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CN110635183B - 一种动力电池系统及低温充电优化加热策略的充电方法 - Google Patents

一种动力电池系统及低温充电优化加热策略的充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电动汽车充电技术领域，公开了一种动力电池系统及低温充电优化加热策略的充电方法，动力电池系统在低温条件下充电时，利用加热系统来升温，当温度达到允许小电流充电时，加热和充电同时进行，加热系统产生的热量加上动力电池系统自身的反应热、焦耳热提高动力电池系统温度，使动力电池系统温度快速上升，且快速处于额定持续大电流充电的过程，缩短低温条件下的充电时间。停止加热的温度点确认为动力电池放热量与加热系统产生热量的平衡点，不会出现加热系统停止后温度持续下降导致反复启动加热系统的问题，达到了低温条件下充电时间短、避免出现反复启动加热系统的效果。

Description

一种动力电池系统及低温充电优化加热策略的充电方法
技术领域
本发明涉及电动汽车充电技术领域，特别涉及一种动力电池系统及低温充电优化加热策略的充电方法。
背景技术
随着全球对于能源与环保问题的要求和重视，新能源汽车应运而生，因为这种汽车符合社会可持续发展的需要。加上我国对新能源汽车的政策鼓励和补贴，中国的电动汽车也越来越普及，商用车、乘用车等多种车型都已得到广泛应用。
锂离子电池作为新能源汽车的动力来源，属于新能源汽车的重要组成部分，其性能直接影响电动车的使用。在所有环境因素中，温度对锂电池的充放电性能影响最大，正负极与电解液的电化学反应均与环境温度有关。低温条件下，正负极材料活性降低，电解液导电能力也会下降，充电能力下降，只能小电流充电或不允许充电；放电能力下降，低温放电电池内阻增大，可用容量减少，影响电池循环寿命。锂电池在温度低于0℃时，大多锂电池不允许充电，为了解决低温充电问题，动力电池会增加设计加热系统，在低温充电阶段先开启加热回路，利用PTC加热板或加热膜加热提高电池系统温度，待温度上升之后再开启充电。但低温充电过程加热策略的不合理，会导致加热回路反复开启或低温充电时间过长，致使消费者体验不佳，用户抱怨大。
因此申请人提供了一种低温条件下充电的优化加热策略的充电方法，主要用于解决电动汽车在低温条件下充电时间过长、反复启动加热系统的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种动力电池系统及低温充电优化策略的充电方法，具有避免动力电池系统低温条件下反复启动加热系统的技术效果。
本发明的提供一种动力电池系统，包括充电回路、加热回路、电池管理系统，所述充电回路设有总负继电器、充电继电器，所述加热回路设有加热系统，加热系统包括加热继电器、加热器，所述加热回路与所述总负继电器、充电继电器并联设置，所述总负继电器、所述充电继电器、所述加热继电器均与所述电池管理系统相连，所述电池管理系统可采集动力电池系统内电池温度。
通过采用上述技术方案，电池管理系统即Battery management system，缩写为BMS，是动力电池系统不可或缺的一部分，功能是根据使用环境对电池的充放电过程进行监测及控制，从而在保证电池安全的前提下最大限度地利用电池储存的能量。电池管理系统主要用于电池温度采集、电压的监控、荷电状态的估算、与充电机通讯、安全保护等。
继电器是具有隔离功能的自动开关元件，电池管理系统通过高边或低边驱动控制线圈，带动负载回路的吸合或断开。
本发明的进一步设置为：所述加热器为PTC加热板或加热膜，所述充电回路和所述加热回路上均设有电流传感器，所述电流传感器与所述电池管理系统相连。
通过采用上述技术方案，电流传感器是一种检测装置，能感受到被测回路电流的信息，并将检测感受到的信息，通过电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。电池管理系统通过电流传感器获取电池充电、加热回路中的电流信息。
熔断器是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。熔断器主要用于过载、短路保护，在充电回路和加热回路上均可安装熔断器。
PTC加热板或加热膜，供电后自热升温使阻值升高进入跃变区，加热板或加热膜表面温度将保持恒定值，该温度只与加热板或加热膜的居里温度和外加电压有关，与环境温度基本无关，对电芯加热提升电池温度，使电池处于适宜的温度进行大电流充电。
本发明提供一种低温充电优化策略的充电方法，包括以下步骤，步骤一，将充电桩的充电枪与动力电池系统相连，信号确认，电池管理系统与充电桩握手成功，电池管理系统检测动力电池系统内的电池最低温度T；步骤二，电池最低温度T＜T0时，进入加热模式且不允许充电，动力电池系统发送请求电压U1，请求电流I1，进行加热；当T＞T1时，进入步骤三；步骤三，电池最低温度T0≤T＜T2时，同时进行加热与充电，动力电池发送请求电压U2，请求电流I2；当电池最低温度T＞T3时，停止加热，进入正常充电模式；T3为动力电池放电热量与加热系统产生热量的平衡温度点；步骤四，电池最低温度T≥T2时，电池管理系统发送请求电压U3、请求电流I3，进入正常充电模式。
本发明的进一步设置为：请求电压U1为加热系统额定电压，请求电压I1＝加热系统功率P/U1；请求电压U2、请求电压U3为动力电池系统的充电电压，请求电流I2＝I1+充电电流，请求电流I3为动力电池系统的充电电流。
本发明的进一步设置为：动力电池系统内电池为三元电池时，请求电压U1为3.65V*电池系统串数，请求电压U2为4.2V*电池系统串数；动力电池系统内电池为铁锂电池时，请求电压U1为3.2V*电池系统串数，请求电压为3.65V*电池系统串数。
通过采用上述技术方案：三元电池指三元聚合物锂电池。
本发明的进一步设置为：T0的范围为-5-0℃，T1的范围为5-10℃。
通过采用上述技术方案，即-5℃≤T0≤0℃，5℃≤T1≤10℃
本发明的进一步设置为：T2的范围为10-15℃。
通过采用上述技术方案，即10℃≤T2≤15℃。
本发明的进一步设置为：加热系统产生的热量
Figure BDA0002211356550000031
式中
Figure BDA0002211356550000032
为电池加热系统单位时间内产生的热量，单位J/S；C为锂电池的等效比热容，单位J/(kg·℃)；M为电池系统质量，单位Kg；dT/dt为温度对时间的变化率；动力电池系统的放电热量
Figure BDA0002211356550000033
Figure BDA0002211356550000034
式中
Figure BDA0002211356550000035
为电池发热功率，单位W；I为电池系统充电电流，放电为正，充电为负，单位A；E为电池系统端电压，单位V；E0为电池系统的开路电压，单位V；T为电池系统的温度，单位℃；dE0/dT为温度系数；当
Figure BDA0002211356550000036
时，即达动力电池放电热量与加热系统产生热量的平衡温度点，动力电池系统电池温度为T3。
通过采用上述技术方案，动力电池系统内的电池采用锂电池，产热主要包括焦耳热和反应热，采用上述方案进行计算。
本发明的进一步设置为：T3的范围为16-20℃。
通过采用上述技术方案，即16℃≤T3≤20℃。
本发明的进一步设置为：还包括步骤五，根据充电功率表和末端充电策略进行充电，直至达到充电截止条件，结束充电。
本发明的有益效果是：动力电池系统在低温条件下充电时，利用加热系统来升温，当温度达到允许小电流充电时，加热和充电同时进行，加热系统产生的热量加上动力电池系统自身的反应热、焦耳热提高动力电池系统温度，使动力电池系统温度快速上升，且快速处于额定持续大电流充电的过程，缩短低温条件下的充电时间。停止加热的温度点确认为动力电池放热量与加热系统产生热量的平衡点，不会出现加热系统停止后温度持续下降导致反复启动加热系统的问题，达到了低温条件下充电时间短、避免出现反复启动加热系统的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的动力电池系统的电气原理图。
图2是本发明的低温充电优化策略的控制流程图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例：一种低温充电优化加热策略的充电方法，用于在低温条件下为动力电池系统充电。动力电池系统包括充电回路、加热回路、电池管理系统，充电回路设有总负继电器、充电继电器、电流传感器、熔断器，加热回路上设有加热系统，加热系统包括加热继电器、加热器、电流传感器、熔断器，加热回路与总负继电器、充电继电器并联设置。加热器为PTC加热板或加热膜，充电回路上的电流传感器、加热回路上的电流传感器均与电池管理系统相连。总负继电器、充电继电器、加热继电器均与电池管理系统相连，电池管理系统可采集动力电池系统内电池温度。
低温充电优化策略的充电方法包括以下步骤，步骤一，将充电桩的充电枪与动力电池系统相连，信号确认，电池管理系统与充电桩握手成功，电池管理系统检测动力电池系统内的电池最低温度T。
步骤二，电池最低温度T＜T0时，进入加热模式且不允许充电，动力电池系统发送请求电压U1，请求电流I1，待充电桩启动充电后，电池管理系统控制总负继电器闭合、加热继电器闭合，进行加热；T0的范围为-5-0℃，优选为0℃。请求电压U1为加热系统额定电压，请求电压I1＝加热系统功率P/U1。当T＞T1时，进入步骤三。T1的范围为5-10℃，优选为5℃。
步骤三，电池最低温度T0≤T＜T2时，同时进行加热与充电，动力电池发送请求电压U2，请求电流I2，待充电桩启动充电后，电池管理系统控制总负继电器闭合、加热继电器闭合、充电继电器闭合。T2的范围为10-15℃，优选为10℃。
请求电压U2为电池系统的充电电压，请求电流I2＝I1+充电电流。动力电池系统内电池为三元电池时，请求电压U2为4.2V*电池系统串数；动力电池系统内电池为铁锂电池时，请求电压为3.65V*电池系统串数。
当电池最低温度T＞T3时，停止加热，进入正常充电模式；T3为动力电池放电热量与加热系统产生热量的平衡温度点。加热系统产生的热量
Figure BDA0002211356550000041
式中
Figure BDA0002211356550000042
为电池加热系统单位时间内产生的热量，单位J/S；C为锂电池的等效比热容，单位J/(kg·℃)；M为电池系统质量，单位Kg；dT/dt为温度对时间的变化率；动力电池系统的放电热量
Figure BDA0002211356550000043
Figure BDA0002211356550000044
式中
Figure BDA0002211356550000045
为电池发热功率，单位W；I为电池系统充电电流，放电为正，充电为负，单位A；E为电池系统端电压，单位V；E0为电池系统的开路电压，单位V；T为电池系统的温度，单位℃；dE0/dT为温度系数；当
Figure BDA0002211356550000046
时，即达动力电池放电热量与加热系统产生热量的平衡温度点，动力电池系统电池温度为T3。T3的范围为16-20℃，优选为16℃。
步骤四，电池最低温度T≥T2时，电池管理系统发送请求电压U3、请求电流I3，请求电压U3为动力电池系统的充电电压，请求电流I3为动力电池系统的充电电流，电池管理系统控制总负继电器闭合、充电继电器闭合，进入正常充电模式。
步骤五，根据充电功率表和末端充电策略进行充电，直至达到充电截止条件，结束充电。

Claims (5)

1.一种低温充电优化加热策略的充电方法，其特征在于：包括以下步骤
步骤一，将充电桩的充电枪与动力电池系统相连，信号确认，电池管理系统与充电桩握手成功，电池管理系统检测动力电池系统内的电池最低温度T；
步骤二，电池最低温度T＜T0时，进入加热模式且不允许充电，动力电池系统发送请求电压U1，请求电流I1，进行加热；当T＞T1时，进入步骤三；所述加热器为PTC加热板或加热膜；T0的范围为-5-0℃，T1的范围为5-10℃；
步骤三，电池最低温度T0≤T＜T2时，同时进行加热与充电，动力电池发送请求电压U2，请求电流I2；当电池最低温度T＞T3时，停止加热，进入正常充电模式；T3为动力电池放电热量与加热系统产生热量的平衡温度点；T2的范围为10-15℃；T3的范围为16-20℃；
步骤四，电池最低温度T≥T2时，电池管理系统发送请求电压U3、请求电流I3，进入正常充电模式。
2.根据权利要求1所述的一种低温充电优化加热策略的充电方法，其特征在于：请求电压U1为加热系统额定电压，请求电压I1＝加热系统功率P/U1；请求电压U2、请求电压U3为动力电池系统的充电电压，请求电流I2＝I1+充电电流，请求电流I3为动力电池系统的充电电流。
3.根据权利要求2所述的一种低温充电优化加热策略的充电方法，其特征在于：动力电池系统内电池为三元电池时，请求电压U1为3.65V*电池系统串数，请求电压U2为4.2V*电池系统串数；动力电池系统内电池为铁锂电池时，请求电压U1为3.2V*电池系统串数，请求电压为3.65V*电池系统串数。
4.根据权利要求2所述的一种低温充电优化加热策略的充电方法，其特征在于：加热系统产生的热量φ1＝C*M*(dT/dt)，式中φ1为电池加热系统单位时间内产生的热量，单位J/S；C为锂电池的等效比热容，单位J/(kg·℃)；M为电池系统质量，单位Kg；dT/dt为温度对时间的变化率；动力电池系统的放电热量φ2＝(I/Vb)[(E-E0)+T(dE0/dT)]，式中φ2为电池发热功率，单位W；I为电池系统充电电流，放电为正，充电为负，单位A；E为电池系统端电压，单位V；E0为电池系统的开路电压，单位V；T为电池系统的温度，单位℃；dE0/dT为温度系数；当φ1＝φ2时，即达动力电池放电热量与加热系统产生热量的平衡温度点，动力电池系统电池温度为T3。
5.根据权利要求2所述的一种低温充电优化加热策略的充电方法，其特征在于：还包括步骤五，根据充电功率表和末端充电策略进行充电，直至达到充电截止条件，结束充电。
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