一種升壓式動力電池模塊交流電低溫加熱電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種升壓式動力電池模塊交流電低溫加熱電路，所述的動力電池模塊包括電池模塊B1、B2，所述的低溫加熱電路包括開關(guān)管M1、M2、M3、M4，變壓器T，二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，開關(guān)管驅(qū)動電路，溫度傳感器和微控制器，所述開關(guān)管M1、M2、M3、M4為半導(dǎo)體開關(guān)管器件。所述變壓器T與二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8組成正逆向升壓結(jié)構(gòu)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有工作頻率高、損耗小、能在低溫下有效加熱電池并避免枝晶生成等優(yōu)點。
【專利說明】一種升壓式動力電池模塊交流電低溫加熱電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及電動汽車電池管理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種升壓式動力電池模塊交流電低溫加熱電路。
【背景技術(shù)】
[0002]動力電池作為制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵部件，迎來了前所未有的發(fā)展機遇，鋰離子電池具有工作電壓高、質(zhì)量輕、比能量高、循環(huán)壽命長、快速充電等優(yōu)良特性，被認為是未來幾年電動汽車用電源的重要發(fā)展方向，并且在移動式電子設(shè)備以及國防軍工等高新技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。盡管鋰離子電池因其諸多的優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用，但是鋰離子電池應(yīng)用領(lǐng)域拓寬的同時，也暴露了一些問題，鋰離子電池低溫性能始終差強人意，限制了電池的使用范圍。常用的電動汽車鋰離子動力電池在-10°c時，容量及工作電壓會明顯降低，-20°c時性能會明顯惡化，放電比容量驟降，僅能保持常溫時比容量的30%左右。在溫度低的季節(jié)和地區(qū)，鋰離子電池性能發(fā)揮受到了極大的限制，特別是對電動汽車的使用。鋰離子電池低溫性能的缺陷在很大程度上限制了其在動力電池領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
[0003]目前，國內(nèi)外的關(guān)于鋰離子電池低溫研究并不多，特別是國內(nèi)的電池低溫預(yù)加熱研究更是風(fēng)毛麟角，且國內(nèi)的電池低溫預(yù)加熱主要集中在加熱膜加熱，寬線法加熱等外部加熱方法，外部加熱不僅能量消耗大，造成電池容量的過度浪費，同時加熱效果差，溫度梯度大，加熱時間長等缺點。國外的關(guān)于電池預(yù)加熱的主要集中在電池的內(nèi)部加熱，利用電池的內(nèi)阻，不需外部任何加熱裝置，節(jié)省成本，結(jié)構(gòu)簡單。但不管是外部加熱還是內(nèi)部加熱研究都處于研究的初步階段，并未深入探討其內(nèi)部變化及電池產(chǎn)熱規(guī)律。
[0004]多孔電極和濃縮溶液理論是解釋電池充放電過程中，電池內(nèi)部微觀變化和反應(yīng)過程的一套理論體系，利用多孔電極理論，我們可以找到低溫下電池性能惡化的原因，進而避開導(dǎo)致電池性能惡化的因素，通過電池EIS的測量，可以確定電池內(nèi)部電子及離子在不同階段時所對應(yīng)的頻率或時間常數(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散過程，利用電池的自身內(nèi)阻，使用高頻交流電來對電池進行加熱，從而避免負極枝晶的形成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實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升壓式動力電池模塊交流電低溫加熱電路。
[0006]本實用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]一種升壓式動力電池模塊交流電低溫加熱電路，所述的動力電池模塊包括電池模塊B1、B2，所述的低溫加熱電路包括開關(guān)管Ml、M2、M3、M4，變壓器T，二極管Dl、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，開關(guān)管驅(qū)動電路，溫度傳感器和微控制器，所述的溫度傳感器分別連接電池模塊B1、B2和微控制器，所述的微控制器與開關(guān)管驅(qū)動電路連接，所述的開關(guān)管驅(qū)動電路分別連接開關(guān)管M1、M2、M3、M4，所述的開關(guān)管Ml分別連接BI負極、D2陽極、D4陽極、Dl陽極和變壓器T初級側(cè)，所述的開關(guān)管M2分別連接D2陰極、變壓器T初級側(cè)、Dl陰極、D3陰極和BI正極，所述的開關(guān)管M3分別連接D6陽極、D8陽極、B2負極、D7陽極和變壓器T次級側(cè)，所述的開關(guān)管M4、分別連接D8陰極、變壓器T次級側(cè)、D5陰極、D7陰極和BI正極，所述的D3陽極、D4陰極均與變壓器T初級側(cè)連接，所述的D5陽極、D6陰極均與變壓器T次級側(cè)連接。
[0008]所述的變壓器T包括初級線圈LI和次級線圈L2、L3，所述的初級線圈LI的一端分別連接M2、D3陽極和D2陰極，另一端分別連接Ml、Dl陽極和D4陰極，所述的次級線圈L2的一端連接D5陽極，另一端分別連接M3、D6陰極和D7陽極，所述的次級線圈L3的一端分別連接M4和D8陰極，另一端分別連接M3、D6陰極和D7陽極。
[0009]所述的初級線圈LI線圈阻數(shù)Ii1、次級線圈L2線圈阻數(shù)n2和次級線圈L3線圈阻數(shù)n3滿足關(guān)系式
[0010]所述的開關(guān)管Ml、M2、M3、M4均為半導(dǎo)體開關(guān)管器件。
[0011]所述的半導(dǎo)體開關(guān)管器件包括MOSFET。
[0012]所述的溫度傳感器為熱電偶或者紅外感應(yīng)器。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下有益效果:
[0014]I)本實用新型是利用高頻充放電控制進行電池自身進行加熱，由于鋰離子電池內(nèi)阻的存在及電化學(xué)反應(yīng)的機理，在電池循環(huán)充放電過程中，會產(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)方式通過外部裝置加熱，靠電池殼壁來傳遞熱量，相比之下，本實用新型的能量損耗小，效率更高，溫升更均勻；
[0015]2)在低溫情況下，電池充電，尤其是大倍率、長時間充電可能會使負極產(chǎn)生枝晶，從而影響電池的使用安全性，本實用新型充放電控制的頻率高于電化學(xué)阻抗譜測試中電池電化學(xué)反應(yīng)過程的最低頻率點，可有效避免低溫充放電過程中枝晶的形成；
[0016]3)本實用新型自加熱過程中，實時監(jiān)測電池的溫度和電壓信息，并根據(jù)電壓和溫度信息進行高頻充放電控制，從而進一步保證電池的安全。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖Ι-a和圖Ι-b為本實用新型整體結(jié)構(gòu)框圖；
[0018]圖2為本實用新型實例中電池模塊BI放電、電池模塊B2充電的階段，開關(guān)管Ml、M2開啟，開關(guān)管M3、M4斷開時的電流流向示意圖；
[0019]圖3為本實用新型實例中利用變壓器T初級線圈L1、次級線圈L2中儲存的能量來對電池模塊B1、B2進行充電的階段，開關(guān)管Ml、M2、M3、M4關(guān)斷時的電流流向示意圖；
[0020]圖4為本實用新型實例中電池模塊B2放電、電池模塊BI充電的階段，開關(guān)管M3、M4開啟，開關(guān)管M1、M2斷開時的電流流向示意圖。
[0021]圖5為本實用新型實例中利用變壓器T初級線圈L3、次級線圈LI中儲存的能量來對電池模塊B1、B2進行充電的階段，開關(guān)管Ml、M2、M3、M4關(guān)斷時的電流流向示意圖；
[0022]圖6為本實用新型實例中電池模塊BI在交流充放電過程中的電流變化圖；
[0023]圖7為本實用新型實例中電池模塊B2在交流充放電過程中的電流變化圖。
【具體實施方式】[0024]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細說明。本實施例以本實用新型技術(shù)方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本實用新型的保護范圍不限于下述的實施例。
[0025]如圖Ι-a和圖l_b所示，一種升壓式動力電池模塊交流電低溫加熱電路，所述的動力電池模塊包括電池模塊B1、B2，B1、B2由η節(jié)單體鋰離子電池串聯(lián)而成，所述的低溫加熱電路包括開關(guān)管Ml、M2、M3、Μ4，變壓器T，二極管Dl、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，開關(guān)管驅(qū)動電路，溫度傳感器TS和微控制器MCU。所述開關(guān)管Ml、M2、M3、M4為MOSFET或其他類型的半導(dǎo)體開關(guān)管器件。所述變壓器T與所述的二極管Dl、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8組成正逆向升壓結(jié)構(gòu)。所述溫度傳感器TS分別連接電池模塊B1、B2和微控制器MCU，可以采用熱電偶或者紅外感應(yīng)器等，采集電池模塊B1、B2的溫度，把溫度轉(zhuǎn)換成電信號，發(fā)送到所述微控制器MCU。所述微控制器MCU可以實時接收溫度傳感器的信號，并根據(jù)溫度高低來選擇工作模式。當溫度高時，系統(tǒng)進入低功耗模式，微控制器MCU進入休眠狀態(tài)，但可以低溫喚醒，所有的外設(shè)進入斷電狀態(tài)。當溫度低于特定閾值Tmin時，系統(tǒng)被喚醒并進入正常工作模式，外設(shè)上電，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)。當鋰離子電池模塊需要低溫加熱時，微控制器根據(jù)具體溫度高低來產(chǎn)生一定占空比和頻率的矩形脈沖到開關(guān)管驅(qū)動電路，通過開關(guān)管驅(qū)動電路來控制開關(guān)管Ml、M2、M3、M4的開啟或者關(guān)斷。
[0026]本實施例中，開關(guān)管Ml、M2、M3、M4的基極均分別連接開關(guān)管驅(qū)動電路，開關(guān)管Ml的發(fā)射極分別連接BI負極、D2陽極和D4陽極，集電極分別連接Dl陽極和變壓器T初級側(cè)，所述的開關(guān)管M2的發(fā)射極分別連接D2陰極和變壓器T初級側(cè)，集電極分別連接Dl陰極、D3陰極和BI正極，所述的開關(guān)管M3的發(fā)射極分別連接D6陽極、D8陽極和B2負極，集電極分別連接D7陽極和變壓器T次級側(cè)，所述的開關(guān)管M4的發(fā)射極分別連接D8陰極和變壓器T次級側(cè)，集電極分別連接D5陰極、D7陰極和BI正極，所述的D3陽極、D4陰極均與變壓器T初級側(cè)連接，所述的D5陽極、D6陰極均與變壓器T次級側(cè)連接。
[0027]所述的變壓器T包括初級線圈LI和次級線圈L2、L3，所述的初級線圈LI的一端分別連接M2、D3陽極和D2陰極，另一端分別連接Ml、Dl陽極和D4陰極，所述的次級線圈L2的一端連接D5陽極，另一端分別連接M3、D6陰極和D7陽極，所述的次級線圈L3的一端分別連接M4和D8陰極，另一端分別連接M3、D6陰極和D7陽極。所述的初級線圈LI線圈匝數(shù)Ii1、次級線圈L2線圈阻數(shù)n2和次級線圈L3線圈阻數(shù)n3滿足關(guān)系式次級線圈L3為次級線圈L2的部分線圈。
[0028]上述低溫加熱電路各開關(guān)管在不工作時處于斷開狀態(tài)。正常工作模式開啟后，當鋰離子電池模塊需要低溫加熱時，先導(dǎo)通開關(guān)管M1、M2，電池模塊BI放電，電流從電池模塊BI的正極流出，經(jīng)過開關(guān)管M2、變壓器T的初級線圈L1、開關(guān)管M1，流向負極，即電池模塊BI完成放電循環(huán)，同時，變壓器次級線圈L2產(chǎn)生感應(yīng)電流，經(jīng)二級管D5流向電池模塊B2的正極，經(jīng)電池模塊B2的負極，二級管D6，回到變壓器T的次級線圈L2，即完成電池模塊B2的充電循環(huán)。此時電流流向如圖2所示。然后關(guān)斷開關(guān)管Ml、M2，因變壓器T的初級線圈LI和次級線圈L2中的儲存的能量不能立即消失，利用初級線圈LI儲存的能量對電池模塊BI充電，利用次級線圈L2儲存的能量對電池模塊B2充電。此時電流從初級線圈LI中流出經(jīng)二級管Dl，流向電池模塊BI正極，再經(jīng)電池模塊BI負極流出經(jīng)二級管D2流回初級線圈LI，即完成利用線圈中的儲存能對電池模塊BI進行充電的過程，同時電流從次級線圈L2中流出經(jīng)二級管D5，流向電池模塊B2正極，再經(jīng)電池模塊B2負極流出經(jīng)二級管D6流回次級線圈L2，即完成利用線圈中的儲存能對電池模塊B2進行充電的過程。此時電流流向如圖3所示。然后導(dǎo)通開關(guān)管M3、M4，此時利用變壓器T反向升壓，即變壓器T的L3線圈變?yōu)槌跫壘€圈，變壓器T的LI線圈變?yōu)榇渭壘€圈，完成電池模塊B2放電，電池模塊BI充電的過程。此時電流從電池模塊B2的正極流出，經(jīng)開關(guān)管M4、變壓器的初級線圈L3、開關(guān)管M3，回到電池模塊B2的負極，完成電池模塊B2的放電循環(huán)，同時，變壓器T的次級線圈LI有電流流出，經(jīng)二極管D3、電池模塊BI的正極、電池模塊BI的負極、二極管D4，最終流回變壓器T的次級線圈LI，即完成對電池模塊BI的充電過程。此時電流流向如圖4所示。然后關(guān)斷開關(guān)管M3、M4，因變壓器T的初級線圈L3和次級線圈LI中的儲存的能量不能立即消失，利用初級線圈L3儲存的能量對電池模塊B2充電，利用次級線圈LI儲存的能量對電池模塊BI充電。此時電流從初級線圈L3中流出經(jīng)二級管D7，流向電池模塊B2正極，再經(jīng)電池模塊B2負極流出經(jīng)二級管D8流回初級線圈L3，即完成利用線圈中的儲存能對電池模塊B2進行充電的過程，同時電流從次級線圈LI中流出經(jīng)二級管D3，流向電池模塊BI正極，再經(jīng)電池模塊BI負極流出經(jīng)二級管D4流回次級線圈LI，即完成利用線圈中的儲存能對電池模塊BI進行充電的過程，此時電流流向如圖5所示。由此完成一個充放電循環(huán)，電池模塊BI在交流充放電過程中的電流變化如圖6所示，電池模塊B2在交流充放電過程中的電流變化如圖7所示。
[0029]自加熱電路在不斷的高頻放充電循環(huán)中，且該頻率點高于電化學(xué)阻抗測試發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的最高頻率點，電池模塊在電池外部基本沒有損耗，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，由此實現(xiàn)高效的電池模塊自加熱。
【權(quán)利要求】
1.一種升壓式動力電池模塊交流電低溫加熱電路，所述的動力電池模塊包括電池模塊B1、B2，其特征在于，所述的低溫加熱電路包括開關(guān)管Ml、M2、M3、M4，變壓器T，二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，開關(guān)管驅(qū)動電路，溫度傳感器和微控制器，所述的溫度傳感器分別連接電池模塊B1、B2和微控制器，所述的微控制器與開關(guān)管驅(qū)動電路連接，所述的開關(guān)管驅(qū)動電路分別連接開關(guān)管M1、M2、M3、M4，所述的開關(guān)管Ml分別連接BI負極、D2陽極、D4陽極、Dl陽極和變壓器T初級側(cè)，所述的開關(guān)管M2分別連接D2陰極、變壓器T初級側(cè)、Dl陰極、D3陰極和BI正極，所述的開關(guān)管M3分別連接D6陽極、D8陽極、B2負極、D7陽極和變壓器T次級側(cè)，所述的開關(guān)管M4、分別連接D8陰極、變壓器T次級側(cè)、D5陰極、D7陰極和BI正極，所述的D3陽極、D4陰極均與變壓器T初級側(cè)連接，所述的D5陽極、D6陰極均與變壓器T次級側(cè)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種升壓式動力電池模塊交流電低溫加熱電路，其特征在于，所述的變壓器T包括初級線圈LI和次級線圈L2、L3，所述的初級線圈LI的一端分別連接M2、D3陽極和D2陰極，另一端分別連接Ml、Dl陽極和D4陰極，所述的次級線圈L2的一端連接D5陽極，另一端分別連接M3、D6陰極和D7陽極，所述的次級線圈L3的一端分別連接M4和D8陰極，另一端分別連接M3、D6陰極和D7陽極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種升壓式動力電池模塊交流電低溫加熱電路，其特征在于，所述的初級線圈LI線圈匝數(shù)Ii1、次級線圈L2線圈匝數(shù)112和次級線圈L3線圈匝數(shù)113滿足關(guān)系式In2Sn1Sn3O
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種升壓式動力電池模塊交流電低溫加熱電路，其特征在于，所述的開關(guān)管Ml、M2、M3、M4均為半導(dǎo)體開關(guān)管器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種升壓式動力電池模塊交流電低溫加熱電路，其特征在于，所述的半導(dǎo)體開關(guān)管器件包括M0SFET。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種升壓式動力電池模塊交流電低溫加熱電路設(shè)計，其特征在于，所述的溫度傳感器為熱電偶或者紅外感應(yīng)器。
【文檔編號】H02J7/00GK203722291SQ201420012107
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年1月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月9日
【發(fā)明者】魏學(xué)哲, 劉耀鋒, 朱建功, 孫澤昌, 戴海峰 申請人:同濟大學(xué)