一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电池充电装置，尤其是涉及一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机，适用于电动汽车、电动工具、电动自行车等在低温环境下使用时的电池加热。
【背景技术】
[0002]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°c时，容量及工作电压会明显降低，-20°c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。
[0003]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凤毛麟角，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。
[0004]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，利用电池的自身内阻，使用高频交流电来对电池进行加热。
【发明内容】
[0005]本发明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利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机，可有效实现电池预加热，同时能够避免低温充放电过程中枝晶的形成。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机，通过电池包充电接口 P3与待充电汽车动力电池包B连接，所述的充电机包括依次连接的电源输入接口 P1、整流模块Modl、滤波模块Mod2、稳压模块Mod3和充电机输出接口 P2，所述的充电机输出接口 P2与电池包充电接口 P3连接，还包括选通模块Mod4、交流加热模块Mod5、控制单元Mod6和温度传感器TS，所述的选通模块Mod4、交流加热模块Mod5依次连接在稳压模块Mod3和充电机输出接口 P2之间，所述的控制单元Mod6分别连接选通模块Mod4、交流加热模块Mod5和温度传感器TS，所述的温度传感器TS与待充电汽车动力电池包B连接；
[0008]温度传感器TS将实时采集的待充电汽车动力电池包B的温度转换为电信号后传输给控制单元Mod6，控制单元Mod6控制选通模块Mod4和交流加热模块Mod5，实现对待充电汽车动力电池包B的正常充电或预加热。
[0009]所述的选通模块Mod4包括开关S1、S2，所述的S1、S2均为可控单刀双掷开关，所述的开关SI的动端连接稳压模块Mod3，开关SI的第一不动端连接充电机输出接口 P2，第二不动端连接交流加热模块Mod5 ;所述的开关S2的动端连接稳压模块Mod3，开关S2的第一不动端连接充电机输出接口 P2，第二不动端连接交流加热模块Mod5。
[0010]所述的交流加热模块Mod5为频率可控的直流逆变模块，控制单元Mod6根据温度信息控制交流加热模块Mod5输出不同频率的交流电。
[0011]所述的交流加热模块Mod5包括开关管Ml、M2、M3、M4和可变电阻Rl，所述的开关管Ml、M2、M3、M4的基极均与控制单元Mod6连接，所述的Ml的集电极连接开关SI的第二不动端，发射极分别连接M2的集电极和充电机输出接口 P2，所述的M2的发射极连接开关S2的第二不动端，所述的M3的集电极连接充电机输出接口 P2，发射极连接开关S2的第二不动端，所述的M4的发射极连接充电机输出接口 P2，集电极连接可变电阻Rl的一端，所述的可变电阻Rl的另一端连接开关S2的第二不动端。
[0012]所述的交流加热模块Mod5包括开关管M1、M2、M3、M4、M5、M6，电感LI和电阻Rl，所述的电感LI和电阻Rl并联后，两端分别连接开关管M3的发射极和开关管M4的集电极，所述的开关管M1、M2、M3、M4、M5、M6的基极均与控制单元Mod6连接，所述的Ml的集电极连接开关SI的第二不动端，发射极连接充电机输出接口 P2，所述的M2的发射极连接开关S2的第二不动端，集电极连接充电机输出接口 P2，所述的M3的集电极连接充电机输出接口 P2，所述的M4的发射极连接充电机输出接口 P2，所述的M5的集电极连接M4的集电极，发射极连接充电机输出接口 P2，所述的M6的发射极连接M3的发射极，集电极连接充电机输出接口P2。
[0013]所述的开关管M1、M2、M3、M4、M5、M6均为半导体开关管器件，所述的半导体开关管器件包括MOSFET。
[0014]所述的充电机输出接口 P2包括电源接口和信号接口。
[0015]所述的温度传感器TS包括热电偶或红外感应器，温度传感器TS通过充电机输出接口 P2的信号接口与控制单元Mod6连接。
[0016]所述的控制单元Mode为微控制器。
[0017]所述的待充电汽车动力电池包B包括由η节单体动力电池串联或并联而成的电池模块，所述的电池包充电接口 Ρ3连接在电池模块两端。
[0018]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0019]I)本发明是利用高频充放电控制对电池进行预加热；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，本发明的能量损耗小，效率更高；
[0020]2)本发明充放电控制的频率高于电化学阻抗谱测试中离子固相扩散的最低频率点，可有效避免低温充放电过程中枝晶的形成；
[0021]3)本发明自加热过程中，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】
[0022]图1为本发明的结构原理图；
[0023]图2为本发明的一种电路示意图；
[0024]图3为本发明控制单元的连接示意图；
[0025]图4为本发明实例中交流充放电预加热工作模式下电池模块放电阶段，开关管M2、M4开启，开关管M1、M3关闭时的电流流向示意图；
[0026]图5是本发明实例中交流充放电预加热工作模式下电池模块充电阶段，开关管Ml、M3开启，开关管M2、M4关闭时的电流流向示意图；
[0027]图6是本发明实例中交流充放电预加热工作模式下电池模块的电流变化图；
[0028]图7是本发明实例中另一种具体电路整体结构框图；
[0029]图8是本发明实例中另一种具体电路在交流充放电预加热工作模式下电池模块初始充电阶段，开关管M1、M2开启，开关管13、14』5、116关闭时的电流流向示意图；
[0030]图9是本发明实例中另一种具体电路在交流充放电预加热工作模式下电池模块放电阶段，开关管M1、M2、M5、M6关闭，开关管M3、M4开启时的电流流向示意图；
[0031]图10是本发明实例中另一种具体电路在交流充放电预加热工作模式下电池模块充电阶段，开关管M1、M2、M5、M6开启，开关管M3、M4关闭时的电流流向示意图。
[0032]图中，箭头表示电流流向。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明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，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0034]实施例1
[0035]如图1所示，一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机A，通过电池包充电接口 P3与待充电汽车动力电池包B连接，充电机包括依次连接的电源输入接口 P1、整流模块Modl、滤波模块Mod2、稳压模块Mod3和充电机输出接口 P2，所述的充电机输出接口 P2与电池包充电接口 P3连接，另外还包括选通模块Mod4、交流加热模块Mod5、控制单元Mod6和温度传感器TS，选通模块Mod4、交流加热模块Mod5依次连接在稳压模块Mod3和充电机输出接口 P2之间，控制单元Mod6分别连接选通模块Mod4、交流加热模块Mod5和温度传感器TS，温度传感器TS与待充电汽车动力电池包B连接。温度传感器TS将实时采集的待充电汽车动力电池包B的温度转换为电信号后传输给控制单兀Mod6,控制单兀Mod6控制选通模块Mod4和交流加热模块Mod5，实现对待充电汽车动力电池包B的正常充电或预加热。
[0036]如图2和图3所示，选通模块Mod4可控选通开关模块，可根据温度信息由控制单元Mod6控制，使充电机可选择正常充电模式或选择交流预加热模式。选通模块Mod4包括开关S1、S2，S1、S2均为可控单刀双掷开关，均分别连接稳压模块Mod3、控制单元Mod6和充电机输出接口 P2。开关SI的动端连接稳压模块Mod3，开关SI的第一不动端a连接充电机输出接口 P2，第二不动端b连接交流加热模块Mod5 ;开关S2的动端连接稳压模块Mod3，开关S2的第一不动端a连接充电机输出接口 P2，第二不动端b连接交流加热模块Mod5。
[0037]交流加热模块Mod5为频率可控的直流逆变模块，控制单元Mod6根据温度信息控制交流加热模块Mod5输出不同频率的交流电。交流加热模块Mod5包括开关管M1、M2、M3、M4和可变电阻R1，开关管Ml、M2、