一種電池加熱裝置的製作方法
2023-04-24 12:35:11 1
專利名稱：一種電池加熱裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電力電子領域，具體涉及一種電池加熱裝置。
背景技術：
電子資訊時代使對電源的需求快速增長，鋰離子電池經過近二十年的發展，已經 成為一種相對成熟的技術，由於它具有體積小、重量輕、高儲能、循環壽命長等特點，在便攜 式電子設備、電動汽車、國防工業等多方面具有廣闊的應用前景。但是當電動車或電子設備 處於低溫環境中時，更需要電池具有優異的低溫充放電性能和較高的輸出、輸入功率性能。一般情況，在低溫條件下，在鋰離子電池充電過程中，鋰離子的遷移速度減慢，難 於嵌入負極中而相對較易從負極中脫出，從而造成鋰金屬沉積，這就是所謂的「鋰枝晶」。這 種枝狀晶體會把陰陽相隔的隔膜給刺破，造成電池內部短路；同時，沉澱的鋰與電解液發生 還原反應，會形成新的固體電解質界面膜(Solid Electrolyte Interface，即SEI膜)覆蓋 在原來的SEI膜上，隨之電池的阻抗增大，極化增強，從而導致電池的容量急劇下降。而電 池容量的急劇衰減和「鋰枝晶」的出現極可能使電池內部發生短路，漏電甚至爆炸，造成安 全事故。為了避免鋰枝晶出現，並保持電池的容量，必須改善鋰離子在低溫條件下的遷移 問題。如圖1是現有技術的電池加熱電路，基本的實施方法是將電池通過開關模組IGBT (絕 緣柵雙極型電晶體)的導通與關斷使得電池1在短時間內短路，通過電池短路時引發的大 電流使電池自己升溫。由於電池短路電流很大，驅動單元是通過輸出特定脈衝寬度和周期 的信號驅動IGBT模組3。當驅動單元2的輸出信號為高電平，IGBT模組3導通，電池正負 極短路，大電流通過電池內部使自身溫度升高；當驅動單元2的輸出信號為低，IGBT模組3 關斷。通過特定脈衝寬度和周期的信號驅動IGBT模組的導通和關斷，使電池在短時間內加 熱，直到電池達到適宜的溫度或是其他停止加熱的條件，IGBT模組關斷。因電池加熱電路中感應電感的存在，加上IGBT模組的開關速度較高，IGBT模組關 斷時，IGBT集電極電流的下降斜率較高；極高的電流下降率會在主電路的電感上感應出較 高的過電壓，導致在IGBT關斷時，其電流、電壓的運動軌跡超出它的安全工作區而損壞。所 以需要提供保護電路，保護IGBT關斷的電流、電壓的運動軌跡在它的安全工作區內。圖2為現有技術的用於電池加熱電路原理圖，電池1、驅動單元2、感應電感L1和 IGBT模組3組成的迴路稱為主迴路；第一二極體D1、第一電容C1和第一電阻R1為保護電 路。具體實施方法是在低溫條件下，當驅動單元2輸出信號為高電平時，IGBT模組3導通， 電池1正負極短路，產生大電流，從而達到電池升溫的效果。IGBT模組關斷時，因電路中感 應電感的存在，感應電感等效為電感Ll，IGBT模組3的集電極-發射極兩端電壓上升到接 近電源電壓時，IGBT的電流才開始下降，電路中的感應電感會迫使第一二極體D1導通並通 過第一電容C1續流，IGBT模組中的電流下降率取決於IGBT的開關速度，主迴路中電流下 降率取決IGBT的開關速度和主迴路感應電感Ll與吸收第一電容C1的時間常數決定。保 護電路的工作原理就是降低功率器件關斷時在主電路中的電流下降率，根據公式V = Ldi/dt可知，電感上的感應電壓由電感量和電感中的電流變化率決定。電路中的感應電感會迫 使第一二極體D1導通並通過第一電容C1續流後，感應電感中電流變化率降低，感應電感兩 端的感應電壓下降。當電路完成整個IGBT模組關斷過程後，第一電容C1兩端的電壓為V = VCC+Ldi/ dt-VD1，其中，VCC是電池1的電壓；Ldi/dt是感應電感L1的感應電壓；VD1是第一二極體D1 兩端的電壓，由於第一二極體兩端的壓降約IV，相對電源電壓VCC和L1的感應電壓Ldi/dt 很小，可以忽略不計；所以第一電容C1兩端電壓為電池電壓與主電路感應電感的感應電壓 之和。第一電容C1兩端電壓高於電池兩端電壓，第一電容C1通過第一電阻向電池放電，放 電過程中電流流向電池，即是對電池進行充電。由於鋰離子電池對使用環境的溫度較為敏 感，0°C以下鋰離子電池放電效率較低，而在0°C以下充電則存在一定的安全隱患，可見鋰離 子電池的低溫特性決定了電池低溫條件下嚴禁充電，以免損壞電池甚至引起事故。
實用新型內容本實用新型解決的現有技術問題是鋰離子電池的低溫特性決定了電池低溫條件 下嚴禁充電，現有的鋰離子電池在低溫需要加熱時，其保護電路可能會對鋰離子電池進行 充電的問題。為解決上述技術問題，本實用新型提供如下技術方案本實用新型涉及的一種電池加熱裝置，包括加熱電路和保護電路，所述加熱電路 和保護電路均連接電池的兩端，其中，所述保護電路包括第二二極體、第二電容、第二電 阻、開關單元、用於檢測第二電容的電壓並控制開關單元導通和關斷的控制單元；第二二極 管與第二電容串聯後連接電池的兩端，第二二極體的正端連接電池的正端；第二電阻與開 關單元串聯後再與第二電容並聯。與現有技術相比本實用新型具有如下有益效果本實用新型實施例提供的一種電 池加熱裝置，所述控制單元用於檢測第二電容兩端的電壓，當電容電壓大於第一預設電壓 時，控制單元控制開關單元使其導通，第二電容通過第二電阻和開關單元放電；可以得出在 電池低溫加熱過程中，第二電容不會對電池進行充電，從而保護了電池。
圖1是現有技術的現有技術的電池加熱電路；圖2是現有技術的用於電池加熱電路原理圖；圖3是本實用新型實施例電池加熱裝置示意圖；圖4是本實用新型實施例控制單元的原理圖；圖5是本實用新型電池加熱裝置的第一實施例原理圖；圖6是本實用新型電池加熱裝置的第二實施例原理圖；圖7是本實用新型電池加熱裝置的第三實施例原理具體實施方式
為了使本實用新型所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下 結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實 施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。圖3是本實用新型實施例電池加熱裝置示意圖；一種電池加熱裝置包括加熱電路 9和保護電路，所述加熱電路9和保護電路均連接電池的兩端，加熱電路9連接電池4的兩 端，其中保護電路包括第二二極體D2、第二電容C2、第二電阻R2、開關單元8、用於檢測 第二電容的電壓並控制開關單元導通和關斷的控制單元7 ；第二二極體D2與第二電容C2 串聯後連接電池4的兩端，第二二極體D2的正端連接電池4的正端；第二電阻R2與開關單 元8串聯後再與第二電容C2並聯。圖中加熱電路包括IGBT模組6和用於控制IGBT模組 導通和關斷的驅動單元5，5驅動單元5連接IGBT模組6的門極，IGBT模組6的集電極連 接電池4的正端，IGBT模組6的發射極連接電池4的負端。以下詳細說明其工作原理在低溫條件下，驅動單元5通過輸出特定脈寬和周期的信號來控制IGBT模組6的 導通和關斷，對電池4進行短時間的短路，大電流通過電池內部使其自身溫度升高，電池溫 度升到一定值或是達到其他停止加熱的條件，驅動單元5停止輸出脈衝信號。驅動單元5 通過脈衝形式控制IGBT模組反覆的導通與關斷，在此僅詳細說明其中一個循環過程IGBT 模組6導通，電池4正負極短路，電流大小由電池內阻和迴路內阻決定，電池內阻和迴路內 阻很小，電池產生大電流，從而達到升溫的效果；IGBT模組6關斷時，因電路中感應電感L2 的存在，IGBT模組6的集電極-發射極兩端電壓上升到接近電源電壓時，IGBT的電流才開 始下降，電路中的感應電感會迫使第二二極體D2導通並通過第二電容C2續流，IGBT模組 中的電流下降率取決於IGBT的開關速度，主迴路中電流下降率取決IGBT的開關速度和主 迴路感應電感L2與吸收電容C2的時間常數決定。保護電路的工作原理就是降低功率器件 關斷時在主電路中的電流下降率，根據公式V = Ldi/dt可知，電感上的感應電壓由電感量 和電感中的電流變化率決定。電路中的感應電感會迫使第二二極體D2導通並通過第二電 容C2續流後，感應電感L2中電流變化率降低，感應電感兩端的感應電壓下降。當電路完成 整個IGBT模組關斷過程後，電容兩端的電壓為V = VCC+Ldi/dt-VD2，其中，VCC是電池電壓； Ldi/dt是感應電感L2的感應電壓；VD2是第二二極體D2兩端的電壓，由於第二二極體D2兩 端的壓降約IV，相對電源電壓VCC和L2的感應電壓Ldi/dt很小，可以忽略不計；所以第二 電容C2兩端電壓為電池電壓與主電路感應電感的感應電壓之和。IGBT模組6通過特定的脈寬和周期，在反覆的導通與關斷過程中，不停的對第二 電容C2進行充電，第二電容C2兩端電壓升高。當第二電容C2兩端電壓高於電池電壓，第 二二極體D2反向截止，當控制單元7檢測到第二電容C2兩端電壓1]旭大於或等於第一預設 電壓UABMAX時，控制單元7控制開關單元8導通，第二電容C2通過第二電阻R2和開關單元 7放電。當控制單元檢測到第二電容C2兩端電壓UAB小於或等於第二預設電壓UABMIN時，控 制單元控制開關單元截止，停止對第二電容C2的放電。在整個電池短路加熱過程中，都不 會有電流流入電池，即不會在低溫情況下對電池充電，最大程度的保護電池。圖4是本實用新型實施例控制單元的原理圖；控制單元包括第三電阻R3、第四電 阻R4、遲滯比較器71、PNP三極體Q1、NPN三極體Q2 ；第三電阻R3和第四電阻R4串聯後並 聯在第二電容C2的兩端，第三電阻R3和第四電阻R4串聯的節點連接遲滯比較器71的負 輸入端，第三參考電壓VKEF連接遲滯比較器71的正輸入端；PNP三極體Q1的發射極連接正 電源15V，NPN三極體Q2的發射極連接負電源7V，PNP三極體Q1的集電極與NPN三極體Q2 的集電極相連接，PNP三極體Q1的基極與NPN三極體Q2的基極連接在一起並與遲滯比較器71的輸出端連接。遲滯比較器71還包括比較器U1，第五電阻R5和第六電阻R6 ；第六電 阻R6連接在比較器的正輸入端，第五電阻R5的兩端分別連接比較器的正輸入端和輸出端。 以下詳述工作原理第二電容C2兩端電壓通過第三電阻R3和第四R4分壓後得到電壓Vi接在比較器 U1的負輸入端；比較器U1的輸出電壓通過反饋支路加到同相輸入端，形成正反饋，構成遲 滯比較器，提高了抗幹擾能力。遲滯比較器根據輸出端電壓Vo的不同值(v^^nvj，得到 遲滯比較器上位上門限電壓vT+和下門限電壓vT_分別為VT+ = R5Veef/ (R5+R6) +R6V0H/ (R5+R6)；VT_ = R5Veef/ (R5+R6) +R6V0L/ (R5+R6)；當Vi端電壓大於上門限電壓VT+時，比較器輸出低電平，通過三極體Q1和三極體 Q2構成的推挽電路，三極體Q1導通，三極體Q2截止，輸出電壓為+15V，用來驅動開關單元8 導通；當Vi端電壓小於下門限電壓VT_時，比較器輸出高電平，通過推挽電路，三極體Q1截 止，三極體Q2導通，輸出-7V使開關單元8關斷。此處得到的比較器上門限電壓VT+和下門限電壓VT_為第一預設電壓UABMAX和第二 預設電壓U
ABMIN°圖5是本實用新型電池加熱裝置的第一實施例原理圖；圖4在圖3的基礎上，將開 關單元8進一步替換為IGBT管81，控制單元的輸出端連接IGBT的門極，用來控制IGBT的 導通和關斷，IGBT的集電極連接第二電阻的一端，IGBT發射極連接電池的負極；控制單元7 檢測第二電容C2兩端的電壓值進一步控制IGBT管81的導通和關斷，其工作原理與圖3中 相同，此處不再贅述。圖6是本實用新型電池加熱裝置的第一實施例原理圖；圖5在圖3的基礎上，將開 關單元8進一步替換為三極體82，三極體為NPN三極體82，NPN三極體82的發射極連接電 池的負端，NPN三極體82的極端及連接第二電阻的一端；控制單元7檢測第二電容C2兩端 的電壓值進一步控制三極體82的導通和關斷，其工作原理與圖3中相同，此處不再贅述。圖7是本實用新型電池加熱裝置的第一實施例原理圖；圖6在圖3的基礎上，將開 關單元8進一步替換為M0S管83，M0S管為NM0S官，NM0S管的源極連接電池的負端，NM0S 管的漏極連接第二電阻的一端；控制單元7檢測第二電容C2兩端的電壓值進一步控制M0S 管83的導通和關斷，其工作原理與圖3中相同，此處不再贅述。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本 實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型 的保護範圍之內。
權利要求一種電池加熱裝置，包括加熱電路和保護電路，所述加熱電路和保護電路均連接電池的兩端，其特徵在於所述保護電路包括第二二極體、第二電容、第二電阻、開關單元、用於檢測第二電容的電壓並控制開關單元導通和關斷的控制單元；第二二極體與第二電容串聯後連接電池的兩端，第二二極體的正端連接電池的正端；第二電阻與開關單元串聯後再與第二電容並聯。
2.根據權利要求1所述的一種電池加熱裝置，其特徵在於所述控制單元包括第三電 阻、第四電阻、遲滯比較器、PNP三極體、NPN三極體；第三電阻和第四電阻串聯後並聯在第 二電容的兩端，第三電阻和第四電阻串聯的節點連接遲滯比較器的負輸入端，第三參考電 壓連接遲滯比較器的正輸入端；PNP三極體的發射極連接正電源，NPN三極體的發射極連接 負電源，PNP三極體的集電極與NPN三極體的集電極相連接，PNP三極體的基極與NPN三極 管的基極連接在一起並與遲滯比較器的輸出端連接。
3.根據權利要求1所述的一種電池加熱裝置，其特徵在於所述加熱電路包括IGBT模 組和用於控制IGBT模組導通和關斷的驅動單元，驅動單元連接IGBT模組的門極，IGBT模 組的集電極連接電池的正端，IGBT模組的發射極連接電池的負端。
4.根據權利要求1所述的一種電池加熱裝置，其特徵在於所述開關單元是IGBT。
5.根據權利要求1所述的一種電池加熱裝置，其特徵在於所述開關單元是三極體。
6.根據權利要求1所述的一種電池加熱裝置，其特徵在於所述開關單元是M0S管。
專利摘要一種電池加熱裝置，包括加熱電路和保護電路，所述加熱電路和保護電路均連接電池的兩端，其中保護電路包括第二二極體、第二電容、第二電阻、開關單元、用於檢測第二電容的電壓並控制開關單元導通和關斷的控制單元；第二二極體與第二電容串聯後連接電池的兩端，第二二極體的正端連接電池的正端；第二電阻與開關單元串聯後再與第二電容並聯。控制單元用於檢測第二電容兩端的電壓，當電容電壓大於第一預設電壓時，控制單元控制開關單元使其導通，第二電容通過第二電阻和開關單元放電；可以得出在電池低溫加熱過程中，第二電容不會對電池進行充電，從而保護了電池。
文檔編號H02J7/00GK201667552SQ20102015005
公開日2010年12月8日 申請日期2010年3月30日 優先權日2010年3月30日
發明者夏文錦, 沈麗, 韓瑤川 申請人:比亞迪股份有限公司