一种乒乓式电池内加温系统及方法与流程

本发明属于电池，涉及一种乒乓式电池内加温系统及方法。

背景技术：

1、二次电池又称为充电电池或蓄电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。充电电池利用化学反应的可逆性，可以组建成一个新电池，即当一个化学反应转化为电能之后，还可以用电能使化学体系修复，然后再利用化学反应转化为电能。市场上主要充电电池有镍氢电池、镍镉电池、铅酸(或铅蓄)电池、锂离子电池、聚合物锂离子电池等。

2、蓄电池产品以其成本低、电压高、原材料丰富，广泛应用于电动自行车、电力、ups、照明、汽车等应用领域，其中锂电池广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统，邮电通讯的不间断电源，以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。同时因其工艺成熟、价格低廉等优势，至今尚未有任何一种电池能够完全取代它。近几年市场的持续发展事实，无可辩驳地证明了铅酸蓄电池具有强大的市场生命力。

3、寒冷的气候大大降低了蓄电池里的化学反应效率，增大了电池内阻。这两个因素叠加在一起，导致电池的启动功率随着温度的降低而减小。

4、以电动客车上使用最多的磷酸铁锂电池为例，这种电池安全性高，单体寿命较长，但低温性能比其他技术体系的电池略差。低温对磷酸铁锂的正负极、电解液和粘接剂等都存在影响。比如，磷酸铁锂正极本身电子导电性比较差，低温环境下容易产生极化，从而降低电池容量；受低温影响，石墨嵌锂速度降低，容易在负极表面析出金属锂，如果充电后搁置时间不足而投入使用，金属锂无法全部再次嵌入石墨内部，部分金属锂持续存在负极的表面，极有可能形成锂枝晶，影响电池安全；低温下，电解液黏度会增加，锂离子迁移阻抗也会随之增大；此外，在磷酸铁锂的生产工艺中，粘接剂也是一个非常关键的因素，低温对粘接剂的性能也会产生较大影响。

5、同样铅酸蓄电池当电池温度降低，则其容量亦会因以下理由而显著减少。主要是电解液不易扩散，两极活性物质的化学反应速率变慢。电解液之阻抗增加，电瓶电压下降，蓄电池的5hr容量会随蓄电池温度下降而减少。

6、随着温度的降低，二次电池放电性能显著下降，放电平台明显降低，放电容量明显减小。长时间在低温环境中使用，或者在-40℃超低温环境中，电源会被“冻坏”造成永久损害。因此，电池的热管理尤为必要。

7、目前的电池的预热系统主要可以分为两类：1)外部加热；2)内部加热。

8、外部加热法是目前应用最为广泛的一种加热方式，主要是通过外部的热源对电池进行加热，主要特点是结构比较简单，但是外部加热效率较低，因此消耗的电能较多，同时也容易在电池内部产生温度梯度，从而导致电池内部衰降速度的不一致，例如影响锂离子电池的使用寿命。

9、相比于外部加热，内部加热有更快的加热速度和更高的加热速率，因此内部加热方式对电池进行预热也得到了广泛的关注，但是内部加热的控制机理相对比较复杂，会增加电池组的成本和设计难度，并且一些内加热的方法还存在一定的安全隐患。

10、以下是两种内加热方法：

11、采用电热片的加热方式，电热片通常会被放置于电池的顶端或低端，电热片产生的热量直接传递到电池上，随着温度的升高，电阻增加，从而实现自主控温的目的。采用电热片为电池加热能够显著提升电池在低温下的放电电压，提升电池的放电容容量，但是这一方法需要较长时间为电池预热，同时还会在电池内部产生温度梯度，不利于电池寿命的提升。

12、自加热方法是将一个ni箔放入到电池内部，然后在电池外部引出极柱，通过外电路控制电池的加热。实验表明这种方法在将电池从-30℃加热到0℃时的升温速率可达60℃/min，而这一过程仅消耗5.5％的能量，但是这种方法对电池要求较高，成本较高。

13、这些加热方法均需要安装复杂的加热体结构件，在影响电池包成组空间的同时，加热效率也因热阻大而降低。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、本发明要解决的技术问题是：如何设计一种不需要安装额外的加热设备就可以高效地为电池进行内部加热的系统及方法。

3、(二)技术方案

4、为了解决上述技术问题，本发明提供一种乒乓式电池内加温系统，包括双向dc变换器，电池、超级电容、负载，超级电容和负载均并在同一个母线电网上，超级电容用于稳定负载电压，当负载需求功率高时，超级电容放电，稳定输出电压，保护负载，即用电设备；电池可存储母线电网上的多余能量，并在启动时，给母线电网供电；双向dc变换器用于实现不同电压等级电力的变化，控制能量来回流动，实现电池加温控制。

5、优选地，所述双向dc变换器具体用于采集电池温度信息、电池电压和电流信息以及超级电容的电压信息，进行决策，根据不同条件，控制电池的充放电电流的传输方向和电流值大小。

6、优选地，所述双向dc变换器在实现电池加温控制时，确定电池的正常工作电压，并且规定一个波动范围，即电池电压不得高于预设上限，电池电压同样不得低于于预设下限，同样，规定超级电容的正常电压，并规定一个波动范围，即超级电容电压不得高于预设上限，超级电容电压同样不得低于预设下限。

7、优选地，双向dc变换器包括pi控制器、计算模块、pwm波生成模块和功率器件，所述pi控制器采集电池电压和超级电容的电压值信息，当电池电压达到下限值，或超级电容的电压值达到上限值后，计算模块计算本次充电或者放电时间，并且将参考电流值进行翻转，即，若之前超级电容充电那么接下来超级电容就放电，当电池电压值再次达到下限值，或超级电容的电压值再次达到上限后，计算模块计算本次充电或者放电时间，通过充放电时间比对，根据预设条件求得参考电流值，再将参考电流值进行翻转，如此进行循环计算；整个控制过程中，将计算模块求得的参考电流值给pi控制器，pi控制模块采用电流环将输出电流i0追踪到参考电流值ioref，保持电池的电流值稳定，pwm波生成模块控制功率器件进行电池和超级电容的充放电。

8、优选地，所述电池为锂电池。

9、本发明还提供了一种利用所述系统实现的乒乓式电池内加温方法。

10、优选地，包括以下步骤：

11、提前设定电池的最低电压和最高电压值范围，超级电容的最低电压和最高电压值电压范围；规定单次充电和放电最大时间t，如果充电时间或者放电时间超过预设阈值，就增加充电和放电电流；设定初始充电电流iint，在第一次充电时，电池以iint给电容进行充电；设定电池电流增加幅值δi,如果充电时间或者放电时间超过预设阈值，就在下个充电周期增加充电和放电电流；

12、在系统第一次启动时，电池的放电电流为iint，将超级电容充电到既定电压usup，这时，负载也并在超级电容上，整个系统可以正常工作，负载的电压波动可通过超级电容和电池的充电保持稳定；

13、随后电池继续放电、超级电容充电，开始记录放电开始时间，电池的放电电流为iint，给超级电容充电过程中，电池和超级电容的电压值信号实时上传至双向dc变换器，如果电池电压低于限定值ubat-δubat或者超级电容的电压高于限定值usup+δusup，此时电池放电、超级电容充电过程停止，计时结束，计算得到本次电池放电时间δt1；

14、紧接着进行超级电容放电、电池充电，记录电池充电开始时间，电池的充电电流同样为iint，超级电容放电过程中，电池和超级电容的电压值信号实时上传至双向dc，如果电池电压高于限定值ubat+δubat或者超级电容的电压低于限定值usup-δusup，此时超级电容放电、电池充电过程停止，计时结束，计算得到本次电池充电时间δt2；

15、双向dc变换器进行判断，如果电池放电时间δt1>规定单次充电和放电最大时间t并且电池充电时间δt2>规定单次充电和放电最大时间t，则增加下个周期充电和放电电流为iint+δi，倘若任意一段充放电时间<规定单次充电和放电最大时间t,就继续以当前的充放电电流继续充放电电池；

16、每个周期判断电池温度是否加温到设定温度，电池满足一定的充放电性能后，加温过程终止。

17、优选地，如果电池温度没有达到设定温度，下个电容充放电周期继续执行，同样得到电池放电时间δt1和电池充电时间δt2，双向dc变换器进行判断，如果仍然是电池放电时间δt1>规定单次充电和放电最大时间t并且电池充电时间δt2>规定单次充电和放电最大时间t，则增加下个周期电池充电和放电电流到iint+2δi，倘若任意一段充放电时间<规定单次充电和放电最大时间t,就继续以当前的充放电电流继续充放电电池；以此类推，只要电池放电时间δt1>规定单次充电和放电最大时间t并且电池充电时间δt2>规定单次充电和放电最大时间t，就从上个周期电池充电和放电电流基础上增加充电和放电电流δi。

18、优选地，电池电流增加后就不再减小，即δi>0，直至电池温度加温到设定温度加温过程终止。

19、优选地，电池加温过程中，在系统第一次启动时，将超级电容充电到既定电压usup后，整个系统即可工作，负载可以启动，负载启动后，会增加电容充电时间，减小电池放电时间，但是，每个周期需要同时判断电池放电时间δt1和电池充电时间δt2。

20、(三)有益效果

21、本发明主要是关于电激法加热的系统及方法，该系统及方法主要是直接为电池施加一个直流的充放电电流，通过放电过程中电池产生的热量为电池加热；本发明主要是电池内加温系统及方法，给电池施加一个方向和大小变化的直流放电或者充电电流，通过特殊控制方法进行充放电过程，使电池内部产生热量为电池加热；本系统及方法不需要安装额外的加热设备就可以高效为电池进行内部加热，比普通内部加热具有更高的加热速度，电池的极化较小，对电池寿命影响不大。与现有技术相比，本发明经过验证，比普通内部加热具有更高的加热速度，通过电流将电池内部加热更均匀更彻底。系统带载工作不受影响，并且对电池性能影响不大。