一種光控型鋰電池包低溫保護裝置及低溫保護方法與流程

2023-06-06 08:37:36 1

本發明涉及太陽能路燈用鋰電池包低溫保護技術領域，具體地說是涉及一種用於太陽能路燈的光控型鋰電池包低溫保護裝置及低溫保護方法。

背景技術：

鋰離子蓄電池（簡稱鋰電池）具有電壓高、比能量高及優良的循環壽命，安全無汙染，被稱為綠色電源。隨著高容量錳酸鋰電池的研製成功與技術成熟，太陽能電池領域使用鋰電池的項目越來越多，太陽能電池的應用不僅在邊遠地區和暫時缺電地區具有十分重要的地位，在其他地區也已迅速普及應用於交通、建築、農林等各個行業，在路燈照明工程中應用更為廣泛。通過長期將鋰電池與光伏太陽能結合運用於路燈照明系統中發現，鋰電池表現出了優越的性能，相較傳統鉛酸電池，使用壽命延長3倍以上，體積僅為1/3，質量僅為1/4，安裝和維護費用僅為1/10，並且在運用過程中能量損耗小、無汙染。隨著鋰電池太陽能路燈照明技術的不斷發展，鋰電池的節能、環保、安全等優勢的運用，加之鋰電池太陽能路燈不排放二氧化碳和二氧化硫，也沒有常規發電的噪音、固體廢物和其他汙染，鋰電池太陽能路燈變成了城市道路照明工程的新寵，市場潛力無量。

然而，由於現有鋰電池太陽能路燈中所使用的鋰電池包的正常使用溫度在10-40℃之間，並且鋰電池電芯在充電時對溫度要求較高，而在放電時則無要求，即鋰電池包充放電對環境溫度的要求不同，鋰電池包充電時需要大於0℃的溫度環境，否則鋰電池包內部易結晶，當溫度降低至0℃時，鋰電池包充電容量只能達到約75%，放電效率不足90%，這就大幅度影響了鋰電池包的使用壽命和耐久性。因此，需要對鋰電池包進行低溫保護處理，目前一般的低溫保護方法是利用外部加熱措施，將電池溫度加熱到常溫或10℃以上，或者利用絕熱材料和保溫材料，保證電池溫度不至於降得過低。這種低溫保護措施所存在的缺陷是：外部加熱需要採用鋰電池供電，由於常規的加熱方式為達到設定的加熱溫度時立即開始加熱（無論鋰電池是否處於充電狀態），這就使得鋰電池的電量耗費太多，一定程度上造成能源浪費；另外，這種加熱方式也造成了鋰電池包在運輸過程中（此時鋰電池包不可能處於充電狀態）電能耗盡而致使鋰電池損壞的問題，因此，迫切的需要一種新型的鋰電池包低溫保護裝置及低溫保護方法來克服現有技術中所存在的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種光控型鋰電池包低溫保護裝置及低溫保護方法，該裝置整體結構設計巧妙，結構簡單易於實現且成本低，通過光控來實現鋰電池包在白天充電時進行低溫保護，而在晚上放電時不進行低溫保護，從而可有效避免現有鋰電池包低溫保護所存在的缺陷，能夠大大節省鋰電池包的電量，對鋰電池包起到良好的低溫保護作用。

為了實現上述目的，本發明採用的技術方案為，一種光控型鋰電池包低溫保護裝置，包括封裝殼體、太陽能電池板、智能控制器、保溫層、鋰電池包、電池保護板、溫度控制器和導熱鋁板，所述鋰電池包、溫度控制器和導熱鋁板採用保溫層包裹成為一個整體構成鋰電池組，所述電池保護板設置在保溫層的外部，所述智能控制器和鋰電池組設置在封裝殼體的內部，所述太陽能電池板設置在封裝殼體的外部，並且太陽能電池板通過導線電連接智能控制器的光控信號（即光伏電壓）輸入端，所述溫度控制器通過導線電連接智能控制器的光控信號輸出端，所述溫度控制器和智能控制器均通過導線電連接電池保護板的正極和負極，所述鋰電池包的正負極連接電池保護板；所述溫度控制器上設有溫度傳感器和電熱元件。

作為本發明的一種改進，所述鋰電池包是採用若干個鋰電池電芯經串聯和並聯組合後在外部採用熱縮套包裹構成，鋰電池電芯的正極和負極分別引出並外露在熱縮套的外部形成鋰電池包的正極和負極，鋰電池包的正負極接入電池保護板中；所述導熱鋁板與鋰電池包的多個側面貼附接觸，所述溫度控制器上的溫度傳感器緊貼鋰電池包的表面並遠離導熱鋁板，所述溫度控制器上的電熱元件貼附在導熱鋁板的表面。

作為本發明的一種改進，所述溫度控制器包括光控電路和加熱控制電路，所述光控電路的輸出端與加熱控制電路的控制輸入端相連接，光控電路的輸入端為溫度控制器的輸入端，光控電路的輸入端分別連接智能控制器的光控信號輸出端以及電池保護板的正極和負極，所述溫度傳感器連接加熱控制電路的溫度檢測輸入端，所述電熱元件連接加熱控制電路的輸出端。所述溫度傳感器採用正溫度係數熱敏電阻和負溫度係數熱敏電阻組合使用的方式實現，所述電熱元件採用ptc加熱片。

作為本發明的一種改進，所述光控電路包括第一輸入端、第二輸入端、第三輸入端、第一mos管、第二mos管、第一二極體、第一電容、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻，所述第一輸入端串聯連接第一電阻後與第一mos管的柵極相連，所述第二輸入端串聯連接第二電阻後與第一mos管的漏極相連，所述第三輸入端連接第一mos管的源極，所述第一二極體的負極連接第二輸入端，第一二極體的正極連接第三輸入端，所述第二mos管的柵極連接第一mos管的漏極，第二mos管的源極連接第一mos管的源極，第二mos管的漏極接地，第一電容和第三電阻並聯連接後串聯在第三輸入端和第一mos管的柵極之間，所述第四電阻串聯連接在第一mos管的柵極和第二mos管的漏極之間，在第四電阻和第二mos管的漏極之間引出一條支路作為光控電路的輸出端；第一輸入端連接智能控制器的光控信號輸出端，第二輸入端連接電池保護板的正極，第三輸入端連接電池保護板的負極。

作為本發明的一種改進，所述光控電路還包括第一肖特基二極體、第二肖特基二極體和第五電阻，所述第一肖特基二極體和第二肖特基二極體同向並聯（即所述第一肖特基二極體的正極和第二肖特基二極體的正極相連，所述第一肖特基二極體的負極和第二肖特基二極體的負極相連）後串聯連接在第一輸入端和第二輸入端之間，並且第一肖特基二極體和第二肖特基二極體的正極連接第一輸入端，第一肖特基二極體和第二肖特基二極體的負極連接第二輸入端，所述第五電阻連接在第一肖特基二極體的正極和負極之間。

作為本發明的一種改進，所述加熱控制電路包括電壓比較器、第二二極體、第三mos管、穩壓二極體，所述第二二極體的負極引出作為加熱控制電路的控制輸入端，電壓比較器的同向輸入端和反向輸入端分別引出作為加熱控制電路的溫度檢測輸入端，第二二極體的正極連接電壓比較器的同向輸入端，所述正溫度係數熱敏電阻串聯在電壓比較器的反向輸入端和地之間，所述負溫度係數熱敏電阻串聯在電壓比較器的同向輸入端和地之間，電壓比較器的正電源端連接第二二極體的負極，電壓比較器的負電源端接地，電壓比較器的輸出端連接第三mos管的柵極，所述穩壓二極體的負極連接在電壓比較器的輸出端和第三mos管的柵極之間，穩壓二極體的正極和第三mos管的源極接地，第三mos管的漏極引出作為加熱控制電路的輸出端，所述ptc加熱片串聯在第三mos管的漏極和電壓比較器的正電源端之間。

作為本發明的一種改進，所述加熱控制電路還包括正反饋電阻、自檢電容、第六電阻、第七電阻、第八電阻，所述正反饋電阻串聯在電壓比較器的同向輸入端和輸出端之間，所述自檢電容採用第二電容和第三電容並聯構成，自檢電容串聯連接在電壓比較器的反向輸入端和地之間，並與正溫度係數熱敏電阻並聯，所述第六電阻串聯連接在電壓比較器的同向輸入端和正電源端之間，第七電阻串聯連接在電壓比較器的反向輸入端和正電源端之間，第八電阻串聯連接在電壓比較器的輸出端和正電源端之間。

作為本發明的一種改進，所述第一mos管、第二mos管、第三mos管均採用n溝道耗盡型mos管，所述第一二極體採用tvs管。

上述光控型鋰電池包低溫保護裝置所採用的低溫保護方法，在溫度控制器中設定環境溫度閾值，通過光控電路檢測智能控制器光控信號輸出端輸出的光伏電壓高低，以判斷鋰電池包是處於白天充電階段還是處於夜晚放電階段，同時通過溫度傳感器檢測鋰電池包的環境溫度，並將檢測到的環境溫度與環境溫度閾值相比較；當環境溫度大於環境溫度閾值時，無論鋰電池包處於哪個階段，加熱控制電路不啟動電熱元件；當環境溫度小於或等於環境溫度閾值時，並且光控電路檢測到智能控制器輸出的光伏電壓高時，此時，鋰電池包處於白天充電階段，加熱控制電路啟動電熱元件對鋰電池包進行加熱操作，待溫度傳感器檢測到鋰電池包的環境溫度達到環境溫度閾值時，加熱控制電路立即停止電熱元件的加熱操作，而在光控電路檢測到智能控制器輸出的光伏電壓低時，此時，鋰電池包處於夜晚放電階段，加熱控制電路也不啟動電熱元件。

作為本發明的一種改進，當環境溫度大於環境溫度閾值時，負溫度係數熱敏電阻的阻值小於正溫度係數熱敏電阻的阻值，此時，電壓比較器的反向輸入端的電壓高於同向輸入端的電壓，電壓比較器的輸出端輸出低電平，第三mos管不導通，ptc加熱片不啟動；當環境溫度小於或等於環境溫度閾值時，並且在鋰電池包處於白天充電階段時，第一輸入端和第三輸入端之間為高電壓，第一mos管導通，而第二mos管截止，電壓比較器的同向輸入端的電壓不受光控電路的影響，負溫度係數熱敏電阻的阻值大於正溫度係數熱敏電阻的阻值，電壓比較器的輸出端輸出高電平，第三mos管導通，ptc加熱片啟動；而在鋰電池包處於夜晚放電階段時，第一輸入端和第三輸入端之間為低電壓，第一mos管截止，第一輸入端和第二輸入端之間存在的電池電壓驅動第二mos管導通，電壓比較器的同向輸入端的電壓被拉至極小值，使得電壓比較器的反向輸入端的電壓高於同向輸入端的電壓，電壓比較器的輸出端輸出低電平，第三mos管不導通，ptc加熱片不啟動。

相對於現有技術，本發明的優點如下，通過將低溫保護裝置的溫度控制器連接到智能控制器的光控信號輸出端，以該輸出端輸出的光控信號（即太陽能電池板輸入智能控制器的光伏電壓高低）結合光控電路作為加熱控制電路的開關，使得鋰電池包的環境溫度達到環境溫度閾值以下時，還需考慮鋰電池包是否處於白天充電階段，並且只有在鋰電池包處於白天充電階段時才啟動加熱控制電路通過ptc加熱片對鋰電池包的環境溫度進行加熱升溫以實現低溫保護作用，即充分利用鋰電電芯充放電對環境溫度的需求不同的特性，實現對鋰電池包在白天充電階段進行低溫保護，而在晚上放電階段不進行低溫保護，從而對鋰電池包實現有效的低溫保護作用的同時，還能夠有效節約鋰電池包的電能消耗，大大提高了鋰電池包的使用壽命及耐用性。

附圖說明

圖1為本發明的光控型鋰電池包低溫保護裝置的結構示意圖。

圖2為本發明的溫度控制器的電路原理圖。

圖中：1-封裝殼體，2-電池保護板，3-智能控制器，4-鋰電池組，5-保險絲，6-電源線纜和控制線纜。

具體實施方式

為了加深對本發明的理解和認識，下面結合附圖對本發明作進一步描述和介紹。

如圖1所示，一種光控型鋰電池包低溫保護裝置，應用於太陽能路燈系統中，包括封裝殼體1、太陽能電池板、智能控制器3、保溫層、鋰電池包、電池保護板2、溫度控制器和導熱鋁板，所述鋰電池包、溫度控制器和導熱鋁板採用保溫層包裹成為一個整體構成鋰電池組4，所述電池保護板2設置在保溫層的外部。所述保溫層採用聚四氟乙烯泡沫塑料或聚氨酯泡沫塑料製成，厚度在1-5cm，保溫隔熱效果好，可有效減緩低溫環境下鋰電池組4的熱量散失。所述智能控制器3和鋰電池組4設置在封裝殼體1的內部，所述太陽能電池板設置在封裝殼體1的外部。並且太陽能電池板通過導線電連接智能控制器3的光控信號輸入端，所述溫度控制器通過導線電連接智能控制器3的光控信號輸出端。所述溫度控制器和智能控制器3均通過導線電連接電池保護板2的正極和負極，所述鋰電池包的正負極連接電池保護板2；所述智能控制器3、電池保護板2和鋰電池包依次電連接，並在智能控制器3、電池保護板2和鋰電池包之間還設有保險絲5。太陽能路燈的led燈組和太陽能電池板均通過電源線纜和控制線纜6連接智能控制器3，所述智能控制器3包括控溫模塊、溫溼度傳感器、電量管理模塊、調光控制模塊、光控開關模塊、升壓驅動模塊和主控晶片，所述控溫模塊、溫溼度傳感器、電量管理模塊、調光控制模塊、光控開關模塊和升壓驅動模塊均與主控晶片相連。所述主控晶片優先選用型號為pic16f1829的單片機pic晶片。電池保護板2用於對鋰電池組4進行保護控制，所述電池保護板2至少包括充放電均衡保護模塊、過充保護模塊、過放保護模塊、過流保護模塊、電能平衡模塊和微控制器，所述充放電均衡保護模塊、控溫保護模塊、過充保護模塊、過放保護模塊、過流保護模塊和電能平衡模塊均與微控制器相連。從而對鋰電池組4進行充放電保護、過流保護、溫度保護、全智能充放電均衡以及精確電能管理等功能，實現對電池充放電狀態進行實時監測與控制，並能保證鋰電池組4的使用安全和壽命。所述溫度控制器通過鋰電池包提供電源，在溫度控制器上設有溫度傳感器和電熱元件，通過溫度傳感器檢測鋰電池包的溫度，並在鋰電池包處於充電階段時通過電熱元件對鋰電池包進行加熱而實現低溫保護作用。

其中，所述鋰電池包是採用若干個鋰電池電芯經串聯和並聯組合後在外部採用熱縮套包裹構成，鋰電池電芯的正極和負極分別引出並外露在熱縮套的外部形成鋰電池包的正極和負極，鋰電池包的正負極接入電池保護板中。所述導熱鋁板與鋰電池包的多個側面貼附接觸，用於對鋰電池包實現大面積接觸傳熱，保證鋰電池包在設定的某一溫度及以上工作。所述溫度控制器上的溫度傳感器緊貼鋰電池包的表面並遠離導熱鋁板，由於導熱鋁板的溫度非常不穩定，因此為了確保溫度傳感器的感溫穩定性，需要將溫度傳感器遠離導熱鋁板，以避免導熱鋁板對溫度傳感器的影響。所述溫度控制器上的電熱元件貼附在導熱鋁板的表面，從而通過導熱鋁板進行熱量傳導至鋰電池包的多個側面，讓鋰電池包受熱均勻。

進一步地，參見圖2所示，所述溫度控制器包括光控電路和加熱控制電路，所述光控電路的輸出端與加熱控制電路的控制輸入端相連接，光控電路的輸入端為溫度控制器的輸入端，光控電路的輸入端分別連接智能控制器的光控信號輸出端以及電池保護板的正極和負極，所述溫度傳感器連接加熱控制電路的溫度檢測輸入端，所述電熱元件連接加熱控制電路的輸出端。所述溫度傳感器採用正溫度係數熱敏電阻r7和負溫度係數熱敏電阻r6組合使用的方式實現，所述電熱元件採用ptc加熱片。

更進一步地，所述光控電路包括第一輸入端z1、第二輸入端z2、第三輸入端z3、第一mos管q1、第二mos管q2、第一二極體d1、第一電容c1、第一電阻r1、第二電阻r2、第三電阻r3、第四電阻r4，所述第一輸入端z1串聯連接第一電阻r1後與第一mos管q1的柵極相連，所述第二輸入端z2串聯連接第二電阻r2後與第一mos管q1的漏極相連，所述第三輸入端z3連接第一mos管q1的源極，所述第一二極體d1的負極連接第二輸入端z2，第一二極體d1的正極連接第三輸入端z3，所述第二mos管q2的柵極連接第一mos管q1的漏極，第二mos管q2的源極連接第一mos管q1的源極，第二mos管q2的漏極接地，第一電容c1和第三電阻r3並聯連接後串聯在第三輸入端z3和第一mos管q1的柵極之間，所述第四電阻r4串聯連接在第一mos管q1的柵極和第二mos管q2的漏極之間，在第四電阻r4和第二mos管q2的漏極之間引出一條支路作為光控電路的輸出端；第一輸入端z1連接智能控制器的光控信號輸出端，第二輸入端z2連接電池保護板的正極，第三輸入端z3連接電池保護板的負極。

更進一步地，所述光控電路還包括第一肖特基二極體d4、第二肖特基二極體d2和第五電阻r5，所述第一肖特基二極體d4和第二肖特基二極體d2同向並聯（即所述第一肖特基二極體d4的正極和第二肖特基二極體d2的正極相連，所述第一肖特基二極體d4的負極和第二肖特基二極體d2的負極相連）後串聯連接在第一輸入端z1和第二輸入端z2之間，並且第一肖特基二極體d4和第二肖特基二極體d2的正極連接第一輸入端z1，第一肖特基二極體d4和第二肖特基二極體d2的負極連接第二輸入端z2，所述第五電阻r5連接在第一肖特基二極體d4的正極和負極之間。

更進一步地，所述加熱控制電路包括電壓比較器u1、第二二極體d3、第三mos管q3、穩壓二極體d5，所述第二二極體d3的負極引出作為加熱控制電路的控制輸入端，電壓比較器u1的同向輸入端和反向輸入端分別引出作為加熱控制電路的溫度檢測輸入端，第二二極體d3的正極連接電壓比較器u1的同向輸入端，所述正溫度係數熱敏電阻r7串聯在電壓比較器u1的反向輸入端和地之間，所述負溫度係數熱敏電阻r6串聯在電壓比較器u1的同向輸入端和地之間，電壓比較器u1的正電源端連接第二二極體d3的負極，電壓比較器u1的負電源端接地，電壓比較器u1的輸出端連接第三mos管q3的柵極，所述穩壓二極體d5的負極連接在電壓比較器u1的輸出端和第三mos管q3的柵極之間，穩壓二極體d5的正極和第三mos管q3的源極接地，第三mos管q3的漏極引出作為加熱控制電路的輸出端，所述ptc加熱片r8串聯在第三mos管q3的漏極和電壓比較器u1的正電源端之間。

更進一步地，所述加熱控制電路還包括正反饋電阻r9、自檢電容、第六電阻r10、第七電阻r11、第八電阻r12，所述正反饋電阻r9串聯在電壓比較器u1的同向輸入端和輸出端之間，所述自檢電容採用第二電容c2和第三電容c3並聯構成，自檢電容串聯連接在電壓比較器u1的反向輸入端和地之間，並與正溫度係數熱敏電阻r7並聯，所述第六電阻r10串聯連接在電壓比較器u1的同向輸入端和正電源端之間，第七電阻r11串聯連接在電壓比較器u1的反向輸入端和正電源端之間，第八電阻r12串聯連接在電壓比較器u1的輸出端和正電源端之間。

更進一步地，所述第一mos管q1、第二mos管q2、第三mos管q3均採用n溝道耗盡型mos管，所述第一二極體d1採用tvs管。

上述光控型鋰電池包低溫保護裝置所採用的低溫保護方法，在溫度控制器中設定環境溫度閾值，通過光控電路檢測智能控制器光控信號輸出端輸出的光伏電壓高低，以判斷鋰電池包是處於白天充電階段還是處於夜晚放電階段，同時通過溫度傳感器檢測鋰電池包的環境溫度，並將檢測到的環境溫度與環境溫度閾值相比較；當環境溫度大於環境溫度閾值時，無論鋰電池包處於哪個階段，加熱控制電路不啟動電熱元件；當環境溫度小於或等於環境溫度閾值時，並且光控電路檢測到智能控制器輸出的光伏電壓高時，此時，鋰電池包處於白天充電階段，加熱控制電路啟動電熱元件對鋰電池包進行加熱操作，待溫度傳感器檢測到鋰電池包的環境溫度達到環境溫度閾值時，加熱控制電路立即停止電熱元件的加熱操作，而在光控電路檢測到智能控制器輸出的光伏電壓低時，此時，鋰電池包處於夜晚放電階段，加熱控制電路也不啟動電熱元件。

具體為：當環境溫度大於環境溫度閾值時，負溫度係數熱敏電阻r6的阻值小於正溫度係數熱敏電阻r7的阻值，此時，電壓比較器u1的反向輸入端的電壓高於同向輸入端的電壓，電壓比較器u1的輸出端輸出低電平，第三mos管q3不導通，ptc加熱片不啟動；當環境溫度小於或等於環境溫度閾值時，並且在鋰電池包處於白天充電階段時，第一輸入端z1和第三輸入端z3之間為高電壓，第一mos管q1導通，而第二mos管q2截止，電壓比較器u1的同向輸入端的電壓不受光控電路的影響，負溫度係數熱敏電阻r6的阻值大於正溫度係數熱敏電阻r7的阻值，電壓比較器u1的輸出端輸出高電平，第三mos管q3導通，ptc加熱片啟動；而在鋰電池包處於夜晚放電階段時，第一輸入端z1和第三輸入端z3之間為低電壓，第一mos管q1截止，第一輸入端z1和第二輸入端z2之間存在的電池電壓驅動第二mos管q2導通，電壓比較器u1的同向輸入端的電壓被拉至極小值，使得電壓比較器u1的反向輸入端的電壓高於同向輸入端的電壓，電壓比較器u1的輸出端輸出低電平，第三mos管q3不導通，ptc加熱片不啟動。

在實際應用中，將環境溫度閾值設定為6℃，當環境溫度≥6℃時，負溫度係數熱敏電阻r6的阻值小於正溫度係數熱敏電阻r7的阻值，溫度控制器不啟動工作為鋰電池包進行加熱，而當環境溫度<6℃時，在鋰電池包的白天充電階段，第一輸入端z1和第三輸入端z3之間有高電壓，引起第一mos管q1導通，第三mos管q3截止，電壓比較器u1的3腳電壓不受光控電路的影響，負溫度係數熱敏電阻r6的阻值大於正溫度係數熱敏電阻r7的阻值，電壓比較器u1的4腳輸出高電平，第三mos管q3導通，ptc加熱片r8啟動加熱，直至環境溫度升高至6℃停止加熱操作。而在鋰電池包的晚上放電階段，第一輸入端z1和第三輸入端z3之間有低電壓，引起第一mos管q1截止，電池電壓驅動第三mos管q3導通，電壓比較器u1的3腳電壓被拉至極小值，電壓比較器u1的1腳電壓高於3腳，4腳輸出低電平，第一mos管q1不導通，ptc加熱片r8不啟動加熱。

需要說明的是上述實施例，並非用來限定本發明的保護範圍，在上述技術方案的基礎上所作出的等同變換或替代均落入本發明權利要求所保護的範圍。在權利要求中，單詞「包含」不排除存在未列在權利要求中的元件或步驟，單詞第一、第二以及第三等的使用不表示任何順序，可將這些單詞解釋為名稱。

本發明方案所公開的技術手段不僅限於上述實施方式所公開的技術手段，還包括由以上技術特徵任意組合所組成的技術方案。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。