CN114454745A - 一种锂电池低温充电系统、方法及电动二轮车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池低温充电系统、方法及电动二轮车，涉及锂电池技术领域，该方法包括：BMS检测当前电池温度，若当前电池温度低于第一预设低温温度，则根据当前剩余电量计算电池放电的温升量；若温升量满足预设条件，则上传放电使能信号给充电器，否则切断与充电器的充放电回路；预设条件为当前电池温度与温升量之和大于等于第一预设低温温度；充电器接收到放电使能信号时，开启放电回路给锂电池放电；BMS检测到当前电池温度达到第一预设低温温度时，上传充电使能信号给充电器；充电器进入正常充电模式给锂电池充电。该系统通过在充电器内增加放电回路，利用电池放电时产生的温升使其达到允许充电的阈值，从而实现低温下的充电功能。

Description

一种锂电池低温充电系统、方法及电动二轮车

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其是一种锂电池低温充电系统、方法及电动二轮车。

背景技术

随着新能源技术的发展和推广，传统电动二轮车上使用的铅酸电池逐渐向着锂电池过度。相较于铅酸电池，锂电池有着能量密度高、使用寿命长等优势，但是目前大多数锂电池只能支持在高于预设低温条件下充电，比如-10℃(有的只支持0℃)以上充电，在北方城市冬天的夜里气温普遍低于现有锂电池的预设低温充电条件，比如夜里气温通常在-5～-20℃之间，多数人习惯在夜里给电池充电，一旦低于现有锂电池的预设低温充电条件将无法给电池充电。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种锂电池低温充电系统、方法及电动二轮车，本发明的技术方案如下：

第一方面，本申请提供了一种锂电池低温充电系统，该系统包括至少具备单向通讯的锂电池和充电器；锂电池的BMS检测当前电池温度；若BMS判断当前电池温度低于第一预设低温温度，则BMS根据当前剩余电量计算电池放电的温升量；若BMS判断温升量满足预设条件，则BMS上传放电使能信号给充电器，否则BMS切断与充电器的充放电回路；其中，预设条件为当前电池温度与温升量之和大于等于第一预设低温温度；充电器接收到放电使能信号时，充电器开启放电回路给锂电池放电；当BMS检测到放电时的电池温度大于等于第一预设低温温度时，BMS上传充电使能信号给充电器；充电器接收到充电使能信号时，充电器进入正常充电模式给锂电池充电。

其进一步的技术方案为，BMS根据当前剩余电量计算电池放电的温升量，包括：

在低于第一预设低温温度的不同温度下，采用不同的放电电流对同一锂电池分别进行放电实验，获取锂电池的温度上升至第一预设低温温度所需的电量数据，汇总得到锂电池的温升量与电量的关系表，将关系表集成于BMS中；

BMS获取锂电池的当前剩余电量，通过查找关系表得到当前剩余电量对应的温升量。

其进一步的技术方案为，放电回路包括多个电阻、多个三极管、负载开关、二极管、电容和变阻器，负载开关的第一端分别连接第一、第二电阻的第一端，负载开关的第二端作为放电电路的第一端口连接电池正极，负载开关的控制端受充电器控制；第一电阻的第二端连接二极管的阴极，第二电阻的第二端通过变阻器连接第三电阻的第一端，变阻器的滑动端连接第三电阻的第一端；电容的第一端接在第一电阻与二极管之间，电容的第二端接在第二电阻与变阻器之间；第四电阻的第一端连接电容的第一端，第四电阻的第二端连接第五电阻的第一端；第一三极管的基极接在第四、第五电阻之间，第一三极管的集电极与第二三极管的集电极相连，第二三极管的基极连接第六电阻的第一端，二极管的阳极、第三电阻和第五电阻的第二端、第一三极管和第二三极管的发射极、第六电阻的第二端依次相连，且相连共端作为放电电路的第二端口连接电池负极；第七电阻的第一端连接负载开关的第一端，第七电阻的第二端分别连接第三三极管的基极和第二三极管的集电极，第三三极管的集电极与第四三极管的集电极相连，且相连端还连接负载开关的第二端，第三三极管的发射极连接第四三极管的基极，第四三极管的发射极连接第六电阻的第一端；

当达到第四电阻的电压阈值时，第一三极管导通，则锂电池依次通过电池正极、第三三极管、第四三极管、第六电阻和电池负极组成的回路进行放电；当回路电流超过设定阈值时，第二三极管导通，使第三、第四三极管断开，起到限流保护作用。

其进一步的技术方案为，检测当前电池温度，包括：

BMS获取锂电池的各个温度采集点的温度，选择一个最低温度作为锂电池的当前电池温度。

其进一步的技术方案为，若BMS判断当前电池温度大于等于第一预设低温温度，则BMS上传充电使能信号给充电器。

其进一步的技术方案为，若BMS判断当前电池温度低于第二预设低温温度，则BMS切断与充电器的充放电回路；其中，第一预设低温温度高于第二预设低温温度。

其进一步的技术方案为，BMS上传锂电池放电回路的电池电压给充电器；

充电器检测电池电压与当前充电电压的关系，确定当前充电电压是否满足锂电池的充电要求。

其进一步的技术方案为，当前剩余电量为锂电池的全部剩余电量；或者，当前剩余电量为锂电池的部分剩余电量，定义全部剩余电量减去部分剩余电量的电量值为预留电量，预留电量用于维持BMS在低电量时的用电需求。

第二方面，本申请提供了一种锂电池低温充电方法，该方法由锂电池的BMS执行，包括如下步骤：

BMS检测当前电池温度；

若当前电池温度低于第一预设低温温度，则根据当前剩余电量计算电池放电的温升量；

若温升量满足预设条件，则BMS向外发送放电使能信号，放电使能信号用于控制开启外部设备的放电回路，锂电池通过放电回路开始放电；

否则BMS切断与外部的充放电回路；其中，预设条件为当前电池温度与温升量之和大于等于第一预设低温温度；

当放电时的电池温度大于等于第一预设低温温度时，BMS向外发送充电使能信号，充电使能信号用于控制关断外部设备的放电回路、使外部进入正常充电模式，锂电池开始充电。

第三方面，本申请提供了一种电动二轮车，该电动二轮车的BMS执行第二方面提供的方法的步骤。

本发明的有益技术效果是：

该方法应用的充电器突破了传统充电器只支持充电的使用定义，在充电器内增加一个微型放电回路，基于电池的当前剩余电量来计算电池放电时产生的温升，来使其达到允许充电的阈值温度，从而实现低温下的充电功能。该方法无需在整车上增加独立加热装置，不改变原有架构，可实施性高。

附图说明

图1是本申请一实施例提供的锂电池低温充电方法的流程图。

图2是本申请另一实施例提供的锂电池低温充电方法的流程图。

图3是本申请提供的充电器内的微型放电回路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请提供了一种锂电池低温充电方法，该方法由锂电池的BMS执行，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤101：BMS检测当前电池温度。

可选的，当BMS与外部设备双向通讯时，在BMS接收到外部发送的唤醒信号时，检测当前电池温度。

步骤102：判断当前电池温度与阈值温度的关系，若当前电池温度低于第一预设低温温度，则进入步骤103；否则，进入步骤107。

步骤103：根据当前剩余电量计算电池放电的温升量。

步骤104：判断温升量是否满足预设条件，若温升量满足预设条件，则进入步骤105；否则BMS切断与外部的充放电回路。

其中，预设条件为当前电池温度与温升量之和大于等于第一预设低温温度。

步骤105：BMS向外发送放电使能信号，放电使能信号用于控制开启外部设备的放电回路，锂电池通过放电回路开始放电。

可选的，当BMS与外部设备双向通讯时，在BMS接收到由外部设备响应放电使能信号而产生的放电信号时，锂电池通过放电回路开始放电。

步骤106：实时检测放电时的电池温度与阈值温度的关系，当放电时的电池温度大于等于第一预设低温温度时，进入步骤107。

步骤107：BMS向外发送充电使能信号，充电使能信号用于控制关断外部设备的放电回路、使外部进入正常充电模式，锂电池开始充电。

可选的，当BMS与外部设备双向通讯时，在BMS接收到由外部设备响应充电使能信号而产生的充电信号时，锂电池开始充电。

在本实施例中，该方法基于电池的当前剩余电量来计算电池放电时产生的温升，来使其达到允许充电的阈值温度，从而实现低温下的充电功能。该方法无需在整车上增加独立加热装置，不改变原有架构，可实施性高。

基于同样的发明构思，本申请提供了一种锂电池低温充电系统，该系统包括至少具备单向通讯的锂电池和充电器，也即从锂电池的BMS到充电器的通讯方向。可选的，通信周期建议在1000ms以内。两者实现另一种锂电池低温充电方法的流程图如图2所示，该方法包括如下步骤：

步骤201：锂电池的BMS检测当前电池温度。

步骤211：BMS获取锂电池的各个温度采集点的温度，选择一个最低温度作为锂电池的当前电池温度。其中，一个电池PACK一般包含4个或更多温度采集点。

可选的，当BMS与外部设备双向通讯时，在BMS接收到充电器发送的唤醒信号时，检测当前电池温度。

可选的，所述方法还包括：BMS上传锂电池放电回路的电池电压给充电器；充电器检测电池电压与当前充电电压的关系，确定当前充电电压是否满足锂电池的充电要求。

步骤202：判断当前电池温度与阈值温度的关系，若BMS判断当前电池温度大于等于第一预设低温温度，则进入步骤210；否则，进入步骤203。

步骤203：若BMS判断当前电池温度低于第二预设低温温度，则进入步骤212；否则，进入步骤204。

其中，第一预设低温温度高于第二预设低温温度。所述第一预设低温温度为锂电池最低允许充电温度，第二预设低温温度为锂电池最低允许放电温度。一般适用于电动两轮车的锂电池允许的充电温度为-10℃以上，低于-20℃则无法放电，因此在本实施例中，设第一预设低温温度为-10℃，第二预设低温温度为-20℃。

步骤204：若BMS判断当前电池温度低于第一预设低温温度，也即当前电池温度介于第一预设低温温度和第二预设低温温度之间时，则BMS根据当前剩余电量计算电池放电的温升量，包括：

步骤241：在低于第一预设低温温度的不同温度下(比如-20℃、-13℃、-16℃、-19℃)，采用不同的放电电流(比如0.1C、0.2C、0.3C)对同一锂电池分别进行放电实验，获取锂电池的温度上升至第一预设低温温度-10℃所需的电量数据，汇总得到锂电池的温升量与电量的关系表，将关系表集成于BMS中。

步骤242：BMS获取锂电池的当前剩余电量，通过查找关系表得到当前剩余电量对应的温升量。

其中，当前剩余电量为锂电池的全部剩余电量；或者，当前剩余电量为锂电池的部分剩余电量。定义全部剩余电量减去部分剩余电量的电量值为预留电量，预留电量用于维持BMS在低电量时的用电需求。一般建议预留电量为电池电量的8％左右，其中电量精度为5％，3％用于低电量存储。在本实施例中，预留电量设置为3％-8％SOC。

步骤205：判断温升量是否满足预设条件，若BMS判断温升量满足预设条件，则进入步骤206，否则进入步骤212。

步骤206：BMS上传放电使能信号给充电器。

可选的，BMS还会上传电池信息给到充电器，电池信息包含协议版本、电压平台、允许充电电流和充电状态等信息。

步骤207：当充电器接收到放电使能信号时，开启放电回路给锂电池放电。

可选的，当BMS与外部设备双向通讯时，在充电器接收到放电使能信号时，充电器向BMS发送放电信号以响应放电使能信号，并开启放电回路给锂电池放电。

步骤208：在锂电池放电过程中，BMS实时检测放电时的电池温度。

步骤209：BMS判断放电时的电池温度与阈值温度的关系，当BMS检测到放电时的电池温度大于等于第一预设低温温度时，也即将电池温度提升到可充电温度阈值范围后，进入步骤210，否则重新执行步骤208。

步骤210：BMS上传充电使能信号给充电器。

步骤211：充电器接收到充电使能信号时，充电器进入正常充电模式给锂电池充电。

可选的，当BMS与外部设备双向通讯时，充电器向BMS发送充电信号以响应充电使能信号，并进入正常充电模式给锂电池充电。

步骤212：BMS切断与充电器的充放电回路。

可选的，双向通讯时也可以由充电器来切断与BMS的充放电回路。

具体的，本申请还提供了一个置于充电器内的微型放电回路，如图3所示，电路包括多个电阻、多个三极管、负载开关S1、二极管N1、电容C1和变阻器P1。具体连接关系为：负载开关S1的第一端分别连接第一电阻R1、第二电阻R2的第一端，负载开关S1的第二端作为放电电路的第一端口连接电池正极P+，负载开关S1的控制端受充电器控制。第一电阻R1的第二端连接二极管N1的阴极，可选的，二极管N1为肖基特二极管。第二电阻R2的第二端通过变阻器P1连接第三电阻R3的第一端，变阻器P1的滑动端也连接第三电阻R3的第一端。电容C1的第一端接在第一电阻R1与二极管N1之间，电容C1的第二端接在第二电阻R2与变阻器P1之间。第四电阻R4的第一端连接电容C1的第一端，第四电阻R4的第二端连接第五电阻R5的第一端。第一三极管T1的基极接在第四电阻R4、第五电阻R5之间，第一三极管T1的集电极与第二三极管T2的集电极相连，第二三极管T2的基极连接第六电阻R6的第一端。二极管N1的阳极、第三电阻R3和第五电阻R5的第二端、第一三极管T1和第二三极管T2的发射极、第六电阻R6的第二端依次相连，且相连共端作为放电电路的第二端口连接电池负极P-。第七电阻R7的第一端连接负载开关S1的第一端，第七电阻R7的第二端分别连接第三三极管T3的基极和第二三极管T2的集电极，第三三极管T3的集电极与第四三极管T4的集电极相连，且相连端还连接负载开关S1的第二端，第三三极管T3的发射极连接第四三极管T4的基极，第四三极管T4的发射极连接第六电阻R6的第一端。

其中，第三电阻R3为输入电压调整，第二三极管T2和第五电阻R5组成限流保护电路，第四电阻R4的上端电压由二极管N1输出决定，即:

微型放电回路的工作原理为：当负载开关S1闭合后、达到第四电阻R4的电压阈值时，第一三极管T1导通，进而使第三三极管T3、第四三极管T4导通，则锂电池依次通过电池正极P+、第三三极管T3、第四三极管T4、第六电阻R6和电池负极P-组成的回路进行放电。当回路电流超过设定阈值时，第二三极管T2导通，使第三三极管T3、第四三极管T4断开，从而起到限流保护作用。其中设定阈值根据实际情况设置，本申请对此不做限定。设定阈值的大小可以通过第六电阻R6的阻值大小调整，在本实施例中，设定阈值可以设置为10A。

通过上述方法使得锂电池在-10～-20℃低温环境下也具备充电的可能性，相对于新能源电动两轮车上的单独加热装置，该方法无需对二轮车整体架构进行改变，只需在充电器内增加一个微型放电回路，基于电池的当前剩余电量来计算电池放电时产生的温升，来使其达到允许充电的温度阈值后，再进行正常充电流程，从而实现低温下的充电功能，该方法可行性高，且易于实现。

基于同样的发明构思，本申请还提供了一种电动二轮车，其中电动二轮车的BMS执行上述以BMS为主体的锂电池低温充电方法的步骤(也即步骤101-107)。由于电动二轮车所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故对电动二轮车实施例中的具体限定可以参见上文中对于以BMS为主体的锂电池低温充电方法的限定，在此不再赘述。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂电池低温充电系统，其特征在于，所述系统包括至少具备单向通讯的锂电池和充电器；所述锂电池的BMS检测当前电池温度；若所述BMS判断所述当前电池温度低于第一预设低温温度，则所述BMS根据当前剩余电量计算电池放电的温升量；若所述BMS判断所述温升量满足预设条件，则所述BMS上传放电使能信号给所述充电器，否则所述BMS切断与所述充电器的充放电回路；其中，所述预设条件为所述当前电池温度与温升量之和大于等于所述第一预设低温温度；所述充电器接收到所述放电使能信号时，所述充电器开启放电回路给所述锂电池放电；当所述BMS检测到放电时的电池温度大于等于所述第一预设低温温度时，所述BMS上传充电使能信号给所述充电器；所述充电器接收到所述充电使能信号时，所述充电器进入正常充电模式给所述锂电池充电。

2.根据权利要求1所述的锂电池低温充电系统，其特征在于，所述BMS根据当前剩余电量计算电池放电的温升量，包括：

在低于所述第一预设低温温度的不同温度下，采用不同的放电电流对同一锂电池分别进行放电实验，获取所述锂电池的温度上升至所述第一预设低温温度所需的电量数据，汇总得到所述锂电池的温升量与电量的关系表，将所述关系表集成于所述BMS中；

所述BMS获取所述锂电池的当前剩余电量，通过查找所述关系表得到所述当前剩余电量对应的温升量。

3.根据权利要求1所述的锂电池低温充电系统，其特征在于，所述放电回路包括多个电阻、多个三极管、负载开关、二极管、电容和变阻器，所述负载开关的第一端分别连接第一、第二电阻的第一端，所述负载开关的第二端作为所述放电电路的第一端口连接电池正极，所述负载开关的控制端受所述充电器控制；第一电阻的第二端连接所述二极管的阴极，第二电阻的第二端通过所述变阻器连接第三电阻的第一端，所述变阻器的滑动端连接所述第三电阻的第一端；所述电容的第一端接在所述第一电阻与二极管之间，所述电容的第二端接在所述第二电阻与变阻器之间；第四电阻的第一端连接所述电容的第一端，所述第四电阻的第二端连接第五电阻的第一端；第一三极管的基极接在第四、第五电阻之间，所述第一三极管的集电极与第二三极管的集电极相连，所述第二三极管的基极连接第六电阻的第一端，所述二极管的阳极、第三电阻和第五电阻的第二端、第一三极管和第二三极管的发射极、第六电阻的第二端依次相连，且相连共端作为所述放电电路的第二端口连接电池负极；第七电阻的第一端连接所述负载开关的第一端，所述第七电阻的第二端分别连接第三三极管的基极和第二三极管的集电极，所述第三三极管的集电极与第四三极管的集电极相连，且相连端还连接所述负载开关的第二端，所述第三三极管的发射极连接所述第四三极管的基极，所述第四三极管的发射极连接所述第六电阻的第一端；

当达到所述第四电阻的电压阈值时，所述第一三极管导通，则所述锂电池依次通过所述电池正极、第三三极管、第四三极管、第六电阻和电池负极组成的回路进行放电；当回路电流超过设定阈值时，所述第二三极管导通，使第三、第四三极管断开，起到限流保护作用。

4.根据权利要求1所述的锂电池低温充电系统，其特征在于，所述检测当前电池温度，包括：

所述BMS获取所述锂电池的各个温度采集点的温度，选择一个最低温度作为所述锂电池的当前电池温度。

5.根据权利要求1-4任一所述的锂电池低温充电系统，其特征在于，若所述BMS判断所述当前电池温度大于等于所述第一预设低温温度，则所述BMS上传充电使能信号给所述充电器。

6.根据权利要求1-4任一所述的锂电池低温充电系统，其特征在于，若所述BMS判断所述当前电池温度低于第二预设低温温度，则所述BMS切断与所述充电器的充放电回路；其中，所述第一预设低温温度高于所述第二预设低温温度。

7.根据权利要求1-4任一所述的锂电池低温充电系统，其特征在于，所述BMS上传锂电池放电回路的电池电压给所述充电器；

所述充电器检测所述电池电压与当前充电电压的关系，确定所述当前充电电压是否满足所述锂电池的充电要求。

8.根据权利要求1或2所述的锂电池低温充电系统，其特征在于，所述当前剩余电量为所述锂电池的全部剩余电量；或者，所述当前剩余电量为所述锂电池的部分剩余电量，定义所述全部剩余电量减去所述部分剩余电量的电量值为预留电量，所述预留电量用于维持所述BMS在低电量时的用电需求。

9.一种锂电池低温充电方法，其特征在于，所述方法由锂电池的BMS执行，包括：

所述BMS检测当前电池温度；

若所述当前电池温度低于第一预设低温温度，则根据当前剩余电量计算电池放电的温升量；

若所述温升量满足预设条件，则所述BMS向外发送放电使能信号，所述放电使能信号用于控制开启外部设备的放电回路，所述锂电池通过所述放电回路开始放电；

否则所述BMS切断与外部的充放电回路；其中，所述预设条件为所述当前电池温度与温升量之和大于等于所述第一预设低温温度；

当放电时的电池温度大于等于所述第一预设低温温度时，所述BMS向外发送充电使能信号，所述充电使能信号用于控制关断外部设备的放电回路、使外部进入正常充电模式，所述锂电池开始充电。

10.一种电动二轮车，其特征在于，所述电动二轮车的BMS执行如权利要求9所述的方法的步骤。

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