一种锂电池低温充电换电系统的制作方法

1.本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种锂电池低温充电换电系统。


背景技术：

2.锂离子电池作为新能源动力系统和储能系统的关键组成，具备越来越广泛的应用场景和巨大的发展潜力。目前，锂离子电池在低温场景下的应用还面临巨大的挑战。低温环境会降低电池的可用容量，并在充电和放电时产生更大的能量损失，整个生命周期内也会导致电池寿命的衰减；另一方面，低温下电池内阻增大，低温充电会提早到达截止电压，导致可充入容量大幅减少，并且增加负极锂枝晶析出和形成的风险，从而更会危害电池安全。从影响电池性能、电池寿命以及安全性等的角度，这些问题都给低温环境中的电池使用带来重大阻碍。因此，需要解决在寒冷环境中电池充电时电池温度过低、可充入容量少、电池衰减严重和安全性降低的问题。需要在电池的充电之前和充电过程中，对锂电池进行有效的加热。
3.当前电池换电技术正在发展，换电系统需要在低温充电场景下提升电池温度，在适宜温度进行充电。但现有外部加热方法的温度一直性较差，效率不高，温升速率低。因此需要推出高效、加热速率快、温度一致性好的电池加热方法。尤其是其中结合加热速率、寿命影响和温升一致性的权衡与综合设计问题。加热速率过低会导致应用场景的局限性，甚至无法满足加热需求；对寿命影响过大则会导致电池提前老化，带来安全性风险；温度变化若存在较大的不均匀性，会对电池的寿命、性能等产生损害。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种锂电池低温充电换电系统。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种锂电池低温充电换电系统，包括控制系统、充放电系统、电池系统和加热系统，其中，
7.所述控制系统与所述充放电系统连接，并为所述充放电线系统提供控制策略；
8.所述充放电系统与所述电池系统连接，用于根据所述控制策略对所述电池系统进行充电或放电，进行电池的热控制，以及能量补给；
9.所述电池系统与所述加热系统连接，用于实现锂电池低温下的温度加热和补偿。
10.上述方案的有益效果是，在低温下对电池系统进行快速加热和快充，电池的温度一致性有大幅提升，减少电池低温工作下的衰减和安全风险。同时可以实现低温下快速充电，并充入更多电量。本发明提出的系统可以面向电动自行车电池的换电柜、电动汽车的换电站、储能电池站、电动汽车车载电池系统等开展具体应用。
11.进一步的，所述充放电系统包括第一单向dc/dc变换器、第二单向dc/dc变换器和单向ac/dc变换器，其中，所述外部电源连接所述单向ac/dc变换器的输入端；所述第一单向dc/dc变换器的输入端连接所述ac/dc变换器的输出端，输出端连接所述电池系统；所述第
二单向dc/dc变换器的输入端连接所述电池系统的输出端，输出端连接耗电电阻，所述控制系统分别连接所述第一单向dc/dc变换器、第二单向dc/dc变换器和单向ac/dc变换器，并为其提供控制策略。
12.上述进一步方案的有益效果是，通过充放电系统为电池系统提供能量补给，同时也可以通过充放电系统为电池系统提供双向脉冲加热。
13.进一步的，所述加热系统采用电加热板，所述电加热板密贴所述电池系统，并通过外部电源控制电加热板的工作。
14.上述进一步方案的有益效果是，为电池系统提供低温状况下的温升。
15.进一步的，所述控制策略为：
16.在低温加热工况下：
17.通过单向ac/dc变换器和第一dc/dc变换器对电池进行充电，并以设定波形充电第一时间间隔后，启动第二dc/dc变换器对电池进行设定波形的放电过程，放电第二时间间隔，由所述电池系统对耗电电阻进行放电，并往复交替上述过程，将电池加热到第一设定温度；
18.通过电源驱动电加热板对电池系统进行传导加热直至电池加热到设定温度阈值停止加热；
19.在低温充电工况下：
20.通过充放电系统及加热系统将电池加热到设定温度阈值后，对电池进行单向充电，其充电过程中，所述单向ac/dc变换器和第一单向dc/dc变换器工作，第二单向dc/dc变换器不工作，由所述外部电源对电池系统进行充电，通过电源驱动电加热板对电池系统进行传导加热保温；当电池系统温度降低至第二设定温度时，执行充放电交替策略，所述单向ac/dc变换器和第一单向dc/dc变换器对电池进行充电，并以设定波形充电第一时间间隔后，启动第二dc/dc变换器对电池进行设定波形的放电过程放电第二时间间隔，并往复交替，将电池加热到第三设定温度；
21.由所述电池系统对耗电电阻进行放电，通过电源驱动电加热板对电池系统进行传导加热，与充放电交替加热策略进行协同联合加热。
22.上述方案的有益效果是，通过不同的控制策略执行电池的低温加热以及低温充放电过程。
23.进一步的，所述加热系统包括循环液体存储箱、水泵和流道板；所述流道板设置于电池系统上，用于对所述电池系统进行加热；所述循环液体存储箱通过管道依次连接所述水泵和流道板，并通过流道板回流所述循环液体存储箱构成热循环结构；所述循环液体存储箱内设置加热器和耗电电阻，其中加热器连接外部电源，耗电电阻连接所述第二dc/dc变换器的输出端。
24.上述进一步方案的有益效果是，采用不同的外部加热装置，利用热循环水对电池系统进行加热。
25.进一步的，所述控制策略为：
26.在低温加热工况下：
27.通过单向ac/dc变换器和第一dc/dc变换器对电池进行充电，并以设定波形充电第一时间间隔后，启动第二dc/dc变换器对电池进行设定波形的对耗电电阻进行放电，并往复
交替上述过程，将电池加热到第一设定温度；
28.通过电源驱动循环液体储存箱中的加热器和耗电电阻加热循环液体，通过水泵建立循环，并通过流道板对电池系统进行传导加热直至电池加热到设定温度阈值停止加热；
29.在低温充电工况下：
30.通过充放电系统及加热系统将电池加热到设定温度阈值后，对电池进行单向充电，其充电过程中，所述单向ac/dc变换器和第一单向dc/dc变换器工作，第二单向dc/dc变换器不工作，由所述外部电源对电池系统进行充电，通过电源驱动循环液体储存箱中的加热器加热循环液体，通过水泵建立循环，并通过流道板对电池系统进行传导加热保温；当电池温度降低至第二设定温度时，执行充放电交替策略，所述单向ac/dc变换器和第一单向dc/dc变换器对电池进行充电，并以设定波形充电第一时间间隔后，启动第二dc/dc变换器对电池进行设定波形的放电过程放电第二时间间隔，并往复交替，将电池加热到第三设定温度；
31.由所述电池系统对耗电电阻进行放电和加热器加热循环液体存储箱中的循环液体，与充放电交替加热策略进行协同联合加热。
32.进一步的，所述充放电系统包括双向ac/dc变换器和双向dc/dc变换器，所述双向ac/dc变换器分别连接外部电源和双向dc/dc变换器，所述双向dc/dc变换器连接所述电池系统；所述控制系统分别连接所述双向dc/dc变换器和双向ac/dc变换器；所述加热系统采用外部加热系统。
33.进一步的，所述控制策略为，
34.在低温加热工况下：
35.通过所述双向ac/dc变换器和双向dc/dc变换器对电池进行充电，以设定波形充电第二时间间隔后，所述双向ac/dc变换器和双向dc/dc变换器对电池进行设定波形的放电并往复交替，直至将电池加热到设定第一设定温度；
36.通过外部电源驱动加热系统对电池系统进行传导加热直至电池加热到设定温度阈值停止加热；
37.在低温充电工况下：
38.通过充放电系统和加热系统将电池加热到设定阈值温度后，所述双向ac/dc变换器和双向dc/dc变换器同时工作，通过外部电源对锂电池进行单向充电，同时外部加热系统进行保温；当电池温度降低时执行充放电交替策略，由电池系统通过所述双向dc/dc变换器和双向ac/dc变换器向外部电源提供能量交互进行加热，并与外部加热系统进行联合加热。
39.上述进一步方案的有益效果是，采用双向ac/dc变换器和双向dc/dc变换器，简化系统组件，同时可实现对电网的补偿。
附图说明
40.图1为本发明锂电池低温充电换电系统原理结构图。
41.图2为本发明实施例采用电加热板的电池外部加热系统和双单向dc/dc变换器的电池双向脉冲充放电系统的结构示意图。
42.图3为本发明实施例采用循环液体加热的电池外部加热系统和双单向dc/dc变换器的电池双向脉冲充放电系统的结构示意图。
43.图4为本发明实施例采用电加热板的电池外部加热系统和双向dc/dc变换器、双向ac/ac变换器的电池双向脉冲充放电系统的方案
具体实施方式
44.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
45.一种锂电池低温充电换电系统，如图1所示，包括控制系统、充放电系统、电池系统和加热系统，其中，
46.所述控制系统与所述充放电系统连接，并为所述充放电线系统提供控制策略；
47.所述充放电系统与所述电池系统连接，用于根据所述控制策略对所述电池系统进行充电或放电，进行电池的热控制，以及能量补给；
48.所述电池系统与所述加热系统连接，用于实现锂电池低温下的温度加热和补偿。
49.具体而言，
50.如图2所示，所述充放电系统包括第一单向dc/dc变换器、第二单向dc/dc变换器和单向ac/dc变换器，其中，所述外部电源连接所述单向ac/dc变换器的输入端；所述第一单向dc/dc变换器的输入端连接所述ac/dc变换器的输出端，输出端连接所述电池系统；所述第二单向dc/dc变换器的输入端连接所述电池系统的输出端，输出端连接耗电电阻，所述控制系统分别连接所述第一单向dc/dc变换器、第二单向dc/dc变换器和单向ac/dc变换器，并为其提供控制策略。
51.所述加热系统采用电加热板，所述电加热板密贴所述电池系统，并通过外部电源控制电加热板的工作。
52.在此种方案下的控制策略为：
53.低温加热方案：
54.a.该系统面向低温加热场景，可以通过电池双向充放电系统实现双向脉冲加热。先通过ac/dc变换器和第一dc/dc变换器对电池进行充电，以某一波形充电一定时间后，暂停工作，再启动第二dc/dc变换器对电池进行某一波形的放电过程，往复交替。从而将电池加热到一定温度。
55.b.该系统面向低温加热场景，可以通过电池外部加热系统实现电池的传导加热。电源驱动电加热板工作，产生热量，对电池系统进行传导加热，从而将电池加热到一定温度。
56.c.该系统面向低温加热场景，可以通过电池双向充放电系统实现双向脉冲加热，并联合电池外部加热系统实现电池的传导加热。
57.在此方案下的低温加热工况所执行的控制策略为：
58.通过单向ac/dc变换器和第一dc/dc变换器对电池进行充电，并以设定波形充电第一时间间隔后，启动第二dc/dc变换器对电池进行设定波形的放电过程，放电第二时间间隔，由所述电池系统对耗电电阻进行放电，并往复交替上述过程，将电池加热到第一设定温度；
59.通过电源驱动电加热板对电池系统进行传导加热直至电池加热到设定温度阈值停止加热。
60.低温充电方案：
61.a.该系统面向低温充电场景，可以通过电池双向充放电系统实现双向脉冲加热，加热到一定温度后，对电池进行单向充电；当电池温度降低后，再对电池进行脉冲加热，温升后再通过单向充电对电池进行能量补给。可重复交替执行上述两过程，从而实现对锂离子电池的低温充电。
62.b.该系统面向低温充电场景，可以通过电池双向充放电系统实现双向脉冲充电，通过设定特定的充电脉冲和放电脉冲，实现锂离子电池低温下同时温升和能量补给。
63.c.该系统面向低温充电场景，通过电池外部加热系统对电池进行加热，同时采用上述a或b的池双向充放电系统控制策略，实现锂离子电池低温下同时温升和能量补给。
64.d.该系统面向低温充电场景，通过电池外部加热系统对电池进行加热，通过电池双向充放电系统实现单向充电，实现锂离子电池低温下同时温升和能量补给。
65.在此方案下的低温充电策略为：
66.通过充放电系统及加热系统将电池加热到设定温度阈值后，对电池进行单向充电，其充电过程中，所述单向ac/dc变换器和第一单向dc/dc变换器工作，第二单向dc/dc变换器不工作，由所述外部电源对电池系统进行充电，通过电源驱动电加热板对电池系统进行传导加热保温；当电池系统温度降低至第二设定温度时，执行充放电交替策略，所述单向ac/dc变换器和第一单向dc/dc变换器对电池进行充电，并以设定波形充电第一时间间隔后，启动第二dc/dc变换器对电池进行设定波形的放电过程放电第二时间间隔，并往复交替，将电池加热到第三设定温度；
67.由所述电池系统对耗电电阻进行放电，通过电源驱动电加热板对电池系统进行传导加热，与充放电交替加热策略进行协同联合加热。
68.如图3所示为本方案的另一种实施方式，本实施例中充放电系统与前述方案相同，本实施例采用的加热系统包括循环液体存储箱、水泵和流道板；所述流道板设置于电池系统上，用于对所述电池系统进行加热；所述循环液体存储箱通过管道依次连接所述水泵和流道板，并通过流道板回流所述循环液体存储箱构成热循环结构；所述循环液体存储箱内设置加热器和耗电电阻，其中加热器连接外部电源，耗电电阻连接所述第二dc/dc变换器的输出端。
69.本实施例里，电池双向充放电系统对电池系统可以进行充电、脉冲加热或脉冲充电。双向充放电系统可以由两个单向dc/dc变换器和一个单向ac/dc变换器构成。ac电源端连接单向ac/dc变换器的输入端，单向ac/dc变换器变换器的输出端连接第一单向dc/dc变换器，第一单向dc/dc变换器再连接电池系统。第二单向dc/dc连接电池系统和耗电电阻。控制系统控制ac/dc变换器和第一单向dc/dc变换器对电池系统进行充电。控制系统控制第二单向dc/dc对电池系统进行放电。充电和放电不同时发生，即ac/dc变换器和单向dc/dc变换器工作时，第二单向dc/dc边缘器不工作；第二单向dc/dc变换器工作时变换器，单向ac/dc变换器和第一单向dc/dc变换器不工作。从而可以组合实现电池系统的双向能量流动。
70.电池外部加热系统采用液体加热方案，循环液体位于循环液体储存箱中，内置加热器和前述电池双向充放电系统的耗电电阻，对循环液体进行加热。水泵则将循环液体从
循环液体储存箱中泵入流道板并建立循环。流道板将高温液体的热量传递到电池系统，实现对电池系统的加热。
71.低温加热方案：
72.a.该系统面向低温加热场景，可以通过电池双向充放电系统实现双向脉冲加热。先通过ac/dc和1号dc/dc对电池进行充电，以某一波形充电一定时间后，暂停工作，再启动2号dc/dc对电池进行某一波形的放电过程，往复交替。从而将电池加热到一定温度。
73.b.该系统面向低温加热场景，可以通过电池外部加热系统实现电池的传导加热。电源驱动循环液体储存箱中的加热器，产生热量，加热循环液体，通过水泵建立循环，通过流道板对电池系统进行传导加热，从而将电池加热到一定温度。
74.c.该系统面向低温加热场景，可以通过电池双向充放电系统实现双向脉冲加热，并联合电池外部加热系统实现电池的传导加热。
75.在此方案下的低温加热策略为：
76.通过单向ac/dc变换器和第一dc/dc变换器对电池进行充电，并以设定波形充电第一时间间隔后，启动第二dc/dc变换器对电池进行设定波形的对耗电电阻进行放电，并往复交替上述过程，将电池加热到第一设定温度；
77.通过电源驱动循环液体储存箱中的加热器和耗电电阻加热循环液体，通过水泵建立循环，并通过流道板对电池系统进行传导加热直至电池加热到设定温度阈值停止加热。
78.低温充电方案：
79.a.该系统面向低温充电场景，可以通过电池双向充放电系统实现双向脉冲加热，加热到一定温度后，对电池进行单向充电；当电池温度降低后，再对电池进行脉冲加热，温升后再通过单向充电对电池进行能量补给。可重复交替执行上述两过程，从而实现对锂离子电池的低温充电。
80.b.该系统面向低温充电场景，可以通过电池双向充放电系统实现双向脉冲充电，通过设定特定的充电脉冲和放电脉冲，实现锂离子电池低温下同时温升和能量补给。
81.c.该系统面向低温充电场景，通过电池外部加热系统对电池进行加热，同时采用上述a或b的池双向充放电系统控制策略，实现锂离子电池低温下同时温升和能量补给。
82.d.该系统面向低温充电场景，通过电池外部加热系统对电池进行加热，通过电池双向充放电系统实现单向充电，实现锂离子电池低温下同时温升和能量补给。
83.在此方案下的低温充电策略为：
84.通过充放电系统及加热系统将电池加热到设定温度阈值后，对电池进行单向充电，其充电过程中，所述单向ac/dc变换器和第一单向dc/dc变换器工作，第二单向dc/dc变换器不工作，由所述外部电源对电池系统进行充电，通过电源驱动循环液体储存箱中的加热器加热循环液体，通过水泵建立循环，并通过流道板对电池系统进行传导加热保温；当电池温度降低至第二设定温度时，执行充放电交替策略，所述单向ac/dc变换器和第一单向dc/dc变换器对电池进行充电，并以设定波形充电第一时间间隔后，启动第二dc/dc变换器对电池进行设定波形的放电过程放电第二时间间隔，并往复交替，将电池加热到第三设定温度；
85.由所述电池系统对耗电电阻进行放电和加热器加热循环液体存储箱中的循环液体，与充放电交替加热策略进行协同联合加热。
86.如图4所示为本发明的另一种实施方式，该方案中充放电系统可以由一个双向ac/dc变换器和一个双向dc/dc变换器构成。ac电源端为允许馈电的电源ac电源端与双向ac/dc变换器连接，双向ac/dc变换器再与双向dc/dc连接，双向dc/dc再连接电池系统。控制系统控制双向ac/dc和双向dc/dc对电池系统进行充电和放电。从而可以实现电池系统的双向能量流动。
87.电池外部加热系统采用电加热板，通过电源供电产生热量，位于电池系统外部，通过热量传导对电池加热。
88.电池外部加热系统采用液体加热方案，循环液体位于循环液体储存箱中，内置加热器和前述电池双向充放电系统的耗电电阻，对循环液体进行加热。水泵则将循环液体从循环液体储存箱中泵入流道板并建立循环。流道板将高温液体的热量传递到电池系统，实现对电池系统的加热。
89.低温加热方案：
90.a.该系统面向低温加热场景，可以通过电池双向充放电系统实现双向脉冲加热。先通过双向ac/dc和双向dc/dc对电池进行充电，以某一波形充电一定时间后，双向ac/dc和双向dc/dc对电池进行某一波形的放电过程，往复交替。从而将电池加热到一定温度。
91.b.该系统面向低温加热场景，可以通过电池外部加热系统实现电池的传导加热。电源驱动电加热板工作，产生热量，对电池系统进行传导加热，从而将电池加热到一定温度。
92.c.该系统面向低温加热场景，可以通过电池双向充放电系统实现双向脉冲加热，并联合电池外部加热系统实现电池的传导加热。
93.在此方案下的低温加热策略为：
94.通过所述双向ac/dc变换器和双向dc/dc变换器对电池进行充电，以设定波形充电第二时间间隔后，所述双向ac/dc变换器和双向dc/dc变换器对电池进行设定波形的放电并往复交替，直至将电池加热到设定第一设定温度；
95.通过外部电源驱动加热系统对电池系统进行传导加热直至电池加热到设定温度阈值停止加热。
96.低温充电策略：
97.a.该系统面向低温充电场景，可以通过电池双向充放电系统实现双向脉冲加热，加热到一定温度后，对电池进行单向充电；当电池温度降低后，再对电池进行脉冲加热，温升后再通过单向充电对电池进行能量补给。可重复交替执行上述两过程，从而实现对锂离子电池的低温充电。
98.b.该系统面向低温充电场景，可以通过电池双向充放电系统实现双向脉冲充电，通过设定特定的充电脉冲和放电脉冲，实现锂离子电池低温下同时温升和能量补给。
99.c.该系统面向低温充电场景，通过电池外部加热系统对电池进行加热，同时采用上述a或b的池双向充放电系统控制策略，实现锂离子电池低温下同时温升和能量补给。
100.d.该系统面向低温充电场景，通过电池外部加热系统对电池进行加热，通过电池双向充放电系统实现单向充电，实现锂离子电池低温下同时温升和能量补给。
101.在此方案下的低温充电策略为：
102.通过充放电系统和加热系统将电池加热到设定阈值温度后，所述双向ac/dc变换
器和双向dc/dc变换器同时工作，通过外部电源对锂电池进行单向充电，同时外部加热系统进行保温；当电池温度降低时执行充放电交替策略，由电池系统通过所述双向dc/dc变换器和双向ac/dc变换器向外部电源提供能量交互进行加热，并与外部加热系统进行联合加热。
103.考虑实际锂电池工况要求，本文所提出的低温场景为
‑
30℃
‑
10摄氏度。
104.可以理解的是，本方案中，电池双向充放电系统采用双向ac/dc和dc/dc方案，也可与液体循环的电池外部加热系统相结合。
105.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
106.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
107.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
108.本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
109.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。