CN114464926A - 一种储能系统的独立低压加热装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种储能系统的独立低压加热装置及方法，能够根据电池的温度动态调整加热状态，使得电池在不使用时，保持正常的温度。装置包括电源适配器和加热垫；加热垫用于设置在储能电池下方，其内设有与电源适配器连接的电热丝；电源适配器一端与市电连接，另一端与电热丝连接，用于为电热丝供电；电源适配器包括温度检测模块、电源接口、控制模块和功率模块；温度检测传感器安装在储能电池上，与控制模块相连接，用于采集储能电池的温度传输给控制模块；功率模块与电热丝连接，用于将市电转换为电热丝的工作电源；控制模块分别与电源接口、温度检测模块和功率模块连接，用于根据储能电池的温度和接电情况调控电热丝的供电。
Description
技术领域
本发明属于电池加热技术领域，具体涉及一种储能系统的独立低压加热装置及方法。
背景技术
现有技术中，伴随着清洁能源的发展，大型储能系统的使用越来越多，在电动汽车、新能源发电领域应用广泛。新能源大型储能系统和电动汽车动力系统均采用12V，24V或者48V等电池模块的串联连接，并按照分布集中式排布。
但是，储能电池在低温环境下工作不稳定以及寿命缩短，导致储能系统在低温下的使用存在安全性和寿命的问题。现有技术中为了保持电池在正常的工作温度小工作，常采用在电池工作的时候使用空调加热或者高压PTC加热方式。
但是这些加热方式要求储能系统启动，会消耗电池的能量，而且要等待一定的时间，同时在储能电池进行充电状态时，电池温度随着功耗降低，造成充电过程中，电池温度过低而对电池造成损伤。但是如果一直使电池处于开启状态则不经济，也会降低电池寿命。另外，现有的电池加热材料必须满足高压的安全标准，成本高，工艺复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种储能系统的独立低压加热装置及方法，当储能电池处于充电状态时，能够根据电池的温度动态调整加热状态，使得电池在不使用时，保持正常的温度。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供一种储能系统的独立低压加热装置，包括电源适配器和加热垫；
所述加热垫用于设置在储能电池下方，其内设有与电源适配器连接的电热丝；
所述电源适配器一端与市电连接，另一端与电热丝连接，用于为所述电热丝供电；
所述电源适配器包括温度检测模块、电源接口、控制模块和功率模块；
所述温度检测模块安装在储能电池上，与控制模块相连接，用于采集储能电池的温度传输给控制模块；
所述功率模块一端与电热丝连接，另一端连接电源接口，用于将市电转换为电热丝的工作电源；
控制模块分别与电源接口、温度检测模块和功率模块连接，用于根据储能电池的温度和接电情况调控所述电热丝的供电。
上述设置达到的效果：通过电源适配器和加热垫，本装置可以为储能电池提供热量。电源适配器将市电转换为工作电源为电热丝供能，温度检测模块和控制模块调控具体的温度，防止电池温度过高损害电池，同时有利于节约能源，通过本装置，当储能电池处于充电状态时，能够根据电池的温度动态调整加热状态，使得电池在不使用时，保持正常的温度，提高电池的稳定性和使用寿命，且使用方便，操作简便。
进一步设置：所述电源适配器的功率为60~100W、采用高频开关技术的交流转直流的电源适配器。
上述设置达到的效果：功率是加热系统的关键参数，决定了适配器的尺寸和成本，60-100W的发热功率可以满足35度电的储能系统的加热要求。工频变压器尺寸大，价格贵，采用高频开关技术的交流转直流的适配器/充电器模块，频率可达100Khz以上,隔离变压器尺寸大大减小。
进一步的，控制模块根据储能电池的温度和接电情况调控电源适配器的工作模式，包括：
当加热装置已经安装固定在储能就系统，没有电源供电时，控制电源适配器进入安装模式，处于断电状态；
当市电接入时，进入上电工作模式，控制电源适配器启动，但功率模块不工作，不对外输出功率；
周期性的检测电池的温度，当检测到电池温度低于预设的第一阈值温度 TL 时，功率模块启动，电热丝工作，否则保持上电工作模式；当市电掉电时，控制进入安装模式，电源适配器处于断电状态；
当功率模块工作时，控制电源适配器进入功率输出模式，同时通过温度检测模块进行实时温度检测；
控制模块周期性的检测电池的温度，当检测到电池温度高于预设的第二阈值温度TH时，控制功率模块关闭，电热丝不发热，装置进入上电状态。否则保持在功率输出模式；
当市电掉电时，控制进入安装模式，电源适配器处于断电状态。
上述设置达到的效果：通过控制模块周而复始的进行温度检测、驱动电热丝加热、温度检测、停止加热，使电池的温度保持在一个稳定的范围内。
进一步的，所述功率模块包括变压器、整流器、滤波电容和保险丝；
所述变压器用于将市电的电压下降；
所述整流器单向导通，用于把交流电转换成直流电；
所述滤波电容用于平滑电压；
所述保险丝用于在电流过大时切断电路。
上述设置达到的效果：利用变压器将220V的市电电压变为36V以下的安全电压，并且将低压电气和市电隔离，隔离市电，产生人体安全电压（<36V）；技术成熟，效率高，尺寸小，便于安装；集成了过压，过流，过温度的保护功能，控制灵活。保险丝有利于防止电流过大，保护电路安全。
进一步的，所述控制模块包括控制开关、定时时钟和比较器；
所述定时时钟用于每固定时间间隔产生一个控制信号让功率模块进入工作模式，检测电池温度；
如果电池温度正常，控制功率模块继续进入休眠状态；当电池温度低于最低阈值，控制功率模块开始正常工作，直到电池温度正常为止；
所述控制开关用于当需要电路系统进入休眠状态时，或者温控信号表示电池温度正常，屏蔽比较器输出的高频开关信号，直接关闭变压器适配器的功率模块及相关元器件。
上述设置达到的效果：控制开关、定时时钟和比较器结构简单，安全可靠，成本低，适合于电热丝的温度控制。
进一步的，所述加热垫包括基底、电热丝和导热垫；
所述电热丝设置在基底与导热垫之间；所述电热丝为铁铬铝或镍铬合金丝；
所述基底为阻燃隔热棉基底；
所述导热垫为绝缘导热硅胶垫。
上述设置达到的效果：电热丝发热通过导热硅胶垫将热量传导给上方的电池模组，实现加热和保温功能。选用绝缘导热硅胶垫作为导热材料，其材质柔韧，绝缘，耐高温，导热性好，一方面可以和电池紧密接触，促进导热，同时其减震，耐磨，寿命长的特点，将电热丝按照一定排列缝制于硅胶垫中，构成发热硅胶垫，然后放置于阻燃隔热棉上层，防止热量向下传导，减少热量散失，降低能源损耗。
进一步的，所述电热丝根据电池的位置分布集中排布。
上述设置达到的效果：电热丝根据电池的位置分布集中排布，可节省线长，集中发热，并通过绝缘导热硅胶垫向上方高效传导给电池模组，提高了发热利用率。
进一步设置：所述温度检测模块包括至少一个温敏电阻和回滞比较器构成的温度感应电路。
上述设置达到的效果：通过温敏电阻和回滞比较器，产生温度控制信号，精确控制电源适配器的功率变化。
第二方面，本发明提供一种储能系统的独立低压加热控制方法，基于第一方面所述的独立低压加热装置，包括：
每固定时间间隔产生一个控制信号让功率模块进入工作状态，检测电池温度；
如果电池温度正常或者高于最高阈值，控制功率模块继续进入休眠状态；
电池温度低于最低阈值，控制功率模块开始正常工作，直到电池温度正常为止；
当需要功率模块进入休眠状态时，或者温控信号表示电池温度正常，屏蔽比较器输出的高频开关信号，直接关闭变压器等适配器的主要元器件。
进一步的，还包括：
功率模块持续工作时，检测电压，电流，和模块本身的温度，当电压过高，或者电流过大，或者模块本身发热温度太高，或者当需要电路系统进入休眠状态时，或者温控信号表示电池温度正常，屏蔽比较器输出的高频开关信号，控制直接关闭变压器适配器的功率模块及相关元器件。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
通过本独立低压加热装置及方法，当储能电池处于充电状态时，能够根据电池的温度动态调整加热状态，使得电池在不使用时，保持一定的温度范围，有利于车辆的启动与电池保护，防止电池损伤。
附图说明
图1是本发明的实施例一的加热装置的结构示意图；
图2是本发明的实施例二的加热装置的工作电路图；
图3是本发明的实施例二的温度检测模块的一种工作电路图；
图4是本发明的实施例二的温度检测模块的另一种工作电路图；
图5是本发明的实施例二的控制模块的工作模式流程图；
图6是本发明的实施例二的电池温度变化图；
图7是本发明的实施例二的电热丝的分布示意图；
图8是本发明的实施例二的储能电池的结构示意图；
图9是本发明的实施例二的电池箱标准充电热风仿真数据图；
图中：1、储能电池；2、导热垫；3、电热丝；4、基底；5、电源适配器。
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。
实施例一：
本实施例提供提供一种储能系统的独立低压加热装置，包括电源适配器5和加热垫；
所述加热垫用于设置在储能电池1下方，其内设有与电源适配器5连接的电热丝3；
所述电源适配器5一端与市电连接，另一端与电热丝3连接，用于为所述电热丝3供电；
所述电源适配器5包括用于检测电池的温度的温度检测模块、用于与电源连接的电源接口、用于控制电源适配器5运行的控制模块和用于调节电热丝3功率的功率模块；
所述温度检测模块安装在储能电池1上，与控制模块相连接，用于采集储能电池1的温度传输给控制模块；
所述功率模块与电热丝3连接，用于将市电转换为电热丝3的工作电源；
控制模块分别与电源接口、温度检测模块和功率模块连接，用于根据储能电池1的温度和接电情况调控所述电热丝3的供电。
实施原理：通过电源适配器5和加热垫，本装置可以为储能电池1提供热量。电源适配器5将市电转换为工作电源为电热丝3供能，温度检测模块和控制模块调控具体的温度，防止电池温度过高损害电池，同时有利于节约能源，通过本装置，当储能电池1处于充电状态时，能够根据电池的温度动态调整加热状态，使得电池在不使用时，保持正常的温度，提高电池的稳定性和使用寿命，且使用方便，操作简便。
实际操作中，将加热垫安装至储能电池1处，接通电源开启加热装置。
另外，电源接口为多种形式的接口，可以与普通插座、电动车充电枪、新能源送电接口等连接。
实施例二：
本实施例提供一种储能系统的独立低压加热装置，如图1所示，加热装置由两个部分组成，包括电源适配器5和加热垫；加热垫内设有与电源适配器5连接的电热丝3；电源适配器5用于调节电热丝3的功率。
电源适配器5为80W的电源适配器5，电源适配器5包括可以检测电池的温度的温度检测模块、用于与电源连接的电源接口、用于控制电源适配器5运行的控制模块和用于调节电热丝3功率的功率模块。通过热仿真数据，可知80W的发热功率可以满足35度电的储能系统的加热要求。
电池系统结构如图9，长×宽×高，1700mm×770mm×86mm
材料条件如下表：
采用该结构模拟标准充电状态，加入80W的发热载荷，模拟8小时充电，得到如图9的电池箱标准充电热风仿真数据。
当加入热载荷80W的时候，通过热仿真的数据的分析，可以得出：充电过程电芯温度缓慢上升，充电8小时上升5~6°C；稳态时（长时间），温升13°C，对于一个35度电的电池系统，80W的发热功率可以实现对电池的整体加热和加热功能。
因此功率小于80W车用适配器模的加热功率足以满足电动动力电池系统的加热和加热功能，尺寸小，效率高，安装具有很大的灵活性。
温度检测模块安装在储能电池1上，与控制模块相连接，用于采集储能电池1的温度传输给控制模块；
功率模块与电热丝3连接，用于调节电热丝3的功率；
控制模块分别与电源接口、温度检测模块和功率模块连接，用于根据储能电池1的温度和接电情况调控电源适配器5的工作模式，具体工作流程中电池温度变化如图6所示：
安装模式：加热装置已经安装固定在储能就系统，没有电源供电时，进入安装模式。
上电模式：220V市电接入时，适配器内部控制模块工作，但功率模块不工作，不对外输出功率。
温度检测模式1：周期性的检测电池的温度，当检测到电池温度低于预设的阈值温度 TL 时，适配器功率模块启动，电热丝3工作，否则保持上电工作模式；当市电掉电时，加热装置掉电，进入安装模式。
功率输出模式：适配器功率模块工作，温度检测同时进行，对外驱动电热丝3发热，对电池加热或加热。
温度检测模式2：控制模块周期性的检测电池的温度，当检测到电池温度高于预设的阈值温度 TH（TH>TL）时，适配器功率模块关闭，电热丝3不发热，装置进入上电状态。否则保持在功率输出状态。当220V市电掉电时，加热装置掉电，进入安装模式。
具体来说，功率模块将交流电转换为直流电，直流电驱动电热丝3发热，将电能装换为热能。电池结构如图7所示。
如图3所示，控制模块包括开关控制、定时时钟和比较器。定时时钟：电池正常工作时，电路处于休眠状态，每固定时间间隔（例如一分钟）产生一个控制信号让电路系统进入工作状态，检测电池温度。如果电池温度正常，电路继续进入休眠状态。一旦电池温度低于某一个阈值，电路系统开始正常工作，不在进入休眠，直到电池温度正常为止。开关控制：当需要电路系统进入休眠状态时，或者温控信号表示电池温度正常，控制开关屏蔽比较器输出的高频开关信号，直接关闭变压器等适配器的主要元器件。
如图3-4所示，本实施例提供了两种温度检测模块的电路结构，温度检测模块包括温敏电阻和回滞比较器构成的温度感应电路，具体实施中，可以采用如图4所示的多个温敏电阻与回滞比较器相配合。
加热垫置于电池的下方，包含阻燃隔热棉基底4，电热丝3和绝缘导热硅胶垫，电热丝3发热通过导热硅胶垫将热量传导给上方的电池模组，实现加热和加热功能。
由于工作在低电压，电热丝3根据电阻值的大小选择材料，铜导线、铁铬铝合金电热丝3、镍铬合金电热丝3等。
选用绝缘导热硅胶垫作为导热材料，其材质柔韧，绝缘，耐高温，导热性好，一方面可以和电池紧密接触，促进导热，同时其减震，耐磨，寿命长的特点，将电热丝3按照一定排列缝制于硅胶垫中，构成发热硅胶垫，然后放置于阻燃隔热棉上层，防止热量向下传导。
如图7所示，电热丝3分布在硅胶垫内，并以与电池分布相适配的分布集中式的形式分布，包括多个集中电热丝3区以加热各电池；硅胶垫的位置与电池相适配，集中电热丝3区均匀分布在电池下部，用于在通电的情况下发热。
电热丝3通电发热，通过设置电热丝3，可以使电池下的集中电热丝3区能够发热和加热，在冬季环境下，加热电池，防止电池在非耗能状态下温度过低，提高电池稳定性与寿命。另外，通过分布集中式的布置，与现有的储能系统中采用多块电池的情况相适配，特别适合于汽车电池加热和新能源充电系统的储能电池1加热。
需要说明的是，图7仅展现了本产品的一种实现方式，本产品的电热丝3分布可以根据实际需要进行调节，比如单排式、双排式，不应以图7限定本发明的范围。
硅胶垫的导热性好，调整电热丝3的排布方式，可以提高电热丝3的发热功率密度，因此对于加热布的设计，不仅要考虑安全性和功率，还要兼顾发热的利用率，其中电热丝3的排布是影响加热效果的重要因素。发热丝的排布和电池排布对应，提高电池底部电热丝3的排布密度和发热功率。
实施例三：
本实施例提供一种储能系统的独立低压加热控制方法，其基于实施例二所述的独立低压加热装置，包括以下步骤：
每固定时间间隔产生一个控制信号让功率模块进入工作状态，检测电池温度；
如果电池温度正常或者高于最高阈值，控制功率模块继续进入休眠状态；
电池温度低于最低阈值，控制功率模块开始正常工作，直到电池温度正常为止；
当需要功率模块进入休眠状态时，或者温控信号表示电池温度正常，屏蔽比较器输出的高频开关信号，直接关闭变压器等适配器的主要元器件。
具体的，本方法包括以下步骤：
当市电接入时，进入上电工作模式，控制电源适配器5启动，但功率模块不工作，不对外输出功率；
周期性的检测电池的温度，当检测到电池温度低于预设的第一阈值温度 TL 时，功率模块启动，电热丝3工作，否则保持上电工作模式；当市电掉电时，控制进入安装模式，电源适配器5处于断电状态；
当功率模块工作时，控制电源适配器5进入功率输出模式，同时通过温度检测模块进行实时温度检测；
控制模块周期性的检测电池的温度，当检测到电池温度高于预设的第二阈值温度TH时，控制功率模块关闭，电热丝3不发热，装置进入上电状态。否则保持在功率输出模式；
当市电掉电时，控制进入安装模式，电源适配器5处于断电状态。
在本实施例的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实施例的限制。
此外，术语“第一”、“第二”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”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，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”，“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种储能系统的独立低压加热装置，其特征在于，包括电源适配器和加热垫；
所述加热垫用于设置在储能电池下方，其内设有与电源适配器连接的电热丝；
所述电源适配器一端与市电连接，另一端与电热丝连接，用于为所述电热丝供电；
所述电源适配器包括温度检测模块、电源接口、控制模块和功率模块；
所述温度检测模块安装在储能电池上，与控制模块相连接，用于采集储能电池的温度传输给控制模块；
所述功率模块一端与电热丝连接，另一端连接电源接口，用于将市电转换为电热丝的工作电源；
控制模块分别与电源接口、温度检测模块和功率模块连接，用于根据储能电池的温度和接电情况调控所述电热丝的供电。
2.根据权利要求1所述的独立低压加热装置，其特征在于，所述电源适配器的功率为60~100W、采用高频开关技术的交流转直流的电源适配器。
3.根据权利要求2所述的独立低压加热装置，其特征在于，控制模块根据储能电池的温度和接电情况调控电源适配器的工作模式，包括：
当加热装置已经安装固定在储能就系统，没有电源供电时，控制电源适配器进入安装模式，处于断电状态；
当市电接入时，进入上电工作模式，控制电源适配器启动，但功率模块不工作，不对外输出功率；
周期性的检测电池的温度，当检测到电池温度低于预设的第一阈值温度 TL 时，功率模块启动，电热丝工作，否则保持上电工作模式；当市电掉电时，控制进入安装模式，电源适配器处于断电状态；
当功率模块工作时，控制电源适配器进入功率输出模式，同时通过温度检测模块进行实时温度检测；
控制模块周期性的检测电池的温度，当检测到电池温度高于预设的第二阈值温度 TH时，控制功率模块关闭，电热丝不发热，装置进入上电状态；
否则保持在功率输出模式；
当市电掉电时，控制进入安装模式，电源适配器处于断电状态。
4.根据权利要求1所述的独立低压加热装置，其特征在于，所述功率模块包括变压器、整流器、滤波电容和保险丝；
所述变压器用于将市电的电压下降；
所述整流器单向导通，用于把交流电转换成直流电；
所述滤波电容用于平滑电压；
所述保险丝用于在电流过大时切断电路。
5.根据权利要求2所述的独立低压加热装置，其特征在于，所述控制模块包括控制开关、定时时钟和比较器；
所述定时时钟用于每固定时间间隔产生一个控制信号让功率模块进入工作模式，检测电池温度；
如果电池温度正常，控制功率模块继续进入休眠状态；当电池温度低于最低阈值，控制功率模块开始正常工作，直到电池温度正常为止；
所述控制开关用于当需要电路系统进入休眠状态时，或者温控信号表示电池温度正常，屏蔽比较器输出的高频开关信号，直接关闭变压器适配器的功率模块及相关元器件。
6.根据权利要求1所述的独立低压加热装置，其特征在于，所述加热垫包括基底、电热丝和导热垫；
所述电热丝设置在基底与导热垫之间；所述电热丝为铁铬铝或镍铬合金丝；
所述基底为阻燃隔热棉基底；
所述导热垫为绝缘导热硅胶材料。
7.根据权利要求6所述的独立低压加热装置，其特征在于，所述电热丝根据电池的位置分布集中排布。
8.根据权利要求1所述的独立低压加热装置，其特征在于，所述温度检测模块包括至少一个温敏电阻和回滞比较器构成的温度感应电路。
9.一种储能系统的独立低压加热控制方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的独立低压加热装置，包括：
每固定时间间隔产生一个控制信号让功率模块进入工作状态，检测电池温度；
如果电池温度正常或者高于最高阈值，控制功率模块继续进入休眠状态；
电池温度低于最低阈值，控制功率模块开始正常工作，直到电池温度正常为止；
当需要功率模块进入休眠状态时，或者温控信号表示电池温度正常，屏蔽比较器输出的高频开关信号，直接电源适配器的主要元器件。
10.根据权利要求9所述的独立低压加热控制方法，其特征在于，还包括：
功率模块持续工作时，检测电压，电流，和模块本身的温度，当电压过高，或者电流过大，或者模块本身发热温度太高，或者当需要电路系统进入休眠状态时，或者温控信号表示电池温度正常，屏蔽比较器输出的高频开关信号，直接关闭变压器适配器的功率模块及相关元器件。
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|---|---|---|---|---|
| WO2024045122A1 (zh) * | 2022-09-01 | 2024-03-07 | 深圳市富兰瓦时技术有限公司 | 热管理系统及储能设备 |
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| WO2021215572A1 (ko) * | 2020-04-24 | 2021-10-28 | 에너테크인터내셔널 주식회사 | 전기자동차용 배터리 가열을 위한 히터 시스템과 이를 구비하는 전기자동차용 배터리 |
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2022
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