CN114678629A - 一种低温环境下的锂电池自加热方法及系统 - Google Patents

一种低温环境下的锂电池自加热方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低温环境下的锂电池自加热方法及系统，具体包括：当检测到电芯的温度小于第一阈值时，利用发热膜加热所述电芯，并实时检测加热过程中所述电芯的电芯温度和所述发热膜的发热膜温度；其中，所述发热膜贴合于所述电芯的表面；根据当前的电芯温度或当前的发热膜温度，确定是否继续加热所述电芯。本发明利用贴合于电芯表面的发热膜对电芯进行加热，避免影响锂电池内部电路板的性能，并根据当前的电芯温度或当前的发热膜温度，确定是否继续对电芯进行加热，使得加热的温度不会过大，进而保证锂电池自加热过程的安全性。

Description

一种低温环境下的锂电池自加热方法及系统
技术领域
本发明涉及锂电池领域，尤其涉及一种低温环境下的锂电池自加热方法及系统。
背景技术
由于具备能量密度高、质量轻且体积小、使用寿命长、节能环保等特点，锂电池正在被广泛应用于电动汽车等电动交通工具、军事装备、航空航天等多个领域。然而，锂电池在低温环境下的性能并不理想，现有的锂电池一般不支持低温0摄氏度以下充电和低温－20摄氏度以下放电，受环境温度的影响比较显著。在低温环境下，锂电池的有效容量急剧下降，导致使用锂电池的电动交通工具或者其他设备续航过短，难以满足实际需求。同时，低温下如果按照常规情况对锂电池进行充电，容易出现析锂现象，严重影响电池的使用寿命。因此，锂电池的这一特性限制了锂电池在寒冷地区或者极限环境的推广使用。
目前，为了提升锂电池的低温特性，主要提出了内部加热和外部加热两种方式对锂电池进行预加热。其中，内部加热是在锂电池两端施加一个交流电，利用锂电池的内部阻抗实现电池的加热，但是这种加热方式需要对电池单体结构进行较大的改动，一定程度上减小了锂电池的能量密度，降低其性能。至于外部加热，主要通过热传导或热对流的途径实现，现有的锂电池外部加热方法通常需要软件辅助控制，系统复杂且成本较高，或者PTC材料或加热膜等热传导材料直接覆盖于锂电池表面，对锂电池进行整体加热，可能会影响内部的保护电路板性能。此外，现有技术只考虑加热过程中的锂电池是否温度过高，忽略了电池内部其他组件的承受范围，难以保障电池加热的安全性。
发明内容
本发明提供了一种低温环境下的锂电池自加热方法及系统，低成本控制锂电池在低温环境下进行自加热，并保障其自加热过程的安全性。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种低温环境下的锂电池自加热方法，包括：
当检测到电芯的温度小于第一阈值时，利用发热膜加热所述电芯，并实时检测加热过程中所述电芯的电芯温度和所述发热膜的发热膜温度；其中，所述发热膜贴合于所述电芯的表面；
根据当前的电芯温度或当前的发热膜温度，确定是否继续加热所述电芯。
实施本申请实施例，可以利用贴合于电芯表面的发热膜直接对电芯进行加热，避免影响锂电池内部电路板的性能，并根据当前的电芯温度或当前的发热膜温度，确定是否继续对电芯进行加热，使得加热的温度不会过大，同时防止当只检测发热膜温度或电芯温度时，发热膜温度与电芯温度不同，会影响电池自加热过程的安全性。
作为优选方案，所述的一种低温环境下的锂电池自加热方法，还包括：
当接收到电芯欠压信号时，停止加热所述电芯；
其中，所述电芯欠压信号是在电池管理系统检测到所述电芯欠压时，由所述电池管理系统发出的。
实施本申请实施例的优选方案，在接收到电芯欠压信号时，停止加热所述电芯，可以避免电池欠压影响正常工作，甚至是电池的使用寿命。此外，本发明提供的锂电池自加热系统只采用硬件，而非软硬件结合，在一定程度上降低了结构复杂度和整体成本。
作为优选方案，所述根据当前的电芯温度，确定是否继续加热所述电芯，具体为：
判断当前的电芯温度与所述第一阈值的大小关系，以确定是否继续加热所述电芯；
若当前的所述电芯温度小于所述第一阈值，则确定继续加热所述电芯；
若当前的所述电芯温度大于等于所述第一阈值，则确定停止加热所述电芯。
实施本申请实施例的优选方案，可以限制电芯温度的上升范围，防止过度加热，导致所述电芯温度超过可承受范围，影响电芯的正常性能或者使用寿命。
作为优选方案，所述根据当前的发热膜温度，确定是否继续加热所述电芯，还包括：
判断当前的发热膜温度与预设的第二阈值的大小关系，以确定是否继续加热所述电芯；
若当前的所述发热膜温度小于所述第二阈值，则确定继续加热所述电芯；
若当前的所述发热膜温度大于等于所述第二阈值，则确定停止加热所述电芯。
实施本申请实施例的优选方案，可以限制发热膜温度的上升范围，防止过度加热，导致所述发热膜温度超过可承受范围，影响发热膜的正常性能或者使用寿命。
作为优选方案，所述当检测到电芯的温度小于第一阈值时，利用发热膜加热所述电芯，并实时检测加热过程中所述电芯的电芯温度和所述发热膜的发热膜温度，具体为：
利用第一负温度系数热敏电阻实时检测电芯的温度，当所述电芯的温度小于第一阈值时，利用发热膜加热所述电芯；其中，通过使能开关模组，为所述发热膜对所述电芯的加热过程提供电能；
在加热过程中，利用所述第一负温度系数热敏电阻实时检测所述电芯的电芯温度，并利用第二负温度系数热敏电阻或者温度开关实时检测所述发热膜的发热膜温度。
实施本申请实施例的优选方案，借助灵敏度较高的负温度系数热敏电阻或温度开关，实现温度的检测，以提高温度检测的准确性，使得锂电池在低温环境下能够及时启动自加热，进而提升锂电池的低温性能。
为了解决相同的技术问题，本发明还提供了一种低温环境下的锂电池自加热系统，包括：
加热检测模块，用于当检测到电芯的温度小于第一阈值时，利用发热膜加热所述电芯，并实时检测加热过程中所述电芯的电芯温度和所述发热膜的发热膜温度；其中，所述发热膜贴合于所述电芯的表面；
超温保护模块，用于根据当前的电芯温度或当前的发热膜温度，确定是否继续加热所述电芯。
作为优选方案，所述的一种低温环境下的锂电池自加热系统，还包括：
欠压保护模块，用于当接收到电芯欠压信号时，停止加热所述电芯；其中，所述电芯欠压信号是在电池管理系统检测到所述电芯欠压时，由所述电池管理系统发出的。
作为优选方案，所述超温保护模块，还包括：
第一判断单元，用于判断当前的电芯温度与所述第一阈值的大小关系，以确定是否继续加热所述电芯；若当前的所述电芯温度小于所述第一阈值，则确定继续加热所述电芯；若当前的所述电芯温度大于等于所述第一阈值，则确定停止加热所述电芯；
第二判断单元，用于判断当前的发热膜温度与预设的第二阈值的大小关系，以确定是否继续加热所述电芯；若当前的所述发热膜温度小于所述第二阈值，则确定继续加热所述电芯；若当前的所述发热膜温度大于等于所述第二阈值，则确定停止加热所述电芯。
作为优选方案，所述加热检测模块，还包括：
电芯加热单元，用于利用第一负温度系数热敏电阻实时检测电芯的温度，当所述电芯的温度小于第一阈值时，利用发热膜加热所述电芯；其中，通过使能开关模组，为所述发热膜对所述电芯的加热过程提供电能；
温度检测单元，用于在加热过程中，利用所述第一负温度系数热敏电阻实时检测所述电芯的电芯温度，并利用第二负温度系数热敏电阻或者温度开关实时检测所述发热膜的发热膜温度。
附图说明
图1：为本发明提供的一种低温环境下的锂电池自加热方法的一种实施例的流程示意图；
图2：为本发明提供的一种低温环境下的锂电池自加热方法的另一种实施例的流程示意图；
图3：为本发明提供的一种低温环境下的锂电池自加热方法的一种实施例的原理图；
图4：为本发明提供的一种低温环境下的锂电池自加热系统的结构示意图；
图5：为本发明提供的一种低温环境下的锂电池自加热系统的加热检测模块的结构示意图；
图6：为本发明提供的一种低温环境下的锂电池自加热系统的超温保护模块的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
请参照图1，为本发明实施例提供的一种低温环境下的锂电池自加热方法，该方法包括步骤S1至步骤S2，各步骤具体如下：
步骤S1：当检测到电芯的温度小于第一阈值时，利用发热膜加热所述电芯，并实时检测加热过程中所述电芯的电芯温度和所述发热膜的发热膜温度；其中，所述发热膜贴合于所述电芯的表面。
常规的锂电池一般不支持低温0摄氏度(℃)以下充电和低温－20摄氏度以下放电，因此当锂电池的电芯温度低于0℃时，认为当前锂电池的电芯处于低温环境。
在本实施例中，当电芯的温度低于第一阈值时，需要启动锂电池自加热功能对锂电池进行加热，避免影响锂电池的优良性能。其中，加热膜环绕电芯紧密贴合，用于给电芯加热，避免直接加热锂电池影响锂电池内部电路板的性能。
作为优选方案，步骤S1具体包括步骤S11至步骤S12，各步骤具体如下：
步骤S11：利用第一负温度系数热敏电阻实时检测电芯的温度，当所述电芯的温度小于第一阈值时，利用发热膜加热所述电芯；其中，通过使能开关模组，为所述发热膜对所述电芯的加热过程提供电能。
在本实施例中，开关模组用于给加热膜的加热工作提供电能，同时DC－DC模组也可以达到提供电能的效果，所以可以采用DC－DC模组代替开关模组。
步骤S12：在加热过程中，利用所述第一负温度系数热敏电阻实时检测所述电芯的电芯温度，并利用第二负温度系数热敏电阻或者温度开关实时检测所述发热膜的发热膜温度。
负温度系数热敏电阻(Negative Temperature Coefficient，NTC)是一种金属氧化膜电阻器，特性表现为电阻值随温度的升高而变小，其电阻率和温度变化特性随材料成分比例、制作工艺、制作环境温度和结构状态不同而变化。
温度开关是一种用双金属片作为感温元件的元器件，当电器正常工作时，双金属片处于自由状态，触点处于闭合/断开状态；当温度升高至动作温度值时，双金属片受热产生内应力而迅速动作，改变触点状态，切断/接通电路，从而起到热保护作用；当温度降低至重定温度值时，触点自动闭合/断开，电器恢复正常工作状态。
在本实施例中，可以利用同一NCT实现对电芯温度和发热膜温度的检测，也可以各利用一个NCT分别检测电芯温度和发热膜温度，降低电路的复杂程度。其中，用于检测发热膜温度的NCT可由温度开关所替代。借助灵敏度较高的负温度系数热敏电阻或温度开关，实现温度的检测，以提高温度检测的准确性，使得锂电池在低温环境下能够及时启动自加热，进而提升锂电池的低温性能。
步骤S2：根据当前的电芯温度或当前的发热膜温度，确定是否继续加热所述电芯。
作为优选方案，步骤S2具体包括步骤S21至步骤S22，各步骤具体如下：
步骤S21：判断当前的电芯温度与所述第一阈值的大小关系，以确定是否继续加热所述电芯；
若当前的所述电芯温度小于所述第一阈值，则确定继续加热所述电芯；
若当前的所述电芯温度大于等于所述第一阈值，则确定停止加热所述电芯。
步骤S22：判断当前的发热膜温度与预设的第二阈值的大小关系，以确定是否继续加热所述电芯；
若当前的所述发热膜温度小于所述第二阈值，则确定继续加热所述电芯；
若当前的所述发热膜温度大于等于所述第二阈值，则确定停止加热所述电芯。
在本实施例中，分别限制电芯温度和发热膜温度的上升范围，防止过度加热，使得当前的温度超过元器件的可承受范围，影响其正常性能或者使用寿命。其中，与第一阈值相比，第一阈值为电芯适宜工作的温度阈值，当当前电芯温度略低于第一阈值时，锂电池的性能不会受到影响，但是当当前电芯温度低于第一阈值时，锂电池的正常性能会受到影响。
作为优选方案，请参照图2，所述的一种低温环境下的锂电池自加热方法，还包括步骤S3，具体如下：
步骤S3：当接收到电芯欠压信号时，停止加热所述电芯；其中，所述电芯欠压信号是在电池管理系统检测到所述电芯欠压时，由所述电池管理系统发出的。
在本实施例中，在接收到电芯欠压信号时，停止加热电芯，可以避免电池欠压影响正常工作，甚至是电池的使用寿命。此外，本发明提供的锂电池自加热系统只采用硬件，而非软硬件结合，在一定程度上降低了结构复杂度和整体成本。
作为一种举例，请参照图3，预设第一阈值为－20℃，则有：
选取适当的R1(-20℃)和R2(-20℃)，使得当电芯温度为－20℃时，Va(-20℃)＝Vbe(Q2)；其中Vbe(Q2)为NPN型三极管Q2的基极导通电压，R1为分压电阻，R2为第一负温度系数热敏电阻，R1与R2组成分压电路。
其中，R1(-20℃)为在电芯处于-20℃时R1的阻值，R2(-20℃)为在电芯处于-20℃时R2的阻值，Va(-20℃)为在电芯处于-20℃时A点的电压值，Va(-20℃)的计算方法可参照以下公式：
Figure BDA0003530814690000081
其中，为B点的电压，即P型MOS管Q3的G极电压。
若R2的实时阻值大于R2(-20℃)，则判定当前的电芯温度低于-20℃，且Va(-20℃)＞Vbe(Q2)，NPN型三极管Q2导通，P型MOS管Q3开启，并由电阻R6和电阻R7分压提供高电平以使能开关模组Q5，令加热膜R3开始工作，给电芯加热，使得电芯处于不低于预设的第一阈值-20℃的工作温度下。
若R2的实时阻值小于R2(-20℃)，则判定当前的电芯温度高于-20℃，且Va(-20℃)＜Vbe(Q2)，NPN型三极管Q2截止，P型MOS管Q3关闭，并由电阻R6和电阻R7分压提供低电平以停止使能开关模组Q5，令加热膜停止加热工作，避免温度过高。
上述举例为本发明提供的一种低温环境下的锂电池自加热方法的一种实施例，当第一阈值为其他温度值时，通过公式(1)确定当前温度下的R1和R2的阻值，构成对应的分压电路，以实现当前温度下的锂电池自加热。
为了解决相同的技术问题，请参照图4，本发明还提供了一种低温环境下的锂电池自加热系统，包括：
加热检测模块1，用于当检测到电芯的温度小于第一阈值时，利用发热膜加热所述电芯，并实时检测加热过程中所述电芯的电芯温度和所述发热膜的发热膜温度；其中，所述发热膜贴合于所述电芯的表面；
超温保护模块2，用于根据当前的电芯温度或当前的发热膜温度，确定是否继续加热所述电芯。
作为优选方案，请参照图4，所述的一种低温环境下的锂电池自加热系统，还包括：
欠压保护模块3，用于当接收到电芯欠压信号时，停止加热所述电芯；其中，所述电芯欠压信号是在电池管理系统检测到所述电芯欠压时，由所述电池管理系统发出的。
作为优选方案，请参照图5，所述加热检测模块1，还包括：
电芯加热单元，用于利用第一负温度系数热敏电阻实时检测电芯的温度，当所述电芯的温度小于第一阈值时，利用发热膜加热所述电芯；其中，通过使能开关模组，为所述发热膜对所述电芯的加热过程提供电能；
温度检测单元，用于在加热过程中，利用所述第一负温度系数热敏电阻实时检测所述电芯的电芯温度，并利用第二负温度系数热敏电阻或者温度开关实时检测所述发热膜的发热膜温度。
作为优选方案，请参照图6，所述超温保护模块2，还包括：
第一判断单元，用于判断当前的电芯温度与所述第一阈值的大小关系，以确定是否继续加热所述电芯；若当前的所述电芯温度小于所述第一阈值，则确定继续加热所述电芯；若当前的所述电芯温度大于等于所述第一阈值，则确定停止加热所述电芯；
第二判断单元，用于判断当前的发热膜温度与预设的第二阈值的大小关系，以确定是否继续加热所述电芯；若当前的所述发热膜温度小于所述第二阈值，则确定继续加热所述电芯；若当前的所述发热膜温度大于等于所述第二阈值，则确定停止加热所述电芯。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：
本发明提供了一种低温环境下的锂电池自加热方法及系统，利用贴合于电芯表面的发热膜对电芯进行加热，并实时检测加热过程中的电芯温度和发热膜温度，以确定当前是否继续对电芯进行加热，使得加热的温度不会过大，进而保障电池加热过程的安全性。同时，避免当只检测发热膜温度或电芯温度时，如果发热膜温度与电芯温度不同，会影响电池自加热过程的安全性。
进一步地，在接收到电芯欠压信号时，停止加热所述电芯，避免电池欠压影响正常工作，甚至影响电池的使用寿命。此外，采用灵敏度较高的负温度系数热敏电阻和温度开关，实现温度的检测，以提高温度检测的准确性，使得锂电池在低温环境下能够及时启动自加热，进而提升锂电池的低温性能。并且，本发明提供的锂电池自加热系统只采用硬件，而非软硬件结合，在一定程度上降低了结构复杂度和整体成本。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低温环境下的锂电池自加热方法，其特征在于，包括：
当检测到电芯的温度小于第一阈值时，利用发热膜加热所述电芯，并实时检测加热过程中所述电芯的电芯温度和所述发热膜的发热膜温度；其中，所述发热膜贴合于所述电芯的表面；
根据当前的电芯温度或当前的发热膜温度，确定是否继续加热所述电芯。
2.如权利要求1所述的一种低温环境下的锂电池自加热方法，其特征在于，还包括：
当接收到电芯欠压信号时，停止加热所述电芯；
其中，所述电芯欠压信号是在电池管理系统检测到所述电芯欠压时，由所述电池管理系统发出的。
3.如权利要求1所述的一种低温环境下的锂电池自加热方法，其特征在于，所述根据当前的电芯温度，确定是否继续加热所述电芯，具体为：
判断当前的电芯温度与所述第一阈值的大小关系，以确定是否继续加热所述电芯；
若当前的所述电芯温度小于所述第一阈值，则确定继续加热所述电芯；
若当前的所述电芯温度大于等于所述第一阈值，则确定停止加热所述电芯。
4.如权利要求1所述的一种低温环境下的锂电池自加热方法，其特征在于，所述根据当前的发热膜温度，确定是否继续加热所述电芯，还包括：
判断当前的发热膜温度与预设的第二阈值的大小关系，以确定是否继续加热所述电芯；
若当前的所述发热膜温度小于所述第二阈值，则确定继续加热所述电芯；
若当前的所述发热膜温度大于等于所述第二阈值，则确定停止加热所述电芯。
5.如权利要求1所述的一种低温环境下的锂电池自加热方法，其特征在于，所述当检测到电芯的温度小于第一阈值时，利用发热膜加热所述电芯，并实时检测加热过程中所述电芯的电芯温度和所述发热膜的发热膜温度，具体为：
利用第一负温度系数热敏电阻实时检测电芯的温度，当所述电芯的温度小于第一阈值时，利用发热膜加热所述电芯；其中，通过使能开关模组，为所述发热膜对所述电芯的加热过程提供电能；
在加热过程中，利用所述第一负温度系数热敏电阻实时检测所述电芯的电芯温度，并利用第二负温度系数热敏电阻或者温度开关实时检测所述发热膜的发热膜温度。
6.一种低温环境下的锂电池自加热系统，其特征在于，包括：
加热检测模块，用于当检测到电芯的温度小于第一阈值时，利用发热膜加热所述电芯，并实时检测加热过程中所述电芯的电芯温度和所述发热膜的发热膜温度；其中，所述发热膜贴合于所述电芯的表面；
超温保护模块，用于根据当前的电芯温度或当前的发热膜温度，确定是否继续加热所述电芯。
7.如权利要求6所述的一种低温环境下的锂电池自加热系统，其特征在于，还包括：
欠压保护模块，用于当接收到电芯欠压信号时，停止加热所述电芯；其中，所述电芯欠压信号是在电池管理系统检测到所述电芯欠压时，由所述电池管理系统发出的。
8.如权利要求6所述的一种低温环境下的锂电池自加热系统，其特征在于，所述超温保护模块，还包括：
第一判断单元，用于判断当前的电芯温度与所述第一阈值的大小关系，以确定是否继续加热所述电芯；若当前的所述电芯温度小于所述第一阈值，则确定继续加热所述电芯；若当前的所述电芯温度大于等于所述第一阈值，则确定停止加热所述电芯；
第二判断单元，用于判断当前的发热膜温度与预设的第二阈值的大小关系，以确定是否继续加热所述电芯；若当前的所述发热膜温度小于所述第二阈值，则确定继续加热所述电芯；若当前的所述发热膜温度大于等于所述第二阈值，则确定停止加热所述电芯。
9.如权利要求6所述的一种低温环境下的锂电池自加热系统，其特征在于，所述加热检测模块，还包括：
电芯加热单元，用于利用第一负温度系数热敏电阻实时检测电芯的温度，当所述电芯的温度小于第一阈值时，利用发热膜加热所述电芯；其中，通过使能开关模组，为所述发热膜对所述电芯的加热过程提供电能；
温度检测单元，用于在加热过程中，利用所述第一负温度系数热敏电阻实时检测所述电芯的电芯温度，并利用第二负温度系数热敏电阻或者温度开关实时检测所述发热膜的发热膜温度。
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