一种基于太阳能电池的锂离子动力电池加热/充电装置及方法与流程

本发明涉及一种锂离子动力电池加热/充电技术，属于锂离子动力电池低温加热与充电技术领域。

背景技术：

锂离子电池以其比功率高、能量密度大、自放电率低和贮藏时间长等优点，正逐步取代其他电池成为主要的动力电池。虽然锂离子电池有很多优点，但是在低温下，锂离子电池的充放电性能仍存在较大问题，例如：各种活性物质活跃性降低，电芯电极的反应率低，石墨负极锂离子电池内部各类阻抗大幅增加，电池可用容量减少，输出功率明显下降，这对电动汽车的使用性能影响较大。

技术实现要素：

一种基于太阳能电池的锂离子动力电池加热/充电装置，包括太阳能电池、电池加热/充电装置、dc/dc变换电路、锂离子动力电池、开关电路和加热电路，电池加热/充电装置包括采集电路、传输总线和上位机，太阳能电池通过dc/dc变换电路与锂离子动力电池建立连接，锂离子动力电池通过采集电路连接单片机，单片机输出端通过开关电路与加热电路建立连接。

进一步的，所述采集电路包括电压采集电路、电流采集电路和温度传感器，电压采集电路、电流采集电路和温度传感器的输入端均与锂离子动力电池建立连接，电压采集电路、电流采集电路和温度传感器的输出端均与单片机建立连接。

进一步的，所述dc/dc变换电路为boost升压电路。

进一步的，所述开关电路为mos开关电路。

进一步的，所述加热电路包括温度控制电路和加热片，加热片包覆在锂离子动力电池表面，所述温度控制电路包括继电器和开关管，开关电路的输出端通过开关管连接继电器，所述太阳能供电电池通过继电器的敞开出点与加热片建立连接。

进一步的，电压采集电路采用分压电路。

进一步的，电压采集电路包括依次连接的第一分压电路、光耦隔离电路和稳压电路。

进一步的，电流采集电路包括串联连接电流传感器芯片和第二分压电路。

一种基于太阳能电池的锂离子动力电池加热/充电方法，包括以下步骤：

步骤一：根据锂离子动力电池的类型，设定温度阈值tmin、荷电状态阈值socmin以及温升速率系数kv；

步骤二：电池加热/充电装置检测所连接锂离子动力电池温度t，判断锂离子动力电池温度t与温度阈值tmin大小；若锂离子动力电池温度高于温度阈值tmin，进入步骤三，否则进入步骤四；

步骤三：电池加热/充电装置命令mos管开关电路始终保持关断状态，加热电路不工作，进入步骤八；

步骤四：电池加热/充电装置检测到锂离子电池温度t低于特定值tmin时，电池加热/充电装置的上位机使开关电路导通，太阳能电池为加热部件提供电源，加热部件工作为锂离子动力电池加热；

步骤五：电池加热/充电装置的温度传感器实时采集电池温度，根据dt/dt计算电池温升速率，并与温升速率系数kv比较，若温升速率大于kv，进入步骤六，否则进入步骤七；

步骤六：dt/dt大于kv，此时温升速率过快，为不影响电池开路电压，装置将降低加热电路的加热功率，减缓电池温升速率；

步骤七：dt/dt小于kv，此时温升速率过慢，为保证加热效率，装置将提高加热电路的加热功率，适当加快电池温升速率；

步骤八：当锂离子动力电池温度t升高至温度tmin时，电池加热/充电装置关断开关电路，加热电路停止工作，电池加热/充电装置检测锂离子动力电池电压和电流，并估算锂离子动力电池荷电状态soc；

步骤九：判断锂离子动力电池soc是否高于阈值socmin，若大于socmin，锂离子动力电池不需要充电，dc/dc变换电路处于关断状态，否则进入步骤十；

步骤十：若锂离子动力电池小于等于socmin，电池加热/充电装置打开dc/dc变换电路，太阳能电池通过变换器为锂离子动力电池充电；

步骤十一：实时检测锂离子动力电池电压电流状态，并计算soc，直到大于socmin时，电池加热/充电装置令dc/dc变换电路关断，太阳能电池停止为锂离子动力电池充电。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、装置在充电前对锂离子动力电池温度、电压和电流进行采集，并将采集数据单片机进行处理，单片机根据电池的情况给与开关管电路或dc/dc变换电路打开或关断信号，利用加热电路电池表面进行加热，本发明在锂动力电池温度在正常范围数值情况下通过太阳能电池对锂动力电池充电，当锂动力电池温度降低时，通过太阳能电池对加热片供电，加热片对锂动力电池加热，通过清洁能源的太阳能电池对锂动力电池进行充电或加热，保证锂动力电池在北方或其他寒冷环境下也能正常运行。

2、本发明采用总线与上位机进行传输，传输效率高、实时性能强，抗干扰能力强，满足现场控制的实时性要求。

3、本发明不仅实时采集电池的温度情况，还采集电池的电压和电流情况，进而可以更为全面的掌握电池的当前温度数据、电压数据和电流数据，为后续的锂动力电池的研究提供了更全面的基础数据。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构框图；

图2是本发明实施例的dc/dc变换电路电路图；

图3是本发明实施例的加热电路图；

图4是本发明实施例的电压检测电路图；

图5是本发明实施例的电流检测电路图；

图6是本发明实施例的开关电路结构示意图；

图7是本发明控制方法运行流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的实施例进行进一步描述。

由于在低温下锂离子动力电池充电会破坏锂离子动力电池性能，且减少锂离子动力电池使用寿命，因此解决低温环境中保证锂离子动力电池的性能是本实施例要解决的问题。本实施例的一种基于太阳能电池的锂离子动力电池加热/充电装置，如图1所示，包括太阳能电池、电池加热/充电装置、dc/dc变换电路、锂离子动力电池、开关电路和加热电路，电池加热/充电装置包括采集电路和单片机，太阳能电池通过dc/dc变换电路与锂离子动力电池建立连接，单片机输出端通过开关电路与加热电路建立连接，所述采集电路包括电压采集电路、电流采集电路和温度传感器，电压采集电路、电流采集电路和温度传感器的输入端均与锂离子动力电池建立连接，电压采集电路、电流采集电路和温度传感器的输出端均与单片机建立连接。

由于对锂动力电池充电需要有稳定的电压，而太阳能电池提供的电压打不到锂动力电池的需要，因此采用如图2所述的boost升压电路做为dc/dc变换电路，通过boost升压电路提高太阳能输出的电压为锂离子动力电池，减小电池损伤，保护电池的性能，延长锂离子动力电池的使用寿命。

本实施例采用的开关电路为mos开关电路，这种开关电路除了具备基本的开关功能，而且具有可控性好，功耗低的优点，能够满足本申请对于装置灵敏性、可控性和低耗能性的要求。

本实施例的一个重要部件是加热电路，加热电路是直接给锂离子动力电池加热的部分，温度对电池的性能影响很大，外界温度过高或过低等变化都会对锂离子动力电池造成损害，会使其性能变差，因此本实施例的加热电路包括温度控制电路和加热片，加热片包覆在锂离子动力电池表面，加热片与锂离子电池之间安装只有硅胶片导热夹层，导热硅胶夹层使热恋通过热传导为锂离子动力电池加热，并且导热硅胶夹层具有良好的保温效果，保持热量长时间的聚集在锂离子动力电池的外部，所述温度控制电路包括继电器和开关管，开关电路的输出端通过开关管连接继电器，所述太阳能供电电池通过继电器的敞开出点与加热片建立连接。

如图4所示，本实施例的电压采集电路包括依次连接的第一分压电路1、光耦隔离电路2和稳压电路3，图中第一分压电路1的电阻r1满足：第一分压电路1输出的电压值u满足：采用的光耦隔离的作用使被隔离的两部分电路之间没有电的直接连接，主要是防止因有电的连接而引起的干扰，稳压电路3的作用是保持输出电压基本不变，以及过压保护，经过电压采样，光耦隔离，经过稳压后，传输到单片机进行处理。

如图5所示，本实施例的电流采集电路包括串联连接电流传感器acs712芯片4和第二分压电路5，电池串联到ia和ib口，vcc管脚用于芯片acs712的供电，gnd管脚接地，filter管脚用于滤波，图中r1、r2和r3构成第二分压电路，第二分压电路5的输出电压u满足：，避免输出电压过高，损坏处理器，如单片机、dsp等，即acs712芯片的作用是将采集到的电流信号转换成电压信号，再作为输入信号传给单片机等控制器。

本实施例的基于太阳能电池1的锂离子动力电池加热/充电方法，包括以下步骤：

步骤一：根据锂离子动力电池的类型，设定温度阈值tmin、荷电状态阈值socmin以及温升速率系数kv；

步骤二：检测电路的温度传感器采集所连接锂离子动力电池温度t，上位机判断锂离子动力电池温度t与温度阈值tmin大小；若锂离子动力电池温度t高于温度阈值tmin，进入步骤三，否则进入步骤四；

步骤三：上位机命令mos管开关电路始终保持关断状态，加热电路的继电器断开，此时加热片不工作，进入步骤八；

步骤四：电池加热/充电装置检测到锂离子电池温度t低于特定值tmin时，电池加热/充电装置的上位机使开关电路导通，太阳能电池为加热部件提供电源，加热部件工作为锂离子动力电池加热；

步骤五：电池加热/充电装置的温度传感器实时采集电池温度，根据dt/dt计算电池温升速率，并与温升速率系数kv比较，若温升速率大于kv，进入步骤六，否则进入步骤七；

步骤六：dt/dt大于kv，此时温升速率过快，为了影响电池开路电压，装置将降低加热电路的加热功率，减缓电池温升速率；

步骤七：dt/dt小于kv，此时温升速率过慢，为保证加热效率，装置将提高加热电路的加热功率，适当加快电池温升速率；

步骤八：当锂离子动力电池温度t升高至温度tmin时，上位机关断开关电路，加热电路停止工作，电池加热/充电装置检测锂离子动力电池电压和电流，并估算锂离子动力电池荷电状态soc；

步骤九：判断锂离子动力电池soc是否高于阈值socmin，若大于socmin，锂离子动力电池不需要充电，dc/dc变换电路处于关断状态，否则进入步骤十；

步骤十：锂离子动力电池小于等于socmin，电池加热/充电装置打开dc/dc变换电路，太阳能电池通过变换器为锂离子动力电池充电；

步骤十一：实时检测锂离子动力电池电压电流状态，并计算soc，直到大于socmin时，电池加热/充电装置令dc/dc变换电路关断，太阳能电池停止为锂离子动力电池充电。

加热片产生热量q＝i²r，i为加热电流，r为加热电阻，利用热传导的方式对电池进行加热，假设电池初始温度为t0，电池温度可由公式q＝cpm(t-t0)计算，其中cp是电池的比热容，m为电池质量；

硬件电路检测电池温度为t，通过总线传输至上位机，由上位机进行判断t与tmin大小；

当t>tmin时，输出高电平，加热电路开始工作，当t<tmin时，输出低电平，加热电路停止工作；

本发明的实施例的上述描述是为了示例和说明的目的而给出的。它们并不是穷举性，也不意于将本发明限制于这些精确描述的内容，在上述教导的指引下，还可以有许多改动和变化。这些实施例被选中和描述仅是为了最好解释本发明的原理以及它们的实际应用，从而使得本领域技术人员能够更好地在各种实施例中并且使用适合于预期的特定使用的各种改动来应用本发明。因此，应当理解的是，本发明意欲覆盖在下面权利要求范围内的所有改动和等同。