一种升压式dc-dc动力电池交流充放电低温加热电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种升压式DC-DC动力电池交流充放电低温加热电路，所述的动力电池包括锂离子电池模块B1、B2，所述的低温加热电路包括开关管M1、M2、M3、M4，二极管D1、D2、D3、D4，升压DC-DC模块Mod1、Mod2，温度传感器和微控制器，所述的开关管M1、M2、M3、M4均为半导体可控开关管器件，所述的温度传感器为热电偶或红外感应器。与现有技术相比，本实用新型具有结构简单，效率高、成本低、可有效避免低温充放电过程中枝晶的形成等优点。
【专利说明】—种升压式DC-DC动力电池交流充放电低温加热电路
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电动汽车(混合动力汽车)电池管理【技术领域】，涉及到动力(锂离子等)电池模块的低温加热技术，尤其是涉及一种升压式DC-DC动力电池交流充放电低温加热电路。
【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结构简单，效率高、成本低、对电池损伤小的升压式DC-DC动力电池交流充放电低温加热电路。
[0006]本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]一种升压式DC-DC动力电池交流充放电低温加热电路，所述的动力电池包括锂离子电池模块B1、B2，所述的低温加热电路包括开关管祖12、1014，二极管01、02、03、04，升压DC-DC模块Mod1、Mod2，温度传感器和微控制器，所述的开关管M1、M2、M3、M4的基极均分别连接微控制器，所述的Ml的集电极连接锂离子电池模块BI正极，发射极连接升压DC-DC模块Modl输入端，所述的M2的发射极连接锂离子电池模块BI负极，集电极连接升压DC-DC模块Modl输入端，所述的M3的集电极连接锂离子电池模块B2正极，发射极连接升压DC-DC模块Mod2输入端，所述的M4的发射极连接锂离子电池模块B2负极，集电极连接升压DC-DC模块Mod2输入端，所述的Dl的阴极连接锂离子电池模块BI正极，阳极连接升压DC-DC模块Mod2输出端，所述的D2的阳极连接锂离子电池模块BI负极，阴极连接升压DC-DC模块Mod2输出端，所述的D3的阴极连接锂离子电池模块B2正极，阳极连接升压DC-DC模块Modl输出端，所述的D4的阳极连接锂离子电池模块B2负极，阴极连接升压DC-DC模块Modl输出端，所述的温度传感器分别连接B1、B2和微控制器。
[0008]所述的开关管Ml、M2、M3、M4均为半导体可控开关管器件。
[0009]所述半导体可控开关管器件包括M0SFET。
[0010]所述的升压DC-DC模块Mod1、Mod2的功率范围为IKW?15KW，电压范围为40?180V。
[0011]所述的温度传感器为热电偶或红外感应器。
[0012]所述的锂离子电池模块B1、B2分别由η节单体锂离子电池串联而成。
[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驱动信号控制电池模块间进行相互交替充放电自加热，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，会产生欧姆热，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)电池充放电，尤其是大倍率充电会使负极产生枝晶，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。
[0017]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】
[0018]图1为本实用新型的结构框图；
[0019]图2为本实用新型微控制器的连接示意图；
[0020]图3为本实用新型实例中电池模块BI放电，电池模块Β2充电的阶段，开关管Ml、M2开启，M3、M4关断时的电流流向示意图；
[0021]图4为本实用新型实例中电池模块B2放电，电池模块BI充电的阶段，开关管Ml、M2关断，M3、M4开启时的电流流向示意图；
[0022]图5为本实用新型实例中在两电池模块交替充放电过程中电池模块BI两端的端电压的变化图；
[0023]图6为本实用新型实例中在两电池模块交替充放电过程中电池模块B2两端的端电压的变化图。
【具体实施方式】
[0024]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。
[0025]如图1-图2所示，一种升压式DC-DC动力电池交流充放电低温加热电路，对串联锂离子电池模块间进行相互交替充放电自加热，所述的动力电池包括锂离子电池模块B1、B2，B1、B2分别由η节单体锂离子电池串联而成，所述的低温加热电路包括开关管Ml、M2、M3、M4，二极管Dl、D2、D3、D4，升压DC-DC模块Mod1、Mod2，温度传感器TS和微控制器MCU，所述的开关管M1、M2、M3、M4均为MOSFET或其他类型的半导体可控开关管器件。所述的升压DC-DC模块Mod1、Mod2均为大功率高电压DC-DC模块，其功率和电压由电池模块BI和B2的模块电压决定，功率范围:1KW?15KW，电压范围40?180V。所述的温度传感器TS为热电偶或红外感应器等，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。所述微控制器MCU可以实时接收温度传感器TS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，所述微控制器MCU进入休眠状态，但可以低温唤醒。当温度低时，系统被唤醒并进入正常工作模式，外设上电，微控制器MCU可以控制输出矩形脉冲的产生、停止、PFM(频率调制)和PWM(脉宽调制)。当锂离子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控制开关管的M1、M2的同步开启或者关断、开关管M3、M4的同步关闭或开启，同时使开关管Ml、M2与开关管M3、M4交替关闭和开启。
[0026]本实施例，开关管Ml、M2、M3、M4的基极均分别连接微控制器MCU，所述的Ml的集电极连接锂离子电池模块BI正极，发射极连接升压DC-DC模块Modl输入端，所述的M2的发射极连接锂离子电池模块BI负极，集电极连接升压DC-DC模块Modl输入端，所述的M3的集电极连接锂离子电池模块B2正极，发射极连接升压DC-DC模块Mod2输入端，所述的M4的发射极连接锂离子电池模块B2负极，集电极连接升压DC-DC模块Mod2输入端，所述的Dl的阴极连接锂离子电池模块BI正极，阳极连接升压DC-DC模块Mod2输出端，所述的D2的阳极连接锂离子电池模块BI负极，阴极连接升压DC-DC模块Mod2输出端，所述的D3的阴极连接锂离子电池模块B2正极，阳极连接升压DC-DC模块Modl输出端，所述的D4的阳极连接锂离子电池模块B2负极，阴极连接升压DC-DC模块Modl输出端，所述的温度传感器TS分别连接B1、B2和微控制器MCU。
[0027]上述低温加热电路各开关管在不工作时处于断开状态。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M1、M2，电流从BI的正极流向升压DC-DC模块Modl的正极输入端，经升压DC-DC模块Modl的负极输入端，流向BI电池模块的负极，与此同时升压DC-DC模块Modl的正极输出端经二极管D3流向B2的正极，经过B2负极后流向二极管D4，最后回到升压DC-DC模块Modl的负极输出端，此过程实现了 BI放电，B2充电，如图3所示。然后关断开关管M1、M2，导通开关管M3、M4，电流从B2的正极流向升压DC-DC模块Mod2的正极输入端，经升压DC-DC模块Mod2的负极输入端，再流向B2的负极，与此同时升压DC-DC模块Mod2的正极输出端经二极管Dl流向BI的正极，经B2负极后流向二极管D2，最后回到升压DC-DC模块Mod2的负极输出端，此过程实现了 B2放电，BI充电，如图4所示。由此完成一个充放电循环。在这个循环中，电池模块BI和电池模块B2交替进行高频的充放电，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，在电池外部除了 DC-DC升压模块的消耗外基本没有损耗，只有电池欧姆内阻及锂离子液相迁移内阻产生的热量，由此实现高效无损的电池模块内部均匀自产热。[0028]图5是本实例中在两电池模块交替充放电过程中BI两端的端电压的变化图。所述低温交流加热电路在BI端电压为高电压时表现为充电状态，BI端电压为低电压时表现为放电状态，由端电压变化图可以看出BI交替进行充放电过程。
[0029]图6是本实例中在两电池模块交替充放电过程中B2两端的端电压的变化图。所述低温交流加热电路在B2端电压为低电压时表现为放电状态，B2端电压为高电压时表现为充电状态，由端电压变化图可以看出B2交替进行充放电过程。
【权利要求】
1.一种升压式DC-DC动力电池交流充放电低温加热电路，所述的动力电池包括锂离子电池模块B1、B2，其特征在于，所述的低温加热电路包括开关管Ml、M2、M3、M4，二极管D1、D2、D3、D4，升压DC-DC模块Mod1、Mod2，温度传感器和微控制器，所述的开关管Ml、M2、M3、M4的基极均分别连接微控制器，所述的Ml的集电极连接锂离子电池模块BI正极，发射极连接升压DC-DC模块Modl输入端，所述的M2的发射极连接锂离子电池模块BI负极，集电极连接升压DC-DC模块Modl输入端，所述的M3的集电极连接锂离子电池模块B2正极，发射极连接升压DC-DC模块Mod2输入端，所述的M4的发射极连接锂离子电池模块B2负极，集电极连接升压DC-DC模块Mod2输入端，所述的Dl的阴极连接锂离子电池模块BI正极，阳极连接升压DC-DC模块Mod2输出端，所述的D2的阳极连接锂离子电池模块BI负极，阴极连接升压DC-DC模块Mod2输出端，所述的D3的阴极连接锂离子电池模块B2正极，阳极连接升压DC-DC模块Modl输出端，所述的D4的阳极连接锂离子电池模块B2负极，阴极连接升压DC-DC模块Modl输出端，所述的温度传感器分别连接B1、B2和微控制器。
2.根据权利要求1所述的一种升压式DC-DC动力电池交流充放电低温加热电路，其特征在于，所述的开关管Ml、M2、M3、M4均为半导体可控开关管器件。
3.根据权利要求2所述的一种升压式DC-DC动力电池交流充放电低温加热电路，其特征在于，所述半导体可控开关管器件包括M0SFET。
4.根据权利要求1所述的一种升压式DC-DC动力电池交流充放电低温加热电路，其特征在于，所述的升压DC-DC模块Mod1、Mod2的功率范围为IKW?15KW，电压范围为40?180V。
5.根据权利要求1所述的一种升压式DC-DC动力电池交流充放电低温加热电路，其特征在于，所述的温度传感器为热电偶或红外感应器。
6.根据权利要求1所述的一种升压式DC-DC动力电池交流充放电低温加热电路，其特征在于，所述的锂离子电池模块B1、B2分别由η节单体锂离子电池串联而成。
【文档编号】H01M10/615GK203721845SQ201420013099
【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