CN203056041U - 锂电池模组充电预加热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种锂电池模组充电预加热装置，包括电池箱、电源管理系统BMS和充电器。在电池箱内加设电阻加热丝和温度探测器。所述BMS包括加热电路开关、充放电保护开关、温度测量电路、加热系统控制电路、BMS微处理器、充放电开关控制电路和BMS通信端口。充电器包括调压及开关电路、恒流源、转换及检测电路、充电器通信端口和充电器微处理器。该装置在低温环境下利用锂电池模组充电器作为电源，由BMS进行智能控制，并能跟据电池的电压，调节充电模式。在锂电池模组充完电开始工作之前将锂电池模组加热升温，并利用电池箱外的保温外层在锂电池模组的充电过程中保持电池模组的温度，最大程度的增加锂电池模组在寒冷的外部环境下的充电容量。

Description

锂电池模组充电预加热装置

技术领域

本实用新型涉及一种锂电池模组的充电预加热装置，用于由外部提供电源进行锂电池模组的充电前升温。

背景技术

锂电池由于其比能量大、循环寿命长及重量轻等特点，正在被越来越多地应用在电动汽车领域。但锂离子电池低温性能并不理想，如磷酸铁锂电池在-20℃低温充电条件下，实际容量仅为25℃时同等充电条件下容量的70%。即使是低温效应较好的锰酸锂电池，在-20℃低温下充电容量也仅为常温下的80%左右。低温环境降低了锂电池的有效使用电量，限制了锂离子动力电池在北方寒冷地区的推广应用。

对锂离子动力电池进行预加热，是解决锂电池低温特性问题的有效方法之一。利用锂电池自己的电量为加热设备提供电源是常用的电池加热方法，但这种方法会在加热过程中消耗掉相当一部分电池能量，在一定程度上降低了锂电池放电的有效容量。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种锂电池模组充电预加热装置，由外部提供电源对锂电池模组进行加热，可以最大限度地增加锂电池模组充电容量。

按照本实用新型提供的技术方案，所述锂电池模组充电预加热装置，包括电池箱、电源管理系统和充电器，锂电池或锂电池模组位于电池箱内，在所述电池箱内设置电阻加热丝和温度探测器；所述电源管理系统包括：加热电路开关、充放电保护开关、温度测量电路、加热系统控制电路、电源管理系统微处理器、充放电开关控制电路和电源管理系统通信端口，温度测量电路的输入端连接温度探测器，温度测量电路的输出端连接电源管理系统微处理器，电源管理系统微处理器的一个输出端通过加热系统控制电路连接到加热电路开关的控制端，电源管理系统微处理器的另一输出端通过充放电开关控制电路连接到充放电保护开关的控制端，所述加热电路开关连接在电阻加热丝一端和充电器的负输出端之间，所述充放电保护开关连接在锂电池或锂电池模组负极和充电器的负输出端之间，电阻加热丝另一端以及锂电池或锂电池模组正极连接到充电器的正输出端；所述电源管理系统通信端口与电源管理系统微处理器相连，并对外连接充电器通信端口；所述充电器包括：调压及开关电路、恒流源、转换及检测电路、充电器通信端口和充电器微处理器，所述调压及开关电路的输入端连接市电，调压及开关电路的输出端一方面直接连接到转换及检测电路，另一方面通过恒流源连接转换及检测电路，由转换及检测电路输出连接到充电器的正、负输出端，并连接充电器微处理器的输入端，充电器微处理器的输出端连接调压及开关电路的输入端，充电器微处理器与充电器通信端口相连。

所述电池箱底部设有固定式绝热底座，电池箱外罩有能够拆卸的绝热保温外壳。

本实用新型的优点是：该装置在低温环境下可以利用给锂电池模组充电的充电器作为加热电源，由BMS进行智能控制。在锂电池模组充电开始工作之前将锂电池模组加热升温至30℃左右的温度，并利用电池箱外的保温外层，在锂电池模组的充电过程中保持电池模组的温度在20℃以上，最大程度的增加锂电池模组在寒冷的外部环境下的充电容量。

附图说明

图1：锂电池模组充电预加热装置示意图。

图2：锂电池模组充电预加热流程示意图。

图3：锂电池模组充电预加热装置电路结构框图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1为锂电池模组充电预加热装置示意图。包括充电器1、BMS 4和电池箱。该系统由锂电池充电器1直接给锂电池箱内电阻加热丝3提供一个电压恒定为V_C的直流电，对电池进行加热。充电器开始与结束加热的时间，均由BMS进行智能控制。BMS通过温度探测器5测量锂电池模组的温度T，并作为启动与停止加热的判断依据。

如图3所示，本实用新型包括：电池箱、电源管理系统4和充电器1，锂电池或锂电池模组2位于电池箱内。在所述电池箱内设置电阻加热丝3和温度探测器5；所述电源管理系统4包括：加热电路开关8、充放电保护开关9、温度测量电路10、加热系统控制电路11、电源管理系统微处理器12、充放电开关控制电路13和电源管理系统通信端口14，温度测量电路10的输入端连接温度探测器5，温度测量电路10的输出端连接电源管理系统微处理器12，电源管理系统微处理器12的一个输出端通过加热系统控制电路11连接到加热电路开关8的控制端，电源管理系统微处理器12的另一输出端通过充放电开关控制电路13连接到充放电保护开关9的控制端，所述加热电路开关8连接在电阻加热丝3一端和充电器1的负输出端之间，所述充放电保护开关9连接在锂电池或锂电池模组2负极和充电器1的负输出端之间，电阻加热丝3另一端以及锂电池或锂电池模组2正极连接到充电器1的正输出端；所述电源管理系统通信端口14与电源管理系统微处理器12相连，并对外连接充电器通信端口18；所述充电器1包括：调压及开关电路16、恒流源17、转换及检测电路18、充电器通信端口19和充电器微处理器20，所述调压及开关电路16的输入端连接市电，调压及开关电路16的输出端一方面直接连接到转换及检测电路18，另一方面通过恒流源17连接转换及检测电路17，由转换及检测电路18输出连接到充电器的正、负输出端15，并连接充电器微处理器20的输入端，充电器微处理器20的输出端连接调压及开关电路16的输入端，充电器微处理器20与充电器通信端口19相连。

与常规锂电池模组相比较，图3所示的电池模组在电池箱内增加了电阻加热丝3，在BMS 4内增加了一个加热电路开关8与加热系统控制电路11。该系统所用的充电器1具有恒流恒压充电功能，若电池电压较低则通过恒流源17对电池模组进行恒流充电，若电池电压较高则由调节及开关电路16直接对电池模组进行恒压充电，即充电器1可以按照预先设定的恒定电压V_C给电池箱中的电阻加热丝3提供直流电源。

如图2所示为本实用新型锂电池模组充电预加热流程。在实际使用过程中，当充电器1连接至锂电池模组开始充电前，BMS微处理器12会通过充放电开关控制电路13关闭充放电保护开关9，切断充电器1与锂电池2之间的充电回路；然后通过加热系统控制电路11检测加热电路开关8是否处于关闭状态，确保充电器1向电阻加热丝3供电的电路处于断开状态；最后BMS微处理器12会通过通信端口14将充电器1转至待机状态的信号传输至充电器通信端口19，充电器微处理器20接到待机信号后，将控制充电器处于待机状态。

上述状态调整完毕以后，BMS 4中的温度测量电路10会通过放置在电池箱内的温度探测器5测量得到表征锂电池温度高低的电压模拟信号，并将该电压模拟信号转换成数字信号后传送至BMS微处理器12内，BMS微处理器12将该温度值T与预先设定的加热启动温度T_S（25℃）进行比较。如果环境温度比较高，测量到的电池温度T≥Ts（25℃），BMS微处理器12会通过通信端口14将开始充电信号发送给充电器1，充电器微处理器20通过通信端口19接到充电信号后，会控制调压及开关电路16将市电220v交流电转换为恒压直流电，并跟据电池的电压，调节自身的充电模式。

如果BMS 4测量到的锂电池温度T＜Ts（25℃），BMS微处理器12会控制电池模组进入加热流程。BMS微处理器12通过加热系统控制电路11闭合加热电路开关8，导通充电器1向电阻加热丝3供电的通路；最后BMS微处理器12会通过BMS通信端口14将开启加热功能的信号传送至充电器1的通信端口19，通信端口19将该信号传递至充电器微处理器20，充电器微处理器20接收到信号后控制充电器调压及开关电路16，将充电器1工作模式转换为恒压供电，转换及检测电路18将适时根据反馈的电压值对充电器1输出电压进行微调，以保证输出端15以设定的恒压V_C向外供电，为电池箱中的电阻加热丝3提供直流电源，开始锂电池2的加热过程。在加热过程中，BMS微处理器12会通过温度测量电路10持续测量锂电池的温度T，一旦探测到锂电池温度T上升至设定的上限温度T_H（30℃），BMS微处理器12将通过加热系统控制电路11断开加热电路开关8,停止给锂电池2加热；同时也会通过通信端口14将停止加热指令传输至充电器通信端口19，充电器微处理器20接到停止加热信号后，会将充电器1转至正常充电状态，正常充电过程与上面所述一致。充电过程中BMS 4仍会持续探测电池模组温度，一旦温度低于设定的下限工作温度T_L则重新启动加热模式。如此循环，直到充电完成。

充电器1为电阻加热丝3提供的直流电压V_C选择为电池模组恒压充电电压V_C。电阻加热丝的发热总功率P的选择要视锂电池模组的使用环境温度而定，一般选择在30分钟以内可将锂电池模组的温度加热至30℃。如果发热总功率P选择较小，则需要更长的加热时间。选定电阻加热丝的发热总功率P以后，就可以利用公式（1）计算出电阻加热丝的阻值R：

R=V_C ²/P                                                                        (1)

在实际使用中，当充电器连接到电池模组后，BMS探测到充电器充电信号后，BMS会通过温度探测器测量锂电池的温度T，并将温度T与预先设定的加热启动温度T_S进行比较。如果T≥T_S，BMS会打开充电回路开关，并发送信号让充电器进行正常的恒流恒压充电，在寒冷环境下BMS探测的温度T，当T＜T_S时，BMS会首先接通充电器与电阻加热丝的连接电路，然后BMS会给充电器发送指令，由充电器给电阻加热丝提供电压为V_C的直流电，启动给锂电池模组的加热流程。在加热过程中BMS会通过温度探测器测量锂电池的温度。一旦BMS测量到的电池温度达到预先设定的上限温度T_H，BMS会给充电器发送指令停止给电阻发热丝提供直流电源，结束加热流程。加热流程完成以后，充电器将恢复到正常充电模式下，充电器与电阻加热丝的电路被切断。BMS会持续测量锂电池的温度T，直到BMS测量到锂电池的温度再次降低至T_S，然后系统会再次启动给锂电池加热流程直到锂电池的温度达到T_H后停止加热。直到电池模组充满电。

在我们的锂电池模组充电预加热装置中，加热启动温度T_S选为25℃左右，上限温度T_H选择在30℃左右，下限温度T_L选择在20℃。因此加热以后锂电池模组的实际温度会保持在20℃-30℃之间。在此温度条件下电池可以充电至与标称容量最接近的电量，并且也不会因为过高的温度导致电池寿命的降低。为了增加加热效果我们还需要添加可拆卸式保温装置。如图2所示，本实用新型的电池箱底部设有固定式绝热底座7，电池箱外罩有能够拆卸的绝热保温外壳6。所用的电池箱外保温外层使用可拆卸式设计，在夏天高温季节可以拆除外部保温材料，确保电池模组良好的散热效果。

可以看到，本实用新型利用充电器给加热系统提供电源，同时利用锂电池的电源管理系统（BMS）对加热过程进行智能化管理，无需额外增加电源系统与电子控制系统，可以有效地降低使用成本。

使用上述锂电池模组充电预加热系统将明显提高冬天低温季节中锂离子电池应用在四轮电动车上的有效容量，增加动力锂电池的续航里程，克服锂电池在低温下充电容量过低的问题。

Claims (2)

1.锂电池模组充电预加热装置，包括电池箱、电源管理系统（4）和充电器（1），锂电池或锂电池模组（2）位于电池箱内，其特征是：在所述电池箱内设置电阻加热丝（3）和温度探测器（5）；所述电源管理系统（4）包括：加热电路开关（8）、充放电保护开关（9）、温度测量电路（10）、加热系统控制电路（11）、电源管理系统微处理器（12）、充放电开关控制电路（13）和电源管理系统通信端口（14），温度测量电路（10）的输入端连接温度探测器（5），温度测量电路（10）的输出端连接电源管理系统微处理器（12），电源管理系统微处理器（12）的一个输出端通过加热系统控制电路（11）连接到加热电路开关（8）的控制端，电源管理系统微处理器（12）的另一输出端通过充放电开关控制电路（13）连接到充放电保护开关（9）的控制端，所述加热电路开关（8）连接在电阻加热丝（3）一端和充电器（1）的负输出端之间，所述充放电保护开关（9）连接在锂电池或锂电池模组（2）负极和充电器（1）的负输出端之间，电阻加热丝（3）另一端以及锂电池或锂电池模组（2）正极连接到充电器（1）的正输出端；所述电源管理系统通信端口（14）与电源管理系统微处理器（12）相连，并对外连接充电器通信端口（18）；所述充电器（1）包括：调压及开关电路（16）、恒流源（17）、转换及检测电路（18）、充电器通信端口（19）和充电器微处理器（20），所述调压及开关电路（16）的输入端连接市电，调压及开关电路（16）的输出端一方面直接连接到转换及检测电路（18），另一方面通过恒流源（17）连接转换及检测电路（17），由转换及检测电路（18）输出连接到充电器的正、负输出端（15），并连接充电器微处理器（20）的输入端，充电器微处理器（20）的输出端连接调压及开关电路（16）的输入端，充电器微处理器（20）与充电器通信端口（19）相连。

2.如权利要求1所述锂电池模组充电预加热装置，其特征是，所述电池箱底部设有固定式绝热底座（7），电池箱外罩有能够拆卸的绝热保温外壳（6）。

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