一種電源系統(tǒng)的自加熱方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電源系統(tǒng)的自加熱方法，適用于電動汽車，其基于一種高效、可靠且無需增加額外供電裝置的具有自加熱功能的電源系統(tǒng)，自加熱控制方法利用電機電感和電機控制器橋臂，實現(xiàn)自加熱，無需增設器件且成本低，通過調(diào)節(jié)自加熱交流電幅值和交流電頻率，實現(xiàn)高效調(diào)整自加熱過程的充放電電量或發(fā)熱量。
【專利說明】
一種電源系統(tǒng)的自加熱方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種電源系統(tǒng)的自加熱方法，具體的是一種車用動力電池的基于交流 電的自加熱方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋰離子電池對低溫比較敏感，低溫下鋰離子電池的內(nèi)阻急劇升高，可放電容量、充 放電性能大大受限，導致電動汽車在低溫環(huán)境下動力性能不足，續(xù)駛里程大幅縮短，而且電 池在低于o°c時幾乎無法對其進行充電，若強行充電，容易引發(fā)內(nèi)部短路，造成安全隱患。目 前有很多基于鋰離子電池的低溫使用問題的解決方案。
[0003] 目前，現(xiàn)有的利用電池充放電自行加熱的方案，僅研究了充放電方向的控制方法， 沒有基于提高自加熱安全和效率的方法。且自加熱方法需要增設多種輔助設備，因而增加 了成本，如發(fā)明專利CN101685971。
[0004] 因此基于一種高效、可靠且無需增加額外電器裝置的具有自加熱功能的電源系 統(tǒng)，本發(fā)明設計了自加熱方法，該自加熱方法利用電機電感和電機控制器橋臂實現(xiàn)自加熱， 無需增設器件且成本低。本發(fā)明還包含了調(diào)節(jié)自加熱交流電幅值和交流電頻率，實現(xiàn)高效 調(diào)整自加熱過程的充放電電量或發(fā)熱量的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一種電源系統(tǒng)的自加熱方法，包括：串聯(lián)的第1和第2蓄電裝置;在該 第1和第2蓄電裝置與電機之間授受電力的電力線和電機控制器;所述電機控制器具有三組 橋臂，任一組橋臂包含上功率開關(guān)管和下功率開關(guān)管;所述任意一組橋臂的上、下功率開關(guān) 管交替工作，實現(xiàn)在上述第1和第2蓄電裝置之間授受電力。
[0007] 本方法利用電機電感和電機控制器任一組橋臂和第1和第2蓄電裝置，形成自加熱 回路，相對于不具備自加熱功能的電動車輛，無需增設元器件，不增加成本。
[0008] 優(yōu)選地，第1和第2蓄電裝置各自的充、放電電力，或者第1和第2蓄電裝置各自的 充、放電時發(fā)熱量，通過所述授受電力的交流電的電流幅值和頻率調(diào)節(jié)。
[0009]優(yōu)選地，所述電流幅值和頻率設定參考所述第1和第2蓄電裝置的容量、端電壓、 S0C和溫度。
[0010] 優(yōu)選地，若增加第1和第2蓄電裝置各自的充、放電時的電量或充、放電時發(fā)熱量， 則提高交流電幅值或降低交流電頻率。
[0011] 優(yōu)選地，首先，當蓄電裝置的S0C、端電壓在允許范圍內(nèi)時，采用盡可能高的交流電 幅值和盡可能低的頻率授受電力以快速加熱。通過蓄電裝置的參數(shù)、充放電特性和使用要 求確定上述交流電幅值和頻率的變化程度，即確定盡可能高或者盡可能低的程度，是本領(lǐng) 域技術(shù)人員的普通技術(shù)知識。
[0012] 如果蓄電裝置S0C在允許范圍內(nèi)，而所述端電壓超出第一允許值范圍，執(zhí)行維持交 流電幅值不變并提高交流電頻率繼續(xù)授受電力，或者執(zhí)行同時降低交流電幅值和提高頻率 來繼續(xù)授受電力。
[0013] 若蓄電裝置端電壓進一步低于第二允許值范圍，或者S0C超出允許范圍，或者溫度 達到加熱所期望的溫度，則停止授受電力，所述第二允許值范圍包含第一允許值范圍。
[0014] 優(yōu)選地，該第1和第2蓄電裝置與電機之間授受電力通過任一電機繞組電感，或者 任一電機繞組電感串聯(lián)外接電感。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明的所涉及車輛的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2(a)-(C)為車用動力電池組內(nèi)部自加熱等效原理圖；
[0017]圖3(a)_(b)為車用動力電池組內(nèi)部自加熱充放電電流示意圖；
[0018] 圖4(a)_(c)為電池組交流阻抗實部在不同頻率和不同溫度下的變化曲線；
[0019] 圖5為車用動力電池組內(nèi)部自加熱控制流程圖；
[0020] 圖6為本發(fā)明的實施效果實驗數(shù)據(jù)一；
[0021] 圖7(a)-(b)為本發(fā)明的實施效果實驗數(shù)據(jù)二；
【具體實施方式】
[0022] 圖1是本發(fā)明涉及的車輛的結(jié)構(gòu)示意圖。參照圖1，該車輛10 0具備：電源系統(tǒng)1、19 和驅(qū)動力產(chǎn)生部。驅(qū)動力產(chǎn)生部包括電機控制器7、電機9、電機到車輪34之間的動力傳遞機 構(gòu)32和驅(qū)動軸33。
[0023]電機控制器7并聯(lián)連接于主正母線MPL和主負母線MNL。此外，電機控制器7將從電 源系統(tǒng)1、19供給的驅(qū)動電力(直流電力)變換成交流電力，向電機9輸出。此外，電機控制器7 將電機9發(fā)電產(chǎn)生的交流電力變換成直流電力，作為再生電力向電源系統(tǒng)1、19輸出。如圖2 所示電機控制器7包括控制電路(未圖示)和逆變電路，逆變電路包括三相的開關(guān)元件的橋 式電路，通過控制電路控制六個開關(guān)元件S1至S6的接通、斷開，將電源系統(tǒng)1、19供應的直流 電變換為三相交流電，然后，由逆變器電路驅(qū)動三相電機9。電機控制器優(yōu)選用高頻pmi控 制，也可以低頻開關(guān)控制。
[0024]電機9接收從逆變電路供給的交流電力，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力。此外，電機9還接受來自 外部的旋轉(zhuǎn)力，進行發(fā)電產(chǎn)生交流電力。例如，電機9由具備埋設有永久磁鐵的轉(zhuǎn)子的三相 交流旋轉(zhuǎn)電機構(gòu)成。此外，電機9與動力傳遞機構(gòu)32連接，經(jīng)由與動力傳遞機構(gòu)32連接的驅(qū) 動軸33向車輪34傳遞旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力。
[0025] 電源系統(tǒng)1、19是能夠充電的直流電源，例如，由鎳氫電池、鋰離子電池等二次電池 構(gòu)成。此外，電源系統(tǒng)1、19經(jīng)由主正母線MPL和主負母線麗L與電機控制器7連接。另外，電源 系統(tǒng)1、19也可以又雙電層電容器構(gòu)成，本發(fā)明具體實施例以新能源車輛動力電池為例進行 說明，其中第一動力電池組1和第二動力電池組19串聯(lián)，且第一動力電池組1和第二動力電 池組19的容量、單體電池串聯(lián)數(shù)量和/或并聯(lián)數(shù)量相同。
[0026] 電流傳感器，檢測電源系統(tǒng)1、19輸入輸出的電流值，向自加熱控制系統(tǒng)5輸出其檢 測結(jié)果；電壓傳感器、檢測電源系統(tǒng)1、19電壓值，向自加熱控制系統(tǒng)5輸出其檢測結(jié)果;溫度 傳感器，檢測電源系統(tǒng)1、19的內(nèi)部的溫度，向自加熱控制系統(tǒng)5輸出其檢測結(jié)果;此外，電源 系統(tǒng)1、19根據(jù)來自電流傳感器的電流值、電壓傳感器的電壓值和來自溫度傳感器的溫度， 計算電源系統(tǒng)1、19的SOC狀態(tài)量，將該計算出的SOC狀態(tài)量、溫度、電流和電壓一起向自加熱 控制系統(tǒng)5輸出。另外，狀態(tài)量SOC的計算方法，可以使用各種公知的手法；自加熱控制系統(tǒng)5 可以是電池管理系統(tǒng)，根據(jù)上述信息確定交流電自加熱回路工作方式以及交流電流的頻率 和幅值，工作方式包括是否啟動、啟動后如何工作以及如何停止工作。
[0027]圖1示出具有動力電池的電源系統(tǒng)，所述動力電池為第一動力電池組1和第二動力 電池組19串聯(lián)。在這里示出的等效電路圖中，第一動力電池組1和第二動力電池組19中的每 一個分別具有一個理想的交流阻抗實部2、17。
[0028]自加熱控制系統(tǒng)5通過信號線3和信號線18與第一動力電池組1、第二動力電池組 19連接，通過信號線傳送S0C的狀態(tài)量、溫度、電流和電壓。自加熱控制系統(tǒng)5通過信號線14 與功率電子開關(guān)15連接，控制功率電子開關(guān)閉合或斷開。自加熱控制系統(tǒng)5還與電機控制器 7通信，優(yōu)選的，可通過CAN總線與電機控制器7連接。
[0029] 本發(fā)明涉及的基于交流電的具有自加熱裝置的車用電源系統(tǒng)，包括第一動力電池 組1、第二動力電池組19、自加熱控制系統(tǒng)5、電機控制器7、電機9、功率電子開關(guān)15。根據(jù)普 通物理知識，第一動力電池組1具有第一交流阻抗實部2、第二動力電池組19具有第二交流 阻抗實部17,電機9三項繞組中的每一項都具有電感。
[0030] 電機9通過第一高壓線8、第二高壓線11、第三高壓線12與電機控制器7連接，電機 中性點通過高壓線10與第一動力電池組1和第二動力電池組19的等勢中心點連接，所述的 功率電子開關(guān)15通過高壓線10串聯(lián)在電機9和所述等勢中心點之間。
[0031] 電機控制器7逆變電路如圖2(a)所示，其中的功率開關(guān)管的橋臂包括三組橋臂，即 第一橋臂、第二橋臂和第三橋臂，其中第一橋臂包括功率開關(guān)管一 21 (也稱第一橋臂的上功 率開關(guān)管)和功率開關(guān)管四27(也稱第一橋臂的下功率開關(guān)管），第二橋臂包括功率開關(guān)管 二29 (也稱第二橋臂的上功率開關(guān)管)和功率開關(guān)管五26 (也稱第二橋臂的下功率開關(guān)管）， 第三橋臂包括功率開關(guān)管三20 (也稱第三橋臂的上功率開關(guān)管)和功率開關(guān)管六25 (也稱第 三橋臂的下功率開關(guān)管）。交流電自加熱回路在工作時通過控制電機控制器7中的控制電路 選擇上述三組橋臂中的任意一組橋臂串聯(lián)進自加熱回路。
[0032 ]電機繞組具有感性負載，感性負載可以等效為電阻與電感的串聯(lián)。在這圖2 (a)里 示出的等效電路圖中，電機9的三個端子到中性點之間的電感分別是包括電感一22、電感二 24和電感三23,交流電自加熱回路在工作時可選電機9中的任意一相繞組。電機優(yōu)先是三相 交流電機。
[0033]功率電子開關(guān)15受自加熱控制系統(tǒng)5控制，只有在停車低溫環(huán)境下動力電池需要 自加熱時才閉合，其他時候都斷開。
[0034]本發(fā)明的交流電自加熱回路由第一動力電池組1、第二動力電池組19、功率電子開 關(guān)15、電機控制器7、電機9組成。
[0035]交流電自加熱回路在工作時通過電機控制器中的控制電路選擇上述三組橋臂中 的任意一組，與此相應的，交流電自加熱回路選擇了與該橋臂對應的電機繞組；電機控制器 中的控制電路選擇第一橋臂時，第一或第二動力電池、功率電子開關(guān)15、第一橋臂和電感一 22組合成交流電自加熱回路；電機控制器中的控制電路選擇第二橋臂時，第一或第二動力 電池、功率電子開關(guān)15、第二橋臂和電感二24組合成交流電自加熱回路;電機控制器中的控 制電路選擇第三橋臂時，第一或第二動力電池、功率電子開關(guān)15、第三橋臂和電感三23組合 成交流電自加熱回路。
[0036] 可見更具體地，交流電自加熱回路由第一動力電池組1的第一交流阻抗實部2、第 二動力電池組19的第二交流阻抗實部17、功率電子開關(guān)15、電機控制器7任意一組橋臂、電 機9的與所述橋臂對應的一相繞組的電感構(gòu)成。
[0037] 圖2(b)示出包含第一橋臂和電感一 22組合交流電的自加熱回路。功率開關(guān)管一至 功率開關(guān)管六中有且僅有功率開關(guān)管一 21(也稱第一橋臂的上功率開關(guān)管)導通時，回路一 工作，第一動力電池組1的第一交流阻抗實部2、功率開關(guān)管一 21、電感一 22和功率電子開關(guān) 15串聯(lián)組成回路一;功率開關(guān)管一至功率開關(guān)管六中有且僅有功率開關(guān)管四27(也稱第一 橋臂的下功率開關(guān)管）導通時，回路二工作，由第二動力電池組19的第二交流阻抗實部17、 功率開關(guān)管四27、電感一 22和功率電子開關(guān)15串聯(lián)組成回路二。
[0038] 第一橋臂的功率開關(guān)管一和四交替工作，即交替通斷，實現(xiàn)回路一和二交替連通， 第一和第二動力電池組之間授受電力，自加熱控制系統(tǒng)通過控制功率電子開關(guān)管的通斷決 定上述第一和第二動力電池組之間進行授受的電力的通電方向。
[0039] 將上述功率開關(guān)管一和功率開關(guān)管四控制為使得依照該決定的通電方向在上述 第一和第二動力電池組之間授受電力。
[0040] 自加熱工作過程是：自加熱控制系統(tǒng)5根據(jù)第一動力電池組1、第二動力電池組19 中溫度、電壓和S0C等信息，判斷此時是否需要進行自加熱。例：當自加熱控制系統(tǒng)5檢測到 電池溫度低于正常工作溫度范圍，啟動交流電自加熱回路。
[0041 ]當自加熱控制系統(tǒng)5判斷需要進行自加熱時，自加熱控制系統(tǒng)5通過總線通訊，優(yōu) 選CAN總線向電機控制器下發(fā)指令，使功率電子開關(guān)15閉合，使交流電自加熱回路接通。指 令包括交流電頻率和幅值。電機控制器功率開關(guān)管中任意一組橋臂的上下橋臂交替工作， 且上下橋臂工作控制優(yōu)選采用高頻PWM控制通過自加熱回路產(chǎn)生正弦交流電，也可以是低 頻開關(guān)控制產(chǎn)生交流三角波。
[0042] 如圖2(c)所示，在時間tl內(nèi)，自加熱控制系統(tǒng)5下發(fā)指令給電機控制器7,首先使功 率開關(guān)管一21閉合，此時回路一接通，在閉合時間tl內(nèi)，第一動力電池組1給電感一22充電。
[0043] 在時間t2內(nèi)，自加熱控制系統(tǒng)5下發(fā)指令給電機控制器7,使功率開關(guān)管一21斷開， 功率開關(guān)管四27閉合，此時回路二接通。由于電感一 22存儲有第一動力電池組1在tl時間內(nèi) 釋放的電能，在時間t2內(nèi)，電感一22給第二動力電池組19充電，直到電感一22儲存的電能全 部釋放。
[0044] 在時間t3內(nèi)，第二動力電池組19給電感一22充電。
[0045] 在時間t4內(nèi)，自加熱控制系統(tǒng)5下發(fā)指令給電機控制器7,使功率開關(guān)管四27斷開， 使功率開關(guān)管一 21閉合，此時回路二斷開，回路一接通，由于電感一 22存儲有第二動力電池 組19在時間t3內(nèi)釋放的電能，在時間t4內(nèi)，電感一22給第一動力電池組1充電，直到電感一 22儲存的電能全部釋放。
[0046] 在整個自加熱過程中，所述第一橋臂的上、下功率開關(guān)管交替工作，實現(xiàn)在上述第 一和第二動力電池組之間授受電力，第一交流阻抗實部2和第二交流阻抗實部17產(chǎn)生熱量 并在電池組內(nèi)部迅速傳熱，使動力電池組的溫度升高，從而實現(xiàn)動力電池組在交流電的作 用下產(chǎn)生熱量，從動力電池組內(nèi)部進行加熱。
[0047] 自加熱控制系統(tǒng)5根據(jù)第一動力電池組1、第二動力電池組19中溫度、電壓和S0C等 信息，確定交流電自加熱回路的電流頻率和幅值，實現(xiàn)動力電池高效、可靠自加熱。
[0048] 自加熱裝置的按照〖1、〖2、〖3、〖4為一個工作周期進行周期循環(huán)。直到自加熱控制 系統(tǒng)5根據(jù)第一動力電池組1、第二動力電池組19中溫度、電壓和SoC等信息，判斷不再需要 進行自加熱，下發(fā)指令使交流電自加熱回路斷開，自加熱過程停止。
[0049] 第二橋臂和第三橋臂對應的自加熱回路和工作過程與上述第一橋臂的類似。自加 熱控制系統(tǒng)通過控制功率開關(guān)管決定第一和第二動力電池組之間進行授受的電力的通電 方向，將上述第二或第三橋臂的上功率開關(guān)管和下功率開關(guān)管控制為使得依照該決定的通 電方向在上述第一和第二動力電池組之間授受電力。
[0050] 在一個工作周期中，通過第一動力電池組1和第二動力電池組19的工作電流如圖3 所不，其中圖3(b)是圖3(a)在尚頻下的電流不意圖，大于1 kHz為尚頻。
[0051] 正弦交流電作用的生熱率公式如下
[0052]式中ZRe為電池交流阻抗實部值，主要與電池環(huán)境溫度、交流電作用的頻率有關(guān)，A 為交流電的電流幅值。上述公式表明生熱率與交流阻抗實部值成正比，與交流電電流幅值 的平方成正比，交流電電流幅值變化的影響大于交流阻抗實部值變化的影響。
[0053]圖4(a)為電池組某一環(huán)境溫度不同頻率對應的交流阻抗實部變化特性，可見交流 阻抗實部值隨著頻率的增加而減??；圖4(b)為電池組在某一頻率下不同溫度對應的交流阻 抗實部的變化特性，可見交流阻抗實部值隨著溫度降低而增加。圖4(c)給出了電池組在某 一低溫環(huán)境下采取不同交流電頻率、電流幅值的動力電池溫升特性。說明電池組在低溫條 件通過改變頻率、交流電電流幅值可獲得不同的加熱效果。
[0054] 因此基于圖4(a)至圖4(c)的分析，交流自加熱回路優(yōu)選提高交流電幅值和采用較 低的頻率快速加熱，進而實現(xiàn)動力電池快速升溫。
[0055] 圖5給出了基于交流電的車用動力電池組內(nèi)部自加熱的控制流程，具體方法如下： 自加熱控制系統(tǒng)根據(jù)車用動力電池組中溫度、端電壓和S0C等信息，判斷是否需要進行自加 熱，并確定交流電自加熱回路工作電流的頻率和幅值；
[0056] 若進行自加熱，自加熱控制系統(tǒng)閉合功率電子開關(guān)15,使交流自加熱回路投入工 作，并通過CAN總線給電機控制器7下發(fā)交流電電流幅值和頻率指令，電機控制器控制方式 優(yōu)先選用尚頻PWM控制，也可以低頻開關(guān)控制；
[0057]交流電自加熱回路工作電流的頻率和幅值以動力電池組端電壓、S0C和溫度為判 斷依據(jù)，當動力電池組S0C、端電壓在允許范圍內(nèi)，而電池溫度較低時優(yōu)先盡可能高的交流 電幅值和采用盡可能低的頻率快速加熱;本領(lǐng)域技術(shù)人員基于蓄電池參數(shù)、充放電特性以 及使用要求確定交流電幅值和頻率的限值。
[0058]如果動力電池組S0C在允許范圍內(nèi)，而端電壓超出第一允許范圍，執(zhí)行維持交流電 幅值不變并提高交流電頻率繼續(xù)加熱，或者執(zhí)行同時降低交流電幅值和提高頻率來繼續(xù)加 熱。
[0059]若電池組端電壓進一步超出第二允許范圍，所述第二允許范圍包括第一允許范 圍，或者電池組S0C超出其允許范圍，或者電池組溫度達到加熱所期望的溫度，則自加熱控 制系統(tǒng)斷開功率電子開關(guān)15,停止加熱。
[0060]圖6給出了采用本發(fā)明的工作方法，車用動力電池組在某頻率和幅值的交流電作 用下自加熱作用下溫升變化，由圖可知電池組經(jīng)過15分鐘，溫度從-40°C升高至0°C，加熱效 果好。
[0061 ]圖7 (a)給出了 -20 °C環(huán)境溫度下電池組1C放電特性，交流電加熱15min后相對于不 加熱時，電池組放電功率提升20%、放電容量提升了45%;圖7(b)給出了-40°C環(huán)境溫度下 電池組1C放電特性，不加熱時電池不可以放電，交流電加熱20min后可以放出75%容量，充 分說明采用上述交流電自加熱方法能有效的提升電池的低溫放電能力。
[0062]再次補充，本發(fā)明中電機控制器7功率開關(guān)管不局限于IGBT，或者物理獨立于電機 控制器7的其他功率電子器件，功率電子開關(guān)15不局限與高壓接觸器，回路中電機9任意一 相繞組可以是獨立于電機外的電感，交流電波形優(yōu)先是正弦波，可以是三角波。
【主權(quán)項】
1. 一種電源系統(tǒng)的自加熱方法，包括： 串聯(lián)的第1和第2蓄電裝置； 其特征在于： 在該第1和第2蓄電裝置與電機之間授受電力的電力線和電機控制器;所述電機控制器 具有三組橋臂，任一組橋臂包含上功率開關(guān)管和下功率開關(guān)管； 所述任意一組橋臂的所述上、下功率開關(guān)管交替工作，實現(xiàn)在上述第1和第2蓄電裝置 之間授受電力。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于： 第1和第2蓄電裝置各自的充、放電電力，或者第1和第2蓄電裝置各自的充、放電時發(fā)熱 量，通過所述授受電力的交流電的電流幅值和頻率調(diào)節(jié)。3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:所述電流幅值和頻率設定參考所述第1和第2 蓄電裝置的容量、端電壓、SOC和溫度。4. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:若增加第1和第2蓄電裝置各自的充、放電時 電量或充、放電時發(fā)熱量，則提高交流電幅值或降低交流電頻率。5. 如權(quán)利要求1至4所述的方法，其特征在于： 首先，當所述第1或第2蓄電裝置的S0C、端電壓在允許范圍內(nèi)時，采用盡可能高的交流 電幅值和盡可能低的頻率授受電力； 如果所述第1或第2蓄電裝置的SOC在允許范圍內(nèi)，而所述端電壓超出第一允許值范圍， 執(zhí)行維持交流電幅值不變并提高交流電頻率繼續(xù)授受電力，或者執(zhí)行同時降低交流電幅值 和提高頻率來繼續(xù)授受電力； 若蓄電裝置端電壓進一步超出第二允許值范圍，或者蓄電裝置SOC超出允許范圍，或者 蓄電裝置溫度達到加熱所期望的溫度，則停止授受電力，所述第一允許值范圍在第二允許 值范圍內(nèi)。6. 如權(quán)利要求1至4任意一項所述的方法，其特征在于:該第1和第2蓄電裝置與電機之 間授受電力通過任一電機繞組電感，或者任一電機繞組電感串聯(lián)外接電感，或者僅通過外 接電感。
【文檔編號】H01M10/625GK105932363SQ201610323724
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】李軍求, 孫逢春, 張承寧, 金鑫
【申請人】北京理工大學