CN102916233B - 蓄电池设备 - Google Patents

Abstract

根据一个实施例，AC阻止滤波器（12）被设置在蓄电池（11）的充电端子/放电端子与逆变器（20）之间，该逆变器（20）将该蓄电池的DC输出转换为AC输出。此外，DC阻止滤波器（13）与该充电端子/放电端子相连接。交流电生成设备经由该DC阻止滤波器（13）向该蓄电池（11）供应预热交流电。

Description

蓄电池设备

相关专利申请的交叉引用

本申请基于2011年8月5日提交的日本专利申请No.2011-172385，并且要求该日本专利申请的优先权，在此以引用的方式将其全部内容并入本文。

技术领域

本文描述的实施例通常涉及一种具有预热功能（warm-up function）的蓄电池设备。

背景技术

近来，诸如主要以蓄电池作为动力驱动源的电动汽车或者混合动力汽车之类的汽车受到很多的关注。在诸如锂离子电池或者镍氢电池之类的大多数化学电池中观察到在冰点以下的低温空气中等效串联电阻显著增大的现象。这些电池被广泛用作安装在电动汽车上的蓄电池，并且其输出功率与正常温度时候相比极大地下降。

汽车被要求在即使环境温度大约为-30℃的低温空气中也能轻易地启动。因此，需要对具有在低温空气中输出功率下降的特性的蓄电池采取一些补救。

一种用于对蓄电池进行加温的方法被提出作为一种用于对低温空气中的蓄电池的输出功率下降进行补偿的方法。例如，提出下述方法作为用于对蓄电池进行加温的方法。

（1）通过使用计时器对其上安装有蓄电池的电动车辆的使用预期时间进行管理。然后，在电动车辆被使用之前对蓄电池进行充电和加温。（2）检测该蓄电池的温度并且当其温度下降时对该蓄电池进行放电和加温。（3）待加温的部分是电容器并且凭借加热器从外部对该电容器进行加温。

利用凭借加热器从外部对电池进行加温的方法，需要很长时间电池才能被加温，这取决于到电池的热传导效率及温度升高的速率。另一方面，对于从内部对电池进行加温的常规方法，根据电池的充电状态（完全充满或者几乎完全放电），从保护的角度来看使温度增加的足够大的充电/放电电流不能从其中流过。此外，如果以如此的大电流对电池进行快速地充电或者放电以便对电池进行加温，则会出现电池寿命缩短的问题。

附图说明

图1是示出一个实施例的配置的典型示例的图。

图2是示出另一个实施例的配置的典型示例的图。

图3是示出又一个实施例的配置的典型示例的图。

图4是示出当向蓄电池供应交流电时出现的谐振点的频率特性图。

图5是示出图2所示的发电机42、开关45和多相/两相变换器46的内部配置的原理的图。

图6是示出图3所示的加温逆变器48的内部配置的原理的图。

图7是示出被设置在向蓄电池提供用于加温的交流电所经由的通道中的电流量调节器所在的示例的图。

具体实施方式

一般来说，根据一个实施例，提供了一种蓄电池设备，该设备通过在低温时向电池提供交流电，使电流流过电池，而平均来看不引起充电/放电，从内部加热该电池以对该电池加温并且稳定该电池的输出特性。

根据本公开的实施例，该蓄电池设备包括蓄电池、交流电生成设备和DC阻止滤波器。蓄电池包括内部电阻器，该内部电阻器将流过其中的电能转换为热能。该交流电生成设备包括向蓄电池供应交流电的交流电生成设备，并且该DC阻止滤波器阻止直流电从蓄电池输出到交流电生成设备。

将参考附图进一步描述实施例。

图1是示出使用电机和发动机两种驱动源的混合动力汽车的简化配置的框图。解释了该实施例被应用于混合动力汽车的示例，但该应用示例不限制本发明的范围。

在图1中，多个单体电池（cell）被串联连接为蓄电池11。在该实施例中，蓄电池被表示为其中设置了多个单体电池的一个电池。

蓄电池11经由阻止交流电（和/或AC电压）的线圈L1、L2与逆变器20的正端子和负端子相连接。

AC阻止滤波器12包括线圈L1、L2。在蓄电池11的正负端子与逆变器20的正负端子之间的电路在某些情况下可以被称为主配线电路（mainwiring circuit）。随着从交流电生成设备10供应的交流电的频率变高，AC阻止滤波器12的阻止效果变得更加显著。因此，如果使用低频率，则有时可以不使用AC阻止滤波器12。

充电器22的正输出端子和负输出端子可以经由线圈L1、L2与蓄电池11的正端子和负端子相连接。充电器22中设置了用于在向蓄电池11充电时从外部获取电力的插头23。具有上述功能的汽车被称为插电混合动力汽车，并且其是一种具有能够从汽车外部为蓄电池11充电的结构的车辆。

此外，交流电生成设备10的AC输出端子经由电容器C1、C2与蓄电池11的正端子和负端子相连接。

DC阻止滤波器13包括电容器C1、C2。

控制单元50是控制逆变器、蓄电池和发动机等等的控制设备。它从蓄电池11的电池监测单元获取电池的温度信息。当蓄电池11的温度变得低于预先设定的预设温度时，控制单元50开启交流电生成设备10。然后，交流电生成设备10向蓄电池11供应交流电。由于蓄电池11的DC输出被DC阻止滤波器13阻止，所以防止了反向电流流向交流电生成设备10。此外，由于来自交流电生成设备10的交流电被AC阻止滤波器12阻止，所以防止其被输入到逆变器20。

作为结果，流经电池的内部电阻器的交流电对电池进行加热，并且蓄电池11的温度升高。

由于AC阻止滤波器12被设置在逆变器20侧，所以抑制了从交流电生成设备10供应的交流电流入逆变器20的输入电容器，并且蓄电池11能够被有效加温。

由于通过向蓄电池11供应交流电而平均来看未执行充电/放电，所以电池的充电状态（SOC）保持不变。此外，如果适当地选择所使用的频率范围，则能够供应大的交流电，同时抑制蓄电池11的退化并且能够快速和有效地对蓄电池11进行加温。例如，可以选择接近蓄电池11的谐振频率的频率作为该频率范围。

当加温过程完成时，控制单元50中断交流电生成设备10的输出并且中断向蓄电池11供应交流电。

逆变器20将来自蓄电池11的DC电压转换为三相交流电，并且将其供应给电机31。电机31的旋转动力经由减速器32传递给车轮33。此时，即，当减速后的电机31的旋转动力被传递给车轮33时，该旋转动力被添加到使用汽油或者天然气作为能源的发动机41的旋转动力中，并且然后被传递给车轮33。

发动机41的轴的旋转被传递给发电机（可以被称为交流发电机）42。发电机42产生的三相交流电流被整流器43整流，然后被充电到辅助电池44（例如，12V）。辅助电池44用作车载电子装置的电源，例如用于车灯、汽车导航仪、发动机点火设备、制冷设备等等的工作电源，控制单元50等等的电源。

在上述汽车中，可以基于控制单元50的控制通过使用电机31作为发电机来将汽车从车轮33获得的动能再生到蓄电池11。此外，可以凭借电动机41通过驱动电机31作为发电机来对蓄电池11进行充电。电机31不仅被用作电动机还被用作发电机，但是可以分别安装电动机和发电机。

可以以多种形式在实施例中形成交流电生成设备10，并且下面解释该交流电生成设备10。

图2示出了另一个实施例。在图2中，由与图1中的那些符号相同的符号来表示与图1中的那些部分相同的部分，并且省略了重复的解释。在图2的实施例的情况下，多相/两相变换器46（例如，Scott变压器）的AC输出端子经由电容器C1、C2与蓄电池11的正端子和负端子相连接。电容器C1、C2构成DC阻止滤波器13。

从发电机42产生的三相交流电被进一步经由开关45耦合到多相/两相变换器46。通过控制单元50来对开关45进行开/关控制。控制单元50从蓄电池11的电池监测单元接收电池的温度信息。当蓄电池11的温度变得低于预设温度时，控制单元50接通开关45。然后，多相/两相变换器46将发电机42的三相输出转换为两相交流电并且将其供应给蓄电池11。由于蓄电池11的DC输出被DC阻止滤波器13阻止，所以反向电流将不被供应给多相/两相变换器46。此外，由于来自多相/两相变换器46的交流电被AC阻止滤波器12阻止，所以该电流将不被输入至逆变器20。

作为结果，流经该电池的内部电阻器的交流电对电池进行加热，并且使蓄电池11变暖。当加温过程完成时，控制单元50断开开关45以中断向蓄电池11供应该交流电。

当向蓄电池11供应交流电的同时，可以基于控制单元50控制发动机41的转速以将该转速设定在目标频率范围内。此外，可以基于控制单元50的控制来调整送往发动机41的燃料供给量，以对由发电机42的负载变化引起的发动机41的负载变化进行补偿，该发电机42的负载变化根据开关45的接通/关断状态进行变化。

在图2中，发电机42直接耦合到发动机41的输出轴，但是发电机42也可以经由减速器或者另一动力传递装置与发动机41的输出轴连接。通常，如果多个发电机供应相同的电力，随着该多个发电机中的一个的输出电压变得更高，其损耗往往变得更小。因此，优选的是，调整变压器的匝数比并且在多相/两相转换时在初级侧（发电机42侧）设置高电压小电流，在次级侧（蓄电池侧）设置低电压大电流，而不是直接从发电机42获取对蓄电池11加温所需的低电压大电流。如果发电机42是两相输出类型，则多相/两相转换变成非必要的。

尽管不是必然被限制于该情况，蓄电池11包括例如100个单体电池，并且例如蓄电池11的输出电压被选择在200V到400V的范围内。此外，本系统可以被设计为能够基于蓄电池11的规格和各种条件来选择用于对电池进行加温的高频交流电的功率（电流和电压）。

例如，电池的当前温度A1与目标高温A2之间的差值（A2-A1）及达到温度A2所需时间T可以被预先实际测量，并且测量数据可以被作为表格存储在存储器中。然后，本系统可以被设计为随着所需时间T变得更短，能够自由选择例如1A、5A和10A的电流及1V、10V和20V的电压的组合来作为交流电。由于根据保护盖、蓄电池11的布置状态和蓄电池11的输出标准，在加热时的温度上升特性是不同的，所以可以形成多个测量数据的表格用于相应的蓄电池。

可以在控制单元和操作单元之间设置调整装置，该调整装置能够根据汽车的使用环境（例如，如在急救车中需要紧急启动的情况或者长时间停泊的情况）调整执行对蓄电池11的加温操作的周期和时间。

图3示出了又一个实施例。上述实施例示出了发电机42被设置在发动机41上并且发电机42的AC输出被转换为将要供应给蓄电池11的高频交流电的情况。

然而，在一些混合动力汽车中，发动机41上未设置发电机。此外，存在不安装发动机41而只使用电机31作为驱动源的电动汽车。图3示出了可以被应用于该类型的汽车的蓄电池设备的一个示例。在图3中，由与图2中的那些符号相同的符号来表示与图2中的那些部分相同的部分，并且省略了重复的解释。如图3所示，DC-DC变换器47的正输入端子和负输入端子经由AC阻止滤波器12与蓄电池11的正端子和负端子相连接。由DC-DC变换器47转换成的例如12伏的输出电压被供应给辅助电池44。

辅助电池44的输出端子与加温逆变器48的输入端子相连接。加温逆变器48的输出端子经由DC阻止滤波器13与蓄电池11相连接。

加温逆变器48是被控制单元50控制的逆变器。当确定将要对蓄电池11进行加温时，控制单元50驱动该加温逆变器48。加温逆变器48执行DC-AC转换以输出交流电，并且将该交流电供应给蓄电池11。作为结果，蓄电池11被加热和加温。加温逆变器48包括半导体开关元件（场效应晶体管[FET]或绝缘栅双极型晶体管[IGBT]等等）用于开关操作。

在上述实施例中，通过加温逆变器48将辅助电池44的电力转换为交流电。然而，该实施例不限制于该情况，并且可以直接从蓄电池11获取电力。

在该情况下，适合通过变压器从AC阻止滤波器12和逆变器20之间获取降压后的电力。该变压器可以被包括在加温逆变器48中。利用该配置，从蓄电池11获得的作为加温逆变器48的驱动电流的能量被作为交流电流供应给蓄电池11。因此，与前者实施例相比，可以在抑制辅助电池44的功耗的同时对蓄电池11进行加温。

此外，从蓄电池11获得用于生成交流电的电力。因此，通过从蓄电池11中获取电流在蓄电池的内部电阻器中生成的能耗被添加到通过供应交流电在蓄电池的内部电阻器中生成的能耗。作为结果，在该实施例中，获取在从不同于蓄电池的部分获得电力并且供应相同振幅的交流电的情况下所达到的加热值的近似两倍变得可能。

接下来，解释被供应用于对蓄电池11进行加温的交流电的频率。蓄电池使用诸如铝之类的金属作为电极，并且正负电极之间的AC阻抗在较高频率（大约100kHz或者更高）下呈现电感性阻抗特性。由于这个原因，如图4所示的谐振点存在于蓄电池的正负电极之间的AC阻抗中。在图4的特性图中，横坐标表示频率，而纵坐标表示AC阻抗的绝对值。当将交流电供应给具有上述谐振点的蓄电池时并且如果将该交流电的频率选择为接近谐振点的频率，则具有低电压的大电流可以流过该蓄电池11并且其在制造加温逆变器时变得有利。

如上所述，通过向低温时的电池供应交流电，并不引起充电/放电的电流流过电池以从内部对电池进行加热并且使电池加温，并且能够改进在低温时的输出特性。

图5示出了图2所示的发电机42、开关45和多相/两相变换器46的内部配置的原理。当具有永磁体的发电机42的转子旋转并且由发动机41驱动时，感应电流流过具有线圈的定子并且被作为交流电（在该示例中是两相交流电）输出。交流电被经由开关45供应给多相/两相变换器46（在该示例中是两相/两相变换器）。在该情况下，适当地调整该变换器46的匝数比以在初级侧（发电机42侧）上设置高电压小电流并且在次级侧（蓄电池侧）上设置低电压大电流。在加温时，开关45被接通，并且变换器46的输出电流被经由DC阻止滤波器13供应给蓄电池11。

图6示出了图3所示的加温逆变器48的内部配置的原理。开关晶体管48a的输入电极与辅助电池44的正电极相连接，并且开关晶体管48a的输出电极经由变压器48b的初级绕组与地线连接。变压器48b的次级绕组经由DC阻止滤波器13与蓄电池11相连接。从控制单元50获得开关晶体管48a的接通/关断控制信号。

图7示出了被设置在用于加温的交流电被供应给蓄电池11所经由的通道中的电流量调节器61a、61b的一个示例。电流量调节器61a、61b由控制单元50控制。例如，在开始向蓄电池11供应交流电之后，可以根据电池温度的变化来改变电流量。即，当开始供应交流电时，电池温度开始上升，但是此时，由于反应缓慢如果电池温度低，则在初始阶段设置了大电流量，在电池温度达到预设温度之后电流量减小。在如图6的电路配置的情况下，通过对开关晶体管48a的接通/关断控制信号进行脉宽调制并且供应由此获得的信号，电流量能够随时间变化。

上述实施例不但能够被应用于电动汽车、混合动力汽车的驱动源，还能够被应用于诸如叉车或者二轮车辆之类的使用蓄电池作为驱动动力源的电动车辆的驱动源。此外，该实施例不被限制于电动车辆，而能够被应用于室外蓄电池或供电厂等等。

上文解释了本发明的实施例，但是这些实施例仅仅是作为示例提出，并且这些实施例不被认为是限制本发明的范围。可以以各种其他形式来实施该新颖的实施例，并且可以做出各种省略、替代和改变而不背离本发明的精神。例如，构成蓄电池11的单体电池数量可以被设定为一个或者多个串联连接或并联连接的单体电池。该实施例和变形包括在本发明的范围和精神内并且包括在权利要求中描述的本发明的范围及其等同范围内。

尽管已经描述了特定的实施例，但是这些实施例仅仅是通过示例的方式提出，并且这些实施例不被认为是限制本发明的范围。实际上，本文所描述的新颖的实施例可以以各种其它形式来实施；此外，可以做出以本文描述的实施例的形式的各种省略、替代和改变，而不背离本发明的精神。所附的权利要求及其等同旨在覆盖将落入本发明范围和精神内的形式或变型。

Claims (8)

1.一种蓄电池设备，其特征在于，包括：

蓄电池(11)，其被配置为包括内部电阻器，所述内部电阻器将流经所述内部电阻器的电能转换为热能，

交流电流生成设备(10)，其被配置为向所述蓄电池供应交流电流，其中所述交流电流的频率接近所述蓄电池(11)的谐振频率，

DC阻止滤波器(13)，其被配置为阻止直流电流从所述蓄电池输出到所述交流电流生成设备，以及

控制单元(50)，其被配置为当所述蓄电池(11)的温度变得低于预先设定的预设温度时，开启所述交流电流生成设备(10)。

2.根据权利要求1所述的蓄电池设备，其特征在于，还包括：

逆变器(20)，其被配置为将从所述蓄电池(11)输出的直流电流转换为交流电流，以及

AC阻止滤波器(12)，其被配置为阻止交流电流从所述交流电流生成设备(10)经由所述蓄电池(11)输出到所述逆变器(20)。

3.根据权利要求1所述的蓄电池设备，其特征在于，还包括：

开关(45)，其被配置为开关所述交流电流生成设备(10)与发电机之间的连接，

其中所述交流电流生成设备是变换器(46)，所述变换器(46)将来自于由发动机驱动的所述发电机(42)的输出转换为所述交流电流，并且当所述蓄电池(11)的温度变得低于所述预设温度时，所述控制单元(50)接通所述开关(45)。

4.根据权利要求1所述的蓄电池设备，其特征在于，所述交流电流生成设备是加温逆变器(48)，所述加温逆变器(48)将来自辅助电池(44)的直流电流转换为所述交流电流。

5.根据权利要求4所述的蓄电池设备，其特征在于，还包括：

DC-DC变换器(47)，其经由AC阻止滤波器(12)而与蓄电池(11)的正端子和负端子相连接，由所述DC-DC变换器(47)转换的输出电压被供应给所述辅助电池(44)。

6.根据权利要求2所述的蓄电池设备，其特征在于，所述交流电流生成设备是加温逆变器(48)，所述加温逆变器(48)将所述AC阻止滤波器(12)的输出直接转换为所述交流电流。

7.根据权利要求1所述的蓄电池设备，其特征在于，还包括：

电流量调节器(61a、61b)，其被配置为调整所述DC阻止滤波器和所述交流电流生成设备之间的电流量。

8.根据权利要求2所述的蓄电池设备，其特征在于，所述逆变器的输出被作为电力供应给电机(31)。