CN203056042U

CN203056042U - 锂电池模组离线加热装置

Info

Publication number: CN203056042U
Application number: CN2013200194101U
Authority: CN
Inventors: 郭宝诚; 金鹰
Original assignee: WUXI XINWEI BATTERY CO Ltd
Current assignee: WUXI XINWEI BATTERY CO Ltd
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2023-01-15

Abstract

本实用新型提供了一种锂电池模组离线加热装置，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。所述BMS通信端口对外连接充电器通信端口，充电器的输入端连接到市电电源。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。优点是：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BMS对离线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。电池箱外保温外层为可拆卸，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。

Description

锂电池模组离线加热装置

技术领域

本实用新型涉及一种锂电池模组的离线加热装置，用于锂电池模组的升温。

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℃低温放电条件下，实际容量仅为25℃时同等放电条件下容量的70%（见：冯祥明，张晶晶，李荣富等,LiFePO₄锂离子电池的低温性能[J].电池，2009,39（1））。即使是低温效应较好的锰酸锂电池，在-20℃低温下放电容量也仅为常温下的80%左右，如图1所示。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。因此发明一种由外部提供电源的锂电池模组升温系统，并以离线式的方法进行加热，可以最大限度地利用锂电池模组的放电容量。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种锂电池模组离线式加热系统，该系统在低温环境下可以利用给锂电池模组充电的充电器作为电源，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，在锂电池模组的连续工作时间内保持电池模组的温度在10℃以上，确保锂电池在整个工作时间内，在冬季低温环境下能够保持在较高的工作温度，充分发挥锂电池的效能，克服锂电池的低温大电流放电的问题。

按照本实用新型提供的技术方案，所述的锂电池模组离线加热装置包括：电池箱、电源管理系统BMS和充电器，锂电池或锂电池模组位于电池箱内，其特征是：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，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BMS微处理器，BMS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，BMS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BMS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，充电器的输入端连接到市电电源。

所述充电器包括：调压及开关电路、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连接转换及检测电路，转换及检测电路的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：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）对离线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。本系统所用的电池箱外保温外层也使用可拆卸式设计，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。

附图说明

图1：锂电池模组放电容量与温度的关系曲线。

图2：锂电池模组离线加热装置示意图。

图3：锂电池模组离线加热流程示意图。

图4：锂电池模组离线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。

如图4所示，本实用新型所述的装置包括：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。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、BMS微处理器12、充放电开关控制电路13和BMS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BMS微处理器12，BMS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，BMS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BMS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，充电器1的输入端连接到市电电源。所述充电器1包括：调压及开关电路16、转换及检测电路17、充电器通信端口18和充电器微处理器19，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的输出端连接转换及检测电路17，转换及检测电路17的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19的输入端，充电器微处理器19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19与充电器通信端口18相连。

与常规锂电池模组相比较，图4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也比常规锂电池充电器增加了一项恒压加热功能，即充电器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提供直流电源。

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后，锂电池模组系统会先进行常规的充电。充电完成以后，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18，充电器微处理器19接到开始充电信号后，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，BMS微处理器12会继续控制温度测量电路10测量锂电池模组的温度，直到出现T<Ts的情况出现。

如果BMS 4测量到的锂电池温度T＜Ts，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18，通信端口18将该信号传递至充电器微处理器19，充电器微处理器19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17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18，充电器微处理器19接到停止加热信号后，会将充电器1转至待机状态，停止对外提供电源，完成加热过程。

锂电池模组完成加热流程以后，将会进入保温流程。在保温流程中，BMS微处理器12通过温度测量电路10持续测量锂电池的温度T，如果出现电池温度T低于预先设定的加热起始温度25℃时，BMS微处理器12会通过加热系统控制电路11重新开启加热电路开关8，并指示充电器微处理器19将充电器1由待机状态转为恒压加热状态进入加热流程，给锂电池加热至温度30℃后停止加热，再次进入保温流程。

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。在锂电池开始进行放电工作以前，充电器1一直会连接至电池模组。在此过程中，锂电池模组重复交替进行加热与保温流程，确保锂电池模组在25℃-30℃之间。在充电器1被拔除锂电池模组开始工作以后，锂电池模组需要依靠自身的绝热保温外壳6的保温作用来维持电池模组的温度，当然在放电过程中电池本身也会产生热量，这更有利于延长电池模组的保温效果在我们的轻型四轮电动车系统中，为了更好的提高电池的使用效率，一般在锂电池模组连续工作时间4小时后。利用休息时间，连接充电器1至锂电池模组，将锂电池再次加热到25℃-30℃的温度区间，然后再开始下一次锂电池模组的4小时连续工作过程。

使用上述锂电池模组离线加热装置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的大电流放电的问题。

图2为锂电池模组充电预加热系统示意图。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所示为本实用新型锂电池模组充电加热流程。充电器为电阻加热丝提供的直流电压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，当充电器充电完毕以后，充电器处于待机状态，充电器与电池模组的充电连接回路，以及充电器与电阻加热丝的电路均被切断。充电完成以后，BMS会继续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会控制充电器维持在待机状态，不进行任何加热动作，但会持续测量锂电池的温度T，直到锂电池由于散热的原因，出现T＜T_S的情况。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，充电器回复到待机状态，充电器与电阻加热丝的电路再次被切断。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。在使用者在开始使用电动车，将充电器从电动车上拔下之前，锂电池系统会一直重复进行上述的加热与保温流程，将锂电池的温度维持在T_S与T_H之间。

在我们的锂电池模组充电离线加热系统中，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，因此加热以后锂电池模组的实际温度会保持在25℃-30℃之间。

由于本项目提供的加热系统使用外部电源，在锂电池模组工作过程中不对电池进行加热。为了确保在低温工作环境及不通电加热的条件下，能够在电池模组的连续工作时间内将其温度保持在较高的温度上。,需要给锂电池模组提供高效绝热外层保护降低热量散发的速度。在我们系统中采用了固定式的绝热底座7与可拆卸式绝热保温外壳6对锂电池模组进行保温。在夏天高温季节，只要拆除外层的绝热保温外壳6就可以确保锂电池模组的在夏季的良好散热效果。外层绝热保温材料保温性能选择，取决于锂电池模组的连续工作时间长短与环境温度的高低，因为停止加热后锂电池模组散发掉的热量分别与散热时间、电池模组与环境温度差成正比。当锂电池模组连续工作时间比较长，或者环境温度比较低的情况下，需要使用保温绝热效果更好的材料。

Claims

1.锂电池模组离线加热装置，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），充电器（1）的输入端连接到市电电源。

2.如权利要求1所述锂电池模组离线加热装置，其特征是，所述充电器（1）包括：调压及开关电路（16）、转换及检测电路（17）、充电器通信端口（18）和充电器微处理器（19），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）的输出端连接转换及检测电路（17），转换及检测电路（17）的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（19）的输入端，充电器微处理器（19）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（19）与充电器通信端口（18）相连。

3.如权利要求1所述锂电池模组离线加热装置，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）。