电池加热装置及锂电池的制作方法

1.本实用新型涉及到电池加热技术领域，特别是涉及到一种电池加热装置及锂电池。


背景技术：

2.锂离子电池做为一种新型的二次电池，由于其较高的比能量、安全性好、无污染性、较高的电压平台、充放电效率高、循环性能好等优点，广泛用于手机数码、电动工具、电动自行车/摩托车、电动汽车等。
3.锂离子电池对环境比较敏感，一般最佳工作温度为20～35℃；随着温度的下降，锂离子电池的放电效率下降，且对锂电池进行大电流充放电对锂电池循环寿命有损害，一般情况下，在低于某一温度时，是不允许对电池充放电的，或者限功率放电；对于电动自行车/摩托车、电动汽车来说，由于其工作环境在室外，在冬天，尤其是北方的冬天，气温一般是零度以下，此时如果对锂电池进行充放电，会严重缩小电池的循环寿命；大大降低了电动汽车的应用范围，所以需要对电动汽车的电池系统进行热管理，使动力电池工作在最佳工作状态。
4.提高电池温度最直接的方法就是加热，目前使用最多的是采用加热垫、空调热风、或者液体从电芯外壳加热，由于热量是从电池外壳传递到电芯里面，而且外部加热温度不能太高，所以造成加热速度过慢，一般只能做到0.3℃/min。由于电芯的温度检测一般是检测电池外壳的温度，所以往往检测到电池外部的温度已经很高了，但是电芯内部的温度还未达到合适的温度，造成误报。试想一下，在冬天时，每一次使用之前都需要提前1个小时或者更长时间使电池温度提高到合适的温度，在紧急情况需要用车的时候，这是无法接受的。
5.另外，通用volt混合动力汽车采用一种热管理方法，即随时使电池温度保持在合适的温度，即使在车辆静置的情况下，这样只是回避了加热速度慢的问题，但是会造成能源的浪费。


技术实现要素：

6.本实用新型的主要目的为提供一种电池加热装置及锂电池，旨在解决现有电池加热速度慢的问题。
7.本实用新型提出一种电池加热装置，包括lc谐振电路、补偿电路和控制回路；
8.lc谐振电路与锂电池组串联于充放电回路中；
9.lc谐振电路用于受控将直流电转换为交流电对锂电池组大电池充放电；
10.控制回路控制补偿电路对lc谐振电路进行充放电补偿，以使lc谐振电路将直流电转换为交流电对锂电池组大电池充放电。
11.进一步地，lc谐振电路包括第一电感和电容，第一电感和电容依次串联于充放电回路中，第一电感一端与电容的一端连接，第一电感另一端与锂电池组的正极连接，电容另一端连接锂电池组的负极电连接，且锂电池组的负极接地。
12.进一步地，补偿电路包括：
13.第二电感；
14.第一mos管，第一mos管的漏极与锂电池组的正极连接，第一mos管的源极与第二电感的一端连接；
15.第二mos管，第二mos管的漏极与第二电感的一端连接，第二mos管的源极与锂电池组的负极连接；
16.第三mos管，第三mos管的漏极与第二电感的另一端连接，第三mos管的源极与锂电池组的负极连接；
17.第四mos管，第四mos管的漏极与电容的一端连接，第四mos管的源极与第二电感的另一端连接；
18.控制回路连接第一mos管的栅极、第二mos管的栅极、第三mos管的栅极和第四mos管的栅极；
19.第一mos管和第三mos管同时导通和关闭；
20.第二mos管和第四mos管同时导通和关闭。
21.进一步地，控制回路包括控制板，控制板连接第一mos管的栅极、第二mos管的栅极、第三mos管的栅极和第四mos管的栅极。
22.进一步地，控制回路还包括：
23.检测电阻，检测电阻的一端与电容另一端连接，检测电阻的另一端与锂电池组的负极连接；
24.检测电阻与电容构成微分电路，微分电路用于检测电容的电压变化情况；
25.微分电路与控制板连接，控制板接收微分电路的检测结果。
26.进一步地，控制回路还包括：
27.电压检测电路，连接锂电池组和电容，电压检测电路用于检测锂电池组的电压和电容的电压。
28.进一步地，控制回路还包括：
29.电压比较电路，连接电压检测电路，用于比较锂电池组的电压和电容的电压并根据比较结果产生相应的比较电压；
30.电压比较电路连接控制板，控制板接收电压比较电路的比较结果。
31.进一步地，控制回路还包括：
32.电流检测电路，连接充放电回路和补偿电路，用于测量充放电回路的电流和补偿电路的电流；
33.电流检测电路连接控制板，控制板接收电流检测电路的测量结果；
34.控制板根据电流检测电路的测量结果、电压比较电路的比较结果和微分电路的检测结果控制第一mos管、第二mos管、第三mos管和第四mos管的导通和关闭。
35.本实用新型还提出了一种锂电池，包括锂电池组和上述的电池加热装置；电池加热装置的lc谐振电路与锂电池组串联。
36.本实用新型提出了一种电池加热装置及锂电池，电池加热装置通过控制回路控制补偿电路对lc谐振电路进行充放电补偿，以使lc谐振电路将直流电转换为交流电对锂电池组大电池充放电，锂电池内部发热，使锂电池快速升温，解决现有电池加热速度慢的问题。
附图说明
37.图1本实用新型电池加热装置一实施例的局部结构示意图；
38.图2本实用新型电池加热装置的谐振周期中d1
‑
d4过程中电压变化示意图。
39.本实用新型目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
40.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
41.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
42.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、
“”“
上述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在特征、整数、步骤、操作、元件、单元、模块和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、单元、模块、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
43.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
44.参照图1
‑
2，本实用新型电池加热装置一实施例，包括lc谐振电路、补偿电路和控制回路；lc谐振电路与锂电池组串联于充放电回路中；lc谐振电路用于受控将直流电转换为交流电对锂电池组大电池充放电；控制回路控制补偿电路对lc谐振电路进行充放电补偿，以使lc谐振电路将直流电转换为交流电对锂电池组大电池充放电。
45.具体的，锂电池组存在一定的内阻，一般跟容量有关系，容量越高内阻越小所以当电池进行大电流充放电时，电池内部会发热，而我们就可以利用这个特性，从内部加热电芯，由于电芯在低温下进行大电流充放电时，会严重损伤电芯，减少电芯的循环寿命，而在本实用新型中，使用的是交流电对锂电池组进行大电池充放电，由于频率较高，电芯往往还来不及极化，就已经改变状态，所以此时，锂电池组的电芯相当于一个恒压的电容，可以进行大电流的充放电，这是本实用新型的理论基础。
46.而对锂电池组的电芯在低温下进行大电流交流充放电，则通过控制回路控制补偿电路对lc谐振电路进行充放电补偿，以使lc谐振电路将直流电转换为交流电对锂电池组大电池充放电；交流电流在电池内阻上产生热量，达到加热锂电池的目的，加热锂电池的速率与电池的内阻、单体电芯的体积、分配到单体电芯的电流有关系，以18650电芯为例，以1w的
有效功率给电池加热时，可以达到2℃/min加热速度，可以快速将锂电池加热到适用温度，解决现有电池加热速度慢的问题。
47.进一步地，在一些实施例中，lc谐振电路包括第一电感l1和电容c1，第一电感l1和电容c1依次串联于充放电回路中，第一电感l1一端与电容c1的一端连接，第一电感l1另一端与锂电池组的正极连接，电容c1另一端连接锂电池组的负极电连接，且锂电池组的负极接地。通过lc谐振电路的平衡被打破时，可以将直流电转换为交流电对锂电池组进行充放电。
48.进一步地，在一些实施例中，补偿电路包括第二电感l2、第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3和第四mos管q4；第一mos管q1的漏极与锂电池组的正极连接，第一mos管q1的源极与第二电感l2的一端连接；第二mos管q2的漏极与第二电感l2的一端连接，第二mos管q2的源极与锂电池组的负极连接；第三mos管q3的漏极与第二电感l2的另一端连接，第三mos管q3的源极与锂电池组的负极连接；第四mos管q4的漏极与电容c1的一端连接，第四mos管q4的源极与第二电感l2的另一端连接；控制回路连接第一mos管q1的栅极、第二mos管q2的栅极、第三mos管q3的栅极和第四mos管q4的栅极；第一mos管q1和第三mos管q3同时导通和关闭；第二mos管q2和第四mos管q4同时导通和关闭。
49.具体的，在非加热的情况下，lc谐振电路处于平衡状态，电容c1的电压与锂电池组电压一致，第一mos管q1～第四mos管q4也处于关闭状态。要使lc谐振，必须打破这个平衡状态，通过补偿电路使电容c1电压升高，从而打破平衡状态，使lc谐振开始工作，使电容c1电压升高的过程基本与boost升压电路原理一致，过程如下：首先导通第一mos管q1和第三mos管q3，导通时间为t1(也可定义为电感电流达到一定值)，第二电感l2储存能量；关闭第一mos管q1和第三mos管q3，导通第二mos管q2和第四mos管q4，第二电感l2储存的能量向电容c1充电，待第二电感l2上电流减少到一定值时，关闭第二mos管q2和第四mos管q4；由于充放电回路中第一电感l1分分流一部分，所以只有一部分电量进入电容c1，但是仍足以打破lc谐振回路的平衡。
50.lc谐振电路开始工作后，谐振的频率为刚开始谐振的幅度比较低，工作电流也较小，达不到所需要的加热功率，所以首先要通过补偿电路提高谐振幅度，补偿的基本原则在于：电容c1充电时，向电容c1补充能量，使电容c1电压更高；电容c1放电时，使电容c1电压释放的更低；为了详细说明补偿细节，将一个lc谐振电路的谐振周期为个四个象限d1、d2、d3、d4，如图2所示。d1和d2为电容c1放电阶段，其中d1为由于电容c1电压高于锂电池组电压，而进行的电容c1放电阶段，d2为由于第二电感l2能量释放而进行的电容c1放电阶段；d3和d4为电容c1充电阶段，其中d3为由于锂电池组电压高于电容c1电压而进行的电容c1充电阶段，d4为由于第二电感l2能量释放而进行的电容c1充电阶段。主要d2和d3、d4两个阶段进行补偿，过程如下：
51.在d2阶段时，电容c1电量由于第二电感l2续流而进行放电，首先开启第四mos管q4和第二mos管q2，使电容c1深度放电，导通的时间为t2，且(t为lc的谐振周期)，然后关闭第四mos管q4和第二mos管q2，开启第三mos管q3和第一mos管q1，由于第二电感l2续流，使电容c1的电量进一步降低，待第二电感l2上的电流低于i1(i1>0)时，关闭第三mos管q3和
第一mos管q1，此时，第二电感l2上的能量可能没有完全释放，可以通过第三mos管q3和第一mos管q1的体二极管进一步释放，直至完全释放。
52.在d3、d4阶段时，电容c1电量由于第二电感l2续流充电，首先开启第三mos管q3和第一mos管q1，使第二电感l2储存能量，当达到d4初始阶段时，关闭第三mos管q3和第一mos管q1，导通第四mos管q4和第二mos管q2，由于第二电感l2能量释放，使电容c1电压进一步提高，达到补偿的目的。在补偿过程中，有可能出现由于过于补偿造成电容c1电压过高，所以控制回路设置有一个保护装置或保护电路，在电容c1峰值电压接近于2倍锂电池组电压时，停止补偿即关闭第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3和第四mos管q4，只有在电容c1峰值电压低于1.5倍锂电池组电压时，才能继续进行补偿。
53.进一步地，在一些实施例中，控制回路包括控制板，控制板连接第一mos管q1的栅极、第二mos管q2的栅极、第三mos管q3的栅极和第四mos管q4的栅极。
54.具体的，通过控制回路中的控制板控制第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3和第四mos管q4的导通和关闭；应当说的是，在一些实施例中，控制板可以为锂电池中bms，也可以是单独的电路结构，用于处理接收的信息，并根据设定，控制第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3和第四mos管q4的导通和关闭。
55.进一步地，在一些实施例中，控制回路还包括检测电阻r：检测电阻r的一端与电容c1另一端连接，检测电阻r的另一端与锂电池组的负极连接；检测电阻r与电容c1构成微分电路，微分电路用于检测电容c1的电压变化情况；微分电路与控制板连接，控制板接收微分电路的检测结果。通过微分电路检测电容c1的电压变化情况，控制板可以判断出电容c1是充电还是放电。
56.进一步地，在一些实施例中，控制回路还包括电压检测电路；电压检测电路连接锂电池组和电容c1，电压检测电路用于检测锂电池组的电压和电容c1的电压。在一些实施例中，通过电压表检测锂电池组的电压和电容c1的电压，在一些实施例中，锂电池组的电压可以直接由锂电池的bms获得。
57.进一步地，在一些实施例中，控制回路还包括电压比较电路；电压比较电路连接电压检测电路，用于比较锂电池组的电压和电容c1的电压并根据比较结果产生相应的比较电压；电压比较电路连接控制板，控制板接收电压比较电路的比较结果。在一些实施例中，电压比较电路为比较器，通过电压比较电路的输出结果可以判断出锂电池组的电压和电容c1的电压是谁比较大。
58.进一步地，在一些实施例中，控制回路还包括电流检测电路；电流检测电路连接充放电回路和补偿电路，用于测量充放电回路的电流和补偿电路的电流；电流检测电路连接控制板，控制板接收电流检测电路的测量结果；控制板根据电流检测电路的测量结果、电压比较电路的比较结果和微分电路的检测结果控制第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3和第四mos管q4的导通和关闭。
59.具体的，定义微分电路输出为v
diff
(电容c1电压降低时v
diff
<0；电容c1电压升高时v
diff
>0；电容c1电压不变时v
diff
＝0)，电压比较电路输出为v
comp
(电容c1电压大于锂电池组电压时v
comp
>0；电容c1电压小于锂电池组电压时v
comp
<0)，补偿回路电流为i
cp
(电感充电时i
cp
>0，电感放电时i
cp
<0)，充放电回路电流为i
p
(电容c1向锂电池组放电时i
p
<0；锂电池组向电容c1放电时i
p
>0)，锂电池组电压为v
b
，电容c1电压为v
c
。判断d1、d2、d3、d4状态的方法：
60.d1初始阶段：v
diff
＝0，v
comp
>0，i
p
＝0；
61.d1保持阶段:v
diff
<0，v
comp
>0，i
p
>0；
62.d2初始阶段：v
b
＝v
c
，v
diff
<0，i
p
>0；
63.d2保持阶段:v
diff
<0，v
c
<v
b
，i
p
>0；
64.d3初始阶段:v
diff
＝0，v
comp
<0，i
p
＝0；
65.d3保持阶段：v
diff
>0，v
comp
<0，i
p
>0；
66.d4初始阶段：v
diff
>0，v
b
＝v
c
，i
p
>0；
67.d4保持阶段:v
diff
>0，v
b
<v
c
，i
p
>0。
68.应当说的是，lc谐振的频率不能太高也不能太低，频率太高，要求补偿电路的反应速度也要提高，会增加处理的难度、成本及emc。如果频率太低，达到人耳能听到的范围，则会制造噪声，同时也会增加电感和电容c1的体积；所以一般把lc谐振在25khz～50khz会比较合适。
69.在确定谐振频率之后，可得公式:(方程1，其中c为电容c1容量，l1是第二电感l2值，f为谐振频率)。
70.补偿回路计算：
71.lc振荡及加热功率的确定，首先应确定总的加热功率，主要根据考虑升温速度，通过实验确定。由于加热功率即为补偿功率，所以确定了加热功率、频率，即可确定补偿通路上电感的感量，最大电流等参数。
72.例如在一个锂电池组电压为300v，内阻为80mω的电池系统，以200a的平均电流进行加热，则加热功率为3.2kw，所以补偿回路可以输出的功率应为3.2kw。
73.在补偿过程中，只有在d2,d3,d4像限进行补偿，在d2过程中，由于第二电感l2储能的时候最大只能为且电容c1的电压呈下降趋势，补偿电感l2的最大电流存储的能量
74.在d3和d4象限，d3用于电感存储能量，d4象限释放能量，在d3象限存储的能量为
75.由于补偿回路能够提供的能量必须大于损耗的能量，所以，e
d2
+e
d3
≥p
hot
t。从而可以确定l2的感量，同时要保证储存e
d3
能量的情况下，第二电感l2不会饱和。
76.lc谐振回路计算：
77.由于电池内阻随温度的升高而降低，而加热功率(补偿功率)是确定的，所以谐振电流随温度的升高而升高，谐振电流的最大值出现加热截止温度。所以根据截止温度的内阻、加热功率，确定最大的平均谐振电流：
78.(其中,pc为加热功率，rb为电池内阻，r为环路中除锂电池组、电感、电容c1以外的直流阻抗，n为单串并联的数量，rbs为单个电芯的内阻)
79.从而得出谐振通路中最大电流：
[0080][0081]
在谐振过程中，电容c1能量变化应与电感能量变化相等，即：
[0082]
(方程2，其中c为电容c1容量，vb为锂电池组电压，l1是第二电感l2的电感值，imax是第二电感l2上的最大电流)
[0083]
从而可确定电感值和电容c1值。同时确保电感能量时，不会饱和；电容c1的耐压应大于2倍的电池电压，还应留有一定的余量，电容c1应选择esr较低的电容c1。
[0084]
以上计算均为近似计算，其中忽略了一些次要的因素，实际选型时，应保留一定的余量。
[0085]
在微分电路、比较器等控制回路的器件选型上，应选择高速器件，mos管等开关器件应保证一定的耐压余量和功率余量。
[0086]
该加热系统可以做为一个常规配置集成在电池系统中，也可以做成热插拔的可选模块，夏天和秋天不需要加热的时候，可以不安装该模块，减少了电池的有效重量，在冬天、春天或者需要加热的时候，应由专业的维修人员安装到汽车上，而且应有预充回路。
[0087]
应当说的是，在一些实施例中，电池加热装置做为锂电池的电池系统的一部分集成在电池系统中：
[0088]
实施例1，在一个90并80串、由18650电芯组成288v、193.5ah的系统中，该电池加热装置做为bms的热管理模块集成在电池系统中。
[0089]
加热实际功率限制为3.2kw，基本上分到每个电芯的功率约为0.4w。则电感l2为18uh,电感最大电流为86a。
[0090]
低温下单体电芯的内阻约为40mω，
[0091]
总的加热电流为225a,峰值电流为320a。
[0092]
定义lc谐振的频率约为50khz，根据说明书中提供的计算方法，可以得知电感值为3uh,电容为3.6uf。实际最大电流为328，频率为46k，电感最大为0.16j，电容耐压650v。
[0093]
mos管应选择650v耐压的mos管。
[0094]
电池加热装置做为电池系统的标准模块，集成在电池系统，通过can总线与bms内部can总线连接。由bms采集锂电池组的电压、温度，在需要加热的时候，通过can总线告知电池加热装置，电池加热装置开始工作。
[0095]
在一些实施例中，电池加热装置做为可配置模块，外接于电池系统中。
[0096]
本实用新型还提出了一种锂电池，包括锂电池组和上述的电池加热装置；电池加热装置的lc谐振电路与锂电池组串联。使锂电池可以快速升温，解决现有电池加热速度慢的问题。
[0097]
本实用新型提出了一种电池加热装置及锂电池，电池加热装置通过控制回路控制
补偿电路对lc谐振电路进行充放电补偿，以使lc谐振电路将直流电转换为交流电对锂电池组大电池充放电，锂电池内部发热，使锂电池快速升温，解决现有电池加热速度慢的问题。
[0098]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。