[发明专利]一种电动车锂离子动力电池组加热装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池应用领域，尤其涉及电动车锂离子电池组的加热设计，适用于电动车，储能系统的锂离子电池组的加热。

背景技术

锂离子电池是目前在广泛应用的能量密度最大的移动储能电源，已被越来越多地应用到电动汽车，储能电站等新能源领域。锂离子电池在实际使用时对环境温度的要求较为苛刻，大多数的锂离子电池在低温条件下禁止任充放电，这时因为：一，低温使得锂离子电池的直流内阻的变大导致充放电效率变低，例如一款2.6Ah三元锂离子电池，在零下10^oC时充电只能充入设计容量的不到十分之一；二是在低温下锂离子电池内部电极活性材料的电化学反应速度变慢，锂离子及其它导电离子在电极内部的扩散与常温状态下相比变得更困难，在这种情况下强制对电池进行充电或放电，会导致锂离子在电极表面聚集，甚至会有锂离子还原成锂，导致所谓的电极“析锂”；“析锂”对锂离子电池来说是致命的，直接后果是严重影响电池寿命，甚至会造成电池内部短路和热失控。所以在低温环境下运行的以锂离子电池为动力的电动车要求它的电池系统必须具备充电前的预加热功能。

在电池包内安装电加热器的加热方案已被很多电动车采用，加热所需能量取自于外部电源或电池包自身，常见的电加热材料有PTC电阻型材料，电阻丝和电加热膜，或用这些材料而做成的加热板，这种加热方式优点是安全、可靠、成本低；缺点是加热不均匀，加热时常常造成电池组各单体电池之间，或同一单体电池的内部与外部的温度不一致，这同样会严重损害锂离子电池的循环寿命和一致性。用外加热方式要保证电池组的温度场均匀通常是困难的，即使做到相对均匀也是要以系统结构复杂，体积大，实施成本高为代价。

也有通过对电池大电流放电使其内部产生热而达到对电池加热的方案披露；但是这通常应用到那些允许低温放电的电池体系，如铅酸电池；针对锂离子电池系统很少应用。

利用大功率的交流电流流经电池组，以电流在电池组内部的电热效应对电池组进行加热的技术方案是可行的；该方案中被加热电池自身就是热源，热量由里及外传递，使得温度场分布更合理、均匀；且如果频率选的足够高，该交流电流不会对电池做实质性的充电或放电，因此也不会有电池内部的锂离子迁移，上述的“析锂”现象也不会发生，所以这是一种相对“稳妥”的锂离子电池的加热方式；但在实际中交流加热方案却很少应用，这主要是附加大功率交流加热电源实现困难，成本高等原因所致。本发明公开了一种针对电动车锂离子电池组的加热装置，以交流加热的方式，实现了一种可靠的，低成本的，对电池组不造成伤害的加热方法。

对于锂离子电池的电极动力学过程，可以用等效电路的方式描述（参见图2）；电动势原件（40）等效电池在开路状态下的电压，电阻（41）等效电池欧姆内阻，它反映了锂离子电池内部所有物理连接、电液、隔膜、SEI膜形成的电阻总和；（43）是电池内部的双层电容，存在于电极的电化学反应界面，与电极比表面积成正比例关系，对大容量的锂离子电池，其值都在几个到几十个法拉。阻抗（42）描述电极动力学过程中的电化学极化行为，恒相位元件（44）描述电极过程中的浓差极化行为；电池的外部总电流为I，流过（42，44）支路的分电流Ir 作为总电流I的一部分，是电极过程的反应应电流，其值由正负电极之间锂离子的迁移数目决定，如果Ir为零则表明电池内部没有锂离子的迁移，这时的电化学极化和浓差极化也为之零。在外电流是一交流电流的情况下，随着交流频率加大，双层电容（43）对电流I的阻抗将成反比例关系地减小，当频率足够大时，电容（43）对电流I的阻抗近乎为0，电流I全部流经双层电容（43），反应电流Ir近似为零，换而言之，对于频率足够高的交流外电流，锂离子电池内部几乎不会发生锂离子迁移和“析锂”现象发生。但外部交流电流在欧姆内阻（41）上会生成焦耳热，大小为该电阻值与电流的有效值的平方之积。

发明内容

本发明涉及了一种容易实现的，对电池性能无损害的，而且成本低廉的电动车锂离子动力电池组加热装置；所述加热装置的工作原理是通过对被加热的锂离子电池组（1）输入一个频率和幅值确定的交变电流，该电流通过电池组内部的组合连接，分流到所述电池组的每个单体电芯，以该电流在电芯内阻产生热量为电池加热，其电热转换功率为电流有效值的平方与电池欧姆内阻之乘积。