一種電動車鋰離子動力電池組加熱裝置的製作方法

2023-07-21 02:08:36 2

本實用新型涉及鋰離子電池應用領域，尤其涉及電動車鋰離子電池組的加熱設計，適用於電動車，儲能系統的鋰離子電池組的加熱。

背景技術：

鋰離子電池是目前在廣泛應用的能量密度最大的移動儲能電源，已被越來越多地應用到電動汽車，儲能電站等新能源領域。鋰離子電池在實際使用時對環境溫度的要求較為苛刻，大多數的鋰離子電池在低溫條件下禁止任充放電，這時因為：一，低溫使得鋰離子電池的直流內阻的變大導致充放電效率變低，例如一款2.6Ah三元鋰離子電池，在零下10oC時充電只能充入設計容量的不到十分之一；二是在低溫下鋰離子電池內部電極活性材料的電化學反應速度變慢，鋰離子及其它導電離子在電極內部的擴散與常溫狀態下相比變得更困難，在這種情況下強制對電池進行充電或放電，會導致鋰離子在電極表面聚集，甚至會有鋰離子還原成鋰，導致所謂的電極「析鋰」；「析鋰」對鋰離子電池來說是致命的，直接後果是嚴重影響電池壽命，甚至會造成電池內部短路和熱失控。所以在低溫環境下運行的以鋰離子電池為動力的電動車要求它的電池系統必須具備充電前的預加熱功能。

在電池包內安裝電加熱器的加熱方案已被很多電動車採用，加熱所需能量取自於外部電源或電池包自身，常見的電加熱材料有PTC電阻型材料，電阻絲和電加熱膜，或用這些材料而做成的加熱板，這種加熱方式優點是安全、可靠、成本低；缺點是加熱不均勻，加熱時常常造成電池組各單體電池之間，或同一單體電池的內部與外部的溫度不一致，這同樣會嚴重損害鋰離子電池的循環壽命和一致性。用外加熱方式要保證電池組的溫度場均勻通常是困難的，即使做到相對均勻也是要以系統結構複雜，體積大，實施成本高為代價。

也有通過對電池大電流放電使其內部產生熱而達到對電池加熱的方案披露；但是這通常應用到那些允許低溫放電的電池體系，如鉛酸電池；針對鋰離子電池系統很少應用。

用大功率的交流電流流經電池組，以電流在電池組內部的電熱效應對電池組進行加熱的技術方案是可行的；該方案中被加熱電池自身就是熱源，熱量由裡及外傳遞，使得溫度場分布更合理、均勻；且如果頻率選的足夠高，該交流電流不會對電池做實質性的充電或放電，因此也不會有電池內部的鋰離子遷移，上述的「析鋰」現象也不會發生，所以這是一種相對「穩妥」的鋰離子電池的加熱方式；但在實際中交流加熱方案卻很少應用，這主要是附加大功率交流加熱電源實現困難，成本高等原因所致。本實用新型公開了一種針對電動車鋰離子電池組的加熱裝置，以交流加熱的方式，實現了一種可靠的，低成本的，對電池組不造成傷害的加熱裝置。

對於鋰離子電池的電極動力學過程，可以用等效電路的方式描述（參見圖2）；電動勢原件（40）等效電池在開路狀態下的電壓，電阻（41）等效電池歐姆內阻，它反映了鋰離子電池內部所有物理連接、電液、隔膜、SEI膜形成的電阻總和；（43）是電池內部的雙層電容，存在於電極的電化學反應界面，與電極比表面積成正比例關係，對大容量的鋰離子電池，其值都在幾個到幾十個法拉。阻抗（42）描述電極動力學過程中的電化學極化行為，恆相位元件（44）描述電極過程中的濃差極化行為；電池的外部總電流為I，流過（42，44）支路的分電流Ir 作為總電流I的一部分，是電極過程的反應應電流，其值由正負電極之間鋰離子的遷移數目決定，如果Ir為零則表明電池內部沒有鋰離子的遷移，這時的電化學極化和濃差極化也為之零。在外電流是一交流電流的情況下，隨著交流頻率加大，雙層電容（43）對電流I的阻抗將成反比例關係地減小，當頻率足夠大時，電容（43）對電流I的阻抗近乎為0，電流I全部流經雙層電容（43），反應電流Ir近似為零，換而言之，對於頻率足夠高的交流外電流，鋰離子電池內部幾乎不會發生鋰離子遷移和「析鋰」現象發生。但外部交流電流在歐姆內阻（41）上會生成焦耳熱，大小為該電阻值與電流的有效值的平方之積。

技術實現要素：

本實用新型涉及了一種容易實現的，對電池性能無損害的，而且成本低廉的電動車鋰離子動力電池組加熱裝置；所述加熱裝置的工作原理是通過對被加熱的鋰離子電池組（1）輸入一個頻率和幅值確定的交變電流，該電流通過電池組內部的組合連接，分流到所述電池組的每個單體電芯，以該電流在電芯內阻產生熱量為電池加熱，其電熱轉換功率為電流有效值的平方與電池歐姆內阻之乘積。

參考圖（1，2，4），所述交變電流Ib的產生由加熱控制器（3）結合直流加熱電源（5）與放電負載（4）共同完成的；通過所述加熱控制器（3）的內部開關元件（32）將控制器（3）的（B+）端交替接通到（+）端和（L）端；（B+）端接通（+）端形成所述直流加熱供電電源（5）對所述電池組（1）充電，（B+）接通到（L）端形成所述電池組（1）經由所述放電負載（4）進行放電。所述加熱控制器（3）內部含有電量平衡控制單元（31）保證的交變電流Ib的每個充放電交變周期的放電電量等於充電電量，所述電量平衡控制單元（31）是一積分電路或軟體實現積分算法，輸入是電流（Ib）的取樣信號，輸出是與所述電池組（1）的電量變化成比例的電壓值。

參考（圖4、5），經取樣電阻（51）得到所述交變電流的取樣信號送到電量平衡控制單元（31），該控制單元對輸入作積分運算在（54）端輸出一個與電池組（1）的電量變化成正比的信號波形為（56）；假設控制器開關（32）置於（+）端，加熱電源（5）對電池組（1）充電，時間Δt後開關由（+）端切向（L）端，停止充電轉入放電狀態，電流Ib的波形（55）顯示為一個寬度Δt的正脈衝；在放電周期裡（31）的輸出如（56）所示，是一個趨向於0的過程，在信號為0點（57）電池組（1）的放電電量剛好等於前一個充電周期充入的電量，此時控制器將開關（32）由（L）端切換到（+）端停止放電，開啟下一個充電周期。

電量平衡控制單元（31）可以由模擬的硬體電路實現，也可以由數字系統的軟體完成，其完成的功能是相同的，即對電流Ib進行積分運算。

所述電池組加熱裝置涉及的放電負載（4）可以是無源負載，如大功率電阻，輔助加熱板等；也可以是有源負載，如電能變換器，將脈衝形式的放電能量回饋到加熱控制器（3）的輸入端；放電負載是構成放電迴路，控制放電電流的元件，無源放電負載是耗能型的，將放電電能轉換成熱，所以此時無源放電負載可以作為輔助加熱部件；有源負載不消耗能量，可將放電的能量回饋到加熱器的輸入端，圖（2）所示為有源負載的一種實現方式。

所述電池組加熱裝置關於單體電池溫度控制環節，由溫度傳感器（7）的測量和單體電池內部溫度估計算法結合來實現；溫度傳感器通常是由電池監控系統統一配置和管理；對於電池內部加熱方案，電池內部溫度不能直接測得，加熱裝置通過電池管理系統的電芯溫度用估計算法取得；根據傳熱學定律，並假設單體電芯是個均勻的加熱體，加熱功率為w，這時電芯內部的平均溫度滿足：

cρV dT/dt = w – Aσ(T – Ts)；

T：電池內部平均溫度，c:電池材料平均比熱；ρ電池材料平均比重；V電池體積，w為總加熱功率在該單體電池上的分量，A單體電池表面積，σ電池表面到溫度傳感器間介質的熱傳導係數, Ts為溫度傳感器讀出值，所述傳熱學參數可以依照傳熱學定義用試驗方法確定，所述傳熱學方程也表達為一離散形式：

T(k) = a T(K-1) + b w（k） + c Ts(k);

這裡a,b,c 為待定參數，與數據採樣時間有關，採樣時間確定後，可由所述連續傳熱微分方程數參數導出；w(k),Ts(k)是當前電路外加功率和溫度測量值；T(k), T(k-1)為池內部溫度的當前值和上一步值；可以假設電池內部溫度在加熱前等於溫度測量值，即T(0) = Ts(0); 如果溫度傳感器測量的是電池組箱體內部溫度，即電池的環境溫度，上述方法也可以使用但是要對Ks做修正要加入表面與環境之間的熱交換係數；在此涉及的加熱裝置的實際使用情況，電池環境溫度溫度變化緩慢，如果知道加熱開始時的環境溫度Ts(0)，和恆定加熱的功率w(k) = w(0) = w ，上述公式可以用來估計電池從初始溫度T(0)加熱到某給定溫度所需要的時間。

所述針對電池組（1）的加熱裝置不限定充放電電流為恆流，所述直流加熱電源（5）可以用充電機替代，放電可以簡化為恆定電阻放電，從而給出了一個簡單，低成本的實施方案，這也是本實用新型專利的一個明顯特地之一。

附圖說明

圖1為本實用新型結構原理示意圖。

圖2為結構原理圖和一種有源放電負載原理圖。

圖3為鋰離子電池極化過程等效電路圖。

圖4為加熱控制器原理示意圖。

圖5為充電放電電量均衡控制器原理示意圖。

圖6為本實用新型一種實施設計電路圖。

具體實施方式

下面結合結合附圖6和具體實施方式對本實用新型作詳細說明，但本專利的保護範圍不限於此；本例僅針對一種常見的電動車配置，電池組標稱電壓144V，容量22Ah，由2.2Ah三元18650圓柱形鋰離子單體電芯10P40S可組合而成；電芯歐姆內阻35mΩ±2mΩ；允許充電的溫度範圍：0到40oC；充電前電池剩餘電量約是標稱容量5%；加熱電源採用車載充電機，6.6kW，可輸出電流約20A；開關元件選用耐壓650V的Infineon的SPA11N60C3場效應管兩隻並聯使用；電池組加熱之前置於-5oC冷庫內24小時，電池荷電態10%；8隻100K（PTC）的溫度電阻作為溫度傳感器件分別置於8顆不同的單體電芯表面並有導熱矽膠固定，傳感器與電池管理系統的對應埠相連接；本實施例中放電負載為無源負載選用了500W，3.5Ω的電阻；放電為恆電阻放電；本實驗的目的是：測試所述鋰離子電池組加熱裝置的可應用性和有效性，即對每隻單體電池而言，在給定的加熱功率下，電池表面溫度每上升一攝氏度需要的時間，同時保證電池不受到損害；從加熱電池組中拆解出兩隻電芯分析，並和未加熱的同型號電芯比對，無論在電池容量，歐姆內阻和正負電極表觀均無顯著差異。

參照圖6，虛線為加熱控制器（3）；切換開關由上述NMOS管實現，場效應管（61）控制電池放電，（63）控制電池充電；單元（64）以一8位MCU構成的邏輯控制單元分別控制NMOS管（61），（63）輪流導通；充電時間周期由（64）控制，設定為0.6mS，放電控制NMOS（61）的開通與關斷由電量均衡電路（31）的輸出過零信號經由（64）來控制，保證每個充放電周期裡對電池組的淨充放電量為零；電流的切換周期近似為1kHz；考慮到用NMOS作開關控制元件，它們的柵極控制電壓為正電壓，所以本實施電路圖的電位參考點與結圖1不同，但原理完全相同，仍屬於本專利所申明的保護範圍之內。

在本實施例中，所述電量均衡器由以運算放大器實現的一模擬積分器，積分器的輸入為電池組電流的取樣，由一個75mΩ的取樣電阻（51）實現，其輸出信號送至單元（64）做過零判斷並控制放電NMOS（61）關斷。

在本實施例中，所述放電電流平均值設計為40A，待加熱電池組的1kHz的歐姆總阻抗為0.65Ω，總的加熱功率約1kW,分配到每隻單體電芯的功率約2.5W；電芯的基本參數和導熱參數如下：

在本實施例中，在加熱啟動後8個溫度傳感器的每10分鐘的記錄數據如下,T1—T8為8個溫度傳感器讀出值：