CN113506934B - 一种锂电池加热系统及加热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂电池加热系统及加热方法，属于锂电池加热技术领域，包括B1电池组、B2电池组、第一桥臂、第二桥臂和电感；所述B1电池组与第一桥臂串联连接；所述B2电池组与第二桥臂串联连接；所述B1电池组的负极和B2电池组的负极电接；所述电感连接第一桥臂中点与第二桥臂中点；所述第一桥臂与第二桥臂中的全控器件均连接至控制单元；所述控制单元通过检测单元检测电池组的表面温度以及流经电感的电流，并根据检测结果控制第一桥臂与第二桥臂中全控器件的通断。控制单元通过控制四个全控器件的通断以使锂电池内部产生自加热电流，以此调整充放电电流的大小及频率，本发明适用于低温下锂电池的内部预热。

Description

一种锂电池加热系统及加热方法
技术领域
本发明涉及一种锂电池加热系统及加热方法，属于锂电池加热技术领域。
背景技术
近年来随着公众对环境问题的关注度不断提升，新能源汽车凭借低碳环保优势受到政策支持，国内主要的汽车企业也纷纷在新能源汽车上发力，包括在核心的电动汽车电池方面加大研发力度。
由于锂电池具有能量密度高，循环寿命长等优点，成为电动汽车驱动的首选，然而低温状态下电池内阻急剧增大，输出功率和可用能量大幅下降；此外，低温下电池难以充入电能，且充电时易生成锂枝晶，引发安全危害，极大地限制了锂离子电池在寒冷环境中的使用。
目前改善低温环境下锂离子电池性能的有效方法是对动力电池进行预热操作，常见的方法有宽线金属膜加热，电热膜加热等从外部加热的方法，需要经过接触传导，空气对流、液体传热等途径加热电池，需要较大的空间和较高的成本。另外，外部加热在电池包中易形成温度梯度，而且大多数能量被耗散了，能量利用效率极低。内部预热方法是利用电流通过有一定电阻值的导体所产生的焦耳热来加热动力电池，导体为动力电池本身，虽然内部预热法较外部预热法动力电池温度梯度小，但是对充放电导体有较高的要求，而采用交流电源来预热动力电池需要安装产生交流电流的装置，这样不仅会使得系统结构更加复杂，同时还会增加电动汽车动力电池的成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种锂电池加热系统及加热方法，以解决现有技术中在低温环境下锂离子电池使用性能降低的问题。
为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：
一方面，本发明提供了一种锂电池加热系统，包括B1电池组、B2电池组、第一桥臂、第二桥臂和电感；所述B1电池组与第一桥臂串联连接；所述B2电池组与第二桥臂串联连接；所述B1电池组的负极和B2电池组的负极电接；所述电感连接第一桥臂中点与第二桥臂中点；所述B1电池组和B2电池组通过电感相互充放电；
所述第一桥臂与第二桥臂中的全控器件均连接至控制单元；所述控制单元通过检测单元检测电池组的表面温度以及流经电感的电流，并根据检测结果控制第一桥臂与第二桥臂中全控器件的通断。
优选的，所述第一桥臂包括全控器件Q3和全控器件Q4，全控器件Q3的门极及全控器件Q4的门极均连接至控制单元；所述全控器件Q3的集电极与全控器件Q4的发射极连接，全控器件Q3的发射极连接至B1电池组的正极；所述全控器件Q4的集电极连接至B1电池组的负极。
优选的，所述第二桥臂包括全控器件Q1和全控器件Q2，全控器件Q1的门极及全控器件Q2的门极均连接至控制单元；所述全控器件Q1的集电极与Q2的发射极连接，全控器件Q1的发射极连接至B2电池组的正极；所述全控器件Q2的集电极连接至B2电池组的负极。
另一方面，本发明还提供了一种电动汽车，包括如前所述的加热系统，所述锂电池加热系统设置于电动汽车上。
第三方面，本发明提供了一种如前述任一项所述加热系统的加热方法，所述方法包括如下步骤：
上半周期：自加热过程由B1电池组对B2电池组充电；
下半周期：以及B2电池组对B1电池组充电；
所述上半周期与下半周期交替进行直到锂电池加热过程结束；
在上半周期中，第一桥臂的全控器件Q3导通同时全控器件Q4关断，第二桥臂的全控器件Q2导通同时全控器件Q1关断，电感电流值增大，B1电池组放电；
如果电感电流值IL增大到最大值ILH，则第二桥臂的全控器件Q2关断，全控器件Q1导通，使电感电流值减小，B2电池组充电；
如果电感电流值IL小于预设值ILL，第二桥臂的全控器件Q1关断通同时全控器件Q2导通，使电感电流值IL增大，B1电池组放电；
重复使第二桥臂的全控器件Q1和全控器件Q2交替导通关断，将电感电流值IL维持在预先设置的范围内；
在下半周期中，第二桥臂的全控器件Q1导通同时全控器件Q2关断，第一桥臂的全控器件Q3导通同时全控器件Q4关断，电感电流值减小直至电流极性改变后增大，B2电池组放电；
如果电感电流值IL增大到最大值ILH，则第一桥臂的全控器件Q3导通,全控器件Q4关断，使电感电流值减小，B1电池组充电；
如果电感电流值IL小于预设值ILL，则第一桥臂的全控器件Q3关断，全控器件Q4导通，使电感电流值IL增大，B2电池组放电；
重复使第一桥臂的全控器件Q3和全控器件Q4交替导通关断，将电感电流值IL维持在预先设置的范围内。
优选的，所述电感电流的控制方法为开环控制，被充电电池组串联的上下全控器件交替导通和关断时间由预设值决定。
优选的，所述电感电流的控制方法为闭环控制，被充电电池组串联的上下全控器件交替导通和关断采用电流滞环控制，电流滞环的环宽由预设值决定。
优选的，调整上半周期、下半周期时间分配，使B1电池组与B2电池组之间荷电状态均衡。
优选的，调整上半周期和下半周期交替频率以及上下全控器件交替通断频率，改变B1电池组与B2电池组的内部生热速率。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
在该锂电池加热系统中，B1电池组与第一桥臂串联连接；B2电池组与第二桥臂联连接；B1电池组和B2电池组负极联接；电感连接第一桥臂中点与第二桥臂中点；B1电池组与B2电池组通过电感相互进充电和放电，从而产生焦耳热对电池组进行内部加热，该锂电池加热系统结构简单，降低了能量的损耗；锂电池加热系统包括B1电池组、B2电池组、第一桥臂、第二桥臂和电感，通过电池间相互充放电的方法来产热，提高了热电转化效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的锂电池加热系统的电路拓扑结构；
图2是本发明实施例提供的加热周期内第一阶段全控器件的通断情况以及电路中电流的流向；
图3是本发明实施例提供的加热周期内第二阶段全控器件的通断情况以及电路中电流的流向；
图4是本发明实施例提供的加热周期内第三阶段全控器件的通断情况以及电路中电流的流向；
图5是本发明实施例提供的加热周期内第四阶段全控器件的通断情况以及电路中电流的流向；
图6是本发明实施例提供的一个周期内电感电流波形。
图中：1、B1电池组；2、B2电池组；3、检测单元；4、控制单元；5、电感；6、第一桥臂；7、第二桥臂。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本发明提供了一种锂电池加热系统，所述锂电池加热系统应用于电动汽车；如图1所示，所述锂电池加热系统包括B1电池组1、B2电池组2、第一桥臂6、第二桥臂7和电感5，所述B1电池组1的负极和B2电池组2的负极电接，所述B1电池组1和B2电池组2通过电感5相互充放电；
所述B1电池组1与第一桥臂6串联连接，所述第一桥臂6包括串联的全控器件Q3和全控器件Q4，所述全控器件Q3和全控器件Q4为三极管，每个全控器件上设有门极、发射极、集电极，全控器件Q3的门极及全控器件Q4的门极均连接至控制单元4；所述全控器件Q3的集电极与全控器件Q4的发射极连接，全控器件Q3的发射极连接至B1电池组1的正极；所述全控器件Q4的集电极连接至B1电池组1的负极；
所述B2电池组2与第二桥臂7串联连接；所述第二桥臂7包括串联的全控器件Q1和全控器件Q2，所述全控器件Q1和全控器件Q2为三极管，每个全控器件上设有门极、发射极、集电极，全控器件Q1的门极及全控器件Q2的门极均连接至控制单元4；所述全控器件Q1的集电极与Q2的发射极连接，全控器件Q1的发射极连接至B2电池组2的正极；所述全控器件Q2的集电极连接至B2电池组的负极。
所述第一桥臂6与第二桥臂7中的全控器件均连接至控制单元4；所述控制单元4通过检测单元3检测电池组的表面温度以及流经电感5的电流，并根据检测结果控制第一桥臂6与第二桥臂7全控器件的通断。所述电感5可以是外加电感或者使用电机内部自带电感。
所述电感5连接第一桥臂6中点与第二桥臂7中点，电感5允许流过的最大电流为IMAX，设定加热电流最大允许值ILH略低于IMAX。同时为了保证加热速度，设定加热电流最小允许值ILL。
所述电感5一端连接所述全控器件Q3的集电极和全控器件Q4的发射极之间的连接电路上；所述电感5另一端连接全控器件Q1的集电极和全控器件Q2的发射极之间的连接电路上，所述检测单元3通过温度传感器和霍尔元件获取电池温度和电感5内流过的电流等信息，判断是否需要对电池进行加热，以及判断电池自加热电流是否在期望范围内，并将判断信息发送给控制单元4；
另需要说明的是，所述电感5电流的控制方法可以是开环控制，也可以是闭环控制，当控制方法为开环控制时，被充电电池组串联的上下全控器件导通和关断时间由预设值决定。当控制方法为闭环控制时，被充电电池组串联的上下全控器件导通和关断采用电流滞环控制，电流滞环的环宽由预设值决定。
本实施例中提出了一种新型的电路拓扑结构，结构简单，可以降低加热成本，通过电池间相互充放电的方法来产热，提高了热电转化效率，适用于低温下锂电池的内部预热。
本实施例还提供了一种锂电池加热方法，可以采用前述的锂电池加热系统实现，如图1至6所示，当检测单元3检测到B1电池组1或者是B2电池组2温度低于电池加热阈值温度后，确认需要对电池组进行加热，下面依据图2至图5分上半周期(第一、第二阶段)，下半周期(第三、第四阶段)四个阶段详细阐述加热过程的开关控制以及电流5在电路中的流向。
第一阶段 第二阶段 第三阶段 第四阶段
Q1 通 通 通
Q2 通
Q3 通 通 通
Q4 通
上半周期：自加热过程由B1电池组1对B2电池组2充电；
下半周期：B2电池组2对B1电池组1充电；
所述上半周期与下半周期交替进行直到锂电池加热过程结束；
在上半周期中，第一阶段，如图2所示，第一桥臂6的全控器件Q3导通同时全控器件Q4关断，第二桥臂7的全控器件Q2导通同时全控器件Q1关断；电流自B1电池组正极流经全控器件Q3、电感5、全控器件Q2流到电池组B1负极。该阶段电感5内电流不断增大，B1电池组1放电。
为了避免其超过电感5内允许流过的最大电流IMAX，预先设置电感5电流允许最大值ILH，如果电感5电流值IL增大到最大值ILH，则第二桥臂7的全控器件Q2关断，全控器件Q1导通，加热系统进入第二阶段，如图3所示，电感5内电流流经全控器件Q1、B2电池组2正极、B1电池组1负极、全控器件Q3。由于电池存在内阻，所以电感5内电流不断减小，B2电池组2充电；
为了保证电池加热速度，预先设置电感5内电流允许最小值ILL，当电感5内电流小于ILL时，如果电感5电流值IL小于预设值ILL，第二桥臂7的全控器件Q1关断通同时全控器件Q2导通，加热系统进入第一阶段，使电感5电流值增大，B1电池组1放电；
重复第二桥臂7上的全控器件Q1和全控器件Q2交替导通关断，将电感5电流值IL维持在预先设置的范围内；
在下半周期中，第三阶段，如图4所示，第二桥臂7的全控器件Q1导通同时全控器件Q2关断，第一桥臂6的全控器件Q3导通同时全控器件Q4关断，电流自B2电池组2正极流经全控器件Q1、电感5、全控器件Q4流到B1电池组1负极。该阶段电感5内电流不断减小直至电流极性改变后增大，B2电池组1放电。
为了避免其超过电感5内允许流过的最大电流IMAX，预先设置电感5内电流允许最大值ILH，如果电感5内电流值IL增大到最大值ILH，则第一桥臂6的全控器件Q3导通全控器件Q4关断，加热系统进入第四阶段，如图5所示，电感5内电流流经全控器件Q3、B1电池组1正极、B2电池组2负极、全控器件Q1，由于电池存在内阻，B1电池组1充电。
如果电感5内电流值IL小于预设值ILL，则第一桥臂6的全控器件Q3关断，全控器件Q4导通，加热系统进入第三阶段，使电感5电流值增大，B2电池组2放电；
在第一阶段和第三阶段，电感5内流过的电流如图6中I、III阶段所示，该阶段电感5内电流不断增大。在第二阶段和第四阶段，电感5内流过的电流如图6中II、IV阶段所示，该阶段电感5内电流不断减小。当电池组温度上升到电池加热阈值温度时，检测单元3发出信息使控制单元4停止输出驱动信号，电动汽车正常启动。
在加热过程的周期中，需要调整上半周期、下半周期时间分配，使B1电池组1与B2电池组2之间荷电状态均衡。还需调整上半周期和下半周期交替频率以及上下全控器件交替通断频率，改变B1电池组1与B2电池组2的内部生热速率。
在本实施例中，上全控器件是指全控器件Q1和全控器件Q3，下全控器件是指全控器件Q2和全控器件Q4，全控器件的连接方式可以是IGBT，也可以是其他种类全控器件电路连接；
实施例2：
本实施例还提供了一种电动汽车，电动汽车上设有实施例1所述的锂电池加热系统，所述锂电池加热系统包括B1电池组1、B2电池组2、第一桥臂6、第二桥臂7和电感5，所述B1电池组1的负极和B2电池组2的负极电接，电池组的分组可以是2组、4组、6组等偶数，每个电池组由多节锂电池串联或者并联构成，每2组构成双电池组电路拓扑结构，双电池组为供电单元，提供电池加热所消耗的能量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种锂电池加热系统的加热方法，其特征在于，所述锂电池加热系统包括B1电池组(1)、B2电池组(2)、第一桥臂(6)、第二桥臂(7)和电感(5)；所述B1电池组(1)与第一桥臂(6)串联连接；所述B2电池组(2)与第二桥臂(7)串联连接；所述B1电池组(1)的负极和B2电池组(2)的负极电接；所述电感(5)连接第一桥臂(6)中点与第二桥臂(7)中点；所述B1电池组(1)和B2电池组(2) 通过电感(5)相互充放电；所述第一桥臂(6)与第二桥臂(7)中的全控器件均连接至控制单元(4)；所述控制单元(4)通过检测单元(3)检测电池组的表面温度以及流经电感(5)的电流，并根据检测结果控制第一桥臂(6)与第二桥臂(7)中全控器件的通断；所述第一桥臂(6)包括全控器件Q3和全控器件Q4，全控器件Q3的门极及全控器件Q4的门极均连接至控制单元(4)；所述全控器件Q3的集电极与全控器件Q4的发射极连接，全控器件Q3的发射极连接至B1电池组(1)的正极；所述全控器件Q4的集电极连接至B1电池组(1)的负极；所述第二桥臂(7)包括全控器件Q1和全控器件Q2，全控器件Q1的门极及全控器件Q2的门极均连接至控制单元(4)；所述全控器件Q1的集电极与Q2的发射极连接，全控器件Q1的发射极连接至B2电池组(2) 的正极；所述全控器件Q2的集电极连接至B2电池组的负极；
所述方法包括以下步骤：
上半周期：自加热过程由B1电池组(1)对B2电池组(2)充电；
下半周期： B2 电池组(2) 对B1电池组(1) 充电；
所述上半周期与下半周期交替进行直到锂电池加热过程结束；.
在上半周期中，第一桥臂(6)的全控器件Q3导通同时全控器件Q4关断，第二桥臂(7) 的全控器件Q2导通同时全控器件Q1关断，电感(5) 电流值增大，B1电池组(1) 放电；
如果电感(5)电流值增大到最大值，则第二桥臂(7)的全控器件Q2关断、全控器件Q1导通，电感(5) 电流值减小，B2 电池组(2)充电；
如果电感(5) 电流值小于预设值，第二桥臂(7) 的全控器件Q1关断同时全控器件Q2导通，使电感(5)电流值增大，B1电池组(1)放电；
重复使第二桥臂(7) 的全控器件Q1和全控器件Q2交替导通关断，将电感(5)电流值维持在预先设置的范围内；
在下半周期中，第二桥臂(7)的全控器件Q1导通同时全控器件Q2关断，第一桥臂(6) 的全控器件Q4导通同时全控器件Q3关断，电感(5)电流值减小直至电流极性改变后增大，B2电池组(2)放电；
如果电感(5)电流值增大到最大值，则第一桥臂(6)的全控器件Q3导通、全控器件Q4关断，使电感(5)电流值减小，B1电池组(1)充电；
如果电感(5)电流值小于预设值，则第一桥臂(6)的全控器件Q3关断，全控器件Q4导通，使电感(5)电流值增大，B2电池组(2)放电；
重复使第一桥臂(6)的全控器件Q3和全控器件Q4交替导通关断，将电感(5)电流值维持在预先设置的范围内；
调整上半周期和下半周期交替频率以及上下全控器件交替通断频率，改变B1电池组(1)与B2电池组(2)的内部生热速率；
预先设置电感（5）内电流允许最小值ILL，预先设置电感（5）电流允许最大值ILH；
电感(5)电流的控制方法为开环控制，与充电电池组串联的上下全控器件交替导通和关断时长由预设值决定；
或者，电感(5)电流的控制方法为闭环控制，与充电电池组串联的上下全控器件交替导通和关断采用电流滞环控制，电流滞环的环宽由预设值决定。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池加热系统的加热方法，其特征在于，调整上半周期、下半周期时间分配，使B1电池组(1)与B2电池组(2)之间荷电状态均衡。
3.一种电动汽车，其特征在于，包括权利要求1至2任一项所述的锂电池加热系统，所述锂电池加热系统设置于电动汽车上。
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