CN113162141B

CN113162141B - 一种适用于低温环境的锂电池便携式安全充电***及方法

Info

Publication number: CN113162141B
Application number: CN202110287537.0A
Authority: CN
Inventors: 李军求; 杨子传; 孙逢春; 朱超峰
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2021-03-17
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2041-03-17
Also published as: CN113162141A

Abstract

一种低温电池安全充电的便携式***及方法，所述***包括低温供能源、供能源选择切换电路、供电调整电路、充电控制模块以及逆变模块，其先将供能源、低温锂电池与便携式低温充电设备组合；然后由供能源供电，便携低温充电设备控制输出交流电对锂电池加热，恢复温度；最后再由便携低温充电设备控制输出直流电对恢复温度的锂电池进行充电。能够适应多种形式的供能源供电，通过人工可以设定多种加热条件与充电要求，实现了低温锂电池的无需预装加热设备的安全充电。

Description

一种适用于低温环境的锂电池便携式安全充电***及方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种为外部低温亏电电池的便携式安全充电方法。

背景技术

随着锂离子电池的广泛应用，多样化的充电形式也相继涌现。由于低温对锂离子电池性能及安全性的影响较大，尤其在0℃以下的条件下对锂离子电池直接充电，更容易造成内部镀锂，进一步影响使用寿命并降低安全性，因此低温环境下进行安全充电是目前本领域有待解决的重要技术问题。现有的解决手段通常采用先加热后充电的方法，即通过使用油浴、PTC加热电阻的方式由外部设备对锂电池加热，而后转为使用充电机充电。然而，随着移动式充电技术的发展，上述现有低温加热方式的应用也受到了一定限制，尚无法解决在低温环境的移动充电过程中，及时为待充电的电池提供适配的加热设备的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种适用于低温环境的锂电池便携式安全充电***及方法，旨在解决现有技术中需要外部设备生热对锂电池加热的不具备通用性的问题，并解决现有技术中需要电网供电不具备便携性的问题。

本发明的一种低温电池安全充电的便携式***及方法实现了使用外部供能源先对外部低温亏电电池先进行交流加热，恢复温度后再进行充电的功能，也具备单独进行充电或加热的能力。

所述***具体包括以下主要功能模块：

低温供能源、供能源选择切换电路、供电调整电路、充电控制模块以及逆变模块；

其中，低温供能源与供能源选择切换电路连接，用于实现供能源类别选择，和当供能源为全气候电池时的自加热选通；

所述供能源选择切换电路用于根据锂电池类型以及低温供能源类型，使所述低温供能源自产热和/或锂电池自产热；

所述供电调整电路用于对工频交流电进行整流、调压和隔离，输出直流电为完成加热升温的锂电池充电；

所述充电控制模块用于根据锂电池类型及其表面温度，确定是否满足充电条件；若是，则使所述低温供能源和/或锂电池停止加热并闭合供电调整电路进行充电；若否，则保持低温供能源和/或锂电池继续加热升温；所述充电控制模块还可用于对低温供能源提供电力；

所述逆变模块用于在为锂电池进行直流充电或者提供交流激励使锂电池自产热两种状态间切换。

进一步地，所述低温供能源采用全气候电池和/或耐低温电池，被设置成在充电时临时通过结构部件连接于锂电池附近，或者安装于锂电池端利用工频交流电激励产热；如此本发明共有三种供能方式：全气候电池+耐低温电池+工频交流电，均可作为该设备的供能输入。区别在于全气候电池需要利用自身电能和自身加热片进行自加热，最终输出直流电；其余两类不需要自加热步骤。

进一步地，以锂电池内阻直接作为低温生热元件，利用交流激励进行自发热，无需额外设置加热元件。

相应地，本发明还提供了一种适用于低温环境的锂电池便携式安全充电方法，具体包括以下步骤：

S1、将所述低温供能源输入与供能源选择切换电路连接；所述供能选择切换电路对低温供能源类型及锂电池类型进行识别，充电控制模块感测锂电池表面温度，确定锂电池是否处于低温亏电状态；

S2、根据低温供能源、锂电池类型以及温度感测结果，在锂电池存在加热需求的情况下，提供相应的加热升温方式并设置相应的加热参数；

S3、当锂电池表面温度升高至脱离低温状态时，提供相应的充电方式并设置充电参数。

进一步地，全气候电池作为所述低温供能源时，其在充电时临时通过结构部件连接于锂电池附近，供能源选择切换模块控制供电调整模块输出直流驱动所述低温供能源自发热。

进一步地，以锂电池内阻直接作为低温供能源，利用交流激励进行自产热。

进一步地，所述充电控制模块在低温供能源电力不足时，为其提供充电电力。

本发明相对于现有技术至少包括以下优点：

1)本发明所提供的***和方法使用全气候电池、耐低温电池与工频交流电作为供能源，通过设备实现可移动的、便携的对外部电低温亏电锂电池进行加热与充电；

2)可使用工频交流电作为供能源，通过设备对外部低温亏电电池进行加热与充电，能够在通用标准下使用；

3)锂电池的内阻直接作为低温供能源时，加热不需要其具备相关加热设备，简化了***结构；

4)所使用的高频交流电能够保证亏电电池在低温加热下不产生快速老化；

5)先加热后充电的方式保证了亏电电池在低温下的不损伤与析锂，保证了电池低温充电的安全性；

6)能够使用工频交流电作为供能源，对全气候电池和耐低温电池直接进行充电，实现了对便携电池的快速化充电。

附图说明

图1为本发明的低温外部电池安全充电的便携式方法工作流程图；

图2为本发明的低温外部电池安全充电的便携式设备结构示意图；

图3为本发明的低温外部电池安全充电的便携式设备功能说明图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部地实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。

本发明的***先将供能源、外部低温亏电电池与便携式低温充电设备组合；当使用全气候电池时作为供能源时，由便携式低温充电设备控制下输出电流给自身加热元件以产生热量，恢复全气候电池本身温度。当使用其他类型耐低温电池或工频交流电作为供能源时，没有此步骤；然后由供能源供电，便携低温充电设备控制输出交流电对低温亏电的锂电池加热，恢复温度；最后再由便携低温充电设备控制输出直流电对恢复温度的亏电锂电池进行充电，设备结构组成参见图1，工作流程图参见图2。

***各组成核心结构为：

所述逆变模块用于在为锂电池进行直流充电或者提供交流激励使锂电池自发热两种状态间切换。本发明所提供的***包括三种具体工作模式，工作模式参见图3：

a)模式1：使用外部供能电池为锂电池低温充电：通过外部供能电池提供28V直流电，将其变换为32V直流电后，通过逆变产生交流电实现对锂电池的交流加热。当温度达到合适温度后，转为直接使用直流电对锂电池进行充电。

b)模式2：使用工频交流电作为锂电池低温充电：通过外部工频交流电提供220V、50Hz交流电，将其变换为32V直流电后，通过逆变产生交流电实现对锂电池的交流加热。当温度达到合适温度后，转为直接使用直流电对锂电池进行充电。

c)模式3：使用工频交流电作为供能源的对全气候电池与其他耐低温电池充电：通过外部工频交流电提供220V、50Hz交流电，将其变换为32V直流电直接输出至供能电池为其进行充电。

模式1和模式2针对锂电池使用，模式3针对供能电池亏电时使用。模式1和模式2可以实现不同供能源下的外部低温亏电电池的先加热后充电；模式3是可以在供能电池亏电下直接使用该设备通过工频交流电进行充电的辅助应用功能。

模式1和模式2的加热方式与外部低温亏电电池的充电方式以及参数设置功能，可以通过设备人机交互面板或连接外部控制器/上位机实现，包括单充电、单加热、加热后充电三种基础功能，并可以在三种基础功能上组合设置规则使用。

a)单充电功能：

1)选择充电方式，充电方式包括但不限于恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电等通用电池充电方式；

2)设置充电参数，充电参数包括但不限于截止电压、充电电流、充电容量等通用电池充电参数

3)开始充电，达到设定充电结束规则后自动停止。

b)单加热功能：

1)选择加热方式，加热方式包括但不限于正弦交流电、方波交流电等高频交流电电池加热；

2)设置加热参数，加热参数包括但不限于截止温度、加热电流幅值、频率、加热功率、被加热电池种类、容量等参数；

3)开始加热，达到设定加热结束规则后自动停止。

c)加热后充电：

1)设置前述单充电模式充电方式及参数，单加热模式加热方式及参数；

2)开始单加热模式，达到设定加热结束规则后自动转为单充电模式；

3)到达设定充电结束规则后自动停止。

模式1和模式2中的对锂电池的加热是利用电池内部阻抗，输入高频交流电生热实现的，其供能源为工频交流电或供能电池供电。

电池内部有电流负载时会产生热量，而高频交流电则是在保证电池SOC不变且不影响其寿命情况下利用内部阻抗生热，从内部生成热量，加热均匀且热耗散小。其产热速率计算如下：

式中：i为激励电流幅值，R_re为电池阻抗实部(随温度与频率变化)，可通过离线电化学交流阻抗谱获得。

锂电池交流加热的产热功率随着加热交流电有效值的增大而增大。对电池的损伤随着加热交流电的频率的增高而降低。

交流电外部加热设置电池安全工作电压上下限为电池额定工作电压上下限数值。

交流电外部加热设置电池安全工作电流最大值，设置为：

式中，U_oc表示为电池开路电压。

模式1和模式2中的锂电池的充电是利用工频交流电或供能电池供电，将输入电源进行包括但不限于滤波、整流、变压转换后控制输出给外部亏电电池进行充电。

模式3中的对供能电池的充电是利用外部工频交流电，对其进行包括但不限于滤波、整流、变压转换后控制输出给供能电池进行充电。其参数设置与模式1和模式2的充电参数设置一致。

便携式低温充电设备的控制供电由设备自备辅助电能源实现，基于嵌入式控制器实现人机交互、各功能设置与控制、通讯、散热等功能。通讯方式包括但不限于CAN通讯、USB通讯、以太网通讯，冷却方式为风冷。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种低温电池安全充电的便携式***，其特征在于：

所述***具体包括以下主要功能模块：

其中，所述低温供能源采用全气候电池和/或耐低温电池和/或工频交流电，被设置成在充电时临时通过结构部件连接于锂电池附近，或者安装于锂电池端；低温供能源与供能源选择切换电路连接，用于实现供能源类别选择，和当供能源为全气候电池时的自加热选通；

所述逆变模块用于在为锂电池进行直流充电或者提供交流激励使锂电池自产热两种状态间切换；

所述便携式***提供以下三种工作模式：

模式1：使用外部供能电池作为低温供能源为锂电池低温充电：通过外部供能电池提供直流电，经变换后通过逆变产生交流电实现对锂电池的交流加热；当温度达到合适温度后，转为直接使用直流电对锂电池进行充电；

模式2：使用工频交流电作为低温供能源为锂电池低温充电：通过将外部工频交流电变换为直流电后，通过逆变产生交流电实现对锂电池的交流加热；当温度达到合适温度后，转为直接使用直流电对锂电池进行充电；

模式3：使用工频交流电作为低温供能源为全气候电池与其他耐低温电池充电；

以上模式1和模式2针对锂电池使用，模式3针对作为低温供能源的全气候电池亏电时使用；

由上述工作模式提供以下a)单充电、b)单加热、c)加热后充电三种基础功能及组合规则：

a）单充电功能：

1）选择充电方式，充电方式包括恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电方式；

2）设置充电参数，充电参数包括截止电压、充电电流、充电容量参数；

3）开始充电，达到设定充电结束规则后自动停止；

b）单加热功能：

1）选择加热方式，加热方式包括正弦交流电、方波交流电的高频交流电为电池加热；

2）设置加热参数，加热参数包括截止温度、加热电流幅值、频率、加热功率、被加热电池种类、容量参数；

3）开始加热，达到设定加热结束规则后自动停止；

c）加热后充电：

1）设置前述单充电模式充电方式及参数，单加热模式加热方式及参数；

2）开始单加热模式，达到设定加热结束规则后自动转为单充电模式；

3）到达设定充电结束规则后自动停止。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于：以锂电池内阻直接作为低温生热元件，利用交流激励进行自发热，无需额外设置加热元件。

3.一种适用于低温环境的锂电池便携式安全充电方法，其特征在于：利用如权利要求1-2任一项所述的***，所述方法具体包括以下步骤：

S1、将所述低温供能源输入与供能源选择切换电路连接；所述供能源选择切换电路对低温供能源类型及锂电池类型进行识别，充电控制模块感测锂电池表面温度，确定锂电池是否处于低温亏电状态；

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：全气候电池作为所述低温供能源时，其在充电时临时通过结构部件连接于锂电池附近，供能源选择切换模块控制供电调整模块输出直流驱动所述低温供能源自产热。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：以锂电池内阻直接作为低温供能源，利用交流激励进行自发热。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述充电控制模块在低温供能源电力不足时，为其提供充电电力。