一种含有加热系统的电池充电器的制作方法

本发明属于电池领域，具体涉及一种含有加热系统的电池充电器。

背景技术：

锂离子电池是近年来研发出的一种高新技术产品，同时也是一种新型高容量长寿命环保电池，产品性能卓越，主要用于电动自行车、电动汽车、电动摩托车、电动工具、智能电网储能系统、移动通讯基站、电力、化工、医院备用ups、eps电源、安防照明、便携移动电源、笔记本电脑、电动玩具、矿山安全设备、数码产品等多种领域。与镍镉、镍氢电池相比，锂离子电池具有电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小、无记忆效应、可快速充放电、工作温度范围宽等诸多优点。

锂电池的容量密度高、使用寿命长、体积小、重量轻，绿色环保等诸多优点，锂电子在手持便携设备、数码照相机、移动无线通行设备、手持智能仪器仪表中得到广泛应用。但是由于锂电池自身的化学特性，锂电池的充电环境温度不能低于0度以下，一般允许充电温度为0-45度温度范围。如果锂电池长时间在低温环境下充电，会造成锂不均匀沉积。该不均匀沉积过程导致锂在一些部位沉积过快，产生树枝一样的结晶(枝晶)。当枝晶发展到一定程度时，一方面会发生折断，产生‘死锂”造成不可逆的锂，会消耗电池中的可以反复充放电的锂离子、并大幅降低电池容量；另一方面更严重的是，枝晶会刺破隔膜，锂电池正极与负极会产生短路，生成大量的热，使电池着火，甚至发生爆炸，从而带来严重的安全隐患。

现有技术中的普通充电器在低温下(0度以下)不能对锂电池进行充电，如果强制用普通充电器对锂电池在低温下(0度以下)充电，轻则会造成锂电池容量和寿命快速下降，使用几十次电池就用不了，造成电池损坏，产生较大经济损失。更严重的是长时间在低温下充电会在锂电池负极产生枝晶，枝晶会刺破隔膜，锂电池正极与负极会产生短路，生成大量的热，使电池着火，甚至发生爆炸，从而带来严重的安全隐患。例如将设备损坏，产生严重的次灾害(火灾)等造成较大损失。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种含有加热系统的电池充电器，使得锂电池在低温下安全可靠高效地进行充电。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于电池充电器的加热系统，包括输入接口、dc-dc转换器、充电控制单元、电池充电接口、控制中心、加热控制单元和加热单元，所述控制中心同时连接所述dc-dc转换器、充电控制单元、加热控制单元、电池充电接口和加热单元，所述加热控制中心连接所述加热中心，所述充电控制单元连接所述电池充电接口，所述dc-dc转换器连接所述输入接口；

所述控制中心通过电池充电接口读取电池温度，当检测到温度低于阈值时，所述控制中心通过所述加热控制单元控制所述加热单元进行加热，此时，电池不充电；当所述控制中心检测到所述加热单元的温度高于最大加热阈值时，通过加热控制单元控制所述加热单元停止加热；当所述控制中心检测到所述加热单元的温度低于最小加热阈值时，通过加热控制单元控制所述加热单元开始加热；当所述控制中心通过电池充电接口读取电池温度位于充电温度区间时，通过所述充电控制单元控制电池开始充电，在电池充电期间，所述控制中心通过加热控制单元控制所述加热单元是否工作，确保电池位于充电温度区间内。

进一步地，所述加热系统还包括辅助供电单元，所述辅助供电单元连接所述控制中心和输入接口。

进一步地，所述加热系统还包括显示单元，所述显示单元连接所述控制中心。

进一步地，所述加热系统还包括控制开关，所述控制开关连接所述控制中心。

进一步地，所述加热单元包括加热层、热传导散热层和保温隔热层，所述热传导散热层均匀覆盖于所述加热层上，所述保温隔热层均匀覆盖在所述热传导散热层上。

进一步地，所述加热层包括电加热膜、温度传感器和温控开关，所述温度传感器位于所述电加热膜的中间位置，所述温控开关连接所述电加热膜和温度传感器，当所述温度传感器检测的温度大于50°时，所述温控开关切断所述电加热膜的工作状态。

进一步地，所述电加热膜为pi聚酰亚胺电热膜。

进一步地，所述充电控制单元为双向电子mos开关。

进一步地，所述加热控制单元为正极和负极双重电子开关。

本发明提供的一种电池充电器，包括权利要求1所述的加热系统、外壳和电池仓，所述电池仓和加热系统位于所述外壳内部，所述电池充电时位于所述电池仓内

本发明的有益效果为：本发明提供的一种含有加热系统的电池充电器，能在极低温环境下(-40度)对电池进行充电，满足锂电池在低温环境下充电使用需求。充电效果几乎能达到常温充电效果，充电效率可达95％左右(与常温25度下电池充满电容量对比)；本发明提供的充电器低温充电时更安全、便捷，同时充电时间较短；本发明充电器的结构、材料，电路控制和电子器件均能够满足充电器低温环境下工作的需求。

附图说明

附图1为本发明一种用于电池充电器的加热系统的结构框架图。

附图2为本发明中加热层的结构示意图。

附图3为本发明中充电器的结构示意图。

图中：1温度传感器，2温控开关，3电加热膜，41保温隔热层，42加热单元，43显示单元，5外壳，6电池仓。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如附图1所示，本发明提供的一种用于电池充电器的加热系统，包括输入接口、dc-dc转换器、充电控制单元、电池充电接口、控制中心、加热控制单元、加热单元、辅助供电单元、显示单元和控制开关，控制中心同时连接dc-dc转换器、充电控制单元、加热控制单元、电池充电接口、加热单元、辅助供电单元、显示单元和控制开关，加热控制中心连接加热中心，充电控制单元连接电池充电接口，dc-dc转换器连接输入接口。

本发明中控制中心通过电池充电接口读取电池温度，当检测到温度低于阈值时，控制中心通过加热控制单元控制加热单元进行加热，此时，电池不充电；当控制中心检测到加热单元的温度高于最大加热阈值时，通过加热控制单元控制加热单元停止加热；当控制中心检测到加热单元的温度低于最小加热阈值时，通过加热控制单元控制加热单元开始加热；当控制中心通过电池充电接口读取电池温度位于充电温度区间时，通过充电控制单元控制电池开始充电，在电池充电期间，控制中心通过加热控制单元控制加热单元是否工作，确保电池位于充电温度区间内。在充电的同时，加热单元继续加热工作，对电池进行保温充电，使充电器电池仓体内的电池达到一个良好充电温度环境(常温环境状态15-30度)，从而能将电池的充电容量效率保持在接近常温充电效率。整个加热系统使在电池温度加热保持在常温环境，从而使电池达到常温充电效果，因此解决了低温环境不能对电池充电问题，满足锂电池低温下充电使用需求。

其中，输入接口为整个加热系统的供电输入部分，输入接口为大电流金属dc5.5*2.5输入dc座，标称输入直流电压范围5-34v。具有防反接接保护，输入欠压和输入过压报警提示。本发明中输入接口选用大电流金属dc5.5*2.5输入dc座,相比于普通塑胶dc座，在低温下耐用，不容易碎裂，使用寿命长，接触电阻小，过电流能力强；输入电压范围宽5-34v，满足大多数直流供电系统；输入过欠压报警提示，充电系统不工作，保证系统的可靠安全；具有防反接保护，当输入供电极性接反时不会损坏充电器。

dc-dc转换器为整个加热系统和充电器的功率输出部分，提供电池充电和加热所需要的能量和功率。将宽范围的输入电压通过dc降压电路转成稳定的4.25v电压、输出恒流电流为2.8a。本发明中dc变换输入电压范围宽5-34v，满足大多数直流供电系统；工作温度范围宽-40-+55度；具有输出短路保护；

充电控制单元为充电使能控制开关，为双向电子mos开关，当关闭时，电池和dc-dc转换器之间完全断开；提供系统的安全和可靠性。

控制中心为整个加热系统及充电器的控制核心，整个系统软件自动控制，控制简便，可靠性高，参数便于调整和更新。本发明控制中心采用自主软件设计、智能控制、自动加热管控、自动充电管控、异常检测报警、电量指示、与电池通信控制，获取电池数据。

加热控制单元为自动加热控制电子开关单元。具体为为正极和负极双重电子开关，提高系统可靠性，即使有一个电子开关损坏还有另一个开关起作用，保证加热控制回路不会失效。

辅助供电单元为控制系统mcu和检测单元提供安全可靠的5v供电。

显示单元主要把充电器的工作状态、报警提示、电池电量等信息提供给使用者，让使用者知道电池充电器的使用状态和信息。

控制开关为外部操作者控制开关和命令，电量指示控制开关，轻触此开关可以获取当前电池电量信息，同时也是电池电量指示状态。加热控制使能控制，当加热控制开关使能时，系统自动加热控制有效。

加热单元为电池加热提供热传导和保温作用，是整个加热系统的热传输控制核心。加热单元为电池加热提供热传导和保温作用，是整个加热系统的热传输控制核心。加热单元包括加热层、热传导散热层和保温隔热层，热传导散热层均匀覆盖于加热层上，保温隔热层均匀覆盖在热传导散热层上。

如附图2所示，本发明中加热层包括电加热膜3、温度传感器1和温控开关2，温度传感器位于电加热膜的中间位置，温控开关连接电加热膜和温度传感器，当温度传感器检测的温度大于50°时，温控开关切断电加热膜的工作状态。

本发明中电加热膜为pi聚酰亚胺电热膜，pi聚酰亚胺电热膜为电发热器件，在本发明产品中主要产生加热时所需要的热量，主加热组件加热设计功率为4.2v/8w。上加热组件pi聚酰亚胺电热膜设计功率为4.2v/4w.

pi聚酰亚胺电热膜也称为高温电热膜，是一种三明治结构的半透明的金属柔性电热膜，绝缘层是聚酰亚胺薄膜；聚酰亚胺薄膜具有绝缘强度好；抗电强度优异；热传导效率高等特点；发热体采用特殊的合金箔制成，其电阻具有超强的稳定性，这使得它能够广泛地适用于加热领域并能够获得相当高的温度控制精度。

与传统的电加热元件比较，金属电热膜具有以下的优点：所占空间特小，重量极轻；厚度极薄，非常柔软，其最小弯曲半径仅为0.8mm左右；形状及大小极其灵活，尤其适合于制作面积极小的柔性电热膜元件；采用平面发热方式，表面功率密度最大可达到7.8w/cm2。因此，本加热组件具有加热均匀性能更好，加热速率更快的特点。

温度检测采用小型ntc负温度系数传感，具体可以选择型号为mf52d103f3950，阻值为10k，阻值精度为1％，温度系数为3950。mf52d系列，为同向引线环氧树脂涂装型，具有体积小、温度反应速度快、能长时间稳定工作、一致性好、阻值和温度系数精度高、测试精度高、使用温度范围为-40-130度。温度传感器主要作用：在本发明设计中的采用温度传感器来采集加热层的表面温度，来实现加热单元温度的采集，从而实现控制中心对加热单元的加热温度自动控制和过温异常保护等。在加热过程中主控控制中心通过adc数据转换器采集温度传感器上的电压值，经过处理和计算来判断当前加热单元的温度，当温度达到设定最高温度时(40度)，控制中心控制加热控制单元，自动关闭加热输出。防止加热单元加热温度过高，当加热单元温度降低到35度时，系统自动开启加热单元进行加热，加热系统将加热单元温度始终保持在35-40度温度范围内，加热单元基本处于恒温加热状态进行加热，电池加热均匀。

温控开关为加热单元中的备用保护开关，当控制中心由于意外原因发生故障或加热控制电子开关损坏时，当加热单元不受控直接加热时，如果充电器在常温状态下充电工作加热体最高温度可达到90度以上，远超过电池自身允许温度(70度)，电池长时间在这种环境下，将影响电池的性能，缩短电池的使用寿命。严重的话可造成电池起火、爆炸等。本发明设计产品中温控开关采用50度常闭温控开关，最低起控温度大于45度，最高起控温度小于55度。当系统正常工作时，由于温控开关是常闭型，温控开关不起作用，对整个控制系统没有影响。当异常发生或控制回路故障时，加热单元持续加热工作，这样使加热单元温度上升，当温度上升到温控开关工作温度时(额定值50度)，温控开关自动断开，切断加热模组供电，从而保证系统的安全性和可靠性，达到更高的系统安全。

本发明中热传导散热层的主要作用是将pi聚酰亚胺电热膜产生的热量均匀、高效、快速的传导出来，将热量均匀的传导给需要加热的电池，电池受热均匀，加热速度快，电池的每个面温差较小，加热效果好。具体设计方法：热传导散热层采用1.0毫米厚的铝合金板加工而成。采用铝合金板的主要优点是它具有热传到性能好，热阻小、导热均匀，体积小、重量轻，便于加工成型，生产加工效率高。

本发明中保温隔热层使加热单元与外部环境隔离，防止电加热膜产生的热量传导到外部环境中，造成加热功率损失，消耗大量热量，达不到加热效果。保温隔热层由低导热系数高分子保温材料加工成型，粘贴于电加热膜的最外层，使加热层与外部环境隔离，由于保温材料的导热系数极低，阻断了加热层产生的热量向外传导，加热层将热量全部传导给需要加热的电池，这样将大大提高电池加热的效率，缩短了加热时间。

请参阅附图3，本发明提供的一种电池充电器，包括上述的加热系统、外壳5和电池仓6，电池仓和加热系统位于外壳内部，电池充电时位于电池仓内。本发明中外壳5采用耐低温防火pc制成，加热系统中的加热单元42位于电池仓6的上下两侧，显示单元43位于电池仓的一端，保温隔热层41位于外壳上。

以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。