CN113054289B - 一种锂电池组内部交流加热电路、系统及加热方法 - Google Patents

一种锂电池组内部交流加热电路、系统及加热方法 Download PDF

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Abstract

本公开提出了一种锂电池组内部交流加热电路、系统及加热方法，加热电路包括第一回路、第二回路及第三回路；第一回路中，待加热电池放电至第一储能元件，第一储能元件电压上升；第二回路，待加热电池放电至第二储能元件，第二储能元件电压上升；第三回路导通时，第一回路、第二回路关断，第一储能元件和第二储能元件的电压和大于待加热电池的电压，第一储能元件和第二储能元件放电，电流流向待加热电池。本发明能够实现任意节电池在低温条件下的快速加热，具有较高的加热效率。

Description

一种锂电池组内部交流加热电路、系统及加热方法
技术领域
本公开属于锂离子电池组低温加热技术领域，尤其涉及一种锂电池组内部交流加热电路、系统及加热方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
锂离子电池只有在常温环境下才能有好的性能表现。在低温环境中尤其是在零度以下，锂离子电池内阻增大，容量降低。锂离子电池工作在这样的低温环境下不仅会大大缩短电动汽车的续航里程，还会对锂电池造成不可逆的损害，影响电池寿命甚至会危及行车安全。这严重阻碍电动汽车在寒冷地带如冬季的中国北方的推广和发展。因此，在低温条件中对锂离子电池进行加热，是亟待解决的研究课题。
目前已有的电池加热技术主要分为两类：其分别为外部加热技术、内部加热技术。其中，外部加热技术是通过使用电池外部加热装置产生热，通过介质把热传递给电池来实现电池加热。常见的外部加热装置是以空气、液体作为介质对电池进行加热的。内部加热技术一般是通过对流或者热传导的热传递方式来对电池进行加热的。也有使用隔热材料将电池与加热源密封，最为常见的加热源是热电偶。隔热材料能有效减少热量向空气中扩散，实现电池加热。但是，外部加热技术存在电池温度分布不均匀，加热不一致的问题。同时，外部加热技术加热效率低，加热过程中容易产生热量损失。此外，外部加热装置体还存在体积大、成本高、不便于随车携带、难以普及等问题。
内部加热技术是利用电池内阻产生欧姆热来对电池进行加热。与外部加热技术相比，内部加热技术不会造成加热不一致的现象，同时加热装置体积小、成本低、可随车携带。同时，内部加热技术对电池的能量损耗较小，符合节能减排，绿色出行的理念。内部加热技术又可细分为直流电加热和交流电加热。其中，直流电加热存在效率低、析锂、损害电池循环寿命等问题，容易对电池产生损害。采用交流电加热这一加热技术优点更为明显。体积小、结构简单、易于操作、能量损耗小的交流电加热技术有利于新能源电动汽车的推广普及。
目前，存在采用交流电实现对电池加热，但是存在一些问题，主要为：
一、加热拓扑的结构有待进一步的简化。例如申请号为：201810108213.4专利中的拓扑结构，需要用到2个电容、4个MOS管。
二、待加热电池单体数目会受到加热拓扑结构的限制问题，有待解决，例如申请号为：201810108213.4专利中的加热拓扑，只能实现任意2n节即偶数节电池单体的加热。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种锂电池组内部交流加热电路，实现最快加热。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了一种锂电池组内部交流加热电路，包括：第一回路、第二回路及第三回路；
所述第一回路中，待加热电池放电至第一储能元件，第一储能元件电压上升；
所述第二回路，待加热电池放电至第二储能元件，第二储能元件电压上升；
所述第三回路导通时，第一回路、第二回路关断，第一储能元件和第二储能元件的电压和大于待加热电池的电压，第一储能元件和第二储能元件放电，电流流向待加热电池。
进一步的技术方案，所述第一回路为由第一储能元件、待加热电池、第一开关管串联构成。
进一步的技术方案，所述第二回路为由第二储能元件、待加热电池、第二开关管构成。
进一步的技术方案，所述第三回路为由第一储能元件、第二储能元件、待加热电池、第三开关管构成。
进一步的技术方案，所述第一回路、第二回路及第三回路中的开关管为具有开关特性的电力电子器件，例如N沟道MOS管。
进一步的技术方案，所述第一储能元件一端与待加热电池的阳极和第三开关管的漏极的公共端相连，第一储能元件另外一端与第一开关管的漏极和第三开关管的源极的公共端相连；
第二储能元件一端与待加热电池的阴极和第一开关管的源极的公共端相连，第二储能元件的另外一端与第二开关管的源极和第三开关管的漏极的公共端相连。
进一步的技术方案，所述待加热电池为单节电池或任意节电池单体组成的电池组。
第二方面，公开了一种锂电池组内部交流加热系统，包括上述加热电路、控制电路及温度检测模块，所述温度检测单元将检测的待加热电池的温度实时传输至控制电路，控制电路与上位机进行通信，将数据实时传输至上位机，所述控制电路用于根据上位机的控制指令控制加热电路中不同回路的工作状态，对待加热电池的快速加热。
第三方面，公开了一种锂电池组内部交流加热方法，包括：
实时监测待加热电池组温度；
根据上传的待加热电池组温度与设置的温度阈值比较，当待加热电池的实际温度低于设置的温度阈值时，加热电路开启；
加热电路开启：通过控制一对反向PWM波形，控制加热电路中开关管的开启和关断，利用电池和电容之间的充放电过程，产生交流电流，并利用电池内阻产生欧姆热，进行电池的低温加热；
当电池温度加热达到或超过温度阈值时，停止产生PWM信号，加热电路关断。
进一步的技术方案，当待加热电池的实际温度高于或等于设置的温度阈值时，加热电路不开启；
加热电路开启时，通过控制PWM的频率可以实现不同频率下的加热。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明能够实现任意节电池在低温条件下的快速加热，具有较高的加热效率。
本加热拓扑仅需要一对互补的PWM波形进行控制，操作简单。
本发明均衡-加热电路简单仅需要两个电容，三个MOS管，体积小，成本低。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例仿真加热物理加热电路连接示意图；
图2为本公开实施例电池单体的温度上升曲线示意图；
图3为本公开实施例加热系统示意图；
图4为本公开实施例工作过程示意图；
图5为本发明的高效的内部交流加热电路；
图6为本发明的内部交流加热电路MOS管S1与MOS管S1导通，MOS管S3断开时的工作原理图；
图7为本发明的内部交流加热电路MOS管S3导通，MOS管S1、S2断开时的工作原理图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种锂电池组内部交流加热电路，包括：第一回路、第二回路及第三回路；
所述第一回路中，待加热电池放电至第一储能元件，第一储能元件电压上升；
所述第二回路，待加热电池放电至第二储能元件，第二储能元件电压上升；
所述第三回路导通时，第一回路、第二回路关断，第一储能元件和第二储能元件的电压和大于待加热电池的电压，第一储能元件和第二储能元件放电，电流流向待加热电池。
具体的，上述第一回路为由第一储能元件、待加热电池、第一开关管串联构成，其中以加热单节电池B1为例；
上述第一回路为由第二储能元件、待加热电池、第二开关管构成。
上述第三回路为由第一储能元件、第二储能元件、待加热电池、第三开关管构成。
上述第一回路、第二回路及第三回路中的开关管为N沟道MOS管。第一储能元件、第二储能元件为电容C1、C2，第一储能元件、第二储能元件也可以为其他能够实现储能的元件即可，第一开关管、第二开关管及第三开关管分别为开关管S1、S2、S3，在一实施例子中可以为N沟道MOS管，也可以为其他可控的开关管。
上述回路在具体的连接上，电容C1一端与待加热电池B1的阳极和MOS管S3的漏极D的公共端相连，电容C1另外一端与MOS管S1的漏极D和MOS管S3的源极S的公共端相连。
电容C2一端与待加热电池B1的阴极和MOS管S1的源极S的公共端相连，电容C2的另外一端与MOS管S2的源极S和MOS管S3的漏极S的公共端相连。
上述待加热电池为单节电池或任意节电池单体组成的电池组。
实施例子二
该实施例公开了一种锂电池组内部交流加热方法，可以基于基于如上所述的锂电池内部交流加热电路实现，包括：
参见附图5、6、7所示，控制MOS管S1与MOS管S2导通，MOS管S3断开，第一回路、第二回路导通，第三回路关断。此时电容C1与电容C2并联，接在待加热电池B1两端，在第一回路中，待加热电池B1进行放电，电流从B1流向电容C1，电容C1被充电，电容C1的电压上升。在第二回路中，待加热电池B1进行放电，电流从B1流向电容C2，电感C2被充电，电感C2的电压上升。电流从待加热电池B1流出，经过分流流向电容C1和电容C2。
控制MOS管S3导通，MOS管S1、S2断开，第三回路导通，第一回路、第二回路关断。此时电容C1与电容C2串联，接在待加热电池B1两端。在第三回路中，电容C1和电容C2的电压和大于待加热电池B1的电压，因此，电容C1和电容C2放电，电容的电压下降，电流从电容C1和点C2流向待加热电池B1。
经过上述两个过程，待加热电池B1流过交流电流，通过电池内阻产生欧姆热，实现锂电池的内部交流加热。
通过分析加热电路的工作原理，电池加热过程中产生的欧姆热与电流有效值的平方成正比，所以当电流有效值最大时，电池的加热过程耗时最短，实现最快加热。将电流有效值作为目标函数，将MOS管的开关频率作为粒子，采用粒子群优化算法寻取电流有效值的最大值，此时所对应的开关频率为最快加热频率。
实施例子三
参见附图3、4所示，该实施例子公开了一种锂电池组内部交流加热系统，包括上述加热电路、控制电路及温度检测模块，所述温度检测单元将检测的待加热电池的温度实时传输至控制电路，控制电路与上位机进行通信，将数据实时传输至上位机，所述控制电路用于根据上位机的控制指令控制加热电路中不同回路的工作状态，对待加热电池的快速加热。
实施例子四
该实施例公开了一种锂电池组内部交流加热系统工作方法，包括：
①温度检测：控制电路通过温度检测模块实时监测待加热电池组温度，并上传至上位机。
②加热判断：根据上传的待加热电池组温度，与设置的温度阈值比较，当待加热电池的实际温度低于设置的温度阈值时，加热电路开启。当待加热电池的实际温度高于或等于设置的温度阈值时，加热电路不开启。
③加热电路开启：微控制器通过控制一对反向PWM波形，控制加热电路中MOS管的开启和关断，实现电池和电容之间的充放电过程，产生交流电流，并利用电池内阻产生欧姆热，实现电池的低温加热。PWM波形的频率即为MOS管的开关频率，通过控制PWM的频率可以实现不同频率下的加热。
④加热电路关断：当电池温度加热达到或超过温度阈值时，微控制器停止产生PWM信号，加热电路关断。
高效的加热电路仿真模型的搭建，如图1所示，设置环境温度为-20℃，对单节电池进行加热。其中，一对反向PWM加热控制波形由方波发生器1和方波发生器2产生。MOS管S1、S2由方波发生器1控制开通和关断，MOS管S3由方波发生器2控制开通和关断。
图1中，Scope-示波器；current measurement-电流测量模块；Battery-电池；power-电力系统图形化用户接口。
可得电池单体的温度上升曲线如图2所示，电池单体可以在129秒内从-20℃加热至0℃，结果显示可以实现电池的快速加热。
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。
本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种锂电池组内部交流加热电路，其特征是，包括：第一回路、第二回路及第三回路；
所述第一回路中，待加热电池放电至第一储能元件，第一储能元件电压上升；
所述第二回路，待加热电池放电至第二储能元件，第二储能元件电压上升；
所述第三回路导通时，第一回路、第二回路关断，第一储能元件和第二储能元件的电压和大于待加热电池的电压，第一储能元件和第二储能元件放电，电流流向待加热电池；
所述第一回路为由第一储能元件、待加热电池、第一开关管串联构成；
所述第二回路为由第二储能元件、待加热电池、第二开关管构成；
所述第三回路为由第一储能元件、第二储能元件、待加热电池、第三开关管构成；
所述第一储能元件一端与待加热电池的阳极和第三开关管的漏极的公共端相连，第一储能元件另外一端与第一开关管的漏极和第三开关管的源极的公共端相连；
第二储能元件一端与待加热电池的阴极和第一开关管的源极的公共端相连，第二储能元件的另外一端与第二开关管的源极和第三开关管的漏极的公共端相连；
当待加热电池的实际温度高于或等于设置的温度阈值时，加热电路不开启；
加热电路开启时，通过控制PWM的频率可以实现不同频率下的加热；
上述待加热电池为单节电池或任意节电池单体组成的电池组；
将电流有效值作为目标函数，将MOS管的开关频率作为粒子，采用粒子群优化算法寻取电流有效值的最大值，此时所对应的开关频率为最快加热频率。
2.如权利要求1所述的一种锂电池组内部交流加热电路，其特征是，所述第一回路、第二回路及第三回路中的开关管为具有开关特性的电力电子器件。
3.一种锂电池组内部交流加热系统，其特征是，包括上述权利要求1-2任一所述的加热电路、控制电路及温度检测模块，所述温度检测单元将检测的待加热电池的温度实时传输至控制电路，控制电路与上位机进行通信，将数据实时传输至上位机，所述控制电路用于根据上位机的控制指令控制加热电路中不同回路的工作状态，对待加热电池的快速加热。
4.一种基于权利要求3所述的锂电池组内部交流加热系统的加热方法，其特征是，包括：
实时监测待加热电池组温度；
根据上传的待加热电池组温度与设置的温度阈值比较，当待加热电池的实际温度低于设置的温度阈值时，加热电路开启；
加热电路开启：通过控制一对反向PWM波形，控制加热电路中开关管的开启和关断，利用电池和电容之间的充放电过程，产生交流电流，并利用电池内阻产生欧姆热，进行电池的低温加热；
当电池温度加热达到或超过温度阈值时，停止产生PWM信号，加热电路关断；
当待加热电池的实际温度高于或等于设置的温度阈值时，加热电路不开启；
加热电路开启时，通过控制PWM的频率可以实现不同频率下的加热；
上述待加热电池为单节电池或任意节电池单体组成的电池组；
将电流有效值作为目标函数，将MOS管的开关频率作为粒子，采用粒子群优化算法寻取电流有效值的最大值，此时所对应的开关频率为最快加热频率。
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