CN112736327A - 一种基于lc谐振的低温电池组件加热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LC谐振的低温电池组件加热装置，第一开关管nmos1和第四开关管nmos4为第一组开关，第二开关管nmos2和第三开关管nmos3为第二组开关，需要为电池组件加热时，由控制电路板产生脉冲宽度调制波来控制第一开关管nmos1、第二开关管nmos2、第三开关管nmos3、第四开关管nmos4的导通和关断，使电池组件进行脉冲放电，电池组件内阻生热，控制电路板在一个周期内控制第一组开关和第二组开关相差180度导通，PTC加热器通电后产热，从而对电池组件外部进行恒温加热，这样实现了电池组件内外部的同时加热，当金属外壳内的温度超过设定的高温阈值时，控制电路板控制第一组开关和第二组开关关断，停止加热。

Description

一种基于LC谐振的低温电池组件加热装置
技术领域
本发明涉及电池加热领域，尤其涉及一种基于LC谐振的低温电池组件加热装置。
背景技术
随着新能源汽车的不断普及，其性能也随着使用环境的变化而提高，尤其是进入冬季，温度急剧下降，很多地区极其寒冷，对新能源汽车的要求就显得额外的高。
作为采用蓄电池为动力来源的新能源汽车来说，低温会对电池的充放电性能、使用寿命以及容量的衰减有着很大的影响。因此，低温环境下新能源汽车电池热管理方法成为延长电池使用寿命和提升车辆低温使用性能的必要措施，使电池处于合适的工作温度成为热管理系统中的研究重点，因此需要给动力电池进行加热。
当前市场上的增城式电动汽车空调和动力电池加热系统，其结构复杂，能耗较高，在很大程度上降低了车辆的续航能力。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于LC谐振的低温电池组件加热装置，通过控制电路板产生周期和占空比相等幅值相反的脉冲宽度调制驱动信号驱动全桥开关，开关频率为
Figure BDA0002891038790000011
使电池组件进行脉冲放电，新能源汽车的电池组件内部在放电过程中实现内部加热，利用PTC加热器在脉冲放电过程中温度升高从而对电池组件外部进行加热，从而实现电池组件内部与外部同时加热，当温度过高时，PTC加热器阻值增大，减小放电电流，同时温度传感器检测电池组件的表面温度，当温度到达设定阈值时，停止放电，当温度过高时打开散热器进行散热，防止电池组件加热过度而造成损坏。本申请能在短时间内加热电池，减少开关损耗，提高了电池的加热效率，且结构简单，能解决现有技术中动力电池加热系统能耗高、结构复杂等问题。
为了实现上述目的，本发明提供的一种基于LC谐振的低温电池组件加热装置是这样实现的：
一种基于LC谐振的低温电池组件加热装置，包括金属外壳、电池组件、橡胶垫、PTC加热器、加热电路板、控制电路板，将电池组件、橡胶垫、PTC加热器安装在金属外壳内，且PTC加热器与电池组件之间通过橡胶垫隔离开，加热电路板和控制电路板安装在金属外壳上表面，电池组件与PTC加热器、加热电路板、控制电路板电性连接，控制电路板用于控制加热电路板的输出，进而由加热电路板控制PTC加热器发热，PTC加热器上的热量传输给橡胶垫，橡胶垫传输至电池组件，进而为电池组件加热。
本发明的橡胶垫采用防静电、耐高温的橡胶垫，防止PTC加热器加热的过程中产生的静电影响电池组件正常工作。
本发明的金属外壳的四个侧壁上均安装有相同的散热器、温度传感器，且在汽车驾驶室的杂物箱上安装液晶显示屏，其中温度传感器用于检测金属外壳中的温度，该温度即为电池组件的表面温度，散热器用于为金属外壳内部降温，温度传感器采集到的信息传输给控制电路板，在控制电路板中计算出金属外壳内当前的温度值，控制电路板控制液晶显示屏显示金属外壳内部的温度值，当温度值超出预设值时，控制电路板控制散热器工作，从而为金属外壳内部降温，使电池组件工作在适宜的温度环境下。
本发明的液晶显示屏采用触摸式液晶显示屏，可在液晶显示屏上手动输入电池组件的低温阈值以及高温阈值，并将设定的温度阈值传输至控制电路板，当温度传感器检测到金属外壳内部温度超出高温阈值时，控制PTC加热器停止加热，并控制散热器工作为金属外壳内部降温，当温度传感器检测到金属外壳内部温度低于低温阈值时，控制电路板控制散热器停止工作，并控制PTC加热器加热，使金属外壳内部温度恒定在预设值范围内，为电池组件提供适宜的温度工作环境。
本发明的控制电路板产生周期和占空比相等幅值相反的脉冲宽度调制驱动信号发送给加热电路板，加热电路板上设有全桥开关，通过控制全桥开关的开关频率为
Figure BDA0002891038790000031
来控制电池组件进行脉冲放电，新能源汽车的电池组件内部在放电过程中实现内部加热，而PTC加热器在脉冲放电过程中温度升高从而对电池组件外部进行加热，从而实现电池组件内部与外部同时加热，由温度传感器检测电池组件的表面温度，当温度到达设定阈值时，控制电路板控制加热电路板工作来控制电池组件停止放电，当温度过高时，控制电路板控制散热器打开为电池组件散热，防止电池组件加热过度而造成损坏。
本发明的控制电路板采用STM32F103ZET6最小系统板。
本发明的加热电路板包括第一开关管nmos1、第二开关管nmos2、第三开关管nmos3、第四开关管nmos4、电感L、电容C，第一开关管nmos1的漏极d与第三开关管nmos3的漏极d连接后接电池组件的正极，第一开关管nmos1的源极s与第二开关管nmos2的漏极d连接后接电感L的一端，电容C连接在电感L的另一端与PTC加热器之间，第三开关管nmos3的源极s与第四开关管nmos4的漏极d连接后接PTC加热器，第二开关管nmos2的源极s与第四开关管nmos4的源极s连接后接电池组件的负极，第一开关管nmos1的栅极g与第四开关管nmos4的栅极g连接后接控制电路板的PA3引脚，第二开关管nmos2的栅极g与第三开关管nmos3的栅极g连接后接控制电路板的PA4引脚。
本发明的电感L与电容C组成了LC谐振电路，LC谐振电路的频率为
Figure BDA0002891038790000041
由控制电路板产生脉冲宽度调制波来控制第一开关管nmos1、第二开关管nmos2、第三开关管nmos3、第四开关管nmos4的开断频率为
Figure BDA0002891038790000042
本发明的第一开关管nmos1和第四开关管nmos4为第一组开关，第二开关管nmos2和第三开关管nmos3为第二组开关，需要为电池组件加热时，由控制电路板产生脉冲宽度调制波来控制第一开关管nmos1、第二开关管nmos2、第三开关管nmos3、第四开关管nmos4的导通和关断，使电池组件进行脉冲放电，电池组件内阻生热，控制电路板在一个周期内控制第一组开关和第二组开关相差180度导通，PTC加热器通电后产热，从而对电池组件外部进行恒温加热，这样实现了电池组件内外部的同时加热，当金属外壳内的温度超过设定的高温阈值时，控制电路板控制第一组开关和第二组开关关断，停止加热。
由于本发明采用控制电路板输出脉冲宽度调制驱动信号控制加热电路板对PTC进行加热，进而为电池组件加热的结构，从而可以得到以下有益效果：
本发明通过控制电路板产生周期和占空比相等幅值相反的脉冲宽度调制驱动信号驱动全桥开关，开关频率为
Figure BDA0002891038790000051
使电池组件进行脉冲放电，新能源汽车的电池组件内部在放电过程中实现内部加热，利用PTC加热器在脉冲放电过程中温度升高从而对电池组件外部进行加热，从而实现电池组件内部与外部同时加热，当温度过高时，PTC加热器阻值增大，减小放电电流，同时温度传感器检测电池组件的表面温度，当温度到达设定阈值时，停止放电，当温度过高时打开散热器进行散热，防止电池组件加热过度而造成损坏。能在短时间内对电池组件进行加热，减少开关损耗，提高了电池的加热效率，且结构简单，能解决现有技术中动力电池加热系统能耗高、结构复杂等问题。
附图说明
图1为本发明一种基于LC谐振的低温电池组件加热装置的整体结构示意图；
图2为本发明一种基于LC谐振的低温电池组件加热装置的散热器、温度传感器的安装结构示意图；
图3为本发明一种基于LC谐振的低温电池组件加热装置的工作原理图；
图4为本发明一种基于LC谐振的低温电池组件加热装置的加热电路板的电路原理图。
主要元件符号说明。
金属外壳 1 电池组件 2
橡胶垫 3 PTC加热器 4
加热电路板 5 控制电路板 6
散热器 7 温度传感器 8
液晶显示屏 9
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1至图4所示为本发明中的一种基于LC谐振的低温电池组件加热装置，包括金属外壳1、电池组件2、橡胶垫3、PTC加热器4、加热电路板5、控制电路板6。
如图1所示，将电池组件2、橡胶垫3、PTC加热器4安装在金属外壳1内，且PTC加热器4与电池组件2之间通过橡胶垫3隔离开，防止PTC加热器4直接与电池组件2接触而损坏电池组件2，加热电路板5和控制电路板6安装在金属外壳1上表面，电池组件2与PTC加热器4、加热电路板5、控制电路板6电性连接，控制电路板6用于控制加热电路板5的输出，进而由加热电路板5控制PTC加热器4发热，PTC加热器4上的热量传输给橡胶垫3，橡胶垫3传输至电池组件2，进而为电池组件2加热。
所述的橡胶垫3采用防静电、耐高温的橡胶垫3，防止PTC加热器4加热的过程中产生的静电影响电池组件2正常工作。
如图2所示，所述的金属外壳1的四个侧壁上均安装有相同的散热器7、温度传感器8，且在汽车驾驶室的杂物箱上安装液晶显示屏9，其中温度传感器8用于检测金属外壳1中的温度，该温度即为电池组件2的表面温度，散热器7用于为金属外壳1内部降温，温度传感器8采集到的信息传输给控制电路板6，在控制电路板6中计算出金属外壳1内当前的温度值，控制电路板6控制液晶显示屏9显示金属外壳1内部的温度值，当温度值超出预设值时，控制电路板6控制散热器7工作，从而为金属外壳1内部降温，使电池组件2工作在适宜的温度环境下。
所述的液晶显示屏9采用触摸式液晶显示屏9，可在液晶显示屏9上手动输入电池组件2的低温阈值以及高温阈值，并将设定的温度阈值传输至控制电路板6，当温度传感器8检测到金属外壳1内部温度超出高温阈值时，控制PTC加热器4停止加热，并控制散热器7工作为金属外壳1内部降温，当温度传感器8检测到金属外壳1内部温度低于低温阈值时，控制电路板6控制散热器7停止工作，并控制PTC加热器4加热，使金属外壳1内部温度恒定在预设值范围内，为电池组件2提供适宜的温度工作环境。
所述的控制电路板6产生周期和占空比相等幅值相反的脉冲宽度调制驱动信号发送给加热电路板5，加热电路板5上设有全桥开关，通过控制全桥开关的开关频率为
Figure BDA0002891038790000081
来控制电池组件2进行脉冲放电，新能源汽车的电池组件2内部在放电过程中实现内部加热，而PTC加热器4在脉冲放电过程中温度升高从而对电池组件2外部进行加热，从而实现电池组件2内部与外部同时加热，由温度传感器8检测电池组件2的表面温度，当温度到达设定阈值时，控制电路板6控制加热电路板5工作来控制电池组件2停止放电，当温度过高时，控制电路板6控制散热器7打开为电池组件2散热，防止电池组件2加热过度而造成损坏。能在短时间内加热电池，减少开关损耗，提高了电池的加热效率，且结构简单，能解决现有技术中动力电池加热系统能耗高、结构复杂等问题。
所述的控制电路板6采用STM32F103ZET6最小系统板，STM32F103ZET6最小系统板的PA3引脚和PA4引脚均能产生脉冲宽度调制波信号。
如图4所示，所述的加热电路板5包括第一开关管nmos1、第二开关管nmos2、第三开关管nmos3、第四开关管nmos4、电感L、电容C，第一开关管nmos1的漏极d与第三开关管nmos3的漏极d连接后接电池组件2的正极，第一开关管nmos1的源极s与第二开关管nmos2的漏极d连接后接电感L的一端，电容C连接在电感L的另一端与PTC加热器4之间，第三开关管nmos3的源极s与第四开关管nmos4的漏极d连接后接PTC加热器4，第二开关管nmos2的源极s与第四开关管nmos4的源极s连接后接电池组件2的负极，第一开关管nmos1的栅极g与第四开关管nmos4的栅极g连接后接控制电路板6的PA3引脚，第二开关管nmos2的栅极g与第三开关管nmos3的栅极g连接后接控制电路板6的PA4引脚。
如图4所示，所述的电感L与电容C组成了LC谐振电路，LC谐振电路的频率为
Figure BDA0002891038790000091
由控制电路板6产生脉冲宽度调制波来控制第一开关管nmos1、第二开关管nmos2、第三开关管nmos3、第四开关管nmos4的开断频率为
Figure BDA0002891038790000092
即使得第一开关管nmos1、第二开关管nmos2、第三开关管nmos3、第四开关管nmos4的开断频率与LC谐振电路的频率相同。
如图4所示，所述的第一开关管nmos1和第四开关管nmos4为第一组开关，第二开关管nmos2和第三开关管nmos3为第二组开关，需要为电池组件2加热时，由控制电路板6产生脉冲宽度调制波来控制第一开关管nmos1、第二开关管nmos2、第三开关管nmos3、第四开关管nmos4的导通和关断，使电池组件2进行脉冲放电，电池组件2内阻生热，控制电路板6在一个周期内控制第一组开关和第二组开关相差180度导通，PTC加热器4通电后产热，从而对电池组件2外部进行恒温加热，这样实现了电池组件2内外部的同时加热，当金属外壳1内的温度超过设定的高温阈值时，控制电路板6控制第一组开关和第二组开关关断，停止加热。实现电池组件2低温快速加热，LC谐振减少了开关损耗。
本发明的工作原理与工作过程如下：
如图3所示，由控制电路板6产生周期和占空比相等幅值相反的脉冲宽度调制驱动信号发送给加热电路板5，加热电路板5上设有全桥开关，通过控制全桥开关的开关频率为
Figure BDA0002891038790000101
来控制电池组件2进行脉冲放电，新能源汽车的电池组件2内部在放电过程中实现内部加热，而PTC加热器4在脉冲放电过程中温度升高从而对电池组件2外部进行加热，从而实现电池组件2内部与外部同时加热，由温度传感器8检测金属外壳1中的温度，该温度即为电池组件2的表面温度，温度传感器8将采集到的温度信息传输给控制电路板6，在控制电路板6中计算出金属外壳1内当前的温度值，控制电路板6控制液晶显示屏9显示金属外壳1内部的温度值，当温度值超出预设值时，控制电路板6控制散热器7工作，从而为金属外壳1内部降温，用户能够在液晶显示屏9上手动输入电池组件2的低温阈值以及高温阈值，并将设定的温度阈值传输至控制电路板6，当温度传感器8检测到金属外壳1内部温度超出高温阈值时，控制PTC加热器4停止加热，并控制散热器7工作为金属外壳1内部降温，当温度传感器8检测到金属外壳1内部温度低于低温阈值时，控制电路板6控制散热器7停止工作，并控制PTC加热器4加热，使金属外壳1内部温度恒定在预设值范围内，为电池组件2提供适宜的温度工作环境。

Claims (6)

1.一种基于LC谐振的低温电池组件加热装置，其特征在于：包括金属外壳、电池组件、橡胶垫、PTC加热器、加热电路板、控制电路板，将电池组件、橡胶垫、PTC加热器安装在金属外壳内，且PTC加热器与电池组件之间通过橡胶垫隔离开，加热电路板和控制电路板安装在金属外壳上表面，电池组件与PTC加热器、加热电路板、控制电路板电性连接，控制电路板用于控制加热电路板的输出，进而由加热电路板控制PTC加热器发热，PTC加热器上的热量传输给橡胶垫，橡胶垫传输至电池组件，进而为电池组件加热。
2.根据权利要求1所述的基于LC谐振的低温电池组件加热装置，其特征在于：所述金属外壳的四个侧壁上均安装有相同的散热器、温度传感器，且在汽车驾驶室的杂物箱上安装液晶显示屏，在液晶显示屏上手动输入电池组件的低温阈值以及高温阈值，并将设定的温度阈值传输至控制电路板，当温度传感器检测到金属外壳内部温度超出高温阈值时，控制PTC加热器停止加热，并控制散热器工作为金属外壳内部降温，当温度传感器检测到金属外壳内部温度低于低温阈值时，控制电路板控制散热器停止工作，并控制PTC加热器加热，使金属外壳内部温度恒定在预设值范围内，为电池组件提供适宜的温度工作环境。
3.根据权利要求1所述的基于LC谐振的低温电池组件加热装置，其特征在于：所述控制电路板产生周期和占空比相等幅值相反的脉冲宽度调制驱动信号发送给加热电路板，加热电路板上设有全桥开关，通过控制全桥开关的开关频率为
Figure FDA0002891038780000011
来控制电池组件进行脉冲放电，新能源汽车的电池组件内部在放电过程中实现内部加热，而PTC加热器在脉冲放电过程中温度升高从而对电池组件外部进行加热，从而实现电池组件内部与外部同时加热，由温度传感器检测电池组件的表面温度，当温度到达设定阈值时，控制电路板控制加热电路板工作来控制电池组件停止放电，当温度过高时，控制电路板控制散热器打开为电池组件散热，防止电池组件加热过度而造成损坏。
4.根据权利要求1所述的基于LC谐振的低温电池组件加热装置，其特征在于：所述加热电路板包括第一开关管nmos1、第二开关管nmos2、第三开关管nmos3、第四开关管nmos4、电感L、电容C，第一开关管nmos1的漏极d与第三开关管nmos3的漏极d连接后接电池组件的正极，第一开关管nmos1的源极s与第二开关管nmos2的漏极d连接后接电感L的一端，电容C连接在电感L的另一端与PTC加热器之间，第三开关管nmos3的源极s与第四开关管nmos4的漏极d连接后接PTC加热器，第二开关管nmos2的源极s与第四开关管nmos4的源极s连接后接电池组件的负极，第一开关管nmos1的栅极g与第四开关管nmos4的栅极g连接后接控制电路板的PA3引脚，第二开关管nmos2的栅极g与第三开关管nmos3的栅极g连接后接控制电路板的PA4引脚。
5.根据权利要求4所述的基于LC谐振的低温电池组件加热装置，其特征在于：所述电感L与电容C组成了LC谐振电路，LC谐振电路的频率为
Figure FDA0002891038780000021
由控制电路板产生脉冲宽度调制波来控制第一开关管nmos1、第二开关管nmos2、第三开关管nmos3、第四开关管nmos4的开断频率为
Figure FDA0002891038780000031
6.根据权利要求4所述的基于LC谐振的低温电池组件加热装置，其特征在于：所述第一开关管nmos1和第四开关管nmos4为第一组开关，第二开关管nmos2和第三开关管nmos3为第二组开关，需要为电池组件加热时，由控制电路板产生脉冲宽度调制波来控制第一开关管nmos1、第二开关管nmos2、第三开关管nmos3、第四开关管nmos4的导通和关断，使电池组件进行脉冲放电，电池组件内阻生热，控制电路板在一个周期内控制第一组开关和第二组开关相差180度导通，PTC加热器通电后产热，从而对电池组件外部进行恒温加热，这样实现了电池组件内外部的同时加热，当金属外壳内的温度超过设定的高温阈值时，控制电路板控制第一组开关和第二组开关关断，停止加热。
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