CN117117390A - 一种低温用锂离子电池加热系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种低温用锂离子电池加热系统及方法，包括与电池模块负极相连的温度继电器，温度继电器与正向热敏电阻相连，正向热敏电阻与能够将电能转化为热能的加热元件相连，加热元件与电池模块的正极相连。本发明以被动元件温度继电器控制加热系统启动，降低加热系统功能失效机率，同时能够简化电池管理系统的控制方法；本发明采用能够将电能转化为热能的加热元件，以电池本身电能加热电阻式加热片的方式，使得此加热系统应用范围更广，适用于任何体系的电池组中；本发明以电池正/负极为加热路径，可以大幅提升加热系统对锂离子电池本身的加热效率。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池加热技术领域，具体涉及一种低温用锂离子电池加热系统及方法。
背景技术
锂离子电池凭借高能量密度、高工作电压、长循环寿命等突出优势迅速占领了便携式电子设备、电动汽车及储能市场。尽管如此，锂离子电池的应用仍受到一些限制。在高寒地区，冬天气温长期处于-25℃以下，锂离子电池容量急剧下降，循环寿命显著降低，严重限制了其在超低温环境及特种领域的应用。其原因主要是由于在低温条件下，电解质电导率下降，锂离子在电极材料内部的扩散速率减缓，电极/电解质界面电荷移动速率降低，电池极化骤增所导致的。
为了扩大锂离子电池的温度使用范围，目前最常规的方法是电池体系改进及电池加热系统优化设计。目前仅靠电池材料体系研发创新来攻克低温性能难度较大，因此一般都会辅助电池组系统加热的方式来提升电池的低温性能。目前低温用锂离子电池系统的设计方向主要有两个，一个是低温锂离子电池系统温控技术架构通过电池管理系统(BatteryManagement System，以下简称BMS)侦测电池温度，在温度过低不利于锂电池运行时，打开加热控制开关，通过加热板上的加热电阻短路产生热能，提升电池温度，其加热板以底板的形式或是侧面加热的形式呈现。另一个是低温锂离子电池系统温控技术架构通过BMS侦测电池温度，在温度过低不利于锂电池运行时，由BMS上报外部控制系统打开加热系统以及循环泵，使液体作为介质通过液冷板加热电芯，目前液冷板几乎都以底板形式呈现。
现有的低温电池包方案中有着以下缺点：一方面电池组不论是底部加热还是侧面加热，其导热效率较差，另一方面，温度量测系统以及BMS上加热控制系统若有故障(如控制开关损坏或温度量测元件损坏)，将导致电池电量在加热板上耗尽或是无法正常启动加热。且此方案牵涉到通讯控制，通讯信号丢失以及通讯线路连接损坏都将导致温控系统失效。
发明内容
为解决现有技术中的导热效率较差以及因故障温控系统无法启动的问题，本发明的目的在于提供一种可以在电池组中被动独立运作，且可以规避元件异常带来风险的高效率加热系统架构，加热效率高又具备广泛适用性的低温用锂离子电池加热系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种低温用锂离子电池加热系统，包括与电池模块一端相连的温度继电器，温度继电器与作为电流保护装置的正向热敏电阻相连，正向热敏电阻与能够将电能转化为热能的加热元件相连，加热元件与电池模块的另一端相连。
本发明进一步的改进在于，电池模块正极与温度继电器之间设置有前置继电器。
本发明进一步的改进在于，前置继电器连接有电池管理系统。
本发明进一步的改进在于，前置继电器与温度继电器之间设置有电流保护装置。
本发明进一步的改进在于，电流保护装置为电流熔断器。
本发明进一步的改进在于，温度继电器至少为并联设置的2个。
本发明进一步的改进在于，加热元件为加热膜或加热片。
本发明进一步的改进在于，还包括设置在电池模块一端的绝缘导热层，加热元件与绝缘导热层接触。
本发明进一步的改进在于，还包括用于包覆电池模块的绝热层。
本发明进一步的改进在于，温度继电器为常闭型温度继电器。
一种如上所述的低温锂离子电池加热系统的加热方法，采集电池模块温度，电池模块温度高于目标温度时，通过电池管理系统控制温度继电器断开，电池模块温度低于等于目标温度时，通过电池管理系统控制温度继电器闭合。
与现有技术相比，本发明与具有以下有益效果：
本发明以被动元件温度继电器控制加热系统启动，降低加热系统功能失效机率，同时能够简化电池管理系统的控制方法；本发明采用能够将电能转化为热能的加热元件，以电池本身电能加热电阻式加热片的方式，使得此加热系统应用范围更广，适用于任何体系的电池组中；本发明以电池正/负极为加热路径，可以大幅提升加热系统对锂离子电池本身的加热效率。
进一步的，本发明以2个以上的被动元件温度继电器并联控制加热系统启动，其备用互替的设计使加热系统大大降低失效可能。
进一步的，电流融断器能够避免线路短路带来的损坏与产生火花风险。
进一步的，与电池管理系统相连的前置继电器作为加热系统启动的前置条件，能够确保只有在BMS正常运行且无过低压/过高温现象时，才能启动加热系统。
本发明中通过采集电池模块温度，电池模块温度高于目标温度时，通过电池管理系统控制温度继电器断开，以关闭加热系统，电池模块温度低于等于目标温度时，通过电池管理系统控制温度继电器闭合，以开启加热系统，加热方法简单，易于控制，便于应用于锂离子电池等低温效能较差的电池组中。
附图说明
图1本发明低温电池组透视图；
图2本发明低温电池组中的电池模块结构示意图；
图3本发明低温用锂离子电池系统架构线路图；
图中，1为箱体，2为绝缘导热层，3为电池模组，4为电池管理系统，5为温度继电器，6为绝热层，7为前置继电器，8为电流熔断器，9为加热片，10为正向热敏电阻，11为串并联镍片，12为电芯固定支架。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以多种不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
另外，本发明中的元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
本发明中的技术术语含义：
电池模块：一个电池包由成千上万个电芯组成，为了便于管理，电芯首先联结并放入框架中，从而形成电池模块。电池模块可以在热和振动等外部冲击中保护多个电芯。
电池包：一组电芯可以组成一个模组，而几个模组则可以组成一个锂电池包。
本发明的低温用锂离子电池加热系统，包括如下三方面改进：
(1)电池组加热系统架构
本发明为了实现加热系统被动控制方案，且避免因为元件失效导致的不加热或在不适当时机加热，因此电池组加热系统架构以2个以上的温度继电器5加上一个以上由BMS控制的前置继电器7作为控制线路，其中，温度继电器5内部为双金属片封装结构，利用2金属片热膨胀系数不同在特定温度以上断开，并且在特定温度以下闭合的特性，将其安装在合适测温点上，以完成被动式控制，2个以上的温度继电器5并联设置，可以避免单一元件失效导致不能进行电池包加热。
本发明中以2个以上的温度继电器5作为低温用电池包中加热线路的启动装置；加热线路必须包含一个以上的继电器由电池管理系统(BMS)4控制作为前置继电器7、一个用于避免线路短路带来的损坏与产生火花风险的电流融断器8以以及一个以上的加热片。
为避免电池闲置时也在耗电加热，并且避免电池极端过热或导致过度放电，因此加热线路串联一个以上的前置继电器7以BMS控制，作为加热系统启动的前置条件，以确保只有在BMS正常运行且无过低压/过高温现象时，才能启动电池包加热系统。
(2)加热元件
本发明采用的加热元件主要是通过电阻通电发热的元件，如加热膜或加热片9，要求必须可以使用电池组所存电能透过能量转换产生热能用于自身加热；由于不需要外加产热装置因此可应用于各种尺寸/规格/电压的电池组，应用范围广阔，要求加热元件直接或透过绝缘导热层2，直接连接在电池包内电芯的正/负极加热，使得温控效率提高。
(3)附加保护元件
本发明还将一个电流融断器8作为电流保护装置串联在加热元件启动线路上，以避免线路发生短路损坏电池。以一个以上正向热敏电阻10串联在加热元件启动线路上，作为避免电池9被加热至过高温的另一层保护。
实施例1
如图1所示，本实施例针对一低温专用电池包，低温用锂离子电池加热系统，包含外箱箱体1、绝热层6、3个电池模块3、6片绝缘导热材料、4片加热片9、2个温度继电器5以及1组电池管理系统(BMS)4；
如图1所示，所有部件皆以外箱箱体1为保护载体，并安装于其中，其中，3个电池模块3的正/负极均通过绝缘导热层2(绝缘导热层2为绝缘导热材料)贴附加热片(如图2所示，本发明中电池模块3包括设置在电芯固定支架12上的串并联镍片11)，所有电池模块3在完成绝缘导热层2以及加热片9的贴附装配后，以绝热层6包覆并安装于箱体1之中，其加热片9热量能源来自电池组本身，其输出来源来自电池包正极与负极。
如图1所示，本发明中的2个温度继电器5皆安装于电池电力路径上，本发明中安装点选择电池模块3的正极与负极。
本发明中的加热系统线路如图3所示，电池负极先连接至BMS控制的前置继电器7，然后前置继电器7连接至电流融断器8一端，电流融断器8另一端再连接至2个并联的温度继电器5的一端(在此选择高于10度即断开的常闭型温度继电器)，同时温度继电器5的另一端连接至正向热敏电阻(Positive Temperature Coefficient，PTC)10一端，PTC另一端与加热片9一端相连，最后加热片9另一端连接至电池正极。PTC对加热片起到保护的作用。此处的正极与负极可以交换。
实施例中以加热片9为4个为例进行说明，加热片9还可以根据需要设置具体的数量。
本发明的所述低温锂离子电池加热系统的加热方法，包括以下步骤：采集电池模块3温度，电池模块3温度高于目标温度时，通过电池管理系统4控制温度继电器5断开，以关闭加热系统，电池模块3温度低于等于目标温度时，通过电池管理系统4控制温度继电器闭合，以开启加热系统。
本发明中的温度继电器5选择常闭型双金属片结构，利用2种金属的热膨胀系数差异，使得该元件在电池温度低于等于目标温度时闭合以开启加热系统，电池温度高于目标温度时断开，以关闭加热系统。
本发明中所述加热片9需要透过绝缘导热层2连接于电池模块3的电芯的正极或连接于电芯的负极。
本发明的加热系统应用于锂离子电池等低温效能较差的电池组中。
发明的加热系统选择电阻通电发热的加热元件如加热膜或加热片，要求必须可以使用电池包所存电能透过能量转换产生热能用于自身加热，并且加热片需要附有PTC(Positive Temperature Coefficient，热敏电阻)做为过温的被动保护元件。
前置继电器7由BMS控制，当BMS正常通电运作，且无电池过高温，无电池过低压异常时皆处于闭合状态；且前置继电器7需有1个以上作为多层保护。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅限于以上实施例，其具体结构允许有变化。但凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
Claims (11)
1.一种低温用锂离子电池加热系统，其特征在于，包括与电池模块(3)负极相连的温度继电器(5)，温度继电器(5)与正向热敏电阻(10)相连，正向热敏电阻(10)与能够将电能转化为热能的加热元件相连，加热元件与电池模块(3)的正极相连。
2.根据权利要求1所述的低温锂离子电池加热系统，其特征在于，电池模块(3)正极与温度继电器(5)之间设置有前置继电器(7)。
3.根据权利要求2所述的低温锂离子电池加热系统，其特征在于，前置继电器(7)连接有电池管理系统(4)。
4.根据权利要求2所述的低温锂离子电池加热系统，其特征在于，前置继电器(7)与温度继电器(5)之间设置有电流保护装置。
5.根据权利要求4所述的低温锂离子电池加热系统，其特征在于，电流保护装置为电流熔断器(8)。
6.根据权利要求1所述的低温锂离子电池加热系统，其特征在于，温度继电器(5)至少为并联设置的2个。
7.根据权利要求1所述的低温锂离子电池加热系统，其特征在于，加热元件为加热膜或加热片(9)。
8.根据权利要求1所述的低温锂离子电池加热系统，其特征在于，还包括设置在电池模块(3)一端的绝缘导热层(2)，加热元件与绝缘导热层(2)接触。
9.根据权利要求1所述的低温锂离子电池加热系统，其特征在于，还包括用于包覆电池模块(3)的绝热层(12)。
10.根据权利要求1所述的低温锂离子电池加热系统，其特征在于，温度继电器(5)为常闭型温度继电器。
11.一种如权利要求3所述的低温锂离子电池加热系统的加热方法，其特征在于，采集电池模块(3)温度，电池模块(3)温度高于目标温度时，通过电池管理系统(4)控制温度继电器(5)断开，电池模块(3)温度低于等于目标温度时，通过电池管理系统(4)控制温度继电器(5)闭合。
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