CN203722291U

CN203722291U - 一种升压式动力电池模块交流电低温加热电路

Info

Publication number: CN203722291U
Application number: CN201420012107.3U
Authority: CN
Inventors: 魏学哲; 刘耀锋; 朱建功; 孙泽昌; 戴海峰
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2024-01-09

Abstract

本实用新型涉及一种升压式动力电池模块交流电低温加热电路，所述的动力电池模块包括电池模块B1、B2，所述的低温加热电路包括开关管M1、M2、M3、M4，变压器T，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，开关管驱动电路，温度传感器和微控制器，所述开关管M1、M2、M3、M4为半导体开关管器件。所述变压器T与二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8组成正逆向升压结构。与现有技术相比，本实用新型具有工作频率高、损耗小、能在低温下有效加热电池并避免枝晶生成等优点。

Description

一种升压式动力电池模块交流电低温加热电路

技术领域

本实用新型涉及电动汽车电池管理技术领域，尤其是涉及一种升压式动力电池模块交流电低温加热电路。

背景技术

动力电池作为制约电动汽车发展的关键部件，迎来了前所未有的发展机遇，锂离子电池具有工作电压高、质量轻、比能量高、循环寿命长、快速充电等优良特性，被认为是未来几年电动汽车用电源的重要发展方向，并且在移动式电子设备以及国防军工等高新技术中得到了越来越广泛的应用。尽管锂离子电池因其诸多的优点而得到广泛的应用，但是锂离子电池应用领域拓宽的同时，也暴露了一些问题，锂离子电池低温性能始终差强人意，限制了电池的使用范围。常用的电动汽车锂离子动力电池在-10℃时，容量及工作电压会明显降低，-20℃时性能会明显恶化，放电比容量骤降，仅能保持常温时比容量的30％左右。在温度低的季节和地区，锂离子电池性能发挥受到了极大的限制，特别是对电动汽车的使用。锂离子电池低温性能的缺陷在很大程度上限制了其在动力电池领域的广泛应用。

目前，国内外的关于锂离子电池低温研究并不多，特别是国内的电池低温预加热研究更是风毛麟角，且国内的电池低温预加热主要集中在加热膜加热，宽线法加热等外部加热方法，外部加热不仅能量消耗大，造成电池容量的过度浪费，同时加热效果差，温度梯度大，加热时间长等缺点。国外的关于电池预加热的主要集中在电池的内部加热，利用电池的内阻，不需外部任何加热装置，节省成本，结构简单。但不管是外部加热还是内部加热研究都处于研究的初步阶段，并未深入探讨其内部变化及电池产热规律。

多孔电极和浓缩溶液理论是解释电池充放电过程中，电池内部微观变化和反应过程的一套理论体系，利用多孔电极理论，我们可以找到低温下电池性能恶化的原因，进而避开导致电池性能恶化的因素，通过电池EIS的测量，可以确定电池内部电子及离子在不同阶段时所对应的频率或时间常数。在此基础上，确定电池充放电的频率，可有效地避免离子在固相中的扩散过程，利用电池的自身内阻，使用高频交流电来对电池进行加热，从而避免负极枝晶的形成。

发明内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种升压式动力电池模块交流电低温加热电路。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种升压式动力电池模块交流电低温加热电路，所述的动力电池模块包括电池模块B1、B2，所述的低温加热电路包括开关管M1、M2、M3、M4，变压器T，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，开关管驱动电路，温度传感器和微控制器，所述的温度传感器分别连接电池模块B1、B2和微控制器，所述的微控制器与开关管驱动电路连接，所述的开关管驱动电路分别连接开关管M1、M2、M3、M4，所述的开关管M1分别连接B1负极、D2阳极、D4阳极、D1阳极和变压器T初级侧，所述的开关管M2分别连接D2阴极、变压器T初级侧、D1阴极、D3阴极和B1正极，所述的开关管M3分别连接D6阳极、D8阳极、B2负极、D7阳极和变压器T次级侧，所述的开关管M4、分别连接D8阴极、变压器T次级侧、D5阴极、D7阴极和B1正极，所述的D3阳极、D4阴极均与变压器T初级侧连接，所述的D5阳极、D6阴极均与变压器T次级侧连接。

所述的变压器T包括初级线圈L1和次级线圈L2、L3，所述的初级线圈L1的一端分别连接M2、D3阳极和D2阴极，另一端分别连接M1、D1阳极和D4阴极，所述的次级线圈L2的一端连接D5阳极，另一端分别连接M3、D6阴极和D7阳极，所述的次级线圈L3的一端分别连接M4和D8阴极，另一端分别连接M3、D6阴极和D7阳极。

所述的初级线圈L1线圈匝数n₁、次级线圈L2线圈匝数n₂和次级线圈L3线圈匝数n₃满足关系式：n₂>n₁>n₃。

所述的开关管M1、M2、M3、M4均为半导体开关管器件。

所述的半导体开关管器件包括MOSFET。

所述的温度传感器为热电偶或者红外感应器。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1)本实用新型是利用高频充放电控制进行电池自身进行加热，由于锂离子电池内阻的存在及电化学反应的机理，在电池循环充放电过程中，会产生热量，从而从内部给电池加热，使电池温度更均匀；而传统方式通过外部装置加热，靠电池壳壁来传递热量，相比之下，本实用新型的能量损耗小，效率更高，温升更均匀；

2)在低温情况下，电池充电，尤其是大倍率、长时间充电可能会使负极产生枝晶，从而影响电池的使用安全性，本实用新型充放电控制的频率高于电化学阻抗谱测试中电池电化学反应过程的最低频率点，可有效避免低温充放电过程中枝晶的形成；

3)本实用新型自加热过程中，实时监测电池的温度和电压信息，并根据电压和温度信息进行高频充放电控制，从而进一步保证电池的安全。

附图说明

图1-a和图1-b为本实用新型整体结构框图；

图2为本实用新型实例中电池模块B1放电、电池模块B2充电的阶段，开关管M1、M2开启，开关管M3、M4断开时的电流流向示意图；

图3为本实用新型实例中利用变压器T初级线圈L1、次级线圈L2中储存的能量来对电池模块B1、B2进行充电的阶段，开关管M1、M2、M3、M4关断时的电流流向示意图；

图4为本实用新型实例中电池模块B2放电、电池模块B1充电的阶段，开关管M3、M4开启，开关管M1、M2断开时的电流流向示意图。

图5为本实用新型实例中利用变压器T初级线圈L3、次级线圈L1中储存的能量来对电池模块B1、B2进行充电的阶段，开关管M1、M2、M3、M4关断时的电流流向示意图；

图6为本实用新型实例中电池模块B1在交流充放电过程中的电流变化图；

图7为本实用新型实例中电池模块B2在交流充放电过程中的电流变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-a和图1-b所示，一种升压式动力电池模块交流电低温加热电路，所述的动力电池模块包括电池模块B1、B2，B1、B2由n节单体锂离子电池串联而成，所述的低温加热电路包括开关管M1、M2、M3、M4，变压器T，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，开关管驱动电路，温度传感器TS和微控制器MCU。所述开关管M1、M2、M3、M4为MOSFET或其他类型的半导体开关管器件。所述变压器T与所述的二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8组成正逆向升压结构。所述温度传感器TS分别连接电池模块B1、B2和微控制器MCU，可以采用热电偶或者红外感应器等，采集电池模块B1、B2的温度，把温度转换成电信号，发送到所述微控制器MCU。所述微控制器MCU可以实时接收温度传感器的信号，并根据温度高低来选择工作模式。当温度高时，系统进入低功耗模式，微控制器MCU进入休眠状态，但可以低温唤醒，所有的外设进入断电状态。当温度低于特定阈值Tmin时，系统被唤醒并进入正常工作模式，外设上电，微控制器MCU可以控制输出矩形脉冲的产生、停止、PFM(频率调制)和PWM(脉宽调制)。当锂离子电池模块需要低温加热时，微控制器根据具体温度高低来产生一定占空比和频率的矩形脉冲到开关管驱动电路，通过开关管驱动电路来控制开关管M1、M2、M3、M4的开启或者关断。

本实施例中，开关管M1、M2、M3、M4的基极均分别连接开关管驱动电路，开关管M1的发射极分别连接B1负极、D2阳极和D4阳极，集电极分别连接D1阳极和变压器T初级侧，所述的开关管M2的发射极分别连接D2阴极和变压器T初级侧，集电极分别连接D1阴极、D3阴极和B1正极，所述的开关管M3的发射极分别连接D6阳极、D8阳极和B2负极，集电极分别连接D7阳极和变压器T次级侧，所述的开关管M4的发射极分别连接D8阴极和变压器T次级侧，集电极分别连接D5阴极、D7阴极和B1正极，所述的D3阳极、D4阴极均与变压器T初级侧连接，所述的D5阳极、D6阴极均与变压器T次级侧连接。

所述的变压器T包括初级线圈L1和次级线圈L2、L3，所述的初级线圈L1的一端分别连接M2、D3阳极和D2阴极，另一端分别连接M1、D1阳极和D4阴极，所述的次级线圈L2的一端连接D5阳极，另一端分别连接M3、D6阴极和D7阳极，所述的次级线圈L3的一端分别连接M4和D8阴极，另一端分别连接M3、D6阴极和D7阳极。所述的初级线圈L1线圈匝数n₁、次级线圈L2线圈匝数n₂和次级线圈L3线圈匝数n₃满足关系式：n₂>n₁>n₃，次级线圈L3为次级线圈L2的部分线圈。

上述低温加热电路各开关管在不工作时处于断开状态。正常工作模式开启后，当锂离子电池模块需要低温加热时，先导通开关管M1、M2，电池模块B1放电，电流从电池模块B1的正极流出，经过开关管M2、变压器T的初级线圈L1、开关管M1，流向负极，即电池模块B1完成放电循环，同时，变压器次级线圈L2产生感应电流，经二级管D5流向电池模块B2的正极，经电池模块B2的负极，二级管D6，回到变压器T的次级线圈L2，即完成电池模块B2的充电循环。此时电流流向如图2所示。然后关断开关管M1、M2，因变压器T的初级线圈L1和次级线圈L2中的储存的能量不能立即消失，利用初级线圈L1储存的能量对电池模块B1充电，利用次级线圈L2储存的能量对电池模块B2充电。此时电流从初级线圈L1中流出经二级管D1，流向电池模块B1正极，再经电池模块B1负极流出经二级管D2流回初级线圈L1，即完成利用线圈中的储存能对电池模块B1进行充电的过程，同时电流从次级线圈L2中流出经二级管D5，流向电池模块B2正极，再经电池模块B2负极流出经二级管D6流回次级线圈L2，即完成利用线圈中的储存能对电池模块B2进行充电的过程。此时电流流向如图3所示。然后导通开关管M3、M4，此时利用变压器T反向升压，即变压器T的L3线圈变为初级线圈，变压器T的L1线圈变为次级线圈，完成电池模块B2放电，电池模块B1充电的过程。此时电流从电池模块B2的正极流出，经开关管M4、变压器的初级线圈L3、开关管M3，回到电池模块B2的负极，完成电池模块B2的放电循环，同时，变压器T的次级线圈L1有电流流出，经二极管D3、电池模块B1的正极、电池模块B1的负极、二极管D4，最终流回变压器T的次级线圈L1，即完成对电池模块B1的充电过程。此时电流流向如图4所示。然后关断开关管M3、M4，因变压器T的初级线圈L3和次级线圈L1中的储存的能量不能立即消失，利用初级线圈L3储存的能量对电池模块B2充电，利用次级线圈L1储存的能量对电池模块B1充电。此时电流从初级线圈L3中流出经二级管D7，流向电池模块B2正极，再经电池模块B2负极流出经二级管D8流回初级线圈L3，即完成利用线圈中的储存能对电池模块B2进行充电的过程，同时电流从次级线圈L1中流出经二级管D3，流向电池模块B1正极，再经电池模块B1负极流出经二级管D4流回次级线圈L1，即完成利用线圈中的储存能对电池模块B1进行充电的过程，此时电流流向如图5所示。由此完成一个充放电循环，电池模块B1在交流充放电过程中的电流变化如图6所示，电池模块B2在交流充放电过程中的电流变化如图7所示。

自加热电路在不断的高频放充电循环中，且该频率点高于电化学阻抗测试发生电化学反应的最高频率点，电池模块在电池外部基本没有损耗，只有电池欧姆内阻及锂离子液相迁移内阻产生的热量，由此实现高效的电池模块自加热。

Claims

1.一种升压式动力电池模块交流电低温加热电路，所述的动力电池模块包括电池模块B1、B2，其特征在于，所述的低温加热电路包括开关管M1、M2、M3、M4，变压器T，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，开关管驱动电路，温度传感器和微控制器，所述的温度传感器分别连接电池模块B1、B2和微控制器，所述的微控制器与开关管驱动电路连接，所述的开关管驱动电路分别连接开关管M1、M2、M3、M4，所述的开关管M1分别连接B1负极、D2阳极、D4阳极、D1阳极和变压器T初级侧，所述的开关管M2分别连接D2阴极、变压器T初级侧、D1阴极、D3阴极和B1正极，所述的开关管M3分别连接D6阳极、D8阳极、B2负极、D7阳极和变压器T次级侧，所述的开关管M4、分别连接D8阴极、变压器T次级侧、D5阴极、D7阴极和B1正极，所述的D3阳极、D4阴极均与变压器T初级侧连接，所述的D5阳极、D6阴极均与变压器T次级侧连接。

2.根据权利要求1所述的一种升压式动力电池模块交流电低温加热电路，其特征在于，所述的变压器T包括初级线圈L1和次级线圈L2、L3，所述的初级线圈L1的一端分别连接M2、D3阳极和D2阴极，另一端分别连接M1、D1阳极和D4阴极，所述的次级线圈L2的一端连接D5阳极，另一端分别连接M3、D6阴极和D7阳极，所述的次级线圈L3的一端分别连接M4和D8阴极，另一端分别连接M3、D6阴极和D7阳极。

3.根据权利要求2所述的一种升压式动力电池模块交流电低温加热电路，其特征在于，所述的初级线圈L1线圈匝数n₁、次级线圈L2线圈匝数n₂和次级线圈L3线圈匝数n₃满足关系式：n₂>n₁>n₃。

4.根据权利要求1所述的一种升压式动力电池模块交流电低温加热电路，其特征在于，所述的开关管M1、M2、M3、M4均为半导体开关管器件。

5.根据权利要求4所述的一种升压式动力电池模块交流电低温加热电路，其特征在于，所述的半导体开关管器件包括MOSFET。

6.根据权利要求1所述的一种升压式动力电池模块交流电低温加热电路设计，其特征在于，所述的温度传感器为热电偶或者红外感应器。