一种用于动力电池充电机的交流加热电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种用于动力电池充电机的交流加热电路，通过电池包充电接口P3与待充电汽车动力电池包B连接，所述的交流加热电路包括依次连接的电源输入接口P1、整流模块Mod1、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，还包括开关S1、S2，开关管M1、M2、M3、M4，电阻R1，微控制器和温度传感器。与现有技术相比，本实用新型利用高频充放电控制进行电池内部进行加热，具有能量损耗小，效率高、保证电池安全性等优点，能在低温下有效加热电池，使电池快速升高至室温，并避免充电过程中有锂金属析出。
【专利说明】—种用于动力电池充电机的交流加热电路
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及电动汽车电池管理【技术领域】，尤其是涉及一种用于动力电池充电机的交流加热电路。
【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风毛麟角，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，效率高、保证电池安全性的用于动力电池充电机的交流加热电路。
[0006]本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]一种用于动力电池充电机的交流加热电路，通过电池包充电接口 P3与待充电汽车动力电池包B连接，所述的交流加热电路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，还包括开关S1、S2，开关管Ml、M2、M3、M4，电阻Rl，微控制器和温度传感器，所述的温度传感器分别连接待充电汽车动力电池包B和微控制器；所述的微控制器分别连接开关管肌^2』3^4;所述的31、32均为可控单刀双掷开关，所述的开关31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，第二不动端连接开关管M1，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，第二不动端分别连接开关管M2、M3和电阻Rl，所述的电阻Rl与开关管M4连接；所述的充电机输出接口 P2的正极端分别连接开关管Ml、M2和开关S2的第一不动端，负极端分别连接开关管M3、M4和开关S2的第一不动端。
[0008]所述的开关管Ml、M2、M3、M4均为半导体开关管器件。
[0009]所述的半导体开关管器件包括MOSFET。
[0010]所述的温度传感器包括热电偶或红外感应器。
[0011]所述的电阻Rl为可变电阻。
[0012]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。
[0013]与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果:
[0014]I)本实用新型是利用高频充放电控制进行电池内部进行加热，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；
[0015]2)在低温情况下，电池充电，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；
[0016]3)本实用新型将产生交流充放电电路放置在传统充电机中，能够有效地节省成本，减轻电池包结构设计的负担，并能从电网获取加热能量来源，避免电池因交流加热而损失过多能量。
[0017]4)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。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图Ι-a和图Ι-b是本实用新型整体结构框图；
[0019]图2是本实用新型实例中交流充放电预加热工作模式下锂离子电池模块BI放电阶段，开关管M2、M4开启，开关管Ml、M3关闭时的电流流向示意图；
[0020]图3是本实用新型实例中交流充放电预加热工作模式下锂离子电池模块BI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；
[0021]图4是本实用新型实例中交流充放电预加热工作模式下锂离子电池模块BI的电流变化图。
【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Ι-a和图l_b所示，一种用于动力电池充电机的交流加热电路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，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，电池包充电接口 Ρ3连接在电池模块两端，所述的交流加热电路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，充电机输出接口 P2包括电源接口和信号接口，本交流加热电路还包括开关S1、S2，开关管M1、M2、M3、M4，电阻Rl，微控制器MCU和温度传感器TS。所述的温度传感器TS分别连接待充电汽车动力电池包B和微控制器MCU，TS可以采用热电偶或红外感应器等，温度传感器TS通过充电机输出接口 P2的信号接口与微控制器MCU连接，把温度转换成电信号，发送到微控制器MCU。所述的微控制器MCU分别连接开关管Ml、M2、M3、M4，开关管Ml、M2、M3、M4采用MOSFET或其他类型的半导体开关管器件。
[0024]本实施例中，所述的S1、S2均为可控单刀双掷开关，所述的开关S1、S2的动端均连接稳压模块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连接开关管Ml集电极，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a连接充电机输出接口 P2，第二不动端b分别连接M2发射极、M3发射极和电阻Rl，所述的电阻Rl与开关管M4集电极连接。开关管Ml、M2、M3、M4的基极均与微控制器MCU连接，Ml的集电极连接开关SI的第二不动端b，发射极分别连接M2的集电极和充电机输出接口 P2，M2的发射极连接开关S2的第二不动端b，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b，M3的发射极连接充电机输出接口 P2，集电极连接电阻Rl的一端，电阻Rl的另一端连接开关S2的第二不动端b。所述的充电机输出接口 P2电源接口的正极端分别连接Ml发射极、M2集电极和开关S2的第一不动端a，电源接口的负极端分别连接M3集电极、M4发射极和开关S2的第一不动端a。
[0025]微控制器MCU可以实时接收温度传感器的信号，并根据温度高低来控制开关S1、S2的导通方向，即根据温度选择正常充电模式或交流预加热模式。当电池温度满足工作要求时，开关S1、S2的第一不动端a接通，系统进入正常充电模式，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，开关S1、S2的第二不动端b接通，系统被唤醒并进入交流充放电预加热工作模式，外设上电，微控制器MCU可以控制输出矩形脉冲的产生、停止，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)。当电池模块需要低温加热时，微控制器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Ml、M2、M3、M4的驱动电路，控制开关管Ml、M2、M3、M4的开启或者关断。
[0026]上述交流加热电路的各开关管在正常充电模式时处于断开状态。当锂离子电池模块需要低温加热时，开关S1、S2的第二不动端b接通，系统被唤醒并进入交流充放电预加热工作模式，微控制器MCU先导通开关管M2、M4，待充电汽车动力电池包B放电，电流从电池模块的正极流向电池包充电接口 P3的正极口，经充电机输出接口 P2的正极口，然后进入充电机，流过开关管M2，经过电阻Rl，开关管M4，充电机输出接口 P2的负极口，最后经由电池包充电接口 P3的负极口回到电池模块的负极。从而实现电池模块的放电过程，由此完成一个放电循环。电流流向如附图2所示。然后导通开关管Ml、M3，待充电汽车动力电池包B充电，电流从稳压电源输出模块的正极端流出，流过双掷开关S1、开关管Ml、充电机输出接口 P2的正极口，经由电池包充电接口 P3的正极口，流向电池模块的正极，然后经过电池模块的负极，流向电池包充电接口 P3的负极口，经充电机输出接口 P2的负极口，然后进入充电机，流过开关管M3、双掷开关S2，最终流回稳压电源输出模块的负极端。从而实现电池模块的充电过程，由此完成一个充电循环。电流流向如附图3所示。至此即可实现电池包的一个充放电循环。在这个循环中，实现对电池模块的高频充放电，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，在电池外部的损耗由充电机从电网获得补偿给电池，电池包内部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快速无损内部加热。
[0027]附图4是本实用新型实例中交流预加热模式下，占空比为50%时，锂离子电池模块BI的充放电电流变化图。
【权利要求】
1.一种用于动力电池充电机的交流加热电路，通过电池包充电接口 P3与待充电汽车动力电池包B连接，所述的交流加热电路包括依次连接的电源输入接口 Pl、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，其特征在于，还包括开关S1、S2，开关管Ml、M2、M3、M4，电阻Rl，微控制器和温度传感器，所述的温度传感器分别连接待充电汽车动力电池包B和微控制器；所述的微控制器分别连接开关管Ml、M2、M3、M4 ;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，第二不动端连接开关管M1，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，第二不动端分别连接开关管M2、M3和电阻Rl，所述的电阻Rl与开关管M4连接；所述的充电机输出接口 P2的正极端分别连接开关管M1、M2和开关S2的第一不动端，负极端分别连接开关管M3、M4和开关S2的第一不动端。
2.根据权利要求1所述的一种用于动力电池充电机的交流加热电路，其特征在于，所述的开关管Ml、M2、M3、M4均为半导体开关管器件。
3.根据权利要求2所述的一种用于动力电池充电机的交流加热电路，其特征在于，所述的半导体开关管器件包括M0SFET。
4.根据权利要求1所述的一种用于动力电池充电机的交流加热电路，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所述的一种用于动力电池充电机的交流加热电路，其特征在于，所述的电阻Rl为可变电阻。
6.根据权利要求1所述的一种用于动力电池充电机的交流加热电路，其特征在于，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。
【文档编号】H01M10/625GK203721849SQ201420012159
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年1月9日 优先权日:2014年1月9日
【发明者】魏学哲, 刘耀锋, 朱建功, 孙泽昌, 戴海峰 申请人:同济大学