[发明专利]电动汽车动力电池低温交流加热基本拓扑电路及其应用

说明书

本发明公开了电动汽车动力电池低温交流加热基本拓扑电路及其应用，包括第一电池组及第二电池组，利用Buck‑Boost变换电路加热上述电池组，当对第一电池组中的电池单体加热时，第一电池组的电池单体处于静置状态；对第二电池组电池的单体加热时，第一电池组的电池单体处于静置状态。对于基本的加热拓扑，只需两个MOSFET开关和一个电感就可实现对整个电池组的加热。

技术领域

本发明涉及电池加热技术领域，特别是涉及电动汽车动力电池低温交流加热基本拓扑电路及其应用。

背景技术

电池低温加热是保障动力电池在低温环境下高效、安全运行的必要手段。目前，学者已经提出了很多加热方法，可分为外部加热和内部加热两大类，根据传热介质不同，外部加热方法又可分为气体、液体、相变材料和电加热丝等方法。外部加热方法具有加热慢、不均匀、效率低、体积大、成本高、可靠性低等缺点。内部加热方法是指在充放电过程中直接利用电池内阻的实部从电芯内部产热，避免了热量长距离的传导和扩散到环境中。因此，内部加热方法具有加热速度快、加热均匀、效率高、成本低、可靠性高等优点。内部加热又分为直流放电、直流充电和交流加热方法。其中，直流充、放加热对电池的要求苛刻，要求在一定的SOC范围内，且电流幅值不能过大和持续时间不能过长，否则会在电池负极产生锂枝晶，严重影响电池寿命，甚至造成电池内部短路。因此，直流加热方法产热率低、加热效果差。而交流加热方法通过对电池交流充放电实现对电池的加热，避免了电池SOC的持续变化和锂的析出。因此，交流加热方法不会对电池造成较大的损害，且不会影响电池电量，具有加热速度快、效率高和一致性好等优点。

从以上分析可以看出，车载动力电池加热的最大挑战是能量源。一般来说，能量源可以是发动机、发电机、电池以及外部电源。很明显，只有混合动力电动汽车能够利用发动机和发电机的热量和电量来加热电池，但是加热速度较慢，效率较低。不过，对于电动汽车来说，只有电池的能量和外部电源可用来加热电池。现有文献中存在只使用电池能量的外部传导加热和内部直流加热方法。尽管这两种方法不需要外部电源，获得了较低的成本和较高的可靠性，但是这两种方法仍然具有较低的加热效率、较长的加热时间和较大的能量损耗等缺点。如上所述，内部交流加热方法具有很大发展前景，因为该方法展示出了优越的加热性能，即加热速度快、效率高、一致性好以及对电池无损伤。但是，现有的交流加热方法的交流激励通常由非车载的充放电设备产生，具有体积大和重量沉等缺点，是交流加热方法应用到电动汽车上的主要障碍。至今为止，仍然没有一个体积小、效率高、可靠性高、不需额外电源的车载交流加热器。

在低温环境下，锂离子动力电池的充、放电性能会急剧变差，极大地降低了电动汽车的续驶里程，还会对电池造成永久性伤害，降低电池的有效容量和使用寿命。因此，应对车载锂离子动力电池进行预加热，使电池内芯达到正常工作温度范围内。

在现有的电池加热方法中，内部加热方法具有加热速度快、均匀、效率高、成本低、可靠性高、易实现等优点。其中，内部加热又有直流加热和交流加热方法。其中，直流加热对电池的要求苛刻，要求在一定的SOC范围内，且电流幅值不能过大和持续时间不能过长，否则会在电池负极产生锂枝晶，严重影响电池寿命，甚至造成电池内部短路。现有文献中存在低温环境下直流充电和交流充放电下电池电极反应机理示意图。如图1(a)所示，在直流充电过程中因锂在石墨负极活性材料颗粒中的固相扩散系数降低，导致电化学反应生成的锂不能及时向颗粒内部扩散而在负极活性材料颗粒表面积累，即产生析锂。如图1(b)所示，对电池加载交流电流时，锂离子在电极活性材料颗粒中的扩散过程交替进行，嵌锂和脱锂反应交替进行，不会产生析理，因此不会对电池的容量造成永久性损伤。总之，交流加热方法通过对电池交流充放电实现对电池的加热，避免了电池SOC的持续变化和锂的析出，不会对电池造成较大的损害，并且具有加热速度快、效率高和一致性好等优点，是一个极具发展前景的加热方法。

但是，现有的交流加热方法的交流激励电流通常由非车载的充放电设备产生，其由电网供电，具有体积大和重量沉等缺点，是交流加热方法应用到电动汽车上的主要障碍。迄今为止，仍然没有一个高效的、体积小、可靠性高的车载交流加热器，特别是不需要外接电源。