CN117317456B - 一种家用储能锂电池低温冷启动*** - Google Patents

一种家用储能锂电池低温冷启动*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种家用储能锂电池低温冷启动***，属于储能锂电池领域，包括锂电池、超级电容、加热元件R1、限流电阻R2~R10、光耦SH1~SH3、MOSFET开关管SW1~SW4、二极管D1和D2、电感L1和负载；***通过检测锂电池温度，输出对应的控制信号至光耦SH1~SH3，利用逻辑控制电路控制MOSFET开关管SW1~SW3的导通与关断状态，从而构建不同电路依次实现锂电池内部主动加热模式、升压辅助加热模式、超级电容辅助加热模式和电池常规辅助加热模式；本发明无需提前预热，能提高家用储能锂电池的冷启动速度和电池加热速度，且能保证负载端的稳定电压输出和***快速响应能力。

Description

一种家用储能锂电池低温冷启动***
技术领域
本发明属于储能锂电池领域，具体涉及一种家用储能锂电池低温冷启动***。
背景技术
作为家用储能***或者设备最常用的能源储存技术之一，锂电池具有高能量密度、轻量化、高功率输出、长寿命和循环稳定等优点。然而，在寒冷地区，低温会导致锂电池性能出现衰减，严重限制了诸如一体化家用储能***、便携式储能锂电池等家用储能应用的发展。
在家用储能锂电池***或者设备启动时，往往需要较大的起始电流，而在低温条件下，大的起始电流会导致锂电池出现较大的压降，无法提供足够的功率来启动，如何快速高效的冷启动，是目前家用储能锂电池应用于寒冷地区亟待解决的问题之一。目前，常见的冷启动方案是使用电池加热***来提升电池温度。然而，这种方法需要一定的预热时间，在紧急情况下难以快速启动。此外，通过锂电池自身释放能量加热会导致其可用容量下降。
因此，需要寻找更高效的家用储能锂电池冷启动方案，以减少家用储能锂电池启动时的预热时间和能量消耗，并确保锂电池在低温环境下能够快速提供足够的功率输出。同时，还需要考虑如何减少冷启动过程对锂电池可用容量的影响，通过设计出合理的锂电池冷启动方案，来提高家用储能锂电池在低温环境下的工作性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种家用储能锂电池低温冷启动***。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种家用储能锂电池低温冷启动***，包括：
锂电池、超级电容、加热元件R1、限流电阻R2~R10、光耦SH1~SH3、MOSFET开关管SW1~SW4、二极管D1和D2、电感L1和负载；
其中，所述锂电池、所述限流电阻R3~R10、所述光耦SH1~SH3和MOSFET开关管SW4组成逻辑控制电路；所述家用储能锂电池低温冷启动***通过检测所述锂电池的温度，输出对应的控制信号至所述光耦SH1~SH3，利用所述逻辑控制电路控制MOSFET开关管SW1~SW3的导通与关断状态，从而构建不同电路依次实现锂电池内部主动加热模式、升压辅助加热模式、超级电容辅助加热模式和电池常规辅助加热模式。
在本发明的一个实施例中，所述家用储能锂电池低温冷启动***的电路连接关系，包括：
所述锂电池的正极连接所述光耦SH1的输入端以及所述MOSFET开关管SW4的漏极；
所述光耦SH1的输出端连接所述光耦SH2的输入端，所述光耦SH1的输出端经所述限流电阻R9连接所述MOSFET开关管SW3的栅极；
所述光耦SH2的输出端连接所述MOSFET开关管SW4的栅极，所述光耦SH2的输出端经所述限流电阻R4连接锂电池的负极；
所述MOSFET开关管SW4的源极经所述限流电阻R3连接所述锂电池的负极，所述MOSFET开关管SW4的源极经所述限流电阻R8连接所述MOSFET开关管SW2的栅极；
所述超级电容的正极连接所述光耦SH3的输入端，所述光耦SH3的输出端经限流电阻R7连接所述MOSFET开关管SW1的栅极，所述光耦SH3的输出端经限流电阻R10连接所述超级电容的负极；
所述加热元件R1的一端连接所述MOSFET开关管SW1的源极，所述加热元件R1的另一端连接所述锂电池的负极；
所述二极管D1的正极连接所述锂电池的正极，所述二极管D1的负极连接所述MOSFET开关管SW1的漏极和所述光耦SH3的输入端；
所述电感L1的一端连接所述二极管D1的正极，所述电感L1的另一端连接所述二极管D2的正极、所述MOSFET开关管SW3的漏极和所述限流电阻R2的一端；
所述MOSFET开关管SW3的源极连接所述限流电阻R2的另一端，并连接所述MOSFET开关管SW2的漏极；
所述MOSFET开关管SW2的源极连接所述超级电容的负极、所述锂电池的负极；
所述二极管D2的负极连接所述光耦SH3的输入端、所述超级电容的正极和所述负载的正极；
所述负载的负极连接所述超级电容和所述锂电池的负极；
所述限流电阻R5、R6和R9分别连接所述光耦SH1、SH2和SH3的信号输入端。
在本发明的一个实施例中，所述MOSFET开关管SW1~SW3为NMOS类型，所述MOSFET开关管SW4为PMOS类型。
在本发明的一个实施例中，所述限流电阻R2的阻值为锂电池额定电压与最大电流限制的比值；所述限流电阻R3~R10的阻值小于MOSFET开关管额定电压与最大电流限制的比值。
在本发明的一个实施例中，所述逻辑控制电路中，所述光耦SH1、所述光耦SH2以及所述MOSFET开关管SW4组成与非门电路，用于控制所述MOSFET开关管SW2的关断与导通。
在本发明的一个实施例中，所述家用储能锂电池低温冷启动***输出至所述光耦SH1和SH3的控制信号为温控信号；所述家用储能锂电池低温冷启动***输出至所述光耦SH2的控制信号为PWM信号和温控信号；
所述家用储能锂电池低温冷启动***通过检测所述锂电池的温度，输出对应的控制信号至所述光耦SH1~SH3，利用所述逻辑控制电路控制MOSFET开关管SW1~SW3的导通与关断状态，从而构建不同电路依次实现锂电池内部主动加热模式、升压辅助加热模式、超级电容辅助加热模式和电池常规辅助加热模式，包括：
当所述家用储能锂电池低温冷启动***检测到所述锂电池的温度小于第一预设温度，输出低电平的温控信号至所述光耦SH1和所述光耦SH3，输出PWM信号至所述光耦SH2，利用所述逻辑控制电路控制所述MOSFET开关管SW1和SW3关断，控制所述MOSFET开关管SW2导通，从而构建快速自加热电路和锂电池启动电路，实现锂电池内部主动加热模式；
当所述家用储能锂电池低温冷启动***检测到所述锂电池的温度大于或等于所述第一预设温度且小于或等于第二预设温度，输出高电平的温控信号至所述光耦SH1和所述光耦SH3，输出PWM信号至所述光耦SH2，利用所述逻辑控制电路控制所述MOSFET开关管SW1和SW3导通，控制所述MOSFET开关管SW2高频率导通关断，从而构建锂电池外部加热电路和锂电池电压补偿电路，实现升压辅助加热模式；
当所述家用储能锂电池低温冷启动***检测到所述锂电池的温度大于所述第二预设温度，输出高电平的温控信号至所述光耦SH1~SH3，利用所述逻辑控制电路控制所述MOSFET开关管SW1和SW3导通，控制所述MOSFET开关管SW2关断，从而依次构建超级电容供电电路和锂电池常规输出供电电路，对应实现超级电容辅助加热模式和电池常规辅助加热模式；
其中，所述第一预设温度小于所述第二预设温度。
在本发明的一个实施例中，输入至所述光耦SH2的PWM信号的占空比为，/>为所述升压辅助加热模式时，输入至所述MOSFET开关管SW2的PWM信号的占空比。
在本发明的一个实施例中，构建快速自加热电路和锂电池启动电路，实现锂电池内部主动加热模式，包括：
由所述锂电池、所述电感L1、所述限流电阻R2和所述MOSFET开关管SW2构建所述快速自加热电路；由所述超级电容和所述负载构建所述锂电池启动电路；使得所述快速自加热电路基于所述限流电阻R2，产生不超过所述锂电池的最大放电倍率的瞬时短路电流，实现锂电池内部主动自加热和限流，并在锂电池内部主动自加热过程中，由所述超级电容为所述负载单独供电启动，整体实现锂电池内部主动加热模式。
在本发明的一个实施例中，构建锂电池外部加热电路和锂电池电压补偿电路，实现升压辅助加热模式，包括：
由所述锂电池、所述超级电容、所述二极管D1、所述MOSFET开关管SW1、所述电阻加热元件R1构建所述锂电池外部加热电路；由所述锂电池、所述电感L1、所述MOSFET开关管SW2和SW3、所述二极管D2、所述超级电容和所述负载构建所述锂电池电压补偿电路；实现锂电池升压输出且并联所述超级电容，以提供启动功率且利用所述超级电容补偿所述锂电池的电压，同时为所述负载与所述加热元件R1供电，以利用所述加热元件R1实现外部辅助加热，整体实现升压辅助加热模式。
在本发明的一个实施例中，依次构建超级电容供电电路和锂电池常规输出供电电路，对应实现超级电容辅助加热模式和电池常规辅助加热模式，包括：
在所述超级电容的电压高于所述锂电池的电压时，由所述加热元件R1、所述MOSFET开关管SW1、所述超级电容和所述负载构建所述超级电容供电电路；由所述超级电容为所述负载和所述加热元件R1供电，以利用所述加热元件R1实现外部辅助加热，实现超级电容辅助加热模式；
在所述超级电容的电压小于或等于所述锂电池的电压时，由所述加热元件R1、所述MOSFET开关管SW1、所述锂电池、所述二极管D1和所述负载构建所述锂电池常规输出供电电路；由所述锂电池直接输出为所述负载和所述加热元件R1供电，以利用所述加热元件R1实现外部辅助加热，实现电池常规辅助加热模式。
本发明的有益效果：
本发明实施例提供的家用储能锂电池低温冷启动***，当需要快速启动时，此时锂电池自身温度由于长期处于寒冷环境中相对较低，直接启动由于负载需要较大电流，锂电池出现较大压降导致无法点火，考虑对锂电池进行主动自加热。同时，为了不花费额外等待时间，超级电容可以直接提供启动电流，但超级电容只能提供瞬时大电流，长时间大电流输出必然导致电压下降，因此，本发明实施例在超级电容提供大电流期间，锂电池通过锂电池内部主动加热模式实现内部主动加热，使得锂电池温度快速升高后极化电阻降低，此后切换至升压辅助加热模式，实现锂电池升压大功率输出，同时外部辅助加热，在***完全启动后，停止升压，锂电池正常输出，随着超级电容电压的变化，依次切换至超级电容辅助加热模式和电池常规辅助加热模式，实现锂电池外部辅助加热，为***保温，以在低温条件下保持输出能力。
相比于锂电池传统自加热方式，本发明实施例无需进行提前预热，而是通过控制信号和逻辑控制电路自动控制MOSFET开关管的导通与关断状态，进行模式切换，可实现锂电池不同的加热模式。通过集成内部主动加热和升压输出能够实现锂电池内部快速自加热，保证负载端的稳定电压输出，通过外部辅助加热能够实现外部快速加热并具备保温功能，能够提高***内外部加热速度的同时，保证负载端的稳定电压输出和***快速响应能力，可以提高家用储能锂电池在低温环境下的工作性能。并且，本发明实施例的模式切换全部基于控制信号和逻辑控制电路硬件实现，无需增加额外的控制模块，不会增加***复杂度和成本。
附图说明
图1为一种锂电池低温及常温下的放电特性曲线；
图2为本发明实施例所提供的一种家用储能锂电池低温冷启动***的主电路拓扑结构图；
图3为本发明实施例中家用储能锂电池低温冷启动***对应的控制方法的流程示意图；
图4为本发明实施例不同温度对应的控制信号的示意图；
图5为本发明实施例的内部主动加热模式的电流路径图；
图6为本发明实施例的升压辅助加热模式的电流路径图；
图7为本发明实施例的超级电容辅助加热模式的电流路径图；
图8为本发明实施例的电池常规辅助加热模式的电流路径图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本发明保护的范围。
请参见图1所示，为一种锂电池不同温度下放电特性曲线，从中可以看出，当处于低温环境，锂电池温度较低时，锂电池启动时由于电流需求较大，将会导致电压出现大幅度下降。随着工作时间增加，锂电池自身温度升高，电压开始回升。常见的锂电池冷启动方案是使用电池加热***来提升电池温度，但需要一定的预热时间，难以快速启动。同时，在寒冷条件下***热量自动消耗，长时间的小功率导致加热效率极低。
为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种家用储能锂电池低温冷启动***，包括：
锂电池、超级电容、加热元件R1、限流电阻R2~R10、光耦SH1~SH3、MOSFET开关管SW1~SW4、二极管D1和D2、电感L1和负载；
其中，所述锂电池、所述限流电阻R3~R10、所述光耦SH1~SH3和MOSFET开关管SW4组成逻辑控制电路；所述家用储能锂电池低温冷启动***通过检测所述锂电池的温度，输出对应的控制信号至所述光耦SH1~SH3，利用所述逻辑控制电路控制MOSFET开关管SW1~SW3的导通与关断状态，从而构建不同电路依次实现锂电池内部主动加热模式、升压辅助加热模式、超级电容辅助加热模式和电池常规辅助加热模式。
可选的一种实施方式中，请参见图2所示的所述家用储能锂电池低温冷启动***的电路拓扑结构图，所述家用储能锂电池低温冷启动***的电路连接关系，包括：
所述锂电池的正极连接所述光耦SH1的输入端以及所述MOSFET开关管SW4的漏极；
所述光耦SH1的输出端连接所述光耦SH2的输入端，所述光耦SH1的输出端经所述限流电阻R9连接所述MOSFET开关管SW3的栅极；
所述光耦SH2的输出端连接所述MOSFET开关管SW4的栅极，所述光耦SH2的输出端经所述限流电阻R4连接锂电池的负极；
所述MOSFET开关管SW4的源极经所述限流电阻R3连接所述锂电池的负极，所述MOSFET开关管SW4的源极经所述限流电阻R8连接所述MOSFET开关管SW2的栅极；
所述超级电容的正极连接所述光耦SH3的输入端，所述光耦SH3的输出端经限流电阻R7连接所述MOSFET开关管SW1的栅极，所述光耦SH3的输出端经限流电阻R10连接所述超级电容的负极；
所述加热元件R1的一端连接所述MOSFET开关管SW1的源极，所述加热元件R1的另一端连接所述锂电池的负极；
所述二极管D1的正极连接所述锂电池的正极，所述二极管D1的负极连接所述MOSFET开关管SW1的漏极和所述光耦SH3的输入端；
所述电感L1的一端连接所述二极管D1的正极，所述电感L1的另一端连接所述二极管D2的正极、所述MOSFET开关管SW3的漏极和所述限流电阻R2的一端；
所述MOSFET开关管SW3的源极连接所述限流电阻R2的另一端，并连接所述MOSFET开关管SW2的漏极；
所述MOSFET开关管SW2的源极连接所述超级电容的负极、所述锂电池的负极；
所述二极管D2的负极连接所述光耦SH3的输入端、所述超级电容的正极和所述负载的正极；
所述负载的负极连接所述超级电容和所述锂电池的负极；
所述限流电阻R5、R6和R9分别连接所述光耦SH1、SH2和SH3的信号输入端。
其中，所述光耦SH1~ SH3是在强电和弱电之间起到隔离的电路保护作用。
可选的一种实施方式中，所述加热元件R1可以包括热敏电阻，简称PTC。但本发明实施例使用R1表示加热元件并不意味着将其限制为电阻形式，比如加热元件R1也可以为加热膜等。凡是可以在电路中实现加热功能的元件都可以纳入到本发明实施例加热元件R1的保护范围内，具体在此不做具体限制。
可选的一种实施方式中，所述家用储能锂电池低温冷启动***所述家用储能锂电池低温冷启动***可以通过温度检测模块等实时检测所述锂电池的温度，所述温度检测模块可以为温度传感器等，在此不做具体限制。
可选的一种实施方式中，所述MOSFET开关管SW1~SW3为NMOS类型，所述MOSFET开关管SW4为PMOS类型。
可选的一种实施方式中，所述限流电阻R2的阻值为锂电池额定电压与最大电流限制的比值；本领域技术人员可以理解的是，通过上述设置，所述限流电阻R2的阻值为一个极小值，具体的，限流电阻R2的阻值小于1欧姆，甚至小于0.1欧姆。类似的，所述限流电阻R3~R10的阻值小于MOSFET开关管额定电压与最大电流限制的比值，同样也是极小阻值；本发明实施例中， MOSFET开关管选型可以一样，这样，所述限流电阻R3~R10的阻值是相等或接近的。
可选的一种实施方式中，所述逻辑控制电路中，所述光耦SH1、所述光耦SH2以及所述MOSFET开关管SW4组成与非门电路，用于控制所述MOSFET开关管SW2的关断与导通。这部分可以结合图2以及后文的图4理解。
本发明实施例中，所述家用储能锂电池低温冷启动***输出至所述光耦SH1和SH3的控制信号为温控信号；所述家用储能锂电池低温冷启动***输出至所述光耦SH2的控制信号为PWM信号和温控信号；其中，温控信号即受温度触发产生的控制信号，具体为高电平信号和低电平信号。PWM(脉冲宽度调制)信号由周期性的高低电平构成。
所述家用储能锂电池低温冷启动***通过温控信号以及所述逻辑控制电路自动控制三个MOSFET开关管SW1~SW3的导通或关断的状态，可以实现锂电池内部加热、外部加热或保温，实现快速冷启动和电池加热等目的。以下进行具体说明。
可选的一种实施方式中，请参见图3所示的家用储能锂电池低温冷启动***对应的控制方法的流程示意图，所述家用储能锂电池低温冷启动***通过检测所述锂电池的温度，输出对应的控制信号至所述光耦SH1~SH3，利用所述逻辑控制电路控制MOSFET开关管SW1~SW3的导通与关断状态，从而构建不同电路依次实现锂电池内部主动加热模式、升压辅助加热模式、超级电容辅助加热模式和电池常规辅助加热模式，可以包括以下步骤：
S100，当所述家用储能锂电池低温冷启动***检测到所述锂电池的温度小于第一预设温度，输出低电平的温控信号至所述光耦SH1和所述光耦SH3，输出PWM信号至所述光耦SH2，利用所述逻辑控制电路控制所述MOSFET开关管SW1和SW3关断，控制所述MOSFET开关管SW2导通，从而构建快速自加热电路和锂电池启动电路，实现锂电池内部主动加热模式；
S200，当所述家用储能锂电池低温冷启动***检测到所述锂电池的温度大于或等于所述第一预设温度且与或等于第二预设温度，输出高电平的温控信号至所述光耦SH1和所述光耦SH3，输出PWM信号至所述光耦SH2，利用所述逻辑控制电路控制所述MOSFET开关管SW1和SW3导通，控制所述MOSFET开关管SW2高频率导通关断，从而构建锂电池外部加热电路和锂电池电压补偿电路，实现升压辅助加热模式；
S300，当所述家用储能锂电池低温冷启动***检测到所述锂电池的温度大于所述第二预设温度，输出高电平的温控信号至所述光耦SH1~SH3，利用所述逻辑控制电路控制所述MOSFET开关管SW1和SW3导通，控制所述MOSFET开关管SW2关断，从而依次构建超级电容供电电路和锂电池常规输出供电电路，对应实现超级电容辅助加热模式和电池常规辅助加热模式；
其中，所述第一预设温度小于所述第二预设温度。比如所述第一预设温度可以为预先设置的一个温度下限，比如可以为-40℃等；所述第二预设温度可以为预先设置的一个常温启动温度，比如可以为0℃等；所述第一预设温度和所述第二预设温度具体根据家用储能锂电池***或者设备的工作环境以及电池特性预先设定，在此不做具体限制。
本发明实施例中，不同温度对应的控制信号请参见图4所示。图4第一列中，SH1(SW3)表示SH1和SW3，因为两者收到的控制信号是一致的，第一列中其余也为类似含义，在此不做一一说明。
可以理解的是，所述光耦SH1以自身收到的温控信号直接控制所述MOSFET开关管SW3，所述光耦SH3以自身收到的温控信号直接控制所述MOSFET开关管SW1，当所述锂电池的温度小于所述第一预设温度时，相应的温控信号为低电平信号，当所述锂电池的温度大于或等于所述第一预设温度时，相应的温控信号为高电平信号。所述光耦SH2收到的控制信号为PWM信号和温控信号，当所述锂电池的温度小于或等于所述第二预设温度时，其控制信号为PWM信号，当所述锂电池的温度大于第二温度等级时，其控制信号为高电平的温控信号。
而所述MOSFET开关管SW2收到的控制信号，由所述光耦SH1、所述光耦SH2以及所述MOSFET开关管SW4组成与非门电路输出，在所述锂电池的温度小于所述第一预设温度时为高电平信号，当所述锂电池的温度大于或等于所述第一预设温度且小于或等于所述第二预设温度时，所述MOSFET开关管SW2收到的控制信号为PWM信号，当所述锂电池的温度大于所述第二预设温度时，所述MOSFET开关管SW2收到的控制信号为低电平信号。
其中，输入至所述光耦SH2的PWM信号的占空比为，/>为所述升压辅助加热模式时，输入至所述MOSFET开关管SW2的PWM信号的占空比。
以下对结合对上述各步骤的说明，说明本发明实施例***的工作过程以及工作原理。
针对S100，当所述家用储能锂电池低温冷启动***需要快速启动时，此时锂电池自身温度由于长期处于寒冷环境中相对较低，直接启动由于负载需要较大电流，锂电池出现巨大压降导致***无法正常或可靠启动。现有技术通常采用电池加热***进行预热以提高锂电池温度，但需要一定的预热时间，难以快速启动。同时，在寒冷条件下***热量自动消耗，长时间的小功率加热会导致效率极低。为了不花费额外等待时间，本发明实施例考虑超级电容可以直接提供启动电流，但超级电容只能提供瞬时大电流，长时间大电流输出必然导致电压下降，因此，本发明实施例考虑在锂电池温度极低需要启动时，在超级电容提供大电流期间，先对锂电池进行内部主动自加热。
其中，构建快速自加热电路和锂电池启动电路，实现锂电池内部主动加热模式，包括：
由所述锂电池、所述电感L1、所述限流电阻R2和所述MOSFET开关管SW2构建所述快速自加热电路；由所述超级电容和所述负载构建所述锂电池启动电路；其中，所述快速自加热电路中，所述锂电池的正极连接所述电感L1的一端，所述电感L1的另一端连接所述限流电阻R2的一端，所述限流电阻R2的另一端连接所述MOSFET开关管SW2的漏极，所述MOSFET开关管SW2的源极连接所述锂电池的负极；所述锂电池启动电路中所述超级电容的正极连接所述负载的正极，所述超级电容的负极连接所述负载的负极；
使得所述快速自加热电路基于所述限流电阻R2，产生不超过所述锂电池的最大放电倍率的瞬时短路电流，实现锂电池内部主动自加热和限流，并在锂电池内部主动自加热过程中，由所述超级电容为所述负载单独供电启动，整体实现锂电池内部主动加热模式。
具体的，当检测到锂电池的温度低于所述第一预设温度时，提供给所述光耦SH1和SH3的控制信号为低电平的温控信号，控制所述MOSFET开关管SW1和SW3关断，提供给所述光耦SH2的控制信号为PWM信号，控制所述MOSFET开关管SW2导通，此时，所述锂电池的电流将通过电感L1、所述MOSFET开关管SW2和所述限流电阻R2进行加热，由于所述限流电阻R2的阻值很小，在短时间内通过所述锂电池的内部电流很大，相当于瞬时短路电流，这时，所述锂电池通过自身内阻发热实现内部主动加热，实现了一种大功率加热方式，可以减少锂电池冷启动时的预热时间和能量消耗；并且本发明实施例通过设置所述限流电阻R2的阻值，能够使得产生的瞬时短路电流不超过所述锂电池的最大放电倍率，因而可以实现限流，起到保护电路的作用。在锂电池内部自加热过程中，由所述超级电容为所述负载单独供电启动。可见，本发明实施例该阶段可以通过内部主动加热能够实现锂电池快速自加热，同时超级电容匹配初始负载电压能够实现快速启动。此时的电路工作原理可以结合图5所示的内部主动加热模式的电流路径图理解，其中黑色加粗线表示的是此时的电流路径。
针对S200，当进行锂电池内部主动自加热后，锂电池温度快速升高，因而极化电阻降低，导致锂电池电压输出平台明显下降，这时，本发明实施例利用逻辑控制电路，构建锂电池外部加热电路和锂电池电压补偿电路，实现升压辅助加热模式。
其中，构建锂电池外部加热电路和锂电池电压补偿电路，实现升压辅助加热模式，包括：
由所述锂电池、所述超级电容、所述二极管D1、所述MOSFET开关管SW1、所述电阻加热元件R1构建所述锂电池外部加热电路；由所述锂电池、所述电感L1、所述MOSFET开关管SW2和SW3、所述二极管D2、所述超级电容和所述负载构建所述锂电池电压补偿电路；
其中，所述锂电池外部加热电路中，所述锂电池的正极连接所述二极管D1的正极，所述二极管D1的负极连接所述MOSFET开关管SW1的漏极和所述超级电容的正极，所述MOSFET开关管SW1的源极连接所述加热元件R1的一端，所述加热元件R1的另一端连接所述锂电池和所述超级电容的负极；
所述锂电池电压补偿电路中，所述锂电池正极连接所述电感L1的一端，所述电感L1的另一端连接所述MOSFET开关管SW2的漏极和所述二极管D2的正极，所述二极管D2的负极连接所述超级电容和所述负载的正极，所述超级电容、所述负载和MOSFET开关管SW2的源极连接所述锂电池的负极；
实现锂电池升压输出且并联所述超级电容，以提供启动功率且利用所述超级电容补偿所述锂电池的电压，同时为所述负载与所述加热元件R1供电，以利用所述加热元件R1实现外部辅助加热，整体实现升压辅助加热模式。
具体的，当检测到所述锂电池的温度大于或等于所述第一预设温度且小于或等于第二预设温度时，提供给所述光耦SH1和SH3的控制信号为高电平的温控信号，控制所述MOSFET开关管SW1和SW3导通，提供给所述光耦SH2的控制信号为PWM信号，控制所述MOSFET开关管SW2频繁的导通、关断，实现锂电池升压输出并联超级电容，升压输出是提供启动功率，所述锂电池并联所述超级电容是利用所述超级电容补偿所述锂电池的电压，由于锂电池在低温大电流启动时，其内部的极化电阻快速增大，导致锂电池电压输出明显下降，此时锂电池升压可以有效保证***的稳定电压输出；同时，将所述MOSFET开关管SW1导通，为所述负载和所述加热元件R1供电，通过加热元件R1进行外部辅助加热，可以实现升压辅助加热，作为锂电池的一种外部辅助加热方式，并且，锂电池升压输出还可以进一步提高电池加热的速度。而且，导通MOSFET开关管SW3，可以在升压过程中减小在限流电阻R2上的电量损耗。此时的电路工作原理可以结合图6所示的升压辅助加热模式的电流路径图理解，其中黑色加粗线表示的是此时的电流路径。
针对S300，通过锂电池升压输出和外部辅助加热，可以使得该***达到常温完全启动的状态，这时，当锂电池温度高于所述第二预设温度时，提供给所述光耦SH1、SH2和SH3的控制信号均为高电平的温控信号，此时所述MOSFET开关管SW1和SW3导通，所述MOSFET开关管SW2关断，实现锂电池直接输出为所述负载以及所述加热元件R1供电，以利用所述加热元件R1进行辅助加热。依次构建超级电容供电电路和锂电池常规输出供电电路，对应实现超级电容辅助加热模式和电池常规辅助加热模式。
其中，依次构建超级电容供电电路和锂电池常规输出供电电路，对应实现超级电容辅助加热模式和电池常规辅助加热模式，包括：
1)在所述超级电容的电压高于所述锂电池的电压时，由所述加热元件R1、所述MOSFET开关管SW1、所述超级电容和所述负载构建所述超级电容供电电路；由所述超级电容为所述负载和所述加热元件R1供电，以利用所述加热元件R1实现外部辅助加热，实现超级电容辅助加热模式；此时的电路工作原理可以结合图7所示的超级电容辅助加热模式的电流路径图理解；其中黑色加粗线表示的是此时的电流路径。
这时，停止升压工作，并且保持所述MOSFET开关管SW1和SW3导通，所述锂电池通过所述二极管D1正常输出，可以利用所述加热元件R1实现外部辅助加热，此时，由于前期升压导致所述超级电容的电压高于所述锂电池的电压，所述超级电容将首先放电为所述负载和进行外部辅助加热的加热元件R1提供能量，使得所述加热元件R1进提供加热功能，实现超级电容辅助加热。
2)在所述超级电容的电压小于或等于所述锂电池的电压时，由所述加热元件R1、所述MOSFET开关管SW1、所述锂电池、所述二极管D1和所述负载构建所述锂电池常规输出供电电路；由所述锂电池直接输出为所述负载和所述加热元件R1供电，以利用所述加热元件R1实现外部辅助加热，实现电池常规辅助加热模式。此时的电路工作原理可以结合图8所示的电池常规辅助加热模式的电流路径图理解；其中黑色加粗线表示的是此时的电流路径。
当所述超级电容的放电电压小于或等于所述锂电池的电压时，两者被动并联共同为所述负载和所述加热元件R1提供功率，所述超级电容此时为一个功率滤波器，被动提供功率或吸收所述锂电池的多余输出功率，同时，利用所述加热元件R1实现加热或保温，即实现电池常规辅助加热。
本发明实施例中，所述MOSFET开关管SW1用于控制锂电池利用加热元件R1进行外部辅助加热；所述MOSFET开关管SW2用于控制锂电池的内部主动加热以及锂电池升压输出；所述MOSFET开关管SW3导通时可以避免锂电池升压过程中在限流电阻上消耗能量；所述MOSFET开关管SW2与所述MOSFET开关管SW3用于控制锂电池直接输出。
本发明实施例提供的家用储能锂电池低温冷启动***，当需要快速启动时，此时锂电池自身温度由于长期处于寒冷环境中相对较低，直接启动由于负载需要较大电流，锂电池出现较大压降导致无法点火，考虑对锂电池进行主动自加热。同时，为了不花费额外等待时间，超级电容可以直接提供启动电流，但超级电容只能提供瞬时大电流，长时间大电流输出必然导致电压下降，因此，本发明实施例在超级电容提供大电流期间，锂电池通过锂电池内部主动加热模式实现内部主动加热，使得锂电池温度快速升高后极化电阻降低，此后切换至升压辅助加热模式，实现锂电池升压大功率输出，同时外部辅助加热，在***完全启动后，停止升压，锂电池正常输出，随着超级电容电压的变化，依次切换至超级电容辅助加热模式和电池常规辅助加热模式，实现锂电池外部辅助加热，为***保温，以在低温条件下保持输出能力。
相比于锂电池传统自加热方式，本发明实施例无需进行提前预热，而是通过控制信号和逻辑控制电路自动控制MOSFET开关管的导通与关断状态，进行模式切换，可实现锂电池不同的加热模式。通过集成内部主动加热和升压输出能够实现锂电池内部快速自加热，保证负载端的稳定电压输出，通过外部辅助加热能够实现外部快速加热并具备保温功能，能够提高***内外部加热速度的同时，保证负载端的稳定电压输出和***快速响应能力，可以提高家用储能锂电池在低温环境下的工作性能。并且，本发明实施例的模式切换全部基于控制信号和逻辑控制电路硬件实现，无需增加额外的控制模块，不会增加***复杂度和成本。
进一步的，本发明实施例通过升压辅助加热、超级电容辅助加热和电池常规辅助加热三种加热模式，能够实现外部加热并保温。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种家用储能锂电池低温冷启动***，其特征在于，包括：
锂电池、超级电容、加热元件R1、限流电阻R2~R10、光耦SH1~SH3、MOSFET开关管SW1~SW4、二极管D1和D2、电感L1和负载；
其中，所述锂电池、所述限流电阻R3~R10、所述光耦SH1~SH3和MOSFET开关管SW4组成逻辑控制电路；所述家用储能锂电池低温冷启动***通过检测所述锂电池的温度，输出对应的控制信号至所述光耦SH1~SH3，利用所述逻辑控制电路控制MOSFET开关管SW1~SW3的导通与关断状态，从而构建不同电路依次实现锂电池内部主动加热模式、升压辅助加热模式、超级电容辅助加热模式和电池常规辅助加热模式；
其中，所述家用储能锂电池低温冷启动***的电路连接关系，包括：
所述锂电池的正极连接所述光耦SH1的输入端以及所述MOSFET开关管SW4的漏极；
所述光耦SH1的输出端连接所述光耦SH2的输入端，所述光耦SH1的输出端经所述限流电阻R9连接所述MOSFET开关管SW3的栅极；
所述光耦SH2的输出端连接所述MOSFET开关管SW4的栅极，所述光耦SH2的输出端经所述限流电阻R4连接锂电池的负极；
所述MOSFET开关管SW4的源极经所述限流电阻R3连接所述锂电池的负极，所述MOSFET开关管SW4的源极经所述限流电阻R8连接所述MOSFET开关管SW2的栅极；
所述超级电容的正极连接所述光耦SH3的输入端，所述光耦SH3的输出端经限流电阻R7连接所述MOSFET开关管SW1的栅极，所述光耦SH3的输出端经限流电阻R10连接所述超级电容的负极；
所述加热元件R1的一端连接所述MOSFET开关管SW1的源极，所述加热元件R1的另一端连接所述锂电池的负极；
所述二极管D1的正极连接所述锂电池的正极，所述二极管D1的负极连接所述MOSFET开关管SW1的漏极和所述光耦SH3的输入端；
所述电感L1的一端连接所述二极管D1的正极，所述电感L1的另一端连接所述二极管D2的正极、所述MOSFET开关管SW3的漏极和所述限流电阻R2的一端；
所述MOSFET开关管SW3的源极连接所述限流电阻R2的另一端，并连接所述MOSFET开关管SW2的漏极；
所述MOSFET开关管SW2的源极连接所述超级电容的负极、所述锂电池的负极；
所述二极管D2的负极连接所述光耦SH3的输入端、所述超级电容的正极和所述负载的正极；
所述负载的负极连接所述超级电容和所述锂电池的负极；
所述限流电阻R5、R6和R9分别连接所述光耦SH1、SH2和SH3的信号输入端；
其中，所述家用储能锂电池低温冷启动***输出至所述光耦SH1和SH3的控制信号为温控信号；所述家用储能锂电池低温冷启动***输出至所述光耦SH2的控制信号为PWM信号和温控信号；
所述家用储能锂电池低温冷启动***通过检测所述锂电池的温度，输出对应的控制信号至所述光耦SH1~SH3，利用所述逻辑控制电路控制MOSFET开关管SW1~SW3的导通与关断状态，从而构建不同电路依次实现锂电池内部主动加热模式、升压辅助加热模式、超级电容辅助加热模式和电池常规辅助加热模式，包括：
当所述家用储能锂电池低温冷启动***检测到所述锂电池的温度小于第一预设温度，输出低电平的温控信号至所述光耦SH1和所述光耦SH3，输出PWM信号至所述光耦SH2，利用所述逻辑控制电路控制所述MOSFET开关管SW1和SW3关断，控制所述MOSFET开关管SW2导通，从而构建快速自加热电路和锂电池启动电路，实现锂电池内部主动加热模式；
当所述家用储能锂电池低温冷启动***检测到所述锂电池的温度大于或等于所述第一预设温度且小于或等于第二预设温度，输出高电平的温控信号至所述光耦SH1和所述光耦SH3，输出PWM信号至所述光耦SH2，利用所述逻辑控制电路控制所述MOSFET开关管SW1和SW3导通，控制所述MOSFET开关管SW2高频率导通关断，从而构建锂电池外部加热电路和锂电池电压补偿电路，实现升压辅助加热模式；
当所述家用储能锂电池低温冷启动***检测到所述锂电池的温度大于所述第二预设温度，输出高电平的温控信号至所述光耦SH1~SH3，利用所述逻辑控制电路控制所述MOSFET开关管SW1和SW3导通，控制所述MOSFET开关管SW2关断，从而依次构建超级电容供电电路和锂电池常规输出供电电路，对应实现超级电容辅助加热模式和电池常规辅助加热模式；
其中，所述第一预设温度小于所述第二预设温度。
2.根据权利要求1所述的家用储能锂电池低温冷启动***，其特征在于，
所述MOSFET开关管SW1~SW3为NMOS类型，所述MOSFET开关管SW4为PMOS类型。
3.根据权利要求1所述的家用储能锂电池低温冷启动***，其特征在于，
所述限流电阻R2的阻值为锂电池额定电压与最大电流限制的比值；所述限流电阻R3~R10的阻值小于MOSFET开关管额定电压与最大电流限制的比值。
4.根据权利要求1所述的家用储能锂电池低温冷启动***，其特征在于，
所述逻辑控制电路中，所述光耦SH1、所述光耦SH2以及所述MOSFET开关管SW4组成与非门电路，用于控制所述MOSFET开关管SW2的关断与导通。
5.根据权利要求1至4任一项所述的家用储能锂电池低温冷启动***，其特征在于，
输入至所述光耦SH2的PWM信号的占空比为，/>为所述升压辅助加热模式时，输入至所述MOSFET开关管SW2的PWM信号的占空比。
6.根据权利要求5所述的家用储能锂电池低温冷启动***，其特征在于，构建快速自加热电路和锂电池启动电路，实现锂电池内部主动加热模式，包括：
由所述锂电池、所述电感L1、所述限流电阻R2和所述MOSFET开关管SW2构建所述快速自加热电路；由所述超级电容和所述负载构建所述锂电池启动电路；使得所述快速自加热电路基于所述限流电阻R2，产生不超过所述锂电池的最大放电倍率的瞬时短路电流，实现锂电池内部主动自加热和限流，并在锂电池内部主动自加热过程中，由所述超级电容为所述负载单独供电启动，整体实现锂电池内部主动加热模式。
7.根据权利要求5所述的家用储能锂电池低温冷启动***，其特征在于，构建锂电池外部加热电路和锂电池电压补偿电路，实现升压辅助加热模式，包括：
由所述锂电池、所述超级电容、所述二极管D1、所述MOSFET开关管SW1、所述电阻加热元件R1构建所述锂电池外部加热电路；由所述锂电池、所述电感L1、所述MOSFET开关管SW2和SW3、所述二极管D2、所述超级电容和所述负载构建所述锂电池电压补偿电路；实现锂电池升压输出且并联所述超级电容，以提供启动功率且利用所述超级电容补偿所述锂电池的电压，同时为所述负载与所述加热元件R1供电，以利用所述加热元件R1实现外部辅助加热，整体实现升压辅助加热模式。
8.根据权利要求5所述的家用储能锂电池低温冷启动***，其特征在于，依次构建超级电容供电电路和锂电池常规输出供电电路，对应实现超级电容辅助加热模式和电池常规辅助加热模式，包括：
在所述超级电容的电压高于所述锂电池的电压时，由所述加热元件R1、所述MOSFET开关管SW1、所述超级电容和所述负载构建所述超级电容供电电路；由所述超级电容为所述负载和所述加热元件R1供电，以利用所述加热元件R1实现外部辅助加热，实现超级电容辅助加热模式；
在所述超级电容的电压小于或等于所述锂电池的电压时，由所述加热元件R1、所述MOSFET开关管SW1、所述锂电池、所述二极管D1和所述负载构建所述锂电池常规输出供电电路；由所述锂电池直接输出为所述负载和所述加热元件R1供电，以利用所述加热元件R1实现外部辅助加热，实现电池常规辅助加热模式。
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