一種鋰離子電池自加熱裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鋰離子電池自加熱裝置及方法，用于使鋰離子電池組自加熱，該裝置包括溫度傳感器、單體狀態(tài)監(jiān)控電路、高頻充放電控制電路和控制單元，所述的溫度傳感器與鋰離子電池組連接，所述的單體狀態(tài)監(jiān)控電路與鋰離子電池組連接，所述的高頻充放電控制電路的兩端分別連接鋰離子電池組的正負(fù)極，所述的控制單元分別連接單體狀態(tài)監(jiān)控電路和高頻充放電控制電路；控制單元根據(jù)單體狀態(tài)監(jiān)控電路傳輸?shù)匿囯x子電池組的信息，控制高頻充放電控制電路的工作狀態(tài)，對鋰離子電池組進行高頻充放電，從而使鋰離子電池組實現(xiàn)自加熱。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有工作頻率高、損耗小、能在低溫下有效加熱電池并避免枝晶生成等優(yōu)點。
【專利說明】一種鋰離子電池自加熱裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及鋰電池領(lǐng)域，尤其是涉及一種鋰離子電池自加熱裝置及方法，適用于電動汽車、電動工具、電動自行車等在低溫環(huán)境下使用時的電池自加熱。

【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池具有電壓高、容量大、體積小、質(zhì)量輕，工作溫度范圍寬等優(yōu)點，鋰離子電池組已被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，包括電動自行車、電動工具及電動汽車等領(lǐng)域。鋰離子電池對使用環(huán)境的溫度較為敏感，當(dāng)溫度較低時，電池的可放電能量、功率及放電效率均較低，并且低溫時充電還存在一定的安全隱患，如產(chǎn)生枝晶等。因此，低溫使用問題大大影響了鋰離子電池的應(yīng)用和推廣。目前，在低溫環(huán)境下使用時，存在兩種主要方案。一種為無加熱系統(tǒng)，該方案使用過程中電池組放電效率比較低，并嚴(yán)重影響電池組的功率、使用壽命及安全性。另一種設(shè)計為采用電熱絲輔助加熱等形式的外部加熱，由于電池自身傳熱性能差，該方案存在效率低且容易引發(fā)電池溫度不均勻等缺陷。而電池組工作溫度的不均勻性會對電池壽命、安全性等方面帶來影響。
[0003]電化學(xué)阻抗譜(EIS)是研究鋰離子電池的有效手段。近幾年，通過研究鋰離子電池的電化學(xué)阻抗譜，在頻域上分析得到的電池內(nèi)部狀態(tài)被多數(shù)人認(rèn)可。典型EIS譜由以下部分組成:(I)超高頻區(qū)域(典型為1kHz以上)，與鋰離子和電子通過電解液、多孔隔膜、導(dǎo)線、活性材料顆粒等輸運有關(guān)的歐姆電阻；(2)高頻區(qū)域，與鋰離子通過活性材料顆粒表面絕緣層的擴散遷移有關(guān)的一個半圓，表示鋰離子擴散遷移通過SEI膜(固體電解質(zhì)界面膜，solid electrolyte interface)的電阻；(3)中頻區(qū)域,與電荷傳遞過程相關(guān)的一個半圓，此過程為電遷移及電化學(xué)反應(yīng)過程；(4)低頻區(qū)域，與鋰離子在活性材料顆粒內(nèi)部的固體擴散過程相關(guān)的一條斜線，此過程表示為離子在固相中的擴散過程。
[0004]通過電池EIS的測量，可以確定電池內(nèi)部電子及離子在不同階段時所對應(yīng)的頻率或時間常數(shù)。在此基礎(chǔ)上，確定電池充放電的頻率，可有效地避免離子在固相中的擴散過程，從而避免負(fù)極枝晶的形成。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能量損耗小、效率高、有效避免枝晶形成、安全性高的鋰離子電池自加熱裝置及方法。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]—種鋰離子電池自加熱裝置，用于使鋰離子電池組自加熱，該裝置包括溫度傳感器、單體狀態(tài)監(jiān)控電路、高頻充放電控制電路和控制單元，所述的溫度傳感器與鋰離子電池組連接，所述的單體狀態(tài)監(jiān)控電路與鋰離子電池組連接，所述的高頻充放電控制電路的兩端分別連接鋰離子電池組的正負(fù)極，所述的控制單元分別連接單體狀態(tài)監(jiān)控電路和高頻充放電控制電路；控制單元根據(jù)單體狀態(tài)監(jiān)控電路傳輸?shù)匿囯x子電池組的信息，控制高頻充放電控制電路的工作狀態(tài)，對鋰離子電池組進行高頻充放電，從而使鋰離子電池組實現(xiàn)自加熱。
[0008]所述的鋰離子電池組包括多個串聯(lián)的鋰離子電池單體，所述的單體狀態(tài)監(jiān)控電路分別通過電壓采樣信號線與各鋰離子電池單體連接。
[0009]所述的溫度傳感器的個數(shù)與鋰離子電池單體的個數(shù)相同，各鋰離子電池單體分別通過一個溫度傳感器與單體狀態(tài)監(jiān)控電路連接。
[0010]所述的溫度傳感器設(shè)在鋰離子電池單體表面。
[0011]所述的高頻充放電控制電路包括第一控制開關(guān)、第二控制開關(guān)、第三控制開關(guān)、第四控制開關(guān)、第一二極管、第二二極管、第一電感、第二電感和電容，所述的第一控制開關(guān)一端連接鋰離子電池組正極，另一端分別連接第一二極管陰極和第一電感，所述的第二控制開關(guān)一端連接鋰離子電池組負(fù)極，另一端分別連接第一電感、電容和第四控制開關(guān)，所述的第一二極管陽極分別連接電容和第三控制開關(guān)，所述的第二電感一端分別連接第三控制開關(guān)和第二二極管陽極，另一端分別連接第四控制開關(guān)和鋰離子電池組負(fù)極，所述的第二二極管陰極與鋰離子電池組正極連接。
[0012]所述的控制單元存儲有用于控制高頻充放電控制電路的設(shè)定頻率和預(yù)設(shè)電流。
[0013]一種鋰離子電池自加熱方法，包括以下步驟:
[0014]I)單體狀態(tài)監(jiān)控電路實時通過電壓采樣信號線和溫度傳感器采集各鋰離子電池單體的電壓、溫度信息，并將信息傳輸給控制單元；
[0015]2)控制單元檢測各鋰離子電池單體是否存在過壓或欠壓，若是，則執(zhí)行步驟9)，若否，則執(zhí)行步驟3)；
[0016]3)控制單元檢測各鋰離子電池單體的溫度是否低于設(shè)定下限值，若是，則執(zhí)行步驟4)，若否，則執(zhí)行步驟9)；
[0017]4)控制單元調(diào)用控制單元存儲的設(shè)定頻率和預(yù)設(shè)電流；
[0018]5)控制單元按設(shè)定頻率和電流控制高頻充放電控制電路啟動，對鋰離子電池組進行高頻充放電；
[0019]6)控制單元再次檢測各鋰離子電池單體是否存在過壓或欠壓，若是，則按設(shè)定規(guī)律降低充放電電流幅值，并執(zhí)行步驟7)，若否，則執(zhí)行步驟8)；
[0020]7)判斷當(dāng)前充放電電流是否小于設(shè)定電流限制，若是，則執(zhí)行步驟9)，若否，則返回步驟5)；
[0021]8)控制單元檢測各鋰離子電池單體的溫度是否達到預(yù)期溫度，若是，則執(zhí)行步驟9)，若否，則返回步驟5)；
[0022]9)控制單元控制高頻充放電控制電路停止。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用鋰離子循環(huán)充放電過程中其自身產(chǎn)生的熱來進行自交熱，具有以下優(yōu)勢:
[0024]I)本發(fā)明是利用高頻充放電控制進行電池自身進行加熱，由于鋰離子電池內(nèi)阻的存在及電化學(xué)反應(yīng)的機理，在電池循環(huán)充放電過程中，會產(chǎn)生熱量，從而從內(nèi)部給電池加熱，使電池溫度更均勻；而傳統(tǒng)方式通過外部裝置加熱，靠電池殼壁來傳遞熱量，相比之下，本發(fā)明的能量損耗小，效率更高；
[0025]2)然而，在低溫情況下，電池充放電，尤其是大倍率、長時間充電可能會使負(fù)極產(chǎn)生枝晶，從而影響電池的使用安全性，本發(fā)明充放電控制的頻率高于電化學(xué)阻抗譜測試中電池電化學(xué)反應(yīng)過程的最低頻率點，可有效避免低溫充放電過程中枝晶的形成；
[0026]3)本發(fā)明自加熱過程中，實時監(jiān)測電池的溫度和電壓信息，并根據(jù)電壓和溫度信息進行高頻充放電控制，從而進一步保證電池的安全。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2為典型鋰離子電池EIS測試圖；
[0029]圖3為電池等效電路模型結(jié)構(gòu)；
[0030]圖4為本發(fā)明所用實例的高頻充放電控制電路原理圖；
[0031]圖5為本發(fā)明所用實例的電池高頻充放電電流示意圖；
[0032]圖6為本發(fā)明的系統(tǒng)工作控制流程圖。

【具體實施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)說明。本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0034]實施例
[0035]如圖1所示，一種鋰離子電池自加熱裝置，用于使鋰離子電池組11自加熱，所述的鋰離子電池組11包括多個串聯(lián)的鋰離子電池單體I。該自加熱裝置包括溫度傳感器2、單體狀態(tài)監(jiān)控電路3、高頻充放電控制電路4和控制單元5，所述的單體狀態(tài)監(jiān)控電路3分別通過電壓采樣信號線6與各鋰離子電池單體I連接。所述的溫度傳感器2設(shè)在鋰離子電池單體I表面，溫度傳感器2的個數(shù)與鋰離子電池單體I的個數(shù)相同，用于測量電池單體I的溫度，并將溫度信號通過溫度傳感器信號線30送入單體狀態(tài)監(jiān)控電路3。各鋰離子單體電池I的正負(fù)極分別引出電壓采樣信號線6，電壓采樣信號線接入單體狀態(tài)監(jiān)控電路3，單體狀態(tài)監(jiān)控電路3通過電壓采樣信號線6獲取各鋰離子單體電池I的當(dāng)前電壓。單體狀態(tài)監(jiān)控電路3負(fù)責(zé)獲取電池單體I的溫度和電壓信息，并將該信息通過信號線9發(fā)送給控制單元5。控制單元5根據(jù)當(dāng)前的溫度及電壓信息，通過控制單元與高頻充放電控制信號線10控制高頻充放電控制4的工作。高頻充放電控制4通過高頻充放電控制與電池正極連接線7及高頻充放電控制與電池負(fù)極連接線8與鋰離子電池組11相連，對鋰離子電池單體I進行高頻充放電，從而使鋰離子電池組11實現(xiàn)自加熱。
[0036]上述鋰離子電池自加熱裝置的工作原理為:當(dāng)電池單體11需要升溫時，控制單元11根據(jù)單體監(jiān)控電路3上報的電池單體11的信息，控制所述的高頻充放電控制電路4工作，對所述的鋰離子電池單體11實現(xiàn)高頻的充放電，該頻率高于電化學(xué)阻抗譜測試中電池電化學(xué)反應(yīng)過程的最低頻率點，從而實現(xiàn)自身加熱、防止枝晶生成的目的。同時，控制單元5根據(jù)單體監(jiān)控電路3上報的電池單體11的信息判斷電池單體11是否存在過壓或欠壓，從而控制高頻充放電電路4的工作狀態(tài)及工作電流。
[0037]如圖6所示，上述鋰離子電池自加熱裝置的自加熱方法具體包括以下步驟:
[0038]在步驟38中，系統(tǒng)上電開機或接收到啟動命令進入開機狀態(tài)；
[0039]在步驟39中，單體狀態(tài)監(jiān)控電路3實時通過電壓采樣信號線6和溫度傳感器2采集各鋰離子電池單體I的電壓、溫度信息，并將信息傳輸給控制單元5 ；
[0040]在步驟40中，控制單元5檢測各鋰離子電池單體I是否存在過壓或欠壓，若是，則執(zhí)行步驟51，若否，則執(zhí)行步驟41 ；
[0041]在步驟41中，控制單元5對各鋰離子電池單體I進行溫度檢測；
[0042]在步驟42中，控制單元5判斷當(dāng)前溫度是否低于設(shè)定下限值，若是，則執(zhí)行步驟43，若否，則執(zhí)行步驟51 ；
[0043]在步驟43中，控制單元5存儲有用于控制高頻充放電控制電路4的設(shè)定頻率和預(yù)設(shè)電流，控制單元5調(diào)用控制單元5存儲的設(shè)定頻率和預(yù)設(shè)電流；
[0044]在步驟44中，控制單元5按設(shè)定頻率和電流控制高頻充放電控制電路4啟動，對鋰離子電池組11進行高頻充放電；
[0045]在步驟45中，控制單元5再次檢測各鋰離子電池單體I電壓；
[0046]在步驟46中，控制單元5判斷是否存在過壓或欠壓，若是，則執(zhí)行步驟47，若否，則執(zhí)行步驟49 ；
[0047]在步驟47中，按設(shè)定規(guī)律降低充放電電流幅值，并執(zhí)行步驟48 ；
[0048]步驟47中的設(shè)定規(guī)律依據(jù)鋰電池參數(shù)及工況參數(shù)而定，比如當(dāng)檢測到鋰離子電池單體過壓或欠壓時，充放電電流幅值減半。
[0049]在步驟48中，判斷當(dāng)前充放電電流是否小于設(shè)定電流限制，若是，則執(zhí)行步驟51，若否，則返回步驟45;
[0050]在步驟49中，控制單元5對各鋰離子電池單體I的溫度進行檢測；
[0051 ] 在步驟50中，控制單元5判斷是否達到預(yù)期溫度，若是，則執(zhí)行步驟51，若否，則返回步驟44 ；
[0052]在步驟51中，控制單元5控制高頻充放電控制電路4停止。
[0053]確定高頻充放電控制電路4設(shè)定工作頻率的原理為:對圖2所示的鋰離子單體電池I的EIS測試結(jié)果進行分析，得到高、中頻區(qū)28和低頻區(qū)29的分界線27，根據(jù)分界線27得到高、中頻區(qū)28和低頻區(qū)29的頻率區(qū)分點。將圖2所示的EIS測試結(jié)果通過圖3所示等效電路模型進行擬合。圖3中，電壓源31為電池荷電狀態(tài)相關(guān)的開路電壓，電阻32為電池歐姆內(nèi)阻及SEI相關(guān)的高頻近似阻抗，電阻34和電容33組成的回路用于描述圖2所示高、中頻區(qū)28的半圓，電阻36、電容35及阻抗元件37則用于描述圖2所示低頻區(qū)29的特性?？梢酝ㄟ^圖2的EIS測試結(jié)果擬合得到圖3的等效電路模型參數(shù)。根據(jù)圖3所示的等效電路模型可以確定電阻34和電容33組成的環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，該時間常數(shù)的倒數(shù)即可設(shè)定為高頻充放電控制電路4的工作頻率。將該工作頻率作為預(yù)設(shè)值存入控制單元5的非易失性存儲中如ROM等，控制單元根據(jù)該值控制高頻充放電控制電路4的工作頻率。
[0054]高頻充放電控制電路4的一種可能的實施方案如圖4所示。該高頻充放電控制電路4包括第一控制開關(guān)14、第二控制開關(guān)12、第三控制開關(guān)15、第四控制開關(guān)13、第一二極管19、第二二極管20、第一電感16、第二電感17和電容18,所述的第一控制開關(guān)14 一端通過電池正極連出線分支21連接鋰離子電池組11正極，另一端分別連接第一二極管19陰極和第一電感16，所述的第二控制開關(guān)12 —端通過電池負(fù)極連出線分支22連接鋰離子電池組11負(fù)極，另一端分別連接第一電感16、電容18和第四控制開關(guān)13，所述的第一二極管19陽極分別連接電容18和第三控制開關(guān)15，所述的第二電感17 —端分別連接第三控制開關(guān)15和第二二極管20陽極，另一端分別連接第四控制開關(guān)13和鋰離子電池組11負(fù)極，第四控制開關(guān)13通過電池負(fù)極連入線分支24與鋰離子電池組11負(fù)極連接，所述的第二二極管20陰極通過電池正極連入線分支23與鋰離子電池組11正極連接。
[0055]高頻充放電控制電路一種可能的工作周期是:第一步，電池組11與高頻充放電控制電路4連接完成；第二步，高頻控制開關(guān)12和高頻控制開關(guān)14導(dǎo)通，導(dǎo)通持續(xù)時間為tl2，此時電池組11放電，并經(jīng)電池正極連出線分支21，電池負(fù)極連出線分支22，高頻控制開關(guān)12和聞頻控制開關(guān)14給電感16充電；第二步，聞頻控制開關(guān)12和聞頻控制開關(guān)14斷開，此時電感16經(jīng)過電容18和二極管19續(xù)流，給電容18充電；第四步，高頻控制開關(guān)15和高頻控制開關(guān)13導(dǎo)通，導(dǎo)通時間為t34，此時電容18經(jīng)過高頻控制開關(guān)15，電感17和高頻控制開關(guān)13放電，同時給電感17充電；第五步,高頻控制開關(guān)15和高頻控制開關(guān)13斷開，此時電感17經(jīng)過二極管20，電池正極連入線分支24，電池組11和電池負(fù)極連入線分支22完成續(xù)流，給電池組11充電。整個工作周期中，電池組11的工作電流波形如圖5所示，該周期所對應(yīng)時間即為之前通過EIS確定的充放電電路工作最低頻率的倒數(shù)。階段25對應(yīng)上述第二步，階段26對應(yīng)上述第五步。階段25和階段26之間部分則對應(yīng)上述第三和第四步。可見，在階段25，電池逐漸向外部放電，并電流逐漸增大，在階段26，電池從外部接收電流，電流逐漸減小。
【權(quán)利要求】
1.一種鋰離子電池自加熱裝置，用于使鋰離子電池組(11)自加熱，其特征在于，該裝置包括溫度傳感器(2)、單體狀態(tài)監(jiān)控電路(3)、高頻充放電控制電路(4)和控制單元(5)，所述的溫度傳感器(2)與鋰離子電池組(11)連接，所述的單體狀態(tài)監(jiān)控電路(3)與鋰離子電池組(11)連接，所述的高頻充放電控制電路⑷的兩端分別連接鋰離子電池組(11)的正負(fù)極，所述的控制單元(5)分別連接單體狀態(tài)監(jiān)控電路(3)和高頻充放電控制電路⑷；控制單元(5)根據(jù)單體狀態(tài)監(jiān)控電路(3)傳輸?shù)匿囯x子電池組(11)的信息，控制高頻充放電控制電路(4)的工作狀態(tài)，對鋰離子電池組(11)進行高頻充放電，從而使鋰離子電池組(11)實現(xiàn)自加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰離子電池自加熱裝置，其特征在于，所述的鋰離子電池組(11)包括多個串聯(lián)的鋰離子電池單體(I)，所述的單體狀態(tài)監(jiān)控電路⑶分別通過電壓采樣信號線(6)與各鋰離子電池單體(I)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鋰離子電池自加熱裝置，其特征在于，所述的溫度傳感器⑵的個數(shù)與鋰離子電池單體⑴的個數(shù)相同，各鋰離子電池單體⑴分別通過一個溫度傳感器(2)與單體狀態(tài)監(jiān)控電路(3)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鋰離子電池自加熱裝置，其特征在于，所述的溫度傳感器(2)設(shè)在鋰離子電池單體(I)表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰離子電池自加熱裝置，其特征在于，所述的高頻充放電控制電路(4)包括第一控制開關(guān)(14)、第二控制開關(guān)(12)、第三控制開關(guān)(15)、第四控制開關(guān)(13)、第一二極管(19)、第二二極管(20)、第一電感(16)、第二電感(17)和電容(18)，所述的第一控制開關(guān)(14) 一端連接鋰離子電池組(11)正極，另一端分別連接第一二極管(19)陰極和第一電感(16)，所述的第二控制開關(guān)(12) —端連接鋰離子電池組(11)負(fù)極，另一端分別連接第一電感(16)、電容(18)和第四控制開關(guān)(13)，所述的第一二極管(19)陽極分別連接電容(18)和第三控制開關(guān)(15)，所述的第二電感(17) —端分別連接第三控制開關(guān)(15)和第二二極管(20)陽極，另一端分別連接第四控制開關(guān)(13)和鋰離子電池組(11)負(fù)極，所述的第二二極管(20)陰極與鋰離子電池組(11)正極連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰離子電池自加熱裝置，其特征在于，所述的控制單元(5)存儲有用于控制高頻充放電控制電路(4)的設(shè)定頻率和預(yù)設(shè)電流。
7.—種如權(quán)利要求2所述的鋰離子電池自加熱方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)單體狀態(tài)監(jiān)控電路(3)實時通過電壓采樣信號線(6)和溫度傳感器(2)采集各鋰離子電池單體(I)的電壓、溫度信息，并將信息傳輸給控制單兀(5)； 2)控制單元(5)檢測各鋰離子電池單體(I)是否存在過壓或欠壓，若是，則執(zhí)行步驟9)，若否，則執(zhí)行步驟3)； 3)控制單元(5)檢測各鋰離子電池單體⑴的溫度是否低于設(shè)定下限值，若是，則執(zhí)行步驟4)，若否，則執(zhí)行步驟9)； 4)控制單元(5)調(diào)用控制單元(5)存儲的設(shè)定頻率和預(yù)設(shè)電流； 5)控制單元(5)按設(shè)定頻率和電流控制高頻充放電控制電路(4)啟動，對鋰離子電池組(11)進行高頻充放電； 6)控制單元(5)再次檢測各鋰離子電池單體(I)是否存在過壓或欠壓，若是，則按設(shè)定規(guī)律降低充放電電流幅值，并執(zhí)行步驟7)，若否，則執(zhí)行步驟8)； 7)判斷當(dāng)前充放電電流是否小于設(shè)定電流限制，若是，則執(zhí)行步驟9)，若否，則返回步驟5)； 8)控制單元(5)檢測各鋰離子電池單體(I)的溫度是否達到預(yù)期溫度，若是，則執(zhí)行步驟9)，若否，則返回步驟5)； 9)控制單元(5)控制高頻充放電控制電路(4)停止。
【文檔編號】H01M10/615GK104282965SQ201310473246
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】戴海峰, 魏學(xué)哲, 朱建功, 孫澤昌 申請人:同濟大學(xué)