一种极低损耗的电池自加热电路的制作方法

1.本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种极低损耗的电池自加热电路。


背景技术：

2.随着科学和工业技术的迅速发展，电池已广泛应用于通讯、汽车及生活等各个领域。
3.电池的性能受到环境因素的影响较大，如锂离子电池尤其是磷酸铁锂电池，在环境温度低时充放电容量会大幅衰减。
4.为提升电池在低温时的性能，通常做法是对电池进行加热升温。
5.对电池进行加热升温，一种方法是对电池组进行整体加热升温，一种方法是对每个电芯进行单独加热升温。
6.对电池组或电芯进行单独加热升温的通常做法是，外接放电电阻和放电开关，在需要加热时闭合开关形成放电回路，放电电流流经电池内阻产生热量实现自加热。这种方法的缺点在于，放电电流在外部放电电阻上也产生大量的无效能量损耗，对电池可用容量影响较大。
7.现提出一种极低损耗的电池自加热电路，其优点是在需要电池自加热时，充放电电流在自加热电路上产生的无效损耗极低，绝大部分的能量均以热量形式产生在电池内部，加热效率高。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提出一种能够对电池（电芯或电池组）进行加热、对每个电芯或电池组加热均匀且能量损耗低的极低损耗电池自加热电路，以克服现有技术中锂电池加热不均匀、能耗大的不足。其优点是在需要电芯或电池组自加热时，在自加热电路上产生的损耗极低，绝大部分的能量均以热量形式产生在电芯或电池组内部，加热效率高。
9.实现本发明目的的技术方案如下：一种极低损耗的电池自加热电路，与电池连接对电池进行加热，其特征在于：包含温度检测电路a、电流检测电路b、状态翻转电路c、全桥拓扑结构电路、两个半桥驱动器和电感；所述电流检测电路b的输入1端b1与电池的正端连接，其输出out端b3与状态翻转电路c的输入端c1连接；状态翻转电路c具有两个输出端c2、c3分别与两个半桥电路的in端连接；电流检测电路b的输入2端b2与全桥拓扑电路的正端连接，全桥拓扑电路的负端连接到电池的负端；两个半桥驱动器ic4、ic5分别与全桥拓扑电路中的两个半桥连接，电感l1连接在两个桥臂的中点，温度检测电路a的地端a1连接到电池的负端，其out端与两个半桥驱动器ic4、ic5
的sd端连接。
10.为了取得更好的技术效果，本发明技术方案的技术特点还可以具体为以下技术特征：1.所述温度检测电路由温度开关ts1和上拉电阻r2组成，温度开关ts1的2端与上拉电阻r2的1端连接，温度开关ts1的1端作为温度检测电路a的地端a1，温度开关ts1的2端作为温度检测电路a的out端a2。
11.2.所述温度检测电路a为热敏电阻或温度传感器或其他温度感应的信号处理电路，其地端连接到电池的负端，其out端与两个半桥驱动器ic4、ic5的sd端连接。
12.3.所述电流检测电路b为电流取样电阻r1和运算放大器ic1组合电路，电流取样电阻r1的1端和2端分别与运算放大器ic1的正负端连接；电流取样电阻r1的1端作为电流检测电路b的输入1端b1与电池的正端连接，电流取样电阻r1的2端作为电流检测电路b的输入2端b2与全桥拓扑结构电路的正端连接，运算放大器ic1的输出out端作为电流检测电路b的输出端b3与状态翻转电路c的输入端c1连接。
13.4.所述电流检测电路b为电流互感器或电流传感器，其输入1端b1与电池的正端连接，输入2端b2与全桥拓扑结构电路的正端连接；其输出out端b3与状态翻转电路c的输入端c1连接。
14.5.所述状态翻转电路c由顺序连接的比较器ic2和触发器ic3构成，比较器ic2的输入端作为状态翻转电路c的输入端c1，触发器ic3的两个输出端q、q’作为状态翻转电路c的两个输出端c2、c3。
15.6. 所述状态翻转电路为单片机或其他逻辑电路。
16.7. 所述电流检测电路b为电流取样电阻r1和运算放大器ic1组合电路，电流取样电阻r1的1端和2端分别与运算放大器ic1的正负端连接；电流取样电阻r1的1端作为电流检测电路的输入1端，电流取样电阻r1的2端作为电流检测电路的输入2端，运算放大器ic1的输出out端作为电流检测电路的输出端；所述状态翻转电路c由顺序连接的比较器ic2和触发器ic3构成，比较器ic2的输入端作为状态翻转电路的输入端，触发器ic3的两个输出端q、q’作为状态翻转电路的两个输出端；所述全桥拓扑电路由四个半导体开关管k1-k4构成，所述第一半导体开关管k1的s端与第三半导体开关管k3的d端连接，构成h桥的一个中点，并连接到电感l1的1端；第二半导体开关管k2的s端与第四半导体开关管k4的d端连接，构成h桥的另一个中点，并连接到电感l1的2端；所述第一、第二半导体开关管k1和k2的d端并联到电流取样电阻r1的2端，电流取样电阻r1的1端连接到电池b1的正端；所述第三、第四半导体开关管k3和k4的s端并联到电池b1的负端；所述电流取样电阻r1的1端和2端分别连接到运算放大器ic1的 端和-端，运算放大器ic1的out端连接到比较器的 端；比较器ic2的-端连接到参考电压ref，比较器ic2的out端连接到触发器ic3的clk端；触发器ic3的t端连接到电源电压vcc，触发器ic3的q端连接到第一半桥驱动器ic4的in端，触发器的q’端连接到第二半桥驱动器ic5的in端；所述第一半桥驱动器ic4的ho端和vs端分别连接到第一半导体开关管k1的g端和s端，第一半桥驱动器ic4的lo端和com端分别连接到第三半导体开关管k3的g端和s端；所述
第二半桥驱动器ic5的ho端和vs端分别连接到第二半导体开关管k2的g端和s端，第二半桥驱动器ic5的lo端和com端分别连接到第四半导体开关管k4的g端和s端；所述温度开关ts1的1端连接到电池b1的-端；温度开关ts1的2端连接到上拉电阻r2的1端，同时连接到第一、第二半桥驱动器ic4和ic5的sd端；上拉电阻r2的1端连接到电源电压vcc。
17.8. 所述电池为电芯或电池组。
18.采用本发明技术方案，具有如下优点：1.利用充放电电流在电池内阻上产生热量实现自加热升温，直至电池温度上升到某一温度为止。
19.2. 本发明中采用电感替代现有技术中的电阻，使充放电电流在外部电路上产生的损耗极低，绝大部分的能量均以热量形式产生在电池内部，加热效率高；3.设置温度检测电路，可准确监测电池的温度，可在需要加热时及时启动加热电路工作对电池进行加热，并在温度达到设定值时停止加热电路工作，避免对电池过度加热；4.相较于通过mos管等外部开关直接对电芯或电池组进行短路放电的技术，本发明技术方案中的充放电电流是平缓可控，而不是急剧上升的，对电芯或电池组没有短路伤害；5.相较于通过mos管等外部开关和外部电阻对电芯或电池组进行放电的技术，本发明技术方案中将外部耗能的电阻更换为储能的电感，消除了不必要的能量损耗。
附图说明
20.图1是本发明的极低损耗电池自加热电路技术方案的一个实施例示意图图2是图1所示的本发明的极低损耗电池自加热电路实施例的电路示意图图3是图2所示实施例的电池自加热电路的一个周期电池充放电电流ib变化示意图图4是图2所示实施例的电池自加热电路的一个周期电感电流il变化示意图电池充放电电流ib正方向、电感电流il正方向如图1中所示。
21.电池b1为电池、温度开关ts1为温度开关、r2为上拉电阻、f1为保险丝、r1为电流取样电阻、ic1为运算放大器、ic2为比较器、ic3为触发器、ic4和ic5分别为第一、第二半桥驱动器、k1、k2、k3和k4分别为第一、第二、第三、第四半导体开关管，l1为电感。
22.a为温度检测电路，b为电流检测电路，c为状态翻转电路。
23.实施例：为了更好地理解和实现本发明的技术方案，以下结合附图1-3对本发明的一个实施例进行详细描述。
24.如图1中所示，本实施例中的极低损耗电池自加热电路，包含温度检测电路a、电流检测电路c、状态翻转电路c、全桥拓扑电路、两个半桥驱动器和电感l1。其中所述全桥拓扑电路由四个半导体开关管k1-k4构成。两个半桥驱动器ic4、ic5分别与全桥拓扑电路中的两个半桥连接，电感l1连接在两个桥臂的中点，全桥拓扑电路的负端连接到电池的负端。
25.如图2所示，本实施例的极低损耗电池自加热电路，具体包含温度开关ts1、上拉电阻r2、保险丝f1、电流取样电阻r1、运算放大器ic1、比较器ic2、触发器ic3、半桥驱动器ic4
和ic5、四个半导体开关管k1、k2、k3和k4、电感l1，所述电池自加热电路与电池（可以为电池组或电芯）b1连接为其加热。
26.其中所述温度检测电路a由温度开关ts1和上拉电阻r2组成，温度开关ts1的2端与上拉电阻r2的1端连接，温度开关ts1的1端作为温度检测电路的地端连接到电池的负端，温度开关ts1的2端作为温度检测电路的out端与两个半桥驱动器ic4、ic5的sd端连接。
27.所述电流检测电路b为电流取样电阻r1和运算放大器ic1组合电路，电阻r1的1端和2端分别与运算放大器ic1的正负端连接；取样电阻r1的1端作为电流检测电路的输入1端与电池的正端连接，取样电阻r1的2端作为电流检测电路的输入2端与全桥拓扑结构电路的正端连接，运算放大器ic1的输出out端作为电流检测电路的输出端与状态翻转电路的输入端连接；所述状态翻转电路c由顺序连接的比较器ic2和触发器ic3构成，比较器ic2的输入端作为状态翻转电路的输入端，触发器ic3的两个输出端q、q’作为状态翻转电路的两个输出端分别与两个半桥电路的in端连接；图1中自加热电路各元件连接关系详细描述如下：所述全桥拓扑电路由四个半导体开关管k1-k4构成。所述第一半导体开关管k1的s端与第三半导体开关管k3的d端连接，构成h桥的一个中点，并连接到电感l1的1端；第二半导体开关管k2的s端与第四半导体开关管k4的d端连接，构成h桥的另一个中点，并连接到电感l1的2端；所述第一半导体开关管k1和第二半导体开关管k2的d端并联到电流取样电阻r1的2端，电流取样电阻r1的1端连接到电池b1的 端；所述第三半导体开关管k3和第四半导体开关管k4的s端并联到电池b1的-端；所述电流取样电阻r1的1端和2端分别连接到运算放大器ic1的 端和-端，运算放大器ic1的out端连接到比较器的 端；比较器的-端连接到参考电压ref，比较器的out端连接到触发器ic3的clk端；触发器的t端连接到电源电压vcc，触发器的q端连接到半桥驱动器ic4的in端，触发器的q’端连接到半桥驱动器ic5的in端；所述第一半桥驱动器ic4的ho端和vs端分别连接到第一半导体开关管k1的g端和s端，第一半桥驱动器ic4的lo端和com端分别连接到第三半导体开关管k3的g端和s端；所述第二半桥驱动器ic5的ho端和vs端分别连接到第二半导体开关管k2的g端和s端，第二半桥驱动器ic5的lo端和com端分别连接到第四半导体开关管k4的g端和s端；所述温度开关ts1的1端连接到电池b1的-端；温度开关ts1的2端连接到上拉电阻r2的1端，同时连接到第一、第二半桥驱动器ic4和ic5的sd端；上拉电阻r2的1端连接到电源电压vcc。
28.工作原理：以下结合附图及实施例，对本发明提供的进行进一步的说明。
29.本发明通过温度检测电路、电流检测电路、状态翻转电路、全桥拓扑电路和电感储能实现的极低损耗电池自加热电路。
30.如图1中所示，四个半导体开关管构成全桥拓扑结构，电感连接在两个桥臂中点。半导体开关管k1和k4同时导通与关断，半导体开关管k2和k3同时导通与关断，半导体开关管k1和k4导通时半导体开关管k2和k3关断，半导体开关管k1和k4关断时半导体开关管k2和
k3导通，构成电池对电感的放电回路，或构成电感对电池的充电回路，电感l仅起到储能作用基本不消耗能量，充电和放电电流ib流经电池内阻实现自加热。
31.电池充放电电流ib正方向、电感电流il正方向如图3-4所示。
32.其中：半桥驱动器ic4和ic5为半导体开关管的驱动器，从ho端和vs端之间输出上开关管驱动信号，从lo端和com端之间输出下开关管驱动信号。上开关管驱动信号与in端输入信号相位相同，下开关管驱动信号与in端输入信号相位相反，上下开关管的驱动信号为互补关系。
33.触发器ic3的q端和q’端也为互补关系，且分别连接到半桥驱动器ic4和ic5的in端。因此当触发器ic3的q端为高电平时，半导体开关管k1和k4导通，半导体开关管k2和k3关断；当触发器ic3的q端为低电平时，半导体开关管k1和k4关断，半导体开关管k2和k3导通。
34.半桥驱动器ic4和ic5的sd端为关断信号输入端，当sd端信号为低电平时，上下开关管驱动信号均被关断。
35.ts1为温度开关，可安装在电池表面或电池内部。当温度低于某一温度时，温度开关断开，半桥驱动器ic4和ic5的sd端被上拉电阻r2上拉到高电平，半导体开关管驱动信号正常，自加热电路开始工作；当温度高于某一温度时，温度开关ts1闭合，半桥驱动器ic4和ic5的sd端为低电平，半导体开关管驱动信号被关断，自加热电路停止工作。
36.自加热电路开始工作后的工作原理及电流的变化过程描述如下：如图2-3所示，电池充放电电流ib流经r1产生微小电压，电压经运算放大器ic1放大后从out端输出到比较器ic2的 端，与比较器ic2的-端参考电压ref比较，当低于ref时比较器ic2的out端保持为低电平，当高于ref时比较器ic2的out端产生一个上升沿脉冲，输出到触发器ic3的clk端，从而使触发器ic3的q和q’端电平发生一次翻转。
37.假设初始状态t0时刻，触发器ic3的q端为高电平，则半导体开关管k1和k4导通，半导体开关管k2和k3关断，则电池电压施加在电感l1的两端，电池为放电状态，放电电流ib线性增大。
38.t1时刻，放电电流ib增大到使比较器ic2的out端产生上升沿脉冲，触发器ic3的q和q’端翻转，即q端输出低电平，故半导体开关管k2和k3导通，半导体开关管k1和k4关断，电感续流对电池b1充电，充电电流ib开始线性减小。
39.t2时刻，充电电流ib减小到零，电池充电结束。半导体开关管k2和k3保持导通，半导体开关管k1和k4保持关断，转为电池放电状态，且放电电流ib开始线性增大。
40.t3时刻，放电电流ib增大到使比较器ic2的out端再次产生上升沿脉冲，触发器ic3的q和q’端翻转，即q端输出高电平，故半导体开关管k1和k4导通，半导体开关管k2和k3关断，电感续流对电池b1充电，充电电流ib开始线性减小。
41.t4时刻，充电电流ib减小到零，电池充电结束。半导体开关管k1和k4保持导通，半导体开关管k2和k3保持关断，转为电池放电状态，且放电电流ib开始线性增大。至此，一个完整的工作周期结束，周而复始。
42.上述充放电电流在电池内阻上产生热量实现自加热升温，直至电池温度上升到某一温度为止。上述放电电流在流经电感时，由于电感为储能元件，理论上无能量损耗，实际上仅在电感等效串联电阻上产生极低能量损耗，因此在电池外部的无效能量损耗极低。
43.本发明技术方案及其实施例中的被加热电池b1可以是电池组，也可以是电芯。
44.本实施例中电流检测电路放置在电池 端，实际应用中，根据需要也可以放置在电池-端。
45.本实施例中所述的各电路及其构成元件是优选的，在实际应用中：本实施例中的电流检测电路还可以采用电流互感器、电流传感器的方式实现；本实施例中的温度检测还可以采用热敏电阻、温度传感器及相应的信号处理电路实现；本实施例中的状态翻转电路还可以采用单片机、其他逻辑电路的方式实现。
46.本发明的极低损耗电池自加热电路，具有能耗低、对电池加热均匀、安全、可靠性高的优点，能够显著提高电池的低温性能，可广泛应用于需要加热改善低温性能的电池中。
47.上述内容为本发明的一个优选实施例，对于其中未详细描述的结构及元件，应理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法实现。
48.本发明上述实施例及其附图仅为帮助理解本发明所述技术方案，不用于限制本发明的技术方案及其保护范围。对采用等同技术手段、等同设备等对本发明权利要求及说明书所公开的技术方案的改进应当认为是没有超出本发明权利要求书及其说明书的范围。