一种汽车动力电池低温充电加热装置及系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种汽车动力电池低温充电加热装置及系统，涉及电动汽车充电领域，所述装置包括：用来检测动力电池模组的多个单体电池上表面温度的多个第一温度传感器，分别设置在所述动力电池模组上表面并紧贴所述多个单体电池金属外壳；用来加热所述动力电池模组的加热组件，其通过连接车载充电机的充电输出端，与车载充电机组成加热回路；其中，在所述加热回路中设置一个用来导通或断开所述加热回路的加热继电器。本实用新型能够解决电动汽车的动力电池模组低温充电困难的问题。
【专利说明】一种汽车动力电池低温充电加热装置及系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及电动汽车充电领域，特别涉及一种电动汽车动力电池低温充电加 热装置及相关的系统。
【背景技术】
[0002] 电动汽车实现快速发展的核心是技术，而最迫切需要突破的是动力电池技术。由 于动力电池技术的不成熟，现已使其成为限制电动汽车产业化发展的瓶颈。目前国内大多 数纯电动汽车均采用锂离子动力电池，但作为其关键技术之一的低温充电技术一直未能很 好解决。主要表现为在低温环境下，锂离子动力电池被限制或禁止充电，因为低温充电容易 造成锂离子电池内部晶枝析出进而刺破隔膜，最终造成短路甚至起火。 实用新型内容
[0003] 本实用新型的目的在于提供一种汽车动力电池低温充电加热装置及系统，能更好 地解决电动汽车的动力电池模组低温充电困难的问题。
[0004] 根据本实用新型的一个方面，提供了一种汽车动力电池低温充电加热装置，包 括：
[0005] 用来检测动力电池模组的多个单体电池上表面温度的多个第一温度传感器，分别 设置在所述动力电池模组上表面并紧贴所述多个单体电池金属外壳；
[0006] 用来加热所述动力电池模组的加热组件，其通过连接车载充电机的充电输出端， 与车载充电机组成加热回路；
[0007] 其中，在所述加热回路中设置一个用来导通或断开所述加热回路的加热继电器。
[0008] 优选地，还包括：
[0009] 用来检测所述动力电池模组的多个单体电池下表面温度的多个第二温度传感器， 分别设置在所述动力电池模组下表面并紧贴所述多个单体电池金属外壳。
[0010] 优选地，还包括：
[0011] 用来检测所述加热组件上表面温度的第三温度传感器，设置在所述加热组件的上 表面并紧贴所述加热组件。
[0012] 优选地，所述加热组件是加热片。
[0013] 优选地，还包括：
[0014] 电池箱体；
[0015] 设置在所述电池箱体内并紧贴所述电池箱体内表面的保温棉；
[0016] 其中，所述加热组件设置在所述电池箱体内的所述保温棉上。
[0017] 优选地，所述动力电池模组设置在所述加热组件的上面，所述动力电池模组和所 述加热组件之间通过分别设置在所述动力电池模组下边缘的至少两个加热隔板隔开。
[0018] 根据本实用新型的另一方法，提供了一种汽车动力电池低温充电加热系统，包 括：
[0019] 电池管理系统；
[0020] 车载充电机，通过CAN总线连接所述电池管理系统；
[0021] 具有多个单体电池的动力电池模组，其通过连接所述车载充电机的充电输出端， 与所述车载充电机组成充电回路；以及
[0022] 上述用来对所述动力电池模组进行加热的汽车动力电池低温充电加热装置。
[0023] 优选地，还包括：在所述充电回路中设置的用来导通或断开所述充电回路的总正 继电器和/或总负继电器。
[0024] 优选地，还包括：在所述充电回路中设置的用来检测充电回路中的电流大小的电 流传感器。
[0025] 优选地，还包括：通过CAN总线分别连接所述电池管理系统的整车仪表和/或远程 终端。
[0026] 与现有技术相比较，本实用新型的有益效果在于：
[0027] 本实用新型解决了电动汽车动力电池低温充电困难的问题，同时能够缩短动力电 池低温充电总体时间，降低加热电能消耗，并确保单体电池良好的一致性。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1是本实用新型第一实施例提供的汽车动力电池低温充电加热装置结构图；
[0029] 图2是包含图1所示汽车动力电池低温充电加热装置的汽车动力电池低温充电加 热系统结构图；
[0030] 图3是本实用新型第二实施例提供的汽车动力电池低温充电加热装置结构图；
[0031] 图4是包含图3所示汽车动力电池低温充电加热装置的汽车动力电池低温充电加 热系统结构图；
[0032] 图5是本实用新型第三实施例提供的汽车动力电池低温充电加热系统结构图；
[0033] 图6是本实用新型第一、二、三实施例提供的动力电池系统结构图；
[0034] 图7是本实用新型第一、二、三实施例提供的电动汽车动力电池低温充电加热过 程的示意图；
[0035] 图8是本实用新型第一、二、三实施例提供的初始Tave在I区间时所述低温充电加 热过程的示意图；
[0036] 图9是本实用新型第一、二、三实施例提供的初始Tave在II区间时所述低温充电加 热过程的示意图；
[0037] 图10是本实用新型第一、二、三实施例提供的初始Tave在III区间时所述低温充电 加热过程的示意图。
[0038] 附图标记说明：1_动力电池模组；2-电流传感器；3-总正继电器；4-加热继电器； 5-总负继电器；6-加热组件；7-电池管理系统（BMS) ;7' -比较器；8-第一温度传感器； 9_第二温度传感器；10-第三温度传感器；11-车载充电机；12-整车仪表；13-远程终端； 14-动力电池系统；15-电池箱体；16-保温棉；17-加热隔板；30-仅加热状态；31-边充电 边加热状态；32-仅充电状态。
【具体实施方式】
[0039] 以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明 的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0040] 图1是本实用新型第一实施例提供的汽车动力电池低温充电加热装置结构图，如 图1所示，包括：用来检测动力电池模组的多个单体电池上表面温度的多个第一温度传感 器8,分别设置在所述动力电池模组上表面并紧贴所述多个单体电池金属外壳；用来加热 所述动力电池模组的加热组件6,其通过连接车载充电机11的充电输出端，与车载充电机 11组成加热回路；其中，在所述加热回路中设置一个用来导通或断开所述加热回路的加热 继电器4。
[0041] 本实施例中，第一温度传感器8检测所述动力电池模组上表面的温度，并将得到 的模拟数值输出至比较器7'，比较器7'将所述模拟数值与第一预设值（例如5°C )比较， 当所述模拟数值小于或等于所述第一预设值时，加热继电器4闭合，使所述加热回路导通， 加热组件6加热所述动力电池模组，否则，说明不需要加热，加热继电器4打开，使所述加热 回路断开。
[0042] 进一步地，还可以在所述动力电池模组下表面并紧贴所述多个单体电池金属外壳 设置多个第二温度传感器9 (如图2所示），用来检测所述动力电池模组的多个单体电池下 表面温度。当加热回路闭合时，所述第二温度传感器9检测所述动力电池模组下表面的温 度，并将得到的模拟数值输出至比较器7'，比较器7'将所述模拟数值与第二预设值（例如 50°C )比较，当所述模拟数值大于所述第二预设值时，加热继电器4打开，从而断开所述加 热回路，以避免单体电池温度过高而损坏。
[0043] 图2是包含图1所示汽车动力电池低温充电加热装置的汽车动力电池低温充电加 热系统结构图，如图2所示，所述系统包括加热继电器4、加热组件6、比较器7'、第一温度传 感器8、第二温度传感器9和车载充电机11，还包括：
[0044] 具有多个单体电池的动力电池模组1，其通过连接所述车载充电机11的充电输出 端，与所述车载充电机组成充电回路；
[0045] 其中，在所述充电回路中设置用来导通或断开所述充电回路的总正继电器3。
[0046] 本实施例中，当充电加热时，所述第二温度传感器9检测所述动力电池模组下表 面的温度，并将得到的模拟数值输出至比较器7'，比较器7'将所述模拟数值与第二预设值 (例如50°C )比较，当所述模拟数值大于所述第二预设值时，总正继电器3和加热继电器4 均打开，从而分别断开所述充电回路和加热回路，以避免单体电池温度过高而损坏。
[0047] 图3是本实用新型第二实施例提供的汽车动力电池低温充电加热装置结构图，如 图3所示，与第一实施例相似，包括：设置在所述动力电池模组上表面并紧贴所述多个单体 电池金属外壳的多个第一温度传感器8,通过连接车载充电机11的充电输出端与所述车载 充电机11组成加热回路的加热组件6,以及在所述加热回路中设置的加热继电器4。
[0048] 本实施例中，第一温度传感器8检测所述动力电池模组上表面的温度，并将得到 的模拟数值输出至电池管理系统7,电池管理系统7将所述模拟数值与第一预设值（例如 5°C )比较，当所述模拟数值小于或等于所述第一预设值时，加热继电器4闭合，使所述加热 回路导通，加热组件6加热所述动力电池模组，否则，说明不需要加热，加热继电器4打开， 使所述加热回路断开。
[0049] 进一步地，还可以在所述加热组件6的上表面并紧贴所述加热组件6设置第三温 度传感器10 (如图4所示），用来检测所述加热组件6的多个单体电池的上表面温度。当 加热回路闭合时，所述第三温度传感器10检测所述加热组件10上表面的温度，并将得到 的模拟数值输出至电池管理系统7,电池管理系统7将所述模拟数值与第三预设值（例如 l〇〇°C )比较，当所述模拟数值大于所述第三预设值时，加热继电器4打开，从而断开所述加 热回路，以避免加热组件6过热而起火。
[0050] 图4是包含图3所示汽车动力电池低温充电加热装置的汽车动力电池低温充电加 热系统结构图，如图4所示，所述系统包括加热继电器4、加热组件6、电池管理系统7、第一 温度传感器8、第三温度传感器10和车载充电机11，还包括 ：
[0051] 具有多个单体电池的动力电池模组1，其通过连接所述车载充电机11的充电输出 端，与所述车载充电机组成充电回路；
[0052] 其中，在所述充电回路中设置用来导通或断开所述充电回路的总负继电器5。
[0053] 本实施例中，当充电加热时，所述第三温度传感器10检测所述加热组件6上表面 的温度，并将得到的模拟数值输出至电池管理系统7,电池管理系统7将所述模拟数值与第 三预设值（例如l〇〇°C )比较，当所述模拟数值大于所述第三预设值时，总负继电器5和加 热继电器4均打开，从而分别断开所述充电回路和加热回路，以避免加热组件6过热而起 火。
[0054] 由上述实施例可知，加热部件6 (例如加热片）在电动汽车低温充电时给单体电池 加热，待其达到允许充电的温度后，再启动充电。
[0055] 图5是本实用新型第三实施例提供的汽车动力电池低温充电加热系统结构图，如 图5所示，包括：车载充电机11、整车仪表12、远程终端13和动力电池系统14。所述动力 电池系统14包括动力电池模组1、电流传感器2、在充电回路中设置的用来导通或断开所述 充电回路的总正继电器3和总负继电器5、在加热回路中设置的用来导通或断开所述加热 回路的加热继电器4、加热组件（例如加热片）6、电池管理系统（BMS) 7、第一温度传感器8、 第二温度传感器9、第三温度传感器10。
[0056] BMS7通过CAN总线与车载充电机11、整车仪表12、远程终端13进行通讯。车载充 电机11根据BMS7的需求指令为动力电池模组1充电或为加热片6加热提供高压直流电， 同时也为BMS7、总正继电器3、总负继电器5、加热继电器4、整车仪表12和远程终端13提 供各自工作所需的12V低压电。
[0057] BMS7向继电器3、4、5发出的控制指令以及向车载充电机11发出的充电需求指令 是根据检测到的电池箱内的温度（通过温度传感器8、9、10)以及动力电池系统14的相关 参数（电压和S0C)经过逻辑运算最终做出的。BMS7通过控制总正继电器3、总负继电器5 和加热继电器4的断开或闭合来完成对充电和加热回路的控制。当加热继电器4闭合、总正 继电器3和总负继电器5断开时，车载充电机11和加热片6的高压回路接通，车载充电机 11可按照BMS7的指令为布置在电池模组1下面的加热片6提供高压直流电，加热片6工作 发热并通过热传递为动力电池系统14内的所有单体电池加热，此状态称为仅加热状态30。 当总正继电器3和总负继电器5闭合、加热继电器4断开时，车载充电机11和动力电池系 统14的高压回路接通，车载充电机11可按照BMS7的指令为动力电池模组1充电，此状态 称为仅充电状态32。当总正继电器3、总负继电器5和加热继电器4均闭合时，车载充电机 11可按照BMS7的指令同时为动力电池模组1和加热片6供电，此状态称为边充电边加热状 态31。
[0058] 温度传感器根据布置位置和所起作用的不同分为三种，（1)布置在动力电池模组 1上表面并紧贴单体电池金属外壳的第一温度传感器8,在整个充电加热过程中，BMS7根据 检测到的动力电池模组1上表面温度平均值1_控制动力电池系统14进入不同的充电加 热状态，如仅充电、仅加热或边充电边加热状态。（2)布置在电池模组1下表面并紧贴单体 电池金属外壳的第二温度传感器9,当BMS7检测到此处最高温度大于温度限制阈值T max2时 停止充电加热，从而防止单体电池过热而损害电池性能。（3)紧贴在加热片6上表面的第三 温度传感器10,当BMS7检测到此处最高温度大于温度限制阈值T max3时停止充电加热，防止 加热片过热导致起火。
[0059] 充电回路中设置的用来检测充电回路中的电流大小的有电流传感器2, BMS7可根 据接收到的车载充电机11的输出电流信号和电流传感器2检测的充电回路电流值运算得 出加热回路的电流值，进而实现对加热片6功率的控制。
[0060] 通过CAN总线分别连接所述电池管理系统的整车仪表12,主要作用是接收BMS7 发送的充电状态参数信息，如充电加热状态、充电电流、电池电压、加热电流、S0C、电池温度 等，并在仪表上显示出来，便于用户直接查看整车的充电状态。
[0061] 通过CAN总线分别连接所述电池管理系统的远程终端13,主要作用是接收BMS7发 送的充电状态参数信息，如充电状态，充电电流、电池电压，加热电流、S0C、电池温度等，一 方面将其存储在其内部的存储卡内，另一方面通过无线信号发送至远程监控平台，便于售 后人员实时监控电池的状态。
[0062] 图6是本实用新型第一、二、三实施例提供的动力电池系统结构图，包括：电池箱 体15 ;设置在所述电池箱体15内并紧贴所述电池箱体15内表面的保温棉16 ;设置在所述 电池箱体15内的保温棉16上的加热组件6 ;其中，所述动力电池模组1设置在所述加热组 件6的上面，所述动力电池模组1和所述加热组件6之间通过分别设置在所述动力电池模 组1下边缘的至少两个加热隔板17隔开。在所述动力电池模组1的上表面设置有多个第 一温度传感器8,下表面设置有多个第二温度传感器9。在所述加热片的上表面设置有多个 第三温度传感器10。
[0063] 为更好的说明本实用新型所提出的电动汽车动力电池低温充电加热过程，现以磷 酸铁锂动力电池系统为实施对象，如图7-10所示，对本实用新型所提出的电动汽车动力电 池低温充电加热过程进行详细说明。
[0064] 充电开始前，外部充电桩给车载充电机11提供220V交流电，车载充电机11经过 AC/DC及DC/DC转换输出12V低压电给BMS7，BMS7开始工作，首先接收动力电池系统14内 所有第一温度传感器8的温度信号并计算出初始温度平均值T_，然后BMS7根据该值控制 整个充电加热系统进入相应的充电加热状态（仅加热30、边充电边加热31和仅充电32)， 且在整个充电加热过程中不断检测Τ_的值，并根据该值控制整个充电加热系统在不同的 充电加热状态之间切换，直至充电完成。现将初始Τ_值的范围划分为I、II、111 3个区间， 如图7所示，根据初始Τ_的不同对充电加热过程分别进行介绍。
[0065] (1) I区间，即初始Τ_彡TlimQ (例如TlimQ为0°C)，如图7和图8所示。
[0066] 充电加热系统首先进入仅加热状态30,电池箱内温度升高，当TaTC升高到阈值 W例如Tliml为3°C )时，转入边充电边加热状态31，直至达到阈值Tlim3 (例如Tlim3s 10°C)时加热停止，充电继续，系统进入仅充电状态32。若充电的过程中电池箱内的温度 再次下降至阈值Tlim2 (例如Tlim2为5°C )，则再次进入边充电边加热状态31，直至达到阈值 Tlim3 (例如Tlim3S 10°C )时再次进入仅充电状态32,如此循环进行；若充电的过程中电池箱 内的温度未下降或未下降至Tlim2 (例如Tlim2为5°C )，则一直保持仅充电状态32。在整个充 电加热过程中，动力电池系统14 一旦满足BMS7设定的充电完成条件即停止充电加热过程。
[0067] (2) II 区间，即 TlimQ (例如 TlimQ 为 0°C )〈初始 Tave<Tlim2 (例如 Tlim2 为 5°C )，如图 7和图9所示。
[0068] 充电加热系统首先进入边充电边加热状态31，电池箱内温度升高，当TaTC升高到 Tlim3(例如Tlim3SlO°C)时，转入仅充电状态32。若充电的过程中电池箱内的温度下降至 阈值T lim2 (例如Tlim2为5°C )，则再次进入边充电边加热状态31，如此循环进行；若充电的 过程中电池箱内的温度未下降或未下降到Tlim2 (例如Tlim2为5°C )，则一直保持仅充电状态 32。在整个充电加热过程中，动力电池系统14 一旦满足BMS设定的充电完成条件即停止充 电加热过程。
[0069] (3) III区间，即Tlim2(例如Tlim2为5°C )〈初始Τ_，如图7和图10所示。
[0070] 充电加热系统直接进入仅充电状态32。若充电的过程中电池箱内的温度下降至阈 值Tlim2 (例如Tlim2为5°C )，则进入边充电边加热状态31，电池箱内温度升高，直至Τ_达到 Tlim3 (例如Tlim3S 10°C )时再次进入仅充电状态32,如此循环进行；若充电的过程中电池箱 内的温度未下降或未下降到Tlim2 (例如Tlim2为5°C )，则一直保持仅充电状态32。在整个充 电加热过程中，动力电池系统14 一旦满足BMS7设定的充电完成条件即停止充电加热过程。
[0071] 在整个充电加热过程中，BMS7不断检测所有第一温度传感器8的温度信号，并计 算最大温差（最高温度值和最低温度值的差值），当最大温差大于阈值（例如T maxAS 15°C ) 时，停止充电加热，避免单体电池温度不均衡，影响其一致性，但在间隔一定时间后当最大 温差下降到小?τπ?ηΛ (例如TminASl(TC)时，系统再次自动启动充电加热过程。作为另 一种实施方式，也可以使用比较器比较第一温度传感器10采集的最高温度和阈值T max2，并 在大于阈值^^^时，输出使加热继电器4和/或总正继电器3和/或总负继电器5断开的 信号，从而停止充电加热；同样地，也可以使用比较器比较第一温度传感器10采集的最低 温度和阈值T minA，并在小于阈值TminA时，输出系统开始充电加热的信号。
[0072] 在整个充电加热过程中，BMS7不断检测所有第二温度传感器9的温度信号，当检 测到动力电池模组1下表面的最高温度大于阈值T max2(例如Tmax2为50°C )时，停止充电加 热，避免单体电池温度过高而损坏，解决了单体电池温差大的缺陷。作为另一种实施方式， 也可以使用比较器比较第二温度传感器10采集的最高温度和阈值T max2，并在大于阈值Tmax2 时，输出使加热继电器4和/或总正继电器3和/或总负继电器5断开的信号。
[0073] 在整个充电加热过程中，BMS7不断检测所有第三温度传感器10的温度信号，当检 测到加热组件6上表面的最高温度大于阈值T max3(例如Tmax3为100°C )时，停止充电加热， 避免加热片过热起火，解决了加热部件易热失控的缺陷。作为另一种实施方式，也可以使用 比较器比较第三温度传感器10采集的最高温度和阈值T max3，并在大于阈值Tmax3时，输出使 加热继电器断开的信号。
[0074] 通过合理选择充电温度阈值，能够使充电加热时间缩短，并避免电池损坏和加热 部件过热起火。
[0075] 尽管上文对本实用新型进行了详细说明，但是本实用新型不限于此，本【技术领域】 技术人员可以根据本实用新型的原理进行各种修改。因此，凡按照本实用新型原理所作的 修改，都应当理解为落入本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1. 一种汽车动力电池低温充电加热装置，其特征在于，包括： 用来检测动力电池模组的多个单体电池上表面温度的多个第一温度传感器，分别设置 在所述动力电池模组上表面并紧贴所述多个单体电池金属外壳； 用来加热所述动力电池模组的加热组件，其通过连接车载充电机的充电输出端，与车 载充电机组成加热回路； 其中，在所述加热回路中设置一个用来导通或断开所述加热回路的加热继电器。
2. 根据权利要求1所述的汽车动力电池低温充电加热装置，其特征在于，还包括： 用来检测所述动力电池模组的多个单体电池下表面温度的多个第二温度传感器，分别 设置在所述动力电池模组下表面并紧贴所述多个单体电池金属外壳。
3. 根据权利要求2所述的汽车动力电池低温充电加热装置，其特征在于，还包括： 用来检测所述加热组件上表面温度的第三温度传感器，设置在所述加热组件的上表面 并紧贴所述加热组件。
4. 根据权利要求3所述的汽车动力电池低温充电加热装置，其特征在于，所述加热组 件是加热片。
5. 根据权利要求1-4任意一项所述的汽车动力电池低温充电加热装置，其特征在于， 还包括： 电池箱体； 设置在所述电池箱体内并紧贴所述电池箱体内表面的保温棉； 其中，所述加热组件设置在所述电池箱体内的所述保温棉上。
6. 根据权利要求5所述的汽车动力电池低温充电加热装置，其特征在于，所述动力电 池模组设置在所述加热组件的上面，所述动力电池模组和所述加热组件之间通过分别设置 在所述动力电池模组下边缘的至少两个加热隔板隔开。
7. -种汽车动力电池低温充电加热系统，包括： 电池管理系统； 车载充电机，通过CAN总线连接所述电池管理系统； 具有多个单体电池的动力电池模组，其通过连接所述车载充电机的充电输出端，与所 述车载充电机组成充电回路； 其特征在于，还包括上述权利要求1-6任意一项所述的用来对所述动力电池模组进行 加热的汽车动力电池低温充电加热装置。
8. 根据权利要求7所述的汽车动力电池低温充电加热系统，其特征在于，还包括：在所 述充电回路中设置的用来导通或断开所述充电回路的总正继电器和/或总负继电器。
9. 根据权利要求7或8所述的汽车动力电池低温充电加热系统，其特征在于，还包括： 在所述充电回路中设置的用来检测充电回路中的电流大小的电流传感器。
10. 根据权利要求9所述的汽车动力电池低温充电加热系统，其特征在于，还包括：通 过CAN总线分别连接所述电池管理系统的整车仪表和/或远程终端。
【文档编号】H01M10/625GK203839477SQ201420228992
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】刘晖, 洪伟, 王婷, 陈春洪, 孙宁 申请人:北京现代汽车有限公司