基于电容和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路的制作方法

1.本实用新型属于动力电池电量均衡技术领域，尤其涉及一种基于电容和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路。


背景技术：

2.现有的电池均衡电路有主动均衡和被动均衡两种方式，主要考虑电池单体之间的电量均衡问题，但是忽略了电量均衡过程中产生的热量。在主动均衡电路中，形成的电流较大，电池内部产生的热量较多，但是这些热量并没有被合理利用。被动均衡电路中主要通过耗能电阻对高电量电池进行放电，耗能电阻产生的热量直接散发到空气中，造成能源浪费。
3.而动力电池在低温环境中，由于电解液粘度会变大，离子传导速度变慢，造成外电路电子迁移速度不匹配，因此电池出现严重极化，导致充放电容量急剧降低。低温环境中锂离子很容易在负极表面形成锂枝晶，严重时可能刺穿正负电解液隔膜，导致电池爆炸。锂电池的内阻抗也会在低温环境中增大，降低锂电池的性能。
4.因此，本技术提出一种具有均衡电量和加热功能的复合电路，将电量均衡过程中产生的热量充分利用，避免能量浪费的同时对低温环境中的电池进行加热，提高电池的性能。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种基于电容和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路。
6.本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是：
7.一种基于电容和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路，包括均衡子电路和加热子电路；其特征在于，均衡子电路包括多个均衡单元和一个补充开关，每个均衡单元均包括电池单体、电容和两个开关；每个均衡单元的电池单体和电容串联，两个开关的一端分别与电容的两端连接，两个开关的另一端均与电池单体连接；补充开关与第一个均衡单元的电池单体、电容串联；上一个均衡单元的一个开关与下一个均衡单元的电池单体和电容串联；
8.加热子电路包括导电膜和多个与均衡单元数量相同的加热单元；每个加热单元包括两个开关，导电膜通过每个加热单元的两个开关与各自的均衡单元的电容并联；导电膜包覆在动力电池表面。
9.所述开关为mos管或igbt。
10.所述导电膜为石墨烯电热膜或宽线金属膜。
11.当电池单体之间的电压相差大于或等于主被动均衡压差阈值时，打开高电量电池单体所在均衡单元的一个开关和上一个均衡单元的一个开关，将高电量电池单体与高电量电池单体所在均衡单元的电容连通，多余的电量转移至电容上；然后关闭之前打开的开关，再打开高电量电池单体所在均衡单元的另一个开关和低电量电池单体所在均衡单元的一个开关，将高电量电池单体所在均衡单元的电容与低电量电池单体连通，将电容上的电量
转移至低电量电池单体上；以主动均衡频率重复前述操作，实现电路的主动均衡功能；
12.当电池单体之间的压差小于主被动均衡压差阈值时，打开高电量电池单体所在均衡单元的一个开关和上一个均衡单元的一个开关，将高电量电池单体与高电量电池单体所在均衡单元的电容连通，高电量电池单体上多余的电量转移至电容上；然后关闭之前开关的开关，再打开高电量电池单体所在均衡单元的电容与导电膜之间的两个开关，将电容与导电膜连通，电容放电并将电量转移至导电膜上；以被动均衡频率重复前述操作，实现电路的被动均衡功能；
13.当环境温度低于零摄氏度，且电池单体之间的压差大于或等于加热压差阈值时，打开高电量电池单体所在均衡单元的一个开关和上一个均衡单元的一个开关，将高电量电池单体与高电量电池单体所在均衡单元的电容连通，高电量电池单体上多余的电量转移至电容上；然后关闭之前开关的开关，再打开高电量电池单体所在均衡单元的电容与导电膜之间的两个开关，将电容与导电膜连通，电容放电并将电量转移至导电膜上；以低温加热频率重复前述操作，实现电路的均衡与加热功能；
14.当环境温度低于零摄氏度，且电池单体之间的压差小于加热压差阈值时，先将补充开关和最后一个均衡单元的一个开关打开，此时所有电容相当于串联在一起形成整体电容，对所有电池单体进行整体放电，对整体电容进行充电；然后关闭之前打开的开关，再打开加热子电路两端的开关，将导电膜与整体电容连通，整体电容上的电量转移至导电膜上；以低温加热频率重复前述操作，实现电路的加热功能。
15.所述主被动均衡压差阈值为0.03v。
16.所述加热压差阈值为0.01v。
17.所述主动均衡频率大于或等于1000hz。
18.所述被动均衡频率和加热频率均大于或等于200hz。
19.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
20.本实用新型利用电容和对动力电池进行低温加热的导电膜作为电路的一部分，创新的设计出主被动均衡和加热的复用结构，将主动均衡电路和被动均衡电路结合起来，使得在增加外部设备的情况下，解决了现有技术存在的问题，将均衡电路和加热电路融合，既能均衡电量又能利用均衡过程中产生的热量对低温环境中的动力电池进行加热，提高动力电池的性能，保证动力电池正常工作。
21.控制系统只需要获取电池单体的电压以及动力电池的温度信息，合理选择电路的功能，实现均衡和加热功能之间的协调，提高均衡和加热效率，而且成本低，实现方式简单可靠。
附图说明
22.图1为本实用新型的电路图。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，并不用于限定本技术的保护范围。
24.本实用新型为一种基于电容和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路(简称电
路)，包括均衡子电路和加热子电路；均衡子电路用于均衡各个电池单体的电量，加热子电路用于对动力电池进行加热，提升动力电池的温度；
25.均衡子电路包括多个均衡单元和一个补充开关，每个均衡单元均包括电池单体、电容和两个开关；每个均衡单元的电池单体和电容串联，两个开关的一端分别与电容的两端连接，两个开关的另一端均与电池单体连接；补充开关与第一个均衡单元的电池单体、电容串联；上一个均衡单元的一个开关与下一个均衡单元的电池单体和电容串联，以此将多个均衡单元依次串联，实现均衡子电路的拓展；
26.加热子电路包括导电膜和多个与均衡单元数量相同的加热单元；每个加热单元包括两个开关，导电膜通过每个加热单元的两个开关与对应均衡单元的电容并联；导电膜包覆在动力电池表面。
27.电容作为电量中转部件，电池单体上的电量先转移至电容上，再转移至导电膜或另外的电池单体上；导电膜用于对动力电池进行外部低温加热以及电池单体低压差时的被动均衡。
28.所述导电膜为石墨烯电热膜或宽线金属膜。
29.所述开关为mos管、继电器或igbt等，优选mos管和igbt，开关的速度更快，频率更高。
30.所述mos管可以为n型或p型。
31.本实用新型的工作原理和工作流程是：
32.a、常温下的电量均衡
33.常温高压差主动均衡：当电池单体之间的电压相差较大(大于或等于0.03v)时，采用主动均衡，通过相应的电容转移电池单体上的电量，快速均衡电池单体的电量，最终使各电池单体电量相等；即打开高电量电池单体所在均衡单元的一个开关和上一个均衡单元的一个开关，将高电量电池单体与高电量电池单体所在均衡单元的电容连通，高电量电池单体上多余的电量转移至电容上；然后关闭之前打开的开关，再打开高电量电池单体所在均衡单元的另一个开关和低电量电池单体所在均衡单元的一个开关，将高电量电池单体所在均衡单元的电容与低电量电池单体连通，进而高电量电池单体所在均衡单元的电容上的电量转移至低电量电池单体上；以一定频率(大于或等于1000hz)重复前述操作，实现两个电池单体之间的电量均衡。
34.常温低压差被动均衡：当电池单体之间的压差较小(大于0.01v且小于0.03v)，常温下压差小于0.01v则忽略不计；打开高电量电池单体所在均衡单元的一个开关和上一个均衡单元的一个开关，将高电量电池单体与对应均衡单元的电容连通，对电容进行充电，高电量电池单体上多余的电量转移至电容上；然后关闭之前开关的开关，再打开高电量电池单体所在均衡单元的电容与导电膜之间的两个开关，将电容与导电膜连通，电容放电并将电量转移至导电膜上，以此将高电量电池单体的电量通过电容向导电膜转移，快速消耗掉高电量电池单体多余的电量，提高均衡电量的速度；以一定频率(大于或等于200hz)重复前述操作，实现电路的低压差被动均衡功能。
35.b、低温加热与电量均衡
36.低温高压差加热与均衡复合作用：在低温环境中需要提升动力电池的温度，当电池单体之间的压差较大(大于或等于0.01v)时，打开高电量电池单体所在均衡单元的一个
开关和上一个均衡单元的一个开关，将高电量电池单体与对应均衡单元的电容连通，对电容进行充电，高电量电池单体上多余的电量转移至电容上；然后关闭之前打开的开关，再打开高电量电池单体所在均衡单元的电容与导电膜之间的两个开关，将电容与导电膜连通，电容放电并将电量转移至导电膜上；以一定频率(大于或等于200hz)重复前述操作，通过脉冲放电将高电量电池单体上的电量转移到导电膜上，导电膜发热对动力电池进行升温，在均衡电量的同时对动力电池进行加热。
37.低温无压差加热：在低温环境中需要提升动力电池的温度，当电池单体之间的压差小于0.01v，压差可以忽略不计，各个电池单体的电量基本均衡的情况下，先将补充开关和最后一个均衡单元的一个开关打开，此时所有电容相当于串联在一起形成整体电容，对所有电池单体进行整体放电，对整体电容进行充电；然后关闭之前打开的开关，再打开加热子电路两端的开关，将导电膜与整体电容连通，对整体电容进行放电；以一定频率(大于或等于200hz)重复操作，进行脉冲放电，通过导电膜发热和动力电池内阻放电生热从内、外部同时加热，实现低温无压差加热功能。
38.实施例1
39.本实施例为一种基于电容和导电膜的动力电池均衡与加热复合电路，如图1所示，该电路包括均衡子电路和加热子电路；均衡子电路包括5个均衡单元和n型mos管q1，n型mos管q1作为补充开关，加热子电路包括导电膜和5个加热子单元；
40.其中，均衡单元一包括电池单体bt1、电容c1、n型mos管q2和n型mos管q3；均衡单元二包括电池单体bt2、电容c2、n型mos管q4和n型mos管q5；均衡单元三包括电池单体bt3、电容c3、n型mos管q6和n型mos管q7；均衡单元四包括电池单体bt4、电容c4、n型mos管q8和n型mos管q9；均衡单元五包括电池单体bt5、电容c5、n型mos管q
10
和n型mos管q
11
；图中只画出均衡单元六的电池单体bt6和一个n型mos管q
12
；
41.加热单元一包括n型mos管q
13
和n型mos管q
14
，加热单元二包括n型mos管q
15
和n型mos管q
16
，加热单元三包括n型mos管q
17
和n型mos管q
18
，加热单元四包括n型mos管q
19
和n型mos管q
20
，加热单元五包括n型mos管q
21
和n型mos管q
22
。
42.电池单体bt1～bt6依次串联；n型mos管q1的源极与电池单体bt1的正极连接，n型mos管q1的漏极、n型mos管q2的漏极均与电容c1的一端连接，n型mos管q2的源极和n型mos管q3的源极均与电池单体bt1的负极连接，n型mos管q3的漏极与电容c1的另一端连接；
43.电容c2的一端与n型mos管q3的漏极、n型mos管q4的漏极连接，电容c2的另一端与n型mos管q5的漏极连接，n型mos管q4的源极、n型mos管q5的源极均与电池单体bt2的负极连接；
44.电容c3的一端与n型mos管q5的漏极、n型mos管q6的漏极连接，电容c3的另一端与n型mos管q7的漏极连接，n型mos管q6的源极、n型mos管q7的源极均与电池单体bt3的负极连接；
45.电容c4的一端与n型mos管q7的漏极、n型mos管q8的漏极连接，电容c4的另一端与n型mos管q9的漏极连接，n型mos管q8的源极、n型mos管q9的源极均与电池单体bt4的负极连接；
46.电容c5的一端与n型mos管q9的漏极、n型mos管q
10
的漏极连接，电容c5的另一端与n型mos管q
11
的漏极连接，n型mos管q
10
的源极、n型mos管q
11
的源极均与电池单体bt5的负极连
接；
47.n型mos管q
12
的漏极与电池单体bt6的负极连接，n型mos管q
12
的源极电容c5的另一端连接；
48.n型mos管q
13
的源极与电容c1的一端连接，n型mos管q
14
的源极与电容c1的另一端连接；n型mos管q
15
的源极与电容c2的一端连接，n型mos管q
16
的源极与电容c2的另一端连接；n型mos管q
17
的源极与电容c3的一端连接，n型mos管q
18
的源极与电容c3的另一端连接；n型mos管q
19
的源极与电容c4的一端连接，n型mos管q
20
的源极与电容c4的另一端连接；n型mos管q
21
的源极与电容c5的一端连接，n型mos管q
22
的源极与电容c5的另一端连接；
49.n型mos管q
13
的漏极、n型mos管q
15
的漏极、n型mos管q
17
的漏极、n型mos管q
19
的漏极、n型mos管q
21
的漏极均与导电膜的一端连接，n型mos管q
14
的漏极、n型mos管q
16
的漏极、n型mos管q
18
的漏极、n型mos管q
20
的漏极、n型mos管q
22
的漏极均与导电膜的另一端连接；
50.上述n型mos管的栅极均与外部控制模块连接，图1中未画出连接关系。
51.电容c1～c5作为电池均衡和动力电池加热的能量流动单元；n型mos管q1～q
12
作为电池能量交换的开关，通过控制相应n型mos管的开闭将电容与相邻电池单体进行并联，实现相邻两个电池单体之间的能量交换；n型mos管q
13
…
q
22
作为相应电容和导电膜之间线路通断的开关。
52.常温下不需要对动力电池加热，若电池单体bt1与电池单体bt2之间的压差较大(大于或等于0.03v)，且电池单体bt2的电压低于电池单体bt3～bt6(电池单体bt3～bt6之间不存在压差或可忽略)时，则先打开n型mos管q1和q3，使电池单体bt1与电容c1形成通路，对电容c1进行充电，将电池单体bt1多余的电量转移至电容c1上；然后关闭n型mos管q1和q3，同时打开n型mos管q2和q4，使电容c1与电池单体bt2之间形成通路，电容c1放电并将电量传递给电池单体bt2；以1000hz的频率重复前述操作，实现电量的快速均衡，达到高压差主动均衡的目的。若电池单体bt1与电池单体bt2之间的压差较大(大于或等于0.03v)，电池单体bt2～bt6之间不存在压差或可忽略，则通过高压差主动均衡功能将电池单体bt1上多余的电量转移至其他电池单体上。若电池单体bt1与电池单体bt3之间的压差大于或等于0.03v时，需要通过均衡单元二实现电量均衡，即先将电池单体bt1的电量转移至电池单体bt2上，再将电池单体bt2的电量转移至电池单体bt3上。
53.常温下不需要对动力电池加热，若电池单体bt1与其余电池单体之间的压差较小(小于0.03v且大于0.01v)，电池单体bt1的电压高于电池单体bt2～bt6，电池单体bt2～bt6的电量不需要均衡，则先打开n型mos管q1和q3，使电池单体bt1与电容c1形成通路，对电容c1进行充电，将电池单体bt1多余的电量转移至电容c1上；然后关闭n型mos管q1和q3，同时打开n型mos管q
13
和q
14
，使电容c1与导电膜形成通路，电容c1放电并将电量转移至导电膜；以200hz的频率重复前述操作，均衡电池单体bt1上的电量，实现电路的低压差被动均衡，此时放电产生的热量对于动力电池的温度影响较小，可忽略。若电池单体之间的压差较小(小于0.03v且大于0.01v)，只有电池单体bt1和电池单体bt3的电压与其余电池单体不一致，电量需要均衡，则分别通过低压差被动均衡进行电量均衡。
54.在低温环境(低于零摄氏度)中需要提升动力电池的温度，若电池单体bt1与电池单体bt2之间的压差较大(大于或等于0.01v)，电池单体bt2～bt6之间不存在压差或可忽略，则先打开n型mos管q1和q3，使电池单体bt1与电容c1形成通路，对电容c1进行充电，将电池单
体bt1多余的电量转移至电容c1上；然后关闭n型mos管q1和q3，再打开n型mos管q
13
和q
14
，使电容c1与导电膜形成通路，对电容c1进行放电，将电量转移至导电膜；以200hz的频率重复前述操作，对电池单体bt1进行脉冲放电，使各个电池单体的电量相等，在均衡电量的同时对动力电池进行加热。
55.在低温环境(低于零摄氏度)中需要提升动力电池的温度，且各个电池单体的电量基本均衡的情况下(压差小于0.01v)，打开n型mos管q1和q
11
，此时电容c1～c5相当于一个整体电容，对电池单体bt1～bt5进行整体放电，电量转移至整体电容上；然后关闭n型mos管q1和q
11
，打开n型mos管q
13
和q
22
，将导电膜与整体电容串联，对整体电容进行放电并将电量转移至导电膜上；以200hz的频率重复前述操作，进行脉冲放电，通过导电膜发热和动力电池的内阻发热共同对动力电池进行加热，实现低温下的无压差加热功能。
56.本实用新型未述及之处适用于现有技术。