[發(fā)明專利]電動(dòng)汽車動(dòng)力電池低溫交流加熱基本拓?fù)潆娐芳捌鋺?yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711285064.0
• 申請(qǐng)日: 2017-12-07
• 公開（公告）號(hào): CN108054468A
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張承慧;商云龍;崔納新;張奇;段彬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M10/615
• 分類號(hào): H01M10/615;H01M10/625;H01M10/637;H01M10/654;B60L11/18
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 李圣梅

本發(fā)明公開了電動(dòng)汽車動(dòng)力電池低溫交流加熱基本拓?fù)潆娐芳捌鋺?yīng)用，包括第一電池組及第二電池組，利用Buck?Boost變換電路加熱上述電池組，當(dāng)對(duì)第一電池組中的電池單體加熱時(shí)，第一電池組的電池單體處于靜置狀態(tài)；對(duì)第二電池組電池的單體加熱時(shí)，第一電池組的電池單體處于靜置狀態(tài)。對(duì)于基本的加熱拓?fù)?，只需兩個(gè)MOSFET開關(guān)和一個(gè)電感就可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電池組的加熱。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電池加熱技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及電動(dòng)汽車動(dòng)力電池低溫交流加熱基本拓?fù)潆娐芳捌鋺?yīng)用。

背景技術(shù)

電池低溫加熱是保障動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下高效、安全運(yùn)行的必要手段。目前，學(xué)者已經(jīng)提出了很多加熱方法，可分為外部加熱和內(nèi)部加熱兩大類，根據(jù)傳熱介質(zhì)不同，外部加熱方法又可分為氣體、液體、相變材料和電加熱絲等方法。外部加熱方法具有加熱慢、不均勻、效率低、體積大、成本高、可靠性低等缺點(diǎn)。內(nèi)部加熱方法是指在充放電過程中直接利用電池內(nèi)阻的實(shí)部從電芯內(nèi)部產(chǎn)熱，避免了熱量長距離的傳導(dǎo)和擴(kuò)散到環(huán)境中。因此，內(nèi)部加熱方法具有加熱速度快、加熱均勻、效率高、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)部加熱又分為直流放電、直流充電和交流加熱方法。其中，直流充、放加熱對(duì)電池的要求苛刻，要求在一定的SOC范圍內(nèi)，且電流幅值不能過大和持續(xù)時(shí)間不能過長，否則會(huì)在電池負(fù)極產(chǎn)生鋰枝晶，嚴(yán)重影響電池壽命，甚至造成電池內(nèi)部短路。因此，直流加熱方法產(chǎn)熱率低、加熱效果差。而交流加熱方法通過對(duì)電池交流充放電實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的加熱，避免了電池SOC的持續(xù)變化和鋰的析出。因此，交流加熱方法不會(huì)對(duì)電池造成較大的損害，且不會(huì)影響電池電量，具有加熱速度快、效率高和一致性好等優(yōu)點(diǎn)。

從以上分析可以看出，車載動(dòng)力電池加熱的最大挑戰(zhàn)是能量源。一般來說，能量源可以是發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電池以及外部電源。很明顯，只有混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能夠利用發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的熱量和電量來加熱電池，但是加熱速度較慢，效率較低。不過，對(duì)于電動(dòng)汽車來說，只有電池的能量和外部電源可用來加熱電池。現(xiàn)有文獻(xiàn)中存在只使用電池能量的外部傳導(dǎo)加熱和內(nèi)部直流加熱方法。盡管這兩種方法不需要外部電源，獲得了較低的成本和較高的可靠性，但是這兩種方法仍然具有較低的加熱效率、較長的加熱時(shí)間和較大的能量損耗等缺點(diǎn)。如上所述，內(nèi)部交流加熱方法具有很大發(fā)展前景，因?yàn)樵摲椒ㄕ故境隽藘?yōu)越的加熱性能，即加熱速度快、效率高、一致性好以及對(duì)電池?zé)o損傷。但是，現(xiàn)有的交流加熱方法的交流激勵(lì)通常由非車載的充放電設(shè)備產(chǎn)生，具有體積大和重量沉等缺點(diǎn)，是交流加熱方法應(yīng)用到電動(dòng)汽車上的主要障礙。至今為止，仍然沒有一個(gè)體積小、效率高、可靠性高、不需額外電源的車載交流加熱器。

在低溫環(huán)境下，鋰離子動(dòng)力電池的充、放電性能會(huì)急劇變差，極大地降低了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，還會(huì)對(duì)電池造成永久性傷害，降低電池的有效容量和使用壽命。因此，應(yīng)對(duì)車載鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行預(yù)加熱，使電池內(nèi)芯達(dá)到正常工作溫度范圍內(nèi)。

在現(xiàn)有的電池加熱方法中，內(nèi)部加熱方法具有加熱速度快、均勻、效率高、成本低、可靠性高、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。其中，內(nèi)部加熱又有直流加熱和交流加熱方法。其中，直流加熱對(duì)電池的要求苛刻，要求在一定的SOC范圍內(nèi)，且電流幅值不能過大和持續(xù)時(shí)間不能過長，否則會(huì)在電池負(fù)極產(chǎn)生鋰枝晶，嚴(yán)重影響電池壽命，甚至造成電池內(nèi)部短路?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中存在低溫環(huán)境下直流充電和交流充放電下電池電極反應(yīng)機(jī)理示意圖。如圖1(a)所示，在直流充電過程中因鋰在石墨負(fù)極活性材料顆粒中的固相擴(kuò)散系數(shù)降低，導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)生成的鋰不能及時(shí)向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散而在負(fù)極活性材料顆粒表面積累，即產(chǎn)生析鋰。如圖1(b)所示，對(duì)電池加載交流電流時(shí)，鋰離子在電極活性材料顆粒中的擴(kuò)散過程交替進(jìn)行，嵌鋰和脫鋰反應(yīng)交替進(jìn)行，不會(huì)產(chǎn)生析理，因此不會(huì)對(duì)電池的容量造成永久性損傷?？傊?，交流加熱方法通過對(duì)電池交流充放電實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的加熱，避免了電池SOC的持續(xù)變化和鋰的析出，不會(huì)對(duì)電池造成較大的損害，并且具有加熱速度快、效率高和一致性好等優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)極具發(fā)展前景的加熱方法。

但是，現(xiàn)有的交流加熱方法的交流激勵(lì)電流通常由非車載的充放電設(shè)備產(chǎn)生，其由電網(wǎng)供電，具有體積大和重量沉等缺點(diǎn)，是交流加熱方法應(yīng)用到電動(dòng)汽車上的主要障礙。迄今為止，仍然沒有一個(gè)高效的、體積小、可靠性高的車載交流加熱器，特別是不需要外接電源。