衡技术领域，尤其涉及一种基于LC谐振和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路。
背景技术
现有的均衡电路有主动均衡和被动均衡两种方式，主要考虑电池单体之间的电量均衡问题，但是忽略了电量均衡过程中产生的热量。在主动均衡电路中，形成的电流较大，电池内部产生的热量较多，但是这些热量并没有被合理利用。被动均衡电路中主要通过耗能电阻对高电量电池进行放电，耗能电阻产生的热量直接散发到空气中，造成能源浪费。
而动力电池在低温环境中，由于电解液粘度会变大，离子传导速度变慢，造成外电路电子迁移速度不匹配，因此电池出现严重极化，导致充放电容量急剧降低。低温环境中锂离子很容易在负极表面形成锂枝晶，严重时可能刺穿正负电解液隔膜，导致电池爆炸。锂电池的内阻抗也会在低温环境中增大，降低锂电池的性能。
因此，本申请提出一种具有均衡电量和加热功能的复合电路，将电量均衡过程中产生的热量充分利用，避免能量浪费的同时对低温环境中的电池进行加热，提高电池的性能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于LC谐振和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：
一种基于LC谐振和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路，其特征在于，该电路包括电池组、LC谐振单元和导电膜；LC谐振单元引出两个正极连接端和两个负极连接端，每个连接端上均安装有谐振单元开关，一个正极连接端和一个负极连接端上的谐振单元开关组成一对谐振单元开关；电池组包含多个串联的电池单体，每个电池单体的正、负极分别经过两个电池单体开关与LC谐振单元上各自的谐振单元开关相连；导电膜包覆在动力电池表面，导电膜的两端分别通过连接开关与LC谐振单元的一个正极连接端和一个负极连接端上的谐振单元开关相连。
所述导电膜为石墨烯电热膜或宽线金属膜。
所述电池单体开关和连接开关为继电器、MOS管或IGBT；谐振单元开关为MOS管或IGBT。
所述LC谐振单元的谐振频率大于1000Hz。
常温下当电池单体之间的压差大于或等于主被动均衡压差阈值时，闭合高电量电池单体与LC谐振单元之间的一对电池单体开关以及低电量电池单体与LC谐振单元之间的一对电池单体开关，然后以LC谐振单元的谐振频率打开LC谐振单元正、负极的两对谐振单元开关，每对谐振单元开关的占空比各占50％，通过高电量电池单体与低电量电池单体之间的压差作用形成LC谐振，将高电量电池单体上多余的电量转移到低电量电池单体上，实现电路的主动均衡功能；
常温下当单体电池之间的压差小于主被动均衡压差阈值时，闭合高电量电池单体与LC谐振单元之间的一对电池单体开关以及导电膜与LC谐振单元之间的两个连接开关，然后以LC谐振单元的谐振频率打开LC谐振单元正、负极的两对谐振单元开关，每对谐振单元开关的占空比各占50％，通过高电量电池单体与导电膜之间的压差作用形成LC谐振，将高电量电池单体上多余的电量转移至导电膜，实现电路的被动均衡功能；
当环境温度小于零摄氏度，且电池单体之间的压差大于或等于加热压差阈值时，闭合高电量电池单体与LC谐振单元之间的一对电池单体开关导电膜与LC谐振单元之间的两个连接开关，然后以LC谐振单元的谐振频率打开LC谐振单元正、负极的两对谐振单元开关，每对谐振单元开关的占空比各占50％，通过高电量电池单体与导电膜之间的压差作用形成LC谐振，将高电量电池单体上多余的电量转移至导电膜，在均衡电量的同时进行加热；
当环境温度小于零摄氏度，且电池单体之间的压差小于加热压差阈值时，闭合电池组与LC谐振单元之间的一对电池单体开关以及导电膜与LC谐振单元之间的两个连接开关，然后以LC谐振单元的谐振频率打开LC谐振单元正、负极的两对谐振单元开关，每对谐振单元开关的占空比各占50％，通过电池组与导电膜之间的压差作用形成LC谐振，电池组整体放电将电能转化为热能，通过导电膜和动力电池内阻发热共同对动力电池进行加热。
所述主被动均衡压差阈值为0.03V；加热压差阈值为0.01V。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用LC谐振单元和对动力电池进行加热的导电膜作为电路的一部分，创新的设计出主被动均衡和加热的复合电路，在不增加外部设备的情况下，解决了现有技术存在的问题，将均衡电路和加热电路融合，既能均衡电量又能利用均衡过程中产生的热量对低温环境中的动力电池进行加热，提高动力电池的性能，保证动力电池正常工作。
控制系统只需要获取电池单体的电压以及动力电池的温度信息，合理选择电路的功能，实现均衡和加热功能之间的协调，提高均衡和加热效率，不仅成本低，而且实现方式简单可靠。
附图说明
图1为本发明的电路图；
图中，S1～S26为继电器，Q1～Q4为MOS管。
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，但不用于限定本发明保护的范围。
本发明为一种基于LC谐振和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路(简称电路)，包括电池组、LC谐振单元和导电膜；LC谐振单元引出两个正极连接端和两个负极连接端，每个连接端上均安装有谐振单元开关；电池组包含多个串联的电池单体，每个电池单体的正、负极分别经过两个电池单体开关与LC谐振单元上各自的谐振单元开关相连；导电膜包覆在动力电池表面，导电膜的两端分别通过连接开关与LC谐振单元的一个正极连接端和一个负极连接端上的谐振单元开关相连。
所述导电膜为石墨烯电热膜或宽线金属膜等。
所述电池单体开关和连接开关可以为继电器、MOS管或IGBT等；谐振开关可以为MOS管或IGBT等。
LC谐振单元作为能量中转部件；谐振开关控制LC谐振单元与电路的通断；电池单体开关作为电池单体连通谐振单元的开关，连接开关作为导电膜连通谐振单元的开关；导电膜用于对动力电池进行低温加热以及电池单体低压差时的被动均衡。
使用时，每个电池单体处均安装有电压传感器，动力电池上安装有温度传感器，控制系统根据电池单体的电压以及动力电池的温度信息控制各个继电器和MOS管的通断。
LC谐振单元的谐振频率大于1000Hz。
本发明的工作原理和工作过程是：
a、常温下的电量均衡
(1)常温高压差主动均衡：当电池单体之间的电压相差较大(大于或等于0.03V)时，采用主动均衡，闭合高电量电池单体与LC谐振单元之间的一对电池单体开关(正、负极各一个)，以及低电量电池单体与LC谐振单元之间的一对电池单体开关(正、负极各一个)，然后以一定频率(LC谐振单元的谐振频率，且大于1000Hz)打开LC谐振单元正、负极的两对谐振单元开关(一个正极连接端和一个负极连接端上的谐振单元开关组成一对)，每对谐振单元开关的占空比各占50％，通过高电量电池单体与低电量电池单体之间的压差作用形成LC谐振，进而将高电量电池单体上多余的电量转移到低电量电池单体上，完成电量的快速均衡，实现电路的高压差主动均衡功能。
(2)低压差被动均衡：当单体电池之间的压差较小(大于0.01V且小于0.03V)时，采用被动均衡，闭合高电量电池单体与LC谐振单元之间的一对电池单体开关以及导电膜与LC谐振单元之间的两个连接开关，然后以一定频率(LC谐振单元的谐振频率，且大于1000Hz)打开LC谐振单元正、负极的两对谐振单元开关(一个正极连接端和一个负极连接端上的谐振单元开关组成一对)，每对谐振单元开关的占空比各占50％，通过高电量电池单体与导电膜之间的压差作用形成LC谐振，将高电量电池单体上多余的电量转移至导电膜，使各个电池单体的电量相等，实现电路的低压差被动均衡功能，导电膜消耗的电量少，不会造成动力电池温度明显升高，动力电池的温度基本保持不变。
b、低温加热与电量均衡
低温高压差加热：在低温环境(小于零摄氏度)中需要提升动力电池的温度时，当电池单体之间的压差较大(大于或等于0.01V)时，闭合高电量电池单体与LC谐振单元之间的一对电池单体开关(正、负极各一个)导电膜与LC谐振单元之间的两个连接开关，然后以一定频率(LC谐振单元的谐振频率，且大于1000Hz)打开LC谐振单元正、负极的两对谐振单元开关(一个正极连接端和一个负极连接端上的谐振单元开关组成一对)，每对谐振单元开关的占空比各占50％，通过高电量电池单体与导电膜之间的压差作用形成LC谐振，将高电量电池单体上多余的电量转移至导电膜，使各个电池单体的电量相等，在均衡电量的同时对动力电池进行加热。若电量均衡到电池单体之间的压差小于0.01V，动力电池的温度还未达到0摄氏度，则继续采用低温无压差加热功能对动力电池进行加热。
低温无压差加热：在低温环境(小于零摄氏度)中需要提升动力电池的温度时，且各个电池单体电量基本均衡(压差小于0.01V)的情况下，闭合电池组与LC谐振单元之间的一对电池单体开关以及导电膜与LC谐振单元之间的两个连接开关，然后以一定频率(LC谐振单元的谐振频率，且大于1000Hz)打开LC谐振单元正、负极的两对谐振单元开关(一个正极连接端和一个负极连接端上的谐振单元开关组成一对)，每对谐振单元开关的占空比各占50％，通过电池组与导电膜之间的压差作用形成LC谐振，电池组整体放电将电能转化为热能，通过导电膜和动力电池内阻发热共同对动力电池进行加热，实现低温下的无压差加热功能。
实施例1
如图1所示，本实施例为一种基于LC谐振和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路(简称电路)，包括电池组、LC谐振单元和导电膜；LC谐振单元包括串联的电感L和电容C；LC谐振单元引出两个正极连接端和两个负极连接端，一个正极连接端上连接与N型MOS管Q1的源极连接，另一个正极连接端上连接与N型MOS管Q2的漏极连接，一个负极连接端与N型MOS管Q3的漏极连接，另一个负极连接端与N型MOS管Q4的源极连接；
电池组包括依次串联的六个电池单体BT1～BT6；电池单体BT1的正极经过继电器S1与N型MOS管Q1的漏极相连，经过继电器S19与N型MOS管Q2的源极相连；电池单体BT1的负极经过继电器S7与N型MOS管Q3的源极相连，经过继电器S13与N型MOS管Q4的漏极相连；
电池单体BT2的正极经过继电器S2与N型MOS管Q1的漏极相连，经过继电器S20与N型MOS管Q2的源极相连；电池单体BT2的负极经过继电器S8与N型MOS管Q3的源极相连，经过继电器S14与N型MOS管Q4的漏极相连；
电池单体BT3的正极经过继电器S3与N型MOS管Q1的漏极相连，经过继电器S21与N型MOS管Q2的源极相连；电池单体BT3的负极经过继电器S9与N型MOS管Q3的源极相连，经过继电器S15与N型MOS管Q4的漏极相连；
电池单体BT4的正极经过继电器S4与N型MOS管Q1的漏极相连，经过继电器S22与N型MOS管Q2的源极相连；电池单体BT4的负极经过继电器S10与N型MOS管Q3的源极相连，经过继电器S16与N型MOS管Q4的漏极相连；
电池单体BT5的正极经过继电器S5与N型MOS管Q1的漏极相连，经过继电器S23与N型MOS管Q2的源极相连；电池单体BT5的负极经过继电器S11与N型MOS管Q3的源极相连，经过继电器S17与N型MOS管Q4的漏极相连；
电池单体BT6的正极经过继电器S6与N型MOS管Q1的漏极相连，经过继电器S24与N型MOS管Q2的源极相连；电池单体BT6的负极经过继电器S12与N型MOS管Q3的源极相连，经过继电器S18与N型MOS管Q4的漏极相连；
导电膜的一端通过继电器S25与N型MOS管Q2相连，另一端通过继电器S26与N型MOS管Q4相连，导电膜同时包覆在动力电池外表面，继电器S25和S26作为导电膜与LC谐振单元连通的开关，通过LC谐振单元将电池组的电量转移至导电膜上。
继电器S1～S24为电池单体开关，继电器S25和S26作为导电膜与LC谐振单元之间的连接开关；N型MOS管Q2～Q4作为谐振单元开关。
(常温高压差)在常温下不需要对动力电池进行加热，若电池单体BT1与电池单体BT2之间的压差较大(大于或等于0.03V)，电池单体BT2的电压低于电池单体BT3～BT6(电池单体BT3～BT6之间不存在压差或可忽略)时，则闭合继电器S1和S7，使得电池BT1与LC谐振单元串联，通过闭合继电器S20和S14，使得电池BT2与LC谐振单元串联，以大于1000Hz的频率(LC谐振单元的谐振频率)打开N型MOS管Q1、Q3或N型MOS管Q2、Q4(打开N型MOS管Q1、Q3的同时关闭Q2、Q4，关闭N型MOS管Q1、Q3的同时打开Q2、Q4)，N型MOS管Q1、Q3与N型MOS管Q2、Q4的占空比均为50％；通过电池单体BT1与BT2之间的压差作用使LC谐振单元形成谐振，进而将电池单体BT1上多余的电量转移到电池单体BT2，实现电池单体BT1与BT2之间的电量均衡，使各个电池单体的电量相等，实现电路的高压差主动均衡功能。若电池单体BT1与电池单体BT2之间的压差大于或等于0.03V，电池单体BT2～BT6之间不存在压差或可忽略，则电池单体BT1上的电量依次转移至电池单体BT2～BT6上。
(常温低压差)在常温下不需要对动力电池进行加热，若电池单体BT1与其余电池单体之间的压差较小(小于0.03V且大于0.01V)，电池单体BT1的电压高于电池单体BT2～BT6，电池单体BT2～BT6的电量不需要均衡时，则闭合继电器S1和S7，使得电池BT1与LC谐振单元串联，闭合继电器S25和S26，使得导电膜与LC谐振单元串联，以大于1000Hz的频率(LC谐振单元的谐振频率)打开N型MOS管Q1、Q3或N型MOS管Q2、Q4，N型MOS管Q1、Q3与N型MOS管Q2、Q4的占空比均为50％；通过电池单体BT1与导电膜之间的压差作用形成LC谐振，将电池单体BT1上多余的电量转移到导电膜上，使各个电池单体的电量相等，实现电路的低压差被动均衡，此时放电产生的热量对于动力电池的温度影响较小，可忽略。
(低温有压差)在低温环境中需要对动力电池进行加热，若电池单体BT1与电池单体BT2之间的压差较大(大于或等于0.01V)，电池单体BT2～BT6之间不存在压差或可忽略，则闭合继电器S1和S7，使得电池BT1与LC谐振单元串联，闭合继电器S25和S26，使得导电膜与LC谐振单元串联，以大于1000Hz的频率(LC谐振单元的谐振频率)打开N型MOS管Q1、Q3或N型MOS管Q2、Q4，N型MOS管Q1、Q3与N型MOS管Q2、Q4的占空比均为50％；通过电池单体BT1与导电膜之间的压差作用形成LC谐振，将电池单体BT1上多余的电量转移至导电膜，使各个电池单体的电量相等，在均衡电量的同时对动力电池进行加热。
(低温无压差)在低温环境中需要提升动力电池的温度，且各个电池单体的电量基本均衡的情况下(压差<0.01V)，则闭合继电器S1和S12，使得电池组与LC谐振单元串联，闭合继电器S25和S26，使得导电膜与LC谐振单元串联，以大于1000Hz的频率(LC谐振单元的谐振频率)打开N型MOS管Q1、Q3或N型MOS管Q2、Q4，N型MOS管Q1、Q3与N型MOS管Q2、Q4的占空比均为50％；通过电池组与导电膜之间的压差作用形成LC谐振，电池组整体放电，并将电量转移至导电膜上，从而通过导电膜和动力电池内阻发热共同对动力电池进行加热，实现低温下的无压差加热功能。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种基于LC谐振和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路，其特征在于，该电路包括电池组、LC谐振单元和导电膜；LC谐振单元引出两个正极连接端和两个负极连接端，每个连接端上均安装有谐振单元开关，一个正极连接端和一个负极连接端上的谐振单元开关组成一对谐振单元开关；电池组包含多个串联的电池单体，每个电池单体的正、负极分别经过两个电池单体开关与LC谐振单元上各自的谐振单元开关相连；导电膜包覆在动力电池表面，导电膜的两端分别通过连接开关与LC谐振单元的一个正极连接端和一个负极连接端上的谐振单元开关相连；
所述导电膜为石墨烯电热膜或宽线金属膜；
常温下当电池单体之间的压差大于或等于主被动均衡压差阈值时，闭合高电量电池单体与LC谐振单元之间的一对电池单体开关以及低电量电池单体与LC谐振单元之间的一对电池单体开关，然后以LC谐振单元的谐振频率打开LC谐振单元正、负极的两对谐振单元开关，每对谐振单元开关的占空比各占50％，通过高电量电池单体与低电量电池单体之间的压差作用形成LC谐振，将高电量电池单体上多余的电量转移到低电量电池单体上，实现电路的主动均衡功能；
常温下当单体电池之间的压差小于主被动均衡压差阈值时，闭合高电量电池单体与LC谐振单元之间的一对电池单体开关以及导电膜与LC谐振单元之间的两个连接开关，然后以LC谐振单元的谐振频率打开LC谐振单元正、负极的两对谐振单元开关，每对谐振单元开关的占空比各占50％，通过高电量电池单体与导电膜之间的压差作用形成LC谐振，将高电量电池单体上多余的电量转移至导电膜，实现电路的被动均衡功能；
当环境温度小于零摄氏度，且电池单体之间的压差大于或等于加热压差阈值时，闭合高电量电池单体与LC谐振单元之间的一对电池单体开关导电膜与LC谐振单元之间的两个连接开关，然后以LC谐振单元的谐振频率打开LC谐振单元正、负极的两对谐振单元开关，每对谐振单元开关的占空比各占50％，通过高电量电池单体与导电膜之间的压差作用形成LC谐振，将高电量电池单体上多余的电量转移至导电膜，在均衡电量的同时进行加热；
当环境温度小于零摄氏度，且电池单体之间的压差小于加热压差阈值时，闭合电池组与LC谐振单元之间的一对电池单体开关以及导电膜与LC谐振单元之间的两个连接开关，然后以LC谐振单元的谐振频率打开LC谐振单元正、负极的两对谐振单元开关，每对谐振单元开关的占空比各占50％，通过电池组与导电膜之间的压差作用形成LC谐振，电池组整体放电将电能转化为热能，通过导电膜和动力电池内阻发热共同对动力电池进行加热。
2.根据权利要求1所述的基于LC谐振和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路，其特征在于，所述电池单体开关和连接开关为继电器、MOS管或IGBT；谐振单元开关为MOS管或IGBT。
3.根据权利要求1所述的基于LC谐振和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路，其特征在于，所述LC谐振单元的谐振频率大于1000Hz。
4.根据权利要求1所述的基于LC谐振和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路，其特征在于，所述主被动均衡压差阈值为0.03V；加热压差阈值为0.01V。
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