一種便攜式電池組低溫高功率輸出輔助裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種電池組輔助裝置，尤其是涉及一種要求低溫情況下電池組仍然需 要進行高功率輸出的便攜式電池組低溫高功率輸出輔助裝置。
【背景技術】
[0002] 隨著化學電池組技術的進步，其儲能的比能量快速提升，單位成本逐步下降，加上 電池組本身所具有的快速響應、設置便捷等特點，使得電池組的應用變得越來越廣泛。在數 碼產品中作為能量的供應裝置，具有便攜式和高能量密度的特點。在新能源(如風力發電、 太陽能光伏發電）接入中作為能量的緩沖裝置，平滑新能源，提升新能源的滲透率;在汽車 中作為制動能量的回收裝置，兼作為特殊工況(如啟動、加速)的輔助動力能源提供裝置(一 般在HEV或PHEV中），或直接作為汽車全部動力的能源來源（即純電動汽車）；在微智能電網 中，作為能源的緩沖平臺，調配發電、用電之間的關系，維持整個微網的穩定運行和經濟運 行，等等。
[0003] 通常情況下，電池組的使用環境為0°C~45°C，在這一溫度范圍內，電池組具有較 佳的綜合性能，例如高功率輸出性能、循環壽命、安全性能等。如果使用環境為極端低溫或 極端高溫，那么電池組的某些性能就往往大幅度降低，例如零下20°C情況下，1X0型鋰離子 電池組(正極為鈷酸鋰、負極為石墨）的高功率輸出性能就大幅度下降。
[0004] 因此，為了應對極端環境溫度下的使用工況，往往通過對電池組外部的環境進行 管控的方式。例如EV上使用的電池組，為了使得電池組在低溫或高溫下仍然能夠正常工作， 通常是在電池組周圍設置熱管理裝置(如空調），但是這種控制電池組環境溫度的方法，往 往帶來熱管理成本高、熱管理效率低的問題。
[0005] 同時，在某些需要電池組滿足高功率輸出工況工作的場合(如汽車啟動點火），由 于要求電池組在很短的時間內（~3S)輸出很大的功率，因此不可能通過外部的加熱來使得 電池組自身達到能夠高功率輸出工作的溫度，一方面這需要較長的時間，此外還需消耗很 多的電池組存儲能量；而且通過外部加熱的方式存在電池組自身溫度不均衡的隱患（延長 加熱時間可以改善這一隱患，但是時間過長將導致滿足應用需求變得沒有意義，即用戶不 可能接受這么長的等待時間）。更進一步，對有低溫高功率輸出需求的場合，可以通過優化 電池組的設計來進行改善，但是通過改變電池組化學體系本身，往往帶來電池組成本的大 幅度增加或其它性能的大幅度下降(例如電池組的高溫性能降低）。

【發明內容】

[0006] 針對現有技術中的缺陷，本發明旨在提供一種可以使得電池組在低溫情況下，在 很短的時間內恢復高功率輸出能力的便攜式電池組低溫高功率輸出輔助裝置。本發明通過 以下方案實現：
[0007] -種便攜式電池組低溫高功率輸出輔助裝置，包括功率電阻、M0S管、按鈕開關、時 間控制開關和溫度保護開關，所述功率電阻的一端連接正極第一導線，功率電阻的另一端 通過正極第二導線與MOS管的D腳連接，MOS管的S腳連接負極導線；按鈕開關、時間控制開 關、溫度保護開關依次相連，所述按鈕開關通過第三導線與正極第一導線相連接，所述溫度 保護開關通過第四導線與M0S管的G腳相連接;所述正極第一導線、功率電阻、正極第二導 線、M0S管和負極導線構成的電路為一次回路，所述第三導線、按鈕開關、時間控制開關、溫 度保護開關和第四導線構成的電路為二次回路。一次回路為工作回路，對低溫電池組實施 溫度輔助調整;二次回路為控制回路，實施對一次回路工作的時間和溫度控制。
[0008]所述功率電阻的阻值滿足公式(1)，功率電阻的質量和比熱的乘積滿足公式(2)，
[0011] 其中：N為組成電池組的單體電池數量;I為電池組的低溫最大允許放電電流，單位 為A;R為功率電阻的阻值，單位為Ω;m為功率電阻的質量，單位為Kg;Cp為功率電阻的比熱， 單位為J/(°C*Kg);t為便攜式電池組低溫高功率輸出輔助裝置使用前所處的環境溫度，單 位為°C。
[0012] 功率電阻的上述參數設置，可以很好地實現低溫情況下，對電池組進行輔助調整 的目的，通過將該輔助裝置作為電池組負載，串聯成一個電路，電池組在低溫下進行大電流 放電，由于低溫情況下，電池組自身內阻較大，產生劇烈的自熱熱量，在很短的時間內使得 電池組內部溫度上升，從而使得電池組具備高功率輸出的能力。同時，這種調整又不會對電 池組自身產生過放電能損傷。
[0013]所述溫度保護開關的動作溫度設定為10~55°C，時間控制開關的閉合工作時間設 定為20~60S。所述二次回路實施對一次回路的控制功能，具體包括:控制一次回路導通、控 制一次回路斷開。當二次回路開關按鈕按下閉合，且溫控開關未達到斷開保護溫度值因而 處于閉合狀態，且M0S管G腳有正向驅動電壓，以上三個條件同時滿足情況下，一次回路被導 通，電池組通過一次回路進行大電流放電。當二次回路開關按鈕松開斷開，或溫控開關未達 到斷開保護溫度值因而處于斷開狀態，或M0S管G腳無正向驅動電壓，以上三個條件任何一 個條件滿足情況下，一次回路被斷開，電池組大電流放電終止，電池組被保護。二次回路的 設置，既可以實現低溫情況下電池組一次回路導通進行大電流放電，從而實現自熱升溫，又 可以限制大電流放電的時間，避免過度放電或電池組升溫過度，同時滿足自熱升溫需求和 過熱安全保護需求。
[0014]與現有技術相比，本發明的便攜式電池組低溫高功率輸出輔助裝置具有以下的優 占.
[0015] ⑴電池組可實現快速的自熱升溫。傳統的通過外部環境加熱，電池組由低溫逐漸 升溫，需要幾十分鐘乃至幾小時，尤其是要達到電池組內部溫度的均勻，所需時間更長，這 直接導致低溫情況下，電池組不能正常滿足使用需求。本發明的便攜式電池組低溫高功率 輸出輔助裝置，通過讓電池組在短時間內（一般是20S~60S)大電流放電，讓電池組快速自 熱，電池組在1~2分鐘內就恢復了原本低溫條件下所不具備的高功率輸出的能力。便攜式 電池組低溫高功率輸出輔助裝置，通過實現電池組的大電流放電，一方面電流越大，電池組 自熱升溫至一定溫度所需的時間越短；同時，在電池組低溫允許的最大放電電流限制范圍 內，放電電流越大，電池組所釋放出的能量中用于自熱的比率越高，越能縮短自熱升溫的時 間。
[0016] (2)可以實現電池組自熱過程中的有效保護。二次回路可以實現對一次回路的有 效控制，二次回路中溫度開關的設置，有效控制了電池組釋放能量的總量，同時也防止輔助 裝置溫升過大。電池組高功率輸出能力越強，輔助裝置溫升越快，越有利于降低電池組自熱 溫升，因而不會出現由于輔助裝置導致電池組自熱過頭的現象。
[0017] (3)可以實現電池組低溫環境下快速恢復高功率輸出的能力。通過一次回路和二 次回路所組成的電池組輔助裝置，電池組在低溫環境下獲得了快速的自熱升溫，這種自熱 升溫是從內而升的，溫度的均勻性較好，并且受到了有效的控制和保護。電池組溫度上升 后，達到能夠進行高功率輸出的能力，可以立即投入相應的工況工作，例如汽車啟動點火。
【附圖說明】
[0018] 圖1是實施例1中的便攜式電池組低溫高功率輸出輔助裝置的結構示意圖 [0019]圖2是實施例1中電池組在常溫20 ± 3°C下的充電特性和放電特性曲線圖 [0020]圖3是實施例1中電池組在常溫20 ± 3°C下不同放電功率的放電曲線圖 [0021]圖4是實施例1中電池組在低溫-20±2°C下不同放電功率的放電曲線圖
[0022] 圖5(a)是實施例1中電池組在低溫_20±2°C下采用便攜式電池組低溫高功率輸出 輔助裝置調整過程中功率電阻的溫度-時間曲線圖
[0023] 圖5(b)是實施例1中電池組在低溫_20±2°C下采用便攜式電池組低溫高功率輸出 輔助裝置調整過程中電池組的溫度-時間曲線圖
[0024] 圖5(c)是實施例1中電池組在低溫_20±2°C下采用便攜式電池組低溫高功率輸出 輔助裝置調整過程中電池組的電壓-時間曲線圖
[0025]圖6是實施例1中電池組在低溫_20±2°C下采用便攜式電池組低溫高功率輸出輔 助裝置調整后的不同放電功率的放電曲線圖
【具體實施方式】[0026]實施例1
[0027] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0028] -種便攜式電池組低溫高功率輸出輔助裝置，如圖1所示，包括功率電阻1、M0S管 2、按鈕開關3、時間控制開關4和溫度保護開關5，M0S管2采用N溝道增強型M0S管，功率電阻1 的一端連接正極第一導線6,功率電阻1的另一端通過正極第二導線7與M0S管2的D腳連接， M0S管2的S腳連接負極導線8;按鈕開關3、時間控制開關4、溫度保護開關5依次相連，按鈕開 關3通過第三導線9與正極第一導線6相連接，溫度保護開關5通過第四導線10與M0S管2的G 腳相連接;正極第一導線6、功率電阻1、正極第二導線7、M0S管2和負極導線8構成的電路為 一次回路，第三導線9、按鈕開關3、時間控制開關4、溫度保護開關5和第四導線10構成的電 路為二次回路。一次回路為工作回路，對低溫電池組實施溫度輔助調整;二次回路為控制回 路，實施對一次回路工作的時間和溫度控制。
[0029]所述功率電阻的阻值滿足公式(1)，功率電阻的質量和比熱的乘積滿足公式(2)，
[0032]其中：N為組成電池組的單體電池數量;I為電池組的低溫最大允許放電電流，單位 為A; R為功率電阻的阻值，單位為Ω ; m為功率電阻的質量，單位為Kg; Cp為功率電阻的比熱， 單位為J/(°C*Kg);t為便攜式電池組低溫高功率輸出輔助裝置使用前所處的環境溫度，單 位為°C。
[0033]本實施例中便攜式汽車啟動電源采用的電池組為聚合物鋰離子電池組，由3只單 體電池串聯而成，單體電池型號為0845120(厚度8mm，寬度45mm，高度120mm)，正極為鈷酸鋰 材料，負極為石墨材料，單體電池的標稱電壓和容量分別為3.7V和3400mAh;電池組的額定 電壓為11.IV，額定能量為37.7kWh。該電池組需滿足1000W額定功率輸出工作2S以上的能 力，且電池組工作時電壓不得低于4.5V。
[0034] 在本實施例中，電池組低溫最大允許放電電流為80A，
進行計算，依據組成電池組的單體電池數量N為3,電池組的低溫最大允許放電電流I為80A， 得到功率電阻的阻值范圍為:〇 . 06Ω<R< 〇 . 115Ω，本實施例采用〇. 10Ω的功率電阻。一次 回路中功率電阻材質的選擇，
其中組成電池組的單體電池數量N為3,功率電阻的阻值R為0.1Ω，便攜式電池組低溫高功 率輸出輔助裝置使用前所處的環境溫度t為-20°C，計算得到:98.7J/°C<mXCP < 607.5J/ °C，本實