CN215266455U - 一种双回路电池加热系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双回路电池加热系统，包括设置于动力电池表面的加热组件，以及电池管理系统，加热组件包括中心区加热部和边缘区加热部，中心区加热部的加热功率密度小于边缘区加热部的加热功率密度；加热组件电连接在动力电池的两端，中心区加热部与边缘区加热部并联，中心区加热部所在支路串联有第一继电器，边缘区加热部所在支路串联有第二继电器；电池管理系统用于根据动力电池边缘区域和中心区域的温度，控制第一继电器与第二继电器打开或闭合。本加热系统可单独控制加热组件的中心区加热部和边缘区加热部开启与关闭，并且不同的区域采用不同的加热功率密度，尽可能降低电池温差。
Description
技术领域
本实用新型属于动力电池热管理技术领域，具体涉及一种双回路电池加热系统。
背景技术
冬季气温较低的地区，动力电池充电需要频繁用到加热功能，加热功能的优劣直接影响整车充电效率、行车动力性与续驶里程。整包温差是衡量加热系统性能的重要指标，温差越大，加热效率越低。因此，减小整包温差对加热性能至关重要。
目前控制加热温差的方法主要有：(1)加热一段时间后暂停加热，在当前环境下静置一段时间，等待温差减小后继续加热；(2)将加热元件置于模组顶部，通过采集模组顶部与初始环境温度的温度差来标定加热时间，从而控制加热时长；(3)液热结构，加热控制切换不同的热源对电池加热，如发动机、外部PTC加热器、电机及储热装置等。
第(1)种方法，暂停会使得本已经升温的电池有不同程度的下降，在充电工况下影响充电效率，电池温度未达到目标要求时充电电流较小，充电时间过长；第(2)种方法，在不同工况下电池起始底部温度与环境温度不一致，导致电池加热时间过长或者过短，影响行车动力性与电池寿命，控制无法闭环比较粗糙；第(3)种方法，由于不同热源的冷却液进入到电池包内部，控制复杂且传热效率各异，最终加热效果差异过大。
实用新型内容
本实用新型实施例所要解决的技术问题在于，现有的动力电池加热系统只能实现外部加热器的功率调整，无法主动缩小整包加热温差。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种双回路电池加热系统，包括设置于动力电池表面的加热组件，以及电池管理系统；
所述加热组件包括位于所述动力电池中心区域的中心区加热部，以及位于所述动力电池边缘区域的边缘区加热部，所述中心区加热部的加热功率密度小于所述边缘区加热部的加热功率密度；
所述加热组件电连接在所述动力电池的两端，所述中心区加热部与所述边缘区加热部并联，所述中心区加热部所在支路串联有第一继电器，所述边缘区加热部所在支路串联有第二继电器；
所述电池管理系统用于根据动力电池边缘区域和中心区域的温度，控制所述第一继电器与所述第二继电器打开或闭合。
进一步地，所述加热组件包括相互粘结的加热膜和支撑板；
所述加热膜包括传热薄膜，以及粘合在所述传热薄膜朝向所述弹性支撑板一侧的电阻丝；所述电阻丝包括位于所述动力电池中心区域、并与所述第一继电器串联的第一电阻丝，以及位于所述动力电池边缘区域、并与所述第二继电器串联的第二电阻丝。
进一步地，所述支撑板包括相互粘结的弹性支撑板和刚性支撑板，所述弹性支撑板位于所述加热膜和所述刚性支撑板之间。
进一步地，所述的双回路电池加热系统，还包括若干温度传感器；
所述弹性支撑板上位于所述动力电池中心区域和位于所述动力电池边缘区域均设置有镂空部，所述温度传感器位于所述镂空部。
进一步地，所述弹性支撑板为发泡硅橡胶板。
进一步地，所述刚性支撑板为环氧树脂板。
进一步地，所述加热组件由相互对称的两个加热子组件组成；
每个加热子组件均包括位于所述动力电池中心区域的中心区加热部，以及位于动力电池边缘区域的边缘区加热部；
两个所述中心区加热部串联，两个所述边缘区加热部串联。
进一步地，所述加热组件通过阻燃胶粘附在动力电池表面。
进一步地，所述加热组件与所述动力电池之间还串联有保险丝。
进一步地，所述加热组件与所述动力电池之间还串联有主负继电器。
实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：本实用新型实施例的双回路电池加热系统，电池管理系统根据动力电池中心区和边缘区的温度大小，分别单独控制加热组件的中心区加热部和边缘区加热部开启与关闭，并且不同的区域采用不同的加热功率密度，可以保证动力电池表面的温差在一定的范围内，提升加热充电效率、续驶里程与电芯使用寿命，实现不同场景下的能耗优化。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例一中一种双回路电池加热系统加热组件结构示意图。
图2为本实用新型实施例一中一种双回路电池加热系统电路原理图。
图3为本实用新型实施例一中一种加热组件剖视图。
图4为本实用新型实施例二中涉及的充电工况下一种较佳的电池加热方法控制流程图。
图5为本实用新型实施例三中涉及的行车工况下一种较佳的电池加热方法控制流程图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本实用新型可以用以实施的特定实施例。
本实用新型实施例一提供一种双回路电池加热系统，如图1和图2所示，包括加热组件1和电池管理系统2，加热组件1可以贴附在动力电池的表面。加热组件1如图1所示，包括位于动力电池中心区域的中心区加热部11，以及位于动力电池边缘区域的边缘区加热部12，由于边缘区域散热快，中心区和边缘区对加热的需求不一样，为了最大限度地保持均温，中心区加热部11的加热功率密度小于边缘区加热部12的加热功率。加热组件1的形状以及中心区加热部11、边缘区加热部12的划分可以根据动力电池表面的形状以及温度分布进行具体设计，图1的矩形形状只是其中一个实施例，本实用新型对此不作限制。
电路原理如图2所示，加热组件1电连接在动力电池的两端，中心区加热部11与边缘区加热部12并联，中心区加热部11所在支路串联有第一继电器K1，边缘区加热部12所在支路串联有第二继电器K2；电池管理系统2用于根据动力电池边缘区域和中心区域的温度，控制第一继电器K1与第二继电器K2打开或闭合。
本实施例双回路电池加热系统的工作原理为，电池管理系统2根据动力电池中心区和边缘区的温度大小，分别单独控制加热组件1的中心区加热部11和边缘区加热部12开启与关闭，并且不同的区域采用不同的加热功率密度，可以保证动力电池表面的温差在一定的范围内，提升加热充电效率、续驶里程与电芯使用寿命，实现不同场景下的能耗优化。
在其中一个实施例中，参照图2和图3，加热组件1为一种贴膜，外形尺寸及加热功率可根据不同动力电池模组的要求进行自由更改，以适应动力电池不同的表面形状及加热需求。加热组件1的材料结构具体包括相互粘结的加热膜13和支撑板14。加热膜13可以由传热薄膜与电阻丝通过阻燃胶粘合而成，电阻丝朝向支撑板一侧，传热薄膜的另一面可以通过阻燃胶将其粘接到动力电池壳体的底面，其中，传热薄膜可以是PET之类的塑料薄膜，电阻丝包括位于动力电池中心区域、并与第一继电器K1串联的第一电阻丝，以及位于动力电池边缘区域、并与第二继电器K2串联的第二电阻丝。本实用新型实施例的加热组件可以仅采用胶粘或导热填缝的方式置于动力电池模组底部，安装简单方便，不需要改变动力电池模组或其他结构件的设计。
优选的，支撑板14包括相互粘结的弹性支撑板141和刚性支撑板142，弹性支撑板141位于加热膜13和刚性支撑板142之间。优选的，弹性支撑板141的外轮廓与加热膜13的尺寸完全一致，保证加热膜13的所有发热部分与动力电池紧贴，防止加热膜13局部干烧。此外，由于动力电池壳体结构普遍为钣金件，下壳体为了满足刚度与振动强度的要求设计了许多凸筋，弹性支撑板141和刚性支撑板142的组合很好地解决了下壳体整体不平整的问题，使得加热膜13依然是均布的平面支撑力，同样能避免局部干烧。在一个具体的实施例中，PET材料制成的加热膜13厚度为0.5mm，弹性支撑板141采用5mm厚的发泡硅橡胶材料制作，刚性支撑板142采用1mm厚的环氧树脂材料制作，环氧树脂材料为优选的，1mm环氧树脂板的扛弯曲强度达到456MPa，导热系数0.4W/(mk)，其强度、隔热与绝缘性能均优于金属铝板。
在其中一个实施例中，还可以在弹性支撑板141上位于动力电池中心区域和位于动力电池边缘区域各设置镂空部，镂空部安装温度传感器3，用于测量动力电池表面的温度，保证加热安全可靠。镂空设计可以保护温度传感器3不受安装压缩力。
在其中一个实施例中，如图1所示，为了方便加热组件1的制作以及与动力电池的组装，加热组件1设计为相互对称的两个加热子组件，根据图中的位置关系，定义为上加热子组件和下加热子组件，上加热子组件包括位于动力电池中心区域的中心区加热部11A和位于动力电池边缘区域的边缘区加热部12A，其为一个整体结构，但是内部的电路是独立的；下加热子组件包括位于动力电池中心区域的中心区加热部11B和位于动力电池边缘区域的边缘区加热部12B，其为另一个整体结构，内部电路结构也是独立的。上述两个加热子组件中，两个中心区加热部11A和11B串联，两个边缘区加热部12A和12B串联，电路如图2所示。在一个具体的实施例中，中心区加热部11A、11B为40Ω，边缘区加热部12A、12B为80Ω。以动力电池最高电压为400V为例，当两个继电器K1、K2闭合时，加热回路的总功率为3000W，可实现电池包整包的迅速加热；当第二继电器K2闭合而第一继电器K1断开时，加热回路的总功率为1000W，可实现动力电池包边缘区域的独立加热；当第二继电器K2断开而第一继电器K1闭合时，加热回路的总功率为2000W，由于中心区加热部11的面积远远大于边缘区加热部12的面积，因此中心区加热部11的加热功率密度小于边缘区加热部12的加热功率，可实现电池包中心区域的独立加热和均匀加热。本实施例中，还可以在回路的干路上串联保险丝4和主负继电器K3，如图2所示，以保证加热回路的控制安全。
基于本实用新型实施例一提供的双回路电池加热系统，本实用新型实施例二还涉及一种充电工况下的电池加热方法，包括步骤S11-S14。
步骤S11，接收充电指令，获取动力电池的最低温度；
步骤S12，当动力电池的最低温度大于等于预设的第一温度阈值时，闭合所述第一继电器和所述第二继电器，对动力电池进行边加热边充电；其中，所述第一温度阈值为动力电池可进行充电的最低温度。
具体地，快充枪插枪后，唤醒BMS，BMS进入充电预备模式，首先获取动力电池的最低温度T。
当T大于等于预设的第一温度阈值T1(动力电池可进行充电的最低温度)时，此时动力电池具备充电能力，但是温度较低，为了提高充电效率，可进行边加热边充电。BMS请求电流I为中心区加热部的额定工作电流Ic、边缘区加热部的额定工作电流Ie与动力电池充电允许的最大电流I0(不同温度下可以有不同的最大充电电流)之和。即当T≥T1时，I＝Ic+Ie+I0。
步骤S13，获取动力电池的中心区温度和动力电池的边缘区温度，并比较所述中心区温度、所述边缘区温度以及预设的第二温度阈值之间的大小关系；其中，所述第二温度阈值为电池加热过程中允许的最高温度值，所述第二温度阈值大于所述第一温度阈值；
步骤S14，当所述中心区温度和所述边缘区温度均小于所述第二温度阈值，并且所述中心区温度与所述边缘区温度的温度差大于等于预设的第一温度差阈值时，断开所述第一继电器或所述第二继电器，进行单回路加热并持续充电，其中，断开的加热回路为温度较高的区域对应的加热回路，所述第一温度差阈值为电池加热过程中允许的最大温差。
具体地，充电过程中，持续监控动力电池的中心区温度Tc和动力电池的边缘区温度Te，并比较两者的大小，同时比较两个区域中最高温度其与第二温度阈值T2(电池加热过程中允许的最高温度值)的大小关系，显然，T2＞T1。需要说明的是，本实用新型中，在没有特别说明的情况下，中心区温度Tc和动力电池的边缘区温度Te均是指对应区域的最低温度，动力电池的最低温度为min{Tc，Te}。
当两个区域中最高温度均小于T2，即在动力电池的温度尚未超出上限值时，进一步判断中心区温度和边缘区温度的温度差△T＝|Tc-Te|是否超出电池加热过程中允许的最大温差△T1(第一温度差阈值)。当△T≥△T1时，进入均温模式，进行单回路加热并持续充电，断开的加热回路为温度较高的区域对应的加热回路。具体是：
当Tc＞Te，断开K1，保持K2闭合，请求电流I＝Ie+I0；
当Tc＜Te，断开K2，保持K1闭合，请求电流I＝Ic+I0。
进一步地，本实用新型实施例还可进一步包括步骤S15。
步骤S15，当所述中心区温度与所述边缘区温度的温度差小于等于预设的第二温度差阈值，或者当次进行单回路加热的时间大于等于预设的第一时间阈值，返回所述步骤S12；所述第二温度差阈值小于所述第一温度差阈值。
具体地，在均温模式单回路加热至一段时间后，中心区温度与边缘区温度的温度差△T会逐渐减小，当△T小于等于预设的第二温度差阈值△T2时，则退出均温模式返回步骤S12，即保持两个继电器K1、K2闭合，进行整体加热。为避免程序反复跳变，降低灵敏度，△T2为小于△T1的温度差阈值。
或者均温模式下，本次单回路加热的时间t大于等于预设的第一时间阈值时，也退出均温模式返回步骤S12。即经过足够长时间的单回路加热，△T仍然不能减小到温度差阈值△T1以下，此时可能是传热路径或者控制系统存在问题，单独加热中心区的时间阈值设为t1，单独加热边缘区的时间阈值设为t2，可根据实际情况进行标定。
可选地，步骤S12还包括：当动力电池的最低温度小于等于预设的第三温度阈值时，闭合所述第一继电器和所述第二继电器，对动力电池进行单纯加热；其中，所述第三温度阈值为动力电池不需要预热的最低温度，所述第三温度阈值小于所述第一温度阈值。
即在快充枪插枪时，动力电池温度过低，低于不需要预热的最低温度T3，还不具备充电能力，此时闭合第一继电器K1和第二继电器K2，请求电流I＝Ic+Ie，对动力电池进行单纯加热不充电。其中T3为小于T1的温度阈值，同样是为了降低程序跳变灵敏度。
图4为本实用新型实施例涉及的充电工况的一种较佳的电池加热方法控制流程图，加热控制方法的工作原理和过程，参见前述本实用新型实施例二的说明，此处不再赘述。在电池较低温度时，先进行预热，然后进入大电流充电流程；同时采用大功率加热提升加热充电效率，缩短充电时间；在充电过程中边加热边判断温差，缩短充电过程温差，提升了最大允许充电电流值，提高充电效率。
基于本实用新型实施例一提供的双回路电池加热系统，本实用新型实施例三还涉及一种行车工况下的电池加热方法，包括步骤S21-S24。
步骤S21，在双回路加热情况下，当动力电池加热至最低温度大于等于预设的第四温度阈值时，断开所述第一继电器和所述第二继电器；其中，所述第四温度阈值为行车状态下满足电池基本动力性的最低需求温度。
步骤S22，获取动力电池当前电量，判断当前电量是否满足行车动力性需求；
步骤S23，当当前电量满足行车动力性需求时，获取动力电池的中心区温度和动力电池的边缘区温度，比较所述中心区温度与所述边缘区温度的温度差和预设的第三温度差阈值的大小关系；所述第三温度差阈值为行车工况下加热动力电池允许的最大温差；
步骤S24，当所述中心区温度与所述边缘区温度的温度差大于等于所述第三温度差阈值时，进行单回路加热，具体是：若所述中心区温度大于所述边缘区温度，则断开所述第一继电器，若所述中心区温度小于所述边缘区温度，则断开所述第二继电器。
具体地，整车上电并且电池最低温度加热至大于等于第四温度阈值T4时，断开K1、K2，然后判断是否进入均温模式。进入均温模式的第一前提条件是，当前电量满足行车动力性需求，在条件满足的情况下，进一步判断温差条件，即比较中心区温度与边缘区温度的温度差△T与预设的第三温度差阈值△T3之间的大小，当△T≥△T3时，进入均温模式进行单回路加热，具体是：
当Tc＞Te，闭合K2，保持K1断开；
当Tc＜Te，闭合K1，保持K2断开。
进一步地，本实用新型实施例还可进一步包括步骤S25。
步骤S25，当所述中心区温度与所述边缘区温度的温度差小于等于预设的第四温度差阈值，或者动力电池的最高温度大于等于预设的第五温度阈值时，停止加热；所述第四温度差阈值小于所述第三温度差阈值，所述第五温度阈值为行车工况下电池加热过程中允许的最高温度值。
具体地，在均温模式单回路加热至一段时间后，中心区温度与边缘区温度的温度差△T会逐渐减小，当△T小于等于预设的第四温度差阈值△T4时，则停止加热。为避免程序反复跳变，降低灵敏度，△T4为小于△T3的温度差阈值。
或者均温模式单回路加热情况下，动力电池的最高温度大于等于预设的第五温度阈值T5时，即电池温度已经达到行车工况下允许的上限时，停止加热。
可选地，行车工况下，步骤S21之前还包括步骤S20。
步骤S20，接收上电指令，获取动力电池的最低温度；当动力电池的最低温度小于等于预设的第六温度阈值时，闭合所述第一继电器和所述第二继电器，对动力电池进行单纯加热；其中，所述第六温度阈值为行车状态下电池放电的最低需求温度。
具体地，整车上电时，温度较低，未达到行车状态下电池放电的最低需求温度T6，此时闭合第一继电器K1和第二继电器K2，对电池进行加热。同样是为避免程序反复跳变，降低灵敏度，T6为小于T4的温度阈值。
图5为本实用新型实施例行车工况的一种较佳的电池加热方法控制流程图，加热控制方法的工作原理和过程，参见前述本实用新型实施例二和实施例三的说明，此处不再赘述。在电池较低温度时，先进行预热，达到放电温度条件后才进行高压上电。上电后，通过均温功能，保障低温下大功率放电工况电芯的一致性；并且增加了电池最高温度的限制，保证了电池的安全性。
通过上述说明可知，与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：现有的电池加热方案中，只能实现外部加热器的功率调整，无法主动缩小整包加热温差。本实用新型在硬件支持的基础上，可实现电池包内的加热功率调整，在温差较大的情况下局部加热缩小整包温差，根据整车状态选择执行均温功能。具体的，硬件方面，本实用新型设计了一种不同功率密度的加热组件并联方案，电池管理系统可根据动力电池中心区和边缘区的温度大小，分别单独控制加热组件的中心区加热部和边缘区加热部开启与关闭，可以保证动力电池表面的温差在一定的范围内，提升加热充电效率、续驶里程与电芯使用寿命，实现不同场景下的能耗优化；本实用新型实施例还通过弹性支撑板与刚性支撑板的配合，使加热组件紧贴于模组下方，提供了良好的导热路径，避免局部干烧。加热效率比常规加热系统提升37％，通过调节功率可缩小整个电池包内的加热温差。加热方法方面，充电工况下，在电池较低温度时，先进行预热，然后进入大电流充电流程；同时采用大功率加热提升加热充电效率，缩短充电时间；在充电过程中边加热边判断温差，缩短充电过程温差，提升了最大允许充电电流值，提高充电效率；行车工况下，在电池较低温度时，先进行预热，达到放电温度条件后才进行高压上电。上电后，通过均温功能，保障低温下大功率放电工况电芯的一致性；并且增加了电池最高温度的限制，保证了电池的安全性。
以上所揭露的仅为本实用新型较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种双回路电池加热系统，包括设置于动力电池表面的加热组件，以及电池管理系统，其特征在于，
所述加热组件包括位于动力电池中心区域的中心区加热部，以及位于动力电池边缘区域的边缘区加热部，所述中心区加热部的加热功率密度小于所述边缘区加热部的加热功率密度；
所述加热组件电连接在所述动力电池的两端，所述中心区加热部与所述边缘区加热部并联，所述中心区加热部所在支路串联有第一继电器，所述边缘区加热部所在支路串联有第二继电器；
所述电池管理系统用于根据动力电池边缘区域和中心区域的温度，控制所述第一继电器与所述第二继电器打开或闭合。
2.根据权利要求1所述的双回路电池加热系统，其特征在于，所述加热组件包括相互粘结的加热膜和支撑板；
所述加热膜包括传热薄膜，以及粘合在所述传热薄膜朝向所述支撑板一侧的电阻丝；所述电阻丝包括位于所述动力电池中心区域、并与所述第一继电器串联的第一电阻丝，以及位于所述动力电池边缘区域、并与所述第二继电器串联的第二电阻丝。
3.根据权利要求2所述的双回路电池加热系统，其特征在于，所述支撑板包括相互粘结的弹性支撑板和刚性支撑板，所述弹性支撑板位于所述加热膜和所述刚性支撑板之间。
4.根据权利要求3所述的双回路电池加热系统，其特征在于，还包括若干温度传感器；
所述弹性支撑板上位于所述动力电池中心区域和位于所述动力电池边缘区域均设置有镂空部，所述温度传感器位于所述镂空部。
5.根据权利要求3所述的双回路电池加热系统，其特征在于，所述弹性支撑板为发泡硅橡胶板。
6.根据权利要求3所述的双回路电池加热系统，其特征在于，所述刚性支撑板为环氧树脂板。
7.根据权利要求1所述的双回路电池加热系统，其特征在于，所述加热组件由相互对称的两个加热子组件组成；
每个加热子组件均包括位于所述动力电池中心区域的中心区加热部，以及位于动力电池边缘区域的边缘区加热部；
两个所述中心区加热部串联，两个所述边缘区加热部串联。
8.根据权利要求1所述的双回路电池加热系统，其特征在于，所述加热组件通过阻燃胶粘附在动力电池表面。
9.根据权利要求1所述的双回路电池加热系统，其特征在于，所述加热组件与所述动力电池之间还串联有保险丝。
10.根据权利要求1所述的双回路电池加热系统，其特征在于，所述加热组件与所述动力电池之间还串联有主负继电器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202120869872.7U CN215266455U (zh) | 2021-04-26 | 2021-04-26 | 一种双回路电池加热系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN215266455U true CN215266455U (zh) | 2021-12-21 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114388918A (zh) * | 2022-01-06 | 2022-04-22 | 江西赣锋锂电科技股份有限公司 | 动力电池包 |
| WO2023137872A1 (zh) * | 2022-01-20 | 2023-07-27 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 电池、用电设备、电池的制造方法及制造设备 |
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2021
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