CN117154871B - 一种低温环境下锂电池充放电保障系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂电池技术领域，尤其是指一种低温环境下锂电池充放电保障系统，包括主控模块、均与主控模块电连接的电池组、温度检测模块、加热模块、充电模块、放电模块以及保温模块；温度检测模块用于检测电池组周围的环境温度；加热模块包括一一对应设置的n个热电阻以及n个开关，n个热电阻彼此并联，开关设置于电池组与热电阻之间，主控模块用于根据电池组周围的环境温度分别控制各开关的通断；保温模块用于根据电池组周围的环境温度调整电池组与外界的热交换状态；n为大于1的自然数。本发明通过多个热电阻用于进行发热升温，且根据周围环境的实际温度，逐步增加工作的热电阻，从而让温度的上升能够根据电池组的放电效率进行适应。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，尤其是指一种低温环境下锂电池充放电保障系统。
背景技术
当锂电池在温度较低的环境下工作时，由于低温会导致锂电池内部的化学反应变慢，因此锂电池会发生电压变低、输出功率变低、充电速率变慢等现象。因此通常锂电池的控制系统中会有温度监测功能，用于保证锂电池不会在过高或者过低温度下进行充放电。
专利号为201711214099.5的中国发明专利，公开了一种极寒环境下锂离子动力电池组供电保障系统，其通过加热装置与隔热装置配合，实现了能够在0℃到-65℃低温环境下对锂离子电池组进行高效、可靠的热管理、充放电控制与均衡控制。
专利号为201410071715.6的中国发明专利，公开了一种电池的低温预热与充电方法，能够避免析锂，从而提高电池内部的产热速率。
虽然现有技术中存在对于低温条件下锂电池的充电与放电的应对方案，但是这些方案所给出的都只是在低温下如何应对，并无给出在不同低温下针对锂电池放电效率问题而提供逐步升温的方案。因此现有技术对于低温下锂电池的充放电保护方案还有进步的空间。
发明内容
本发明针对现有技术的问题提供一种低温环境下锂电池充放电保障系统，能够让锂电池随着温度的上升而逐步提升供电效率，从而锂电池收到的损伤更小，用电更为科学。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供的一种低温环境下锂电池充放电保障系统，包括主控模块、均与主控模块电连接的电池组、温度检测模块、加热模块、充电模块、放电模块以及保温模块；
温度检测模块用于检测电池组周围的环境温度；
加热模块包括一一对应设置的n个热电阻以及n个开关，n个热电阻彼此并联，开关设置于电池组与热电阻之间，主控模块用于根据电池组周围的环境温度分别控制各开关的通断；
充电模块用于外接电源，并通过电源对电池组进行充电；
放电模块用于外接用电装置，并用于把电池组的电压经稳压后为用电装置进行供电；
保温模块用于根据电池组周围的环境温度调整电池组与外界的热交换状态；
n为大于1的自然数。
进一步的，所述主控模块根据电池组周围的环境温度控制各开关的通断，具体包括：
S1.提供多个连续不间断的低温范围Tn；
S2.感测充电模块与放电模块的工作状态；
S3.通过温度检测模块检测主控模块周围的环境温度T，当环境温度T低于预设的下阈值T0时，获取环境温度T的实际数值，并判断环境温度T所处的低温范围Tn；
S4.控制n个热电阻通电发热以使得电池组周围的环境温度上升；
S5.每当环境温度T所处的低温范围Tn进行变化时，则增加一个热电阻进行通电发热，直至环境温度T达到预设的下阈值T0；
S6.控制全部热电阻断电，并控制充电模块/放电模块与电池组接通。
进一步的，步骤S2具体包括：
S21.感测充电模块与放电模块的工作状态，当充电模块处于接通状态时执行步骤S22，当放电模块处于接通状态时执行步骤S23；
S22.主控模块通过充电模块直接从外界电源获取电能以及为各热电阻进行供电，同时控制充电模块与电池组、电池组与放电模块均不接通；
S23.主控模块控制锂电池作为各热电阻的供电电源，同时控制放电模块与电池组之间断电。
进一步的，步骤S2还包括：
当充电模块与放电模块均处于接通状态时，执行步骤S22。
进一步的，在步骤S5中，每当环境温度T所处的低温范围Tn进行变化时，还控制电池组的放电功率进行增加。
进一步的，步骤S21还包括：
当感测电池组周围的环境温度低于最小的温度范围Tmin的最低温度时，无论充电模块与放电模块是否接通，主控模块均控制至少一个热电阻通电工作，以保证电池组不会因温度过低而无法供电。
进一步的，所述保温模块包括保温壳、驱动装置以及散热鳍片，保温壳的底部设有开口，散热鳍片转动设置于保温壳，驱动装置用于驱动散热鳍片转动，主控模块、电池组、温度检测模块、加热模块、充电模块、放电模块以及保温模块均设置于保温壳内，保温壳由不锈钢制成，保温壳设置有真空层；
开口还活动设置有隔温板，隔温板用于在散热鳍片转动至保温壳内部时遮盖开口。
进一步的，所述电池组连接有导热结构，导热结构用于在散热鳍片转动至朝向开口外时与散热鳍片接触，并在散热鳍片转动至保温壳内部时与散热鳍片分离。
进一步的，所述保温模块根据电池组周围的环境温度调整电池组与外界的热交换状态，具体包括：
提供温度阈值Ta，Tb和Tc；
获取电池组周围的环境温度T，当T大于Tc时，通过驱动装置控制散热鳍片转动至朝向开口外，同时控制导热结构与散热鳍片连接；
当T小于Tc且大于Tb时，控制导热结构与散热鳍片分离，同时通过驱动装置控制散热鳍片转动至保温壳内；
当T小于Tb且大于Ta时，控制隔温板滑动直至完全遮盖开口。
进一步的，所述导热结构包括固定导热件、升降驱动件、活动导热件以及多个传热件，固定导热件安装于电池组，多个传热件设置于固定导热件与活动导热件之间，升降驱动件包括活塞以及容器，活塞活动设置于容器，容器内装有热膨胀系数高的气体，活塞连接于活动导热件。
本发明的有益效果：本发明通过多个热电阻用于进行发热升温，且根据周围环境的实际温度，逐步增加工作的热电阻，从而让温度的上升能够根据电池组的放电效率进行适应。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为本发明的保温模块的示意图。
附图标记：1—保温壳，2—驱动装置，3—散热鳍片，4—开口，5—真空层，6—隔温板，7—导热结构，8—固定导热件，9—升降驱动件，10—活动导热件，11—传热件，12—活塞，13—容器，14—电池组。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。
如图1和图2所示，本发明提供的一种低温环境下锂电池充放电保障系统，包括主控模块、均与主控模块电连接的电池组14、温度检测模块、加热模块、充电模块、放电模块以及保温模块；
温度检测模块用于检测电池组14周围的环境温度；
加热模块包括一一对应设置的n个热电阻以及n个开关，n个热电阻彼此并联，开关设置于电池组14与热电阻之间，主控模块用于根据电池组14周围的环境温度分别控制各开关的通断；
充电模块用于外接电源，并通过电源对电池组14进行充电；
放电模块用于外接用电装置，并用于把电池组14的电压经稳压后为用电装置进行供电；
保温模块用于根据电池组14周围的环境温度调整电池组14与外界的热交换状态；
n为大于1的自然数。
即本发明工作时，由于锂电池在低温下化学反应速率会变慢，即输出功率可能为正常输出功率的50％甚至更低。在这个前提下，本发明通过让多个热电阻来实现升温，具体为：当温度较低时，可只控制一个或者不全部的热电阻通电，使得电池组14的输出功率大部分转换为热电阻的发热功率；而随着温度上升，电池组14的放电效率会提升，也就是电池组14的输出功率会提升，此时可控制更多的热电阻通电，从而让升温效率进一步提升。因此采用本发明在低温条件下为电池组14升温，可以保证各热电阻均处于工作功率下进行放热，以保证放热效率。
在本实施例中，所述主控模块根据电池组14周围的环境温度控制各开关的通断，具体包括：
S1.提供多个连续不间断的低温范围Tn；
S2.感测充电模块与放电模块的工作状态；
S3.通过温度检测模块检测主控模块周围的环境温度T，当环境温度T低于预设的下阈值T0时，获取环境温度T的实际数值，并判断环境温度T所处的低温范围Tn；
S4.控制n个热电阻通电发热以使得电池组14周围的环境温度上升；
S5.每当环境温度T所处的低温范围Tn进行变化时，则增加一个热电阻进行通电发热，直至环境温度T达到预设的下阈值T0；
S6.控制全部热电阻断电，并控制充电模块/放电模块与电池组14接通。
即由于不同低温下电池组14的放电效率不同，因此本发明设置有多个低温范围，比如多个低温范围可分为对应-20—-10℃、-10—0℃、0—10℃……。在电池组14周围的温度处于-20—-10℃的低温范围，例如-15℃内时，主控模块仅控制其中一个热电阻进行通电工作；当电池组14周围的温度因升温而到达-10℃时，主控模块则会多控制一个热电阻进行通电工作，此时由于升温而使得电池组14的放电效率提升，因此可同时支持更多的热电阻以正常功率进行放热。如此随着温度上升而控制更多热电阻进行发热，能够让升温速率越来越快，从而使得电池组14尽快到达正常工作的温度。
在本实施例中，步骤S2具体包括：
S21.感测充电模块与放电模块的工作状态，当充电模块处于接通状态时执行步骤S22，当放电模块处于接通状态时执行步骤S23；
S22.主控模块通过充电模块直接从外界电源获取电能以及为各热电阻进行供电，同时控制充电模块与电池组14、电池组14与放电模块均不接通；
S23.主控模块控制锂电池作为各热电阻的供电电源，同时控制放电模块与电池组14之间断电。
即在低温环境下，为了保证用电装置的正常工作，本发明需要把电池组14周围的环境温度提升上去后，再由电池组14进行供电或者由外界对电池组14进行充电。当处于升温状态时，电池组14只会给热电阻进行供电，从而保证温度尽可能快递上升，优选为当电池组14周围的环境温度提升至0℃以上时再对外进行供电；同理，若需要对电池组14进行充电时，本发明则直接由外界电源对热电阻进行供电，让电池组14在不工作的前提下先使得其周围的环境温度上升至0℃以上，再由外界电源同时为热电阻供电以及为电池组14充电，以保证充电的效果。
在本实施例中，步骤S2还包括：
当充电模块与放电模块均处于接通状态时，执行步骤S22。
具体的，在步骤S5中，每当环境温度T所处的低温范围Tn进行变化时，还控制电池组14的放电功率进行增加。即随着温度升高电池组14的输出功率会得到进一步提升，此时随着温度升高而逐步提升其输出功率，以保证各热电阻/用电装置具有足够的电能进行工作，保证了供电的稳定。
具体的，步骤S21还包括：
当感测电池组14周围的环境温度低于最小的温度范围Tmin的最低温度时，无论充电模块与放电模块是否接通，主控模块均控制至少一个热电阻通电工作，以保证电池组14不会因温度过低而无法供电。
目前普通锂电池的最低工作温度是-25℃，而在0℃时随着温度降低锂电池的性能也会降低。因此本发明为了保证电池组14能够正常使用，即在电池组14处于不供电状态时也时刻监测其周围的环境温度，当环境温度低于最小的温度范围Tmin的最低温度(例如普通锂电池是-25℃)时，主控模块会主动激活热电阻，让热电阻发热而使得电池组14周围的环境温度至少保持在-25℃甚至更高温度以上，以确保电池组14不会失效。
在本实施例中，所述保温模块包括保温壳1、驱动装置2以及散热鳍片3，保温壳1的底部设有开口4，散热鳍片3转动设置于保温壳1，驱动装置2用于驱动散热鳍片3转动，主控模块、电池组14、温度检测模块、加热模块、充电模块、放电模块以及保温模块均设置于保温壳1内，保温壳1由不锈钢制成，保温壳1设置有真空层5；开口4还活动设置有隔温板6，隔温板6用于在散热鳍片3转动至保温壳1内部时遮盖开口4。具体的，所述电池组14连接有导热结构7，导热结构7用于在散热鳍片3转动至朝向开口4外时与散热鳍片3接触，并在散热鳍片3转动至保温壳1内部时与散热鳍片3分离。
实际使用时，所述保温模块根据电池组14周围的环境温度调整电池组14与外界的热交换状态，具体包括：
提供温度阈值Ta，Tb和Tc；
获取电池组14周围的环境温度T，当T大于Tc时，通过驱动装置2控制散热鳍片3转动至朝向开口4外，同时控制导热结构7与散热鳍片3连接；
当T小于Tc且大于Tb时，控制导热结构7与散热鳍片3分离，同时通过驱动装置2控制散热鳍片3转动至保温壳1内；
当T小于Tb且大于Ta时，控制隔温板6滑动直至完全遮盖开口4。
本发明的保温模块分为多个状态在温度较低时，散热鳍片3会缩入保温模块内，且由隔温板6遮盖住开口4，配合真空结构的保温壳1，以最大程度地降低热量的散失效率；而在常温下，由于电池组14、主控模块等正常工作时也会散发热量，此时只需打开开口4，让热量可从开口4输出；而当温度较高时，为了保证电子元件不会因高温而损坏，因此会把散热鳍片3进行翻转至朝外，同时让导热结构7与散热鳍片3进行连接，保证电池组14的热量能够及时散发。
该隔温板6可由直线驱动模组驱控。
优选的，所述导热结构7包括固定导热件8、升降驱动件9、活动导热件10以及多个传热件11，固定导热件8安装于电池组14，多个传热件11设置于固定导热件8与活动导热件10之间，升降驱动件9包括活塞12以及容器13，活塞12活动设置于容器13，容器13内装有热膨胀系数高的气体，活塞12连接于活动导热件10。
即本发明的导热结构7是通过固定导热件8、传热件11以及活动导热件10配合实现换热的。在升降驱动件9内储存足量的热膨胀系数大的气体，例如氢气或者其他更为安全的气体，使得升降驱动件9在保温壳1内部的环境温度影响下，即可控制活动导热件10进行升降，从而让活动导热件10接触或者离开散热鳍片3的背端，从而无需电控实现了散热或者避免散热的效果。
当然，为了提升稳定性，该升降驱动件9可直接使用电机驱动的直线模组也可。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种低温环境下锂电池充放电保障系统，其特征在于：包括主控模块、均与主控模块电连接的电池组、温度检测模块、加热模块、充电模块、放电模块以及保温模块；
温度检测模块用于检测电池组周围的环境温度；
加热模块包括一一对应设置的n个热电阻以及n个开关，n个热电阻彼此并联，开关设置于电池组与热电阻之间，主控模块用于根据电池组周围的环境温度分别控制各开关的通断；
充电模块用于外接电源，并通过电源对电池组进行充电；
放电模块用于外接用电装置，并用于把电池组的电压经稳压后为用电装置进行供电；
保温模块用于根据电池组周围的环境温度调整电池组与外界的热交换状态；
n为大于1的自然数；
所述主控模块根据电池组周围的环境温度控制各开关的通断，具体包括：
S1.提供多个连续不间断的低温范围Tn；
S2.感测充电模块与放电模块的工作状态；
S3.通过温度检测模块检测主控模块周围的环境温度T，当环境温度T低于预设的下阈值T0时，获取环境温度T的实际数值，并判断环境温度T所处的低温范围Tn；
S4.控制n个热电阻通电发热以使得电池组周围的环境温度上升；
S5.每当环境温度T所处的低温范围Tn上升为下一低温范围时，则增加一个热电阻进行通电发热，直至环境温度T达到预设的下阈值T0；
S6.控制全部热电阻断电，并控制充电模块/放电模块与电池组接通；
所述保温模块包括保温壳、驱动装置以及散热鳍片，保温壳的底部设有开口，散热鳍片转动设置于保温壳，驱动装置用于驱动散热鳍片转动，主控模块、电池组、温度检测模块、加热模块、充电模块、放电模块以及保温模块均设置于保温壳内，保温壳由不锈钢制成，保温壳设置有真空层；
开口还活动设置有隔温板，隔温板用于在散热鳍片转动至保温壳内部时遮盖开口；
所述电池组连接有导热结构，导热结构用于在散热鳍片转动至朝向开口外时与散热鳍片接触，并在散热鳍片转动至保温壳内部时与散热鳍片分离。
2.根据权利要求1所述的低温环境下锂电池充放电保障系统，其特征在于：步骤S2具体包括：
S21.感测充电模块与放电模块的工作状态，当充电模块处于接通状态时执行步骤S22，当放电模块处于接通状态时执行步骤S23；
S22.主控模块通过充电模块直接从外界电源获取电能以及为各热电阻进行供电，同时控制充电模块与电池组、电池组与放电模块均不接通；
S23.主控模块控制锂电池作为各热电阻的供电电源，同时控制放电模块与电池组之间断电。
3.根据权利要求2所述的低温环境下锂电池充放电保障系统，其特征在于：步骤S2还包括：
当充电模块与放电模块均处于接通状态时，执行步骤S22。
4.根据权利要求1所述的低温环境下锂电池充放电保障系统，其特征在于：在步骤S5中，每当环境温度T所处的低温范围Tn进行变化时，还控制电池组的放电功率进行增加。
5.根据权利要求1所述的低温环境下锂电池充放电保障系统，其特征在于：步骤S21还包括：
当感测电池组周围的环境温度低于最小的温度范围Tmin的最低温度时，无论充电模块与放电模块是否接通，主控模块均控制至少一个热电阻通电工作，以保证电池组不会因温度过低而无法供电。
6.根据权利要求1所述的低温环境下锂电池充放电保障系统，其特征在于：所述保温模块根据电池组周围的环境温度调整电池组与外界的热交换状态，具体包括：
提供温度阈值Ta，Tb和Tc；
获取电池组周围的环境温度T，当T大于Tc时，通过驱动装置控制散热鳍片转动至朝向开口外，同时控制导热结构与散热鳍片连接；
当T小于Tc且大于Tb时，控制导热结构与散热鳍片分离，同时通过驱动装置控制散热鳍片转动至保温壳内；
当T小于Tb且大于Ta时，控制隔温板滑动直至完全遮盖开口。
7.根据权利要求1所述的低温环境下锂电池充放电保障系统，其特征在于：所述导热结构包括固定导热件、升降驱动件、活动导热件以及多个传热件，固定导热件安装于电池组，多个传热件设置于固定导热件与活动导热件之间，升降驱动件包括活塞以及容器，活塞活动设置于容器，容器内装有热膨胀系数高的气体，活塞连接于活动导热件。
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2023
- 2023-07-31 CN CN202310952256.1A patent/CN117154871B/zh active Active
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