用于動(dòng)力鋰離子電池模塊的低溫自加熱電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種用于動(dòng)力鋰離子電池模塊的低溫自加熱電路，連接在鋰離子電池模塊的兩端，所述的鋰離子電池模塊包括串聯(lián)連接的第一鋰離子電池和第二鋰離子電池，所述的低溫自加熱電路包括第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、電感、溫度傳感器和微控制器，所述的第一鋰離子電池、第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、第二鋰離子電池依次連接，所述的電感一端連接在第一鋰離子電池和第二鋰離子電池之間，另一端連接在第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管之間，所述的微控制器分別連接第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管和溫度傳感器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】 用于動(dòng)力鋰離子電池模塊的低溫自加熱電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實(shí)用新型涉及電動(dòng)汽車(chē)電池管理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種用于動(dòng)力鋰離子電池模塊的低溫自加熱電路。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池具有電壓高、容量大、體積小、質(zhì)量輕，工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池組已被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，包括電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)工具及電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域。鋰離子電池對(duì)使用環(huán)境的溫度較為敏感，當(dāng)溫度較低時(shí)，電池的可放電能量、功率及放電效率均較低，并且低溫時(shí)充電還存在一定的安全隱患，如產(chǎn)生枝晶等。因此，低溫使用問(wèn)題大大影響了鋰離子電池的應(yīng)用和推廣。目前，在低溫環(huán)境下使用時(shí)，存在兩種主要方案。一種為無(wú)加熱系統(tǒng)，該方案使用過(guò)程中電池組放電效率比較低，并嚴(yán)重影響電池組的功率、使用壽命及安全性。另一種設(shè)計(jì)為采用電熱絲輔助加熱等形式的外部加熱，由于電池自身傳熱性能差，該方案存在效率低且容易引發(fā)電池溫度不均勻等缺陷。而電池組工作溫度的不均勻性會(huì)對(duì)電池壽命、安全性等方面帶來(lái)影響。
[0003]電化學(xué)阻抗譜(EIS)是研究鋰離子電池的有效手段。近幾年，通過(guò)研究鋰離子電池的電化學(xué)阻抗譜，在頻域上分析得到的電池內(nèi)部狀態(tài)被多數(shù)人認(rèn)可。典型EIS譜由以下部分組成:(I)超高頻區(qū)域(典型為IOkHz以上)，與鋰離子和電子通過(guò)電解液、多孔隔膜、導(dǎo)線、活性材料顆粒等輸運(yùn)有關(guān)的歐姆電阻；(2)高頻區(qū)域，與鋰離子通過(guò)活性材料顆粒表面絕緣層的擴(kuò)散遷移有關(guān)的一個(gè)半圓，表示鋰離子擴(kuò)散遷移通過(guò)SEI膜(固體電解質(zhì)界面膜，solid electrolyte interface)的電阻；(3)中頻區(qū)域,與電荷傳遞過(guò)程相關(guān)的一個(gè)半圓，此過(guò)程為電遷移及電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程；(4)低頻區(qū)域，與鋰離子在活性材料顆粒內(nèi)部的固體擴(kuò)散過(guò)程相關(guān)的一條斜線，此過(guò)程表示為離子在固相中的擴(kuò)散過(guò)程。
[0004]通過(guò)電池EIS的測(cè)量，可以確定電池內(nèi)部電子及離子在不同階段時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率或時(shí)間常數(shù)。在此基礎(chǔ)上，確定電池充放電的頻率，可有效地避免離子在固相中的擴(kuò)散過(guò)程，從而避免負(fù)極枝晶的形成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種用于動(dòng)力鋰離子電池模塊的低溫自加熱電路，具有控制簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、成本低的特點(diǎn)，可以快速實(shí)現(xiàn)電池單體或電池模塊的升溫。
[0006]本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0007]一種用于動(dòng)力鋰離子電池模塊的低溫自加熱電路，連接在鋰離子電池模塊的兩端，所述的鋰離子電池模塊包括串聯(lián)連接的第一鋰離子電池和第二鋰離子電池，所述的低溫自加熱電路包括第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、電感、溫度傳感器和微控制器，所述的第一鋰離子電池、第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、第二鋰離子電池依次連接，所述的電感一端連接在第一鋰離子電池和第二鋰離子電池之間，另一端連接在第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管之間，所述的微控制器分別連接第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管和溫度傳感器。
[0008]所述的第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管均為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。
[0009]所述的第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管均為MOSFET。
[0010]所述的溫度傳感器包括熱電偶或紅外感應(yīng)器。
[0011 ] 所述的第一鋰離子電池和第二鋰離子電池均由多個(gè)單體鋰離子電池串聯(lián)而成。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下有益效果:
[0013]I)本發(fā)明是利用高頻充放電控制進(jìn)行電池自身進(jìn)行加熱，由于鋰離子電池內(nèi)阻的存在及電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理，在電池循環(huán)充放電過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生熱量，從而從內(nèi)部給電池加熱，使電池溫度更均勻；而傳統(tǒng)方式通過(guò)外部裝置加熱，靠電池殼壁來(lái)傳遞熱量，相比之下，本發(fā)明的能量損耗小，效率更高，溫升更均勻；
[0014]2)然而，在低溫情況下，電池充放電，尤其是大倍率、長(zhǎng)時(shí)間充電可能會(huì)使負(fù)極產(chǎn)生枝晶，從而影響電池的使用安全性，本發(fā)明充放電控制的頻率高于電化學(xué)阻抗譜測(cè)試中電池電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的最低頻率點(diǎn)，可有效避免低溫充放電過(guò)程中枝晶的形成；
[0015]3)本發(fā)明自加熱過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的溫度和電壓信息，并根據(jù)電壓和溫度信息進(jìn)行高頻充放電控制，從而進(jìn)一步保證電池的安全；
[0016]4)本實(shí)用新型只使用極少數(shù)的元器件就可以對(duì)電池模塊進(jìn)行高頻的充放電，從而高效的實(shí)現(xiàn)電池模塊的整體低溫自加熱，對(duì)電池?fù)p傷小，控制簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為實(shí)施例中鋰離子電池模塊BI自加熱放電階段，Ml開(kāi)啟、M2關(guān)斷時(shí)的電流流向示意圖；
[0019]圖3為實(shí)施例中鋰離子電池模塊B2自加熱充電階段，Ml關(guān)斷、M2開(kāi)啟時(shí)的電流流向示意圖；
[0020]圖4為實(shí)施例中鋰離子電池模塊B2自加熱放電階段，Ml關(guān)斷、M2開(kāi)啟時(shí)的電流流向示意圖；
[0021]圖5為實(shí)施例中鋰離子電池模塊BI自加熱充電階段，Ml開(kāi)啟、M2關(guān)斷時(shí)的電流流向示意圖；
[0022]圖6為實(shí)施例中PWM(脈寬調(diào)制)模式下鋰離子電池BI的電池充放電電流變化圖；
[0023]圖7為實(shí)施例中PWM(脈寬調(diào)制)模式下鋰離子電池B2的電池充放電電流變化圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0025]如圖1所示，一種用于動(dòng)力鋰離子電池模塊的低溫自加熱電路，連接在鋰離子電池模塊的兩端，所述的鋰離子電池模塊包括串聯(lián)連接的第一鋰離子電池BI和第二鋰離子電池B2，所述的第一鋰離子電池BI和第二鋰離子電池B2均由η節(jié)單體鋰離子電池串聯(lián)而成。所述的低溫自加熱電路包括第一開(kāi)關(guān)管Ml、第二開(kāi)關(guān)管M2、電感L、溫度傳感器TT和微控制器MCU，所述的第一鋰離子電池B1、第一開(kāi)關(guān)管Ml、第二開(kāi)關(guān)管M2、第二鋰離子電池B2依次連接，所述的電感L 一端連接在第一鋰離子電池BI和第二鋰離子電池B2之間，另一端連接在第一開(kāi)關(guān)管Ml和第二開(kāi)關(guān)管M2之間，所述的微控制器MCU分別連接第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管和溫度傳感器TT。
[0026]所述的第一開(kāi)關(guān)管Ml和第二開(kāi)關(guān)管M2均為MOSFET或其他類型的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。
[0027]所述的溫度傳感器TT可采用熱電偶或紅外感應(yīng)器等，采集一鋰離子電池BI和第二鋰離子電池B2的溫度，把溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可以是模擬信號(hào)也可以是數(shù)字信號(hào)，發(fā)送到所述微控制器MCU。
[0028]微控制器MCU可以實(shí)時(shí)接收溫度傳感器的信號(hào)，并根據(jù)溫度高低來(lái)選擇工作模式。當(dāng)溫度高時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，所述微控制器MCU進(jìn)入休眠狀態(tài)，但可以低溫喚醒，所有的外設(shè)進(jìn)入斷電狀態(tài)。當(dāng)溫度低時(shí)，系統(tǒng)被喚醒并進(jìn)入正常工作模式，外設(shè)上電，所述微控制器MCU可以控制輸出矩形脈沖的產(chǎn)生、停止、PFM(頻率調(diào)制)和PWM(脈寬調(diào)制)。微控制器MCU產(chǎn)生矩形脈沖方式可以是PFM (頻率調(diào)制)或者PWM (脈寬調(diào)制)。PFM (頻率調(diào)制)或者PWM(脈寬調(diào)制)兩種工作模式都可以用來(lái)調(diào)節(jié)充放電電流的峰值。
[0029]當(dāng)鋰離子電池模塊需要低溫加熱時(shí)，所述微控制器根據(jù)具體溫度高低來(lái)產(chǎn)生一定占空比和頻率的矩形脈沖到開(kāi)關(guān)管Ml、M2的驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)分別控制開(kāi)關(guān)管的Ml、M2的開(kāi)啟或者關(guān)斷。
[0030]附圖6是本實(shí)例中自加熱電路工作模式下占空比為50%時(shí)，鋰離子電池BI的充放電電流變化圖。附圖7是本實(shí)例中自加熱電路工作模式下占空比為50%時(shí)，鋰離子電池B2充放電電流變化圖。所述低溫自加熱電路可工作在PFM或PWM模式下，所述微控制器產(chǎn)生固定占空比的矩形脈沖，當(dāng)工作在PFM模式下時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的頻率來(lái)調(diào)節(jié)充放電電流的峰值。頻率越大，峰值電流越小，頻率越小，峰值電流越大。當(dāng)工作在PWM模式下時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)矩形脈沖的占空比來(lái)調(diào)節(jié)充放電電流的峰值。占空比越大，峰值電流越大，占空比越小，峰值電流越小。
[0031]上述用于動(dòng)力鋰離子電池模塊的低溫自加熱電路工作原理為:正常工作模式開(kāi)啟后，當(dāng)鋰離子電池模塊需要低溫加熱時(shí)，先導(dǎo)通第一開(kāi)關(guān)管M1，關(guān)斷第二開(kāi)關(guān)管M2，給電感L充電，電流從鋰離子電池BI的正極流向負(fù)極，鋰離子電池BI進(jìn)入放電階段，電流流向如附圖2所示，圖中箭頭表示電流流向。然后關(guān)斷第一開(kāi)關(guān)管M1，導(dǎo)通第二開(kāi)關(guān)管M2，電感L的電流不能突變，只能從鋰離子電池B2的負(fù)極流出，經(jīng)電感L，流入鋰離子電池的正極，鋰離子電池B2進(jìn)入充電階段，電流流向如附圖3所示。當(dāng)電感L中的電流結(jié)束后，此時(shí)M2仍處于導(dǎo)通，電流從鋰離子電池B2的正極流向負(fù)極，給電感L充電，鋰離子電池B2進(jìn)入放電階段，電流流向如附圖4所示。然后關(guān)斷M2，導(dǎo)通M1，電感L的電流不能突變，電流從BI的正極流入，鋰離子電池BI進(jìn)入充電階段，電流流向如附圖5所示。對(duì)于B1、B2，自加熱電路的放電充電階段分別構(gòu)成一個(gè)完整的自加熱周期。在自加熱電路在不斷的高頻放充電循環(huán)中，且該頻率點(diǎn)高于電化學(xué)阻抗測(cè)試發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的最高頻率點(diǎn)，電池模塊在電池外部基本沒(méi)有損耗，只有電池歐姆內(nèi)阻及鋰離子液相遷移內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量，由此實(shí)現(xiàn)高效的電池模塊自加熱。
【權(quán)利要求】
1.一種用于動(dòng)力鋰離子電池模塊的低溫自加熱電路，連接在鋰離子電池模塊的兩端，所述的鋰離子電池模塊包括串聯(lián)連接的第一鋰離子電池和第二鋰離子電池，其特征在于，所述的低溫自加熱電路包括第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、電感、溫度傳感器和微控制器，所述的第一鋰離子電池、第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管、第二鋰離子電池依次連接，所述的電感一端連接在第一鋰離子電池和第二鋰離子電池之間，另一端連接在第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管之間，所述的微控制器分別連接第一開(kāi)關(guān)管、第二開(kāi)關(guān)管和溫度傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于動(dòng)力鋰離子電池模塊的低溫自加熱電路，其特征在于，所述的第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管均為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于動(dòng)力鋰離子電池模塊的低溫自加熱電路，其特征在于，所述的第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管均為MOSFET。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于動(dòng)力鋰離子電池模塊的低溫自加熱電路，其特征在于，所述的溫度傳感器包括熱電偶或紅外感應(yīng)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于動(dòng)力鋰離子電池模塊的低溫自加熱電路，其特征在于，所述的第一鋰離子電池和第二鋰離子電池均由多個(gè)單體鋰離子電池串聯(lián)而成。
【文檔編號(hào)】H01M10/657GK203721848SQ201420008723
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年1月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月7日
【發(fā)明者】孫澤昌, 朱建功, 劉耀鋒, 魏學(xué)哲, 戴海峰 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)