一种动力锂离子电池模块用低温自加热电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种动力锂离子电池模块用低温自加热电路，连接在电池模块两端，所述的低温自加热电路包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、电感、温度传感器和微控制器，所述的电池模块的正极分别连接第一开关管和第一二极管的阴极，所述的第一二极管的阳极分别连接第二开关管和电感，所述的电池模块的负极分别连接第二开关管和第二二极管的阳极，所述的第二二极管的阴极分别连接第一开关管和电感，所述的微控制器分别连接第一开关管、第二开关管和温度传感器，所述的温度传感器设在电池模块上。与现有技术相比，本实用新型具有能量损耗小、可有效避免低温充放电过程中枝晶的形成、安全性高等优点。
【专利说明】 一种动力锂离子电池模块用低温自加热电路
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电动汽车电池管理【技术领域】，尤其是涉及一种动力锂离子电池模块用低温自加热电路。
【背景技术】
[0002]锂离子电池具有电压高、容量大、体积小、质量轻，工作温度范围宽等优点，锂离子电池组已被广泛应用在各个领域，包括电动自行车、电动工具及电动汽车等领域。锂离子电池对使用环境的温度较为敏感，当温度较低时，电池的可放电能量、功率及放电效率均较低，并且低温时充电还存在一定的安全隐患，如产生枝晶等。因此，低温使用问题大大影响了锂离子电池的应用和推广。目前，在低温环境下使用时，存在两种主要方案。一种为无加热系统，该方案使用过程中电池组放电效率比较低，并严重影响电池组的功率、使用寿命及安全性。另一种设计为采用电热丝辅助加热等形式的外部加热，由于电池自身传热性能差，该方案存在效率低且容易引发电池温度不均匀等缺陷。而电池组工作温度的不均匀性会对电池寿命、安全性等方面带来影响。
[0003]电化学阻抗谱(EIS)是研究锂离子电池的有效手段。近几年，通过研究锂离子电池的电化学阻抗谱，在频域上分析得到的电池内部状态被多数人认可。典型EIS谱由以下部分组成:(I)超高频区域(典型为IOkHz以上)，与锂离子和电子通过电解液、多孔隔膜、导线、活性材料颗粒等输运有关的欧姆电阻；(2)高频区域，与锂离子通过活性材料颗粒表面绝缘层的扩散迁移有关的一个半圆，表示锂离子扩散迁移通过SEI膜(固体电解质界面膜，solid electrolyte interface)的电阻；(3)中频区域,与电荷传递过程相关的一个半圆，此过程为电迁移及电化学反应过程；(4)低频区域，与锂离子在活性材料颗粒内部的固体扩散过程相关的一条斜线，此过程表示为离子在固相中的扩散过程。
[0004]通过电池EIS的测量，可以确定电池内部电子及离子在不同阶段时所对应的频率或时间常数。在此基础上，确定电池充放电的频率，可有效地避免离子在固相中的扩散过程，从而避免负极枝晶的形成。
【发明内容】
[0005]本实用新型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能量损耗小、可有效避免低温充放电过程中枝晶的形成、安全性高的动力锂离子电池模块用低温自加热电路。
[0006]本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]—种动力锂离子电池模块用低温自加热电路，连接在电池模块两端，所述的低温自加热电路包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、电感、温度传感器和微控制器，所述的电池模块的正极分别连接第一开关管和第一二极管的阴极，所述的第一二极管的阳极分别连接第二开关管和电感，所述的电池模块的负极分别连接第二开关管和第二二极管的阳极，所述的第二二极管的阴极分别连接第一开关管和电感，所述的微控制器分别连接第一开关管、第二开关管和温度传感器，所述的温度传感器设在电池模块上。
[0008]所述的第一开关管和第二开关管均为半导体开关器件。
[0009]所述的第一开关管和第二开关管均为M0SFET。
[0010]所述的温度传感器包括热电偶或红外感应器。
[0011 ] 所述的电池模块由多个单体锂离子电池串联而成。
[0012]与现有技术相比，本实用新型具有以下优点:
[0013]I)本实用新型是利用高频充放电控制进行电池自身进行加热，由于锂离子电池内阻的存在及电化学反应的机理，在电池循环充放电过程中，会产生热量，从而从内部给电池加热，使电池温度更均匀；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，本实用新型的能量损耗小，效率更高，温升更均匀；
[0014]2)在低温情况下，电池充放电，尤其是大倍率、长时间充电可能会使负极产生枝晶，从而影响电池的使用安全性，本实用新型充放电控制的频率高于电化学阻抗谱测试中电池电化学反应过程的最低频率点，可有效避免低温充放电过程中枝晶的形成；
[0015]3)本实用新型自加热过程中，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；
[0016]4)本实用新型只使用极少数的元器件就可以对电池模块进行高频的充放电，从而高效的实现电池模块的整体低温自加热，对电池损伤小，控制简单，成本低，易于实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型的结构示意图；
[0018]图2为实施例中自加热放电阶段，开关管M1、M2开启时的电流流向示意图；
[0019]图3为实施例中自加热充电阶段，开关管M1、M2关断时的电流流向示意图；
[0020]图4为实施例中PFM (频率调制)模式下电池充放电电流变化图；
[0021]图5为实施例中PWM(脉宽调制)模式下电池充放电电流变化图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型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，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
[0023]如图1所示，一种动力锂离子电池模块用低温自加热电路，连接在电池模块I两端，所述的低温自加热电路包括第一开关管Ml、第二开关管M2、第一二极管D1、第二二极管D2、电感L、温度传感器2和微控制器MCU，所述的电池模块I的正极分别连接第一开关管Ml和第一二极管Dl的阴极，所述的第一二极管Dl的阳极分别连接第二开关管M2和电感L，所述的电池模块的负极分别连接第二开关管M2和第二二极管D2的阳极，所述的第二二极管D2的阴极分别连接第一开关管Ml和电感L，所述的微控制器MCU分别连接第一开关管Ml、第二开关管M2和温度传感器2，所述的温度传感器2设在电池模块I上，感应电池模块I的温度。
[0024]所述的电池模块I为η节单体锂离子电池串联而成。所述的第一开关管Ml和第二开关管M2均为MOSFET或其他类型的半导体开关器件，其中，第一开关管Ml的栅极连接微控制器MCU，源极连接电感L，漏极连接电池模块I正极，第一开关管M2的栅极连接微控制器MCU，源极连接电池模块I负极，漏极连接电感L。所述的温度传感器2可以采用热电偶或者红外感应器等，把温度转换成电信号，可以是模拟信号也可以是数字信号，发送到所述微控制器MCU。
[0025]微控制器MCU可以实时接收温度传感器的信号，并根据温度高低来选择工作模式。当温度满足正常工作需求时，系统进入低功耗模式，微控制器MCU进入休眠状态，但可以低温唤醒，所有的外设进入断电状态。当温度低时，系统被唤醒并进入正常工作模式，夕卜设上电，微控制器MCU可以控制输出矩形脉冲的产生、停止、PFM(频率调制)和PWM(脉宽调制)。当电池模块I需要低温加热时，微控制器MCU根据具体温度高低来产生一定占空比和频率的矩形脉冲到开关管M1、M2的驱动电路，通过驱动电路来控制开关管的M1、M2的同步开启或者关断。微控制器MCU产生矩形脉冲方式可以是PFM (频率调制)或者PWM (脉宽调制)，但不论何种情况占空比均应小于等于50%。PFM(频率调制)或者PWM(脉宽调制)两种工作模式都可以用来调节充放电电流的峰值。
[0026]附图4是PFM(频率调制)模式下电池充放电电流变化图。所述低温自加热电路工作在PFM模式下，所述微控制器产生固定占空比(小于等于50%)的矩形脉冲，通过调节脉冲的频率来调节充放电电流的峰值。频率越大，峰值电流越小，频率越小，峰值电流越大。本实施例图中为占空比为50%时，所述动力锂离子电池模块内部电流的变化曲线。
[0027]附图5是本发明实例中PWM(脉宽调制)模式下电池充放电电流变化图。所述低温自加热电路工作在PWM模式下，所述微控制器产生固定频率的矩形脉冲，通过调节矩形脉冲的占空比来调节充放电电流的峰值。占空比越大，峰值电流越大，占空比越小，峰值电流越小。本实施例图中为占空比为33%时，所述动力锂离子电池模块内部电流的变化曲线。
[0028]正常工作模式开启后，当锂离子电池模块需要低温加热时，先导通开关管Ml、M2给电感L充电，电流从电池模块I的正极流向负极。所述自加热电路进入放电阶段，电流流向如附图2所示，图中箭头表示电流流向。然后关断Ml、M2，电感L的电流不能突变，只能通过第二二极管D2从电池模块I的负极流出，经电感L、第一二极管Dl流入电池模块I的正极，所述自加热电路进入充电阶段，电流流向如附图3所示。自加热电路的放电充电阶段共同构成一个完整的自加热周期。在自加热电路在不断的高频放充电循环中，且该频率点高于电化学阻抗测试发生电化学反应的最高频率点，电池模块在电池外部基本没有损耗，只有电池欧姆内阻及锂离子液相迁移内阻产生的热量，由此实现高效的电池模块自加热。
【权利要求】
1.一种动力锂离子电池模块用低温自加热电路，连接在电池模块两端，其特征在于，所述的低温自加热电路包括第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、电感、温度传感器和微控制器，所述的电池模块的正极分别连接第一开关管和第一二极管的阴极，所述的第一二极管的阳极分别连接第二开关管和电感，所述的电池模块的负极分别连接第二开关管和第二二极管的阳极，所述的第二二极管的阴极分别连接第一开关管和电感，所述的微控制器分别连接第一开关管、第二开关管和温度传感器，所述的温度传感器设在电池模块上。
2.根据权利要求1所述的一种动力锂离子电池模块用低温自加热电路，其特征在于，所述的第一开关管和第二开关管均为半导体开关器件。
3.根据权利要求2所述的一种动力锂离子电池模块用低温自加热电路，其特征在于，所述的第一开关管和第二开关管均为MOSFET。
4.根据权利要求1所述的一种动力锂离子电池模块用低温自加热电路，其特征在于，所述的温度传感器包括热电偶或红外感应器。
5.根据权利要求1所述的一种动力锂离子电池模块用低温自加热电路，其特征在于，所述的电池模块由多个单体锂离子电池串联而成。
【文档编号】H01M10/637GK203721843SQ201420008709
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年1月7日 优先权日:2014年1月7日
【发明者】孙泽昌, 朱建功, 刘耀锋, 魏学哲, 戴海峰 申请人:同济大学