CN103419667A - 用于电动车辆的动力系统及电动车辆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动车辆的动力系统，包括：电池组；电池加热器，电池加热器构造成适于可在电池组和电池加热器之间进行充放电；电池管理器；电动机；配电器和电动机控制器，用于控制电动机的操作；以及隔离电感，隔离电感的两端分别连接至电池组和配电器，且隔离电感设置在电池加热器内。根据本发明的动力系统，可以利用电池组自身所产生的热量而实现对电池的加热，从而极大地降低了车辆特别是电动车辆在低温环境下的限制。此外，由于该隔离电感设置在电池加热器内的缘故，从而整个电池加热器可以被卸下，有利于降低成本。本发明还公开了一种具有该动力系统的电动车辆。

Description

用于电动车辆的动力系统及电动车辆

技术领域

本发明总体涉及电动车辆技术领域，具体而言涉及用于电动车辆的动力系统及电动车辆。

背景技术

需要说明的是，该部分的阐述只是提供与本公开相关联的背景信息且可能或者不会构成现有技术。

通常情况下，锂离子电池的工作温度为-20℃到55℃，而电池在低温下不允许充电。在环境温度过低时，电动车内部电池会出现如下问题：1、锂离子容量在负极沉积，失去电活性，甚至可能引发安全问题；车辆/电池包经常在低温下使用，会极大损害电池包寿命，更严重时可能会有安全隐患。2、锂离子电池充电时，锂离子容易在负极沉积，变成死锂，电池能发挥的容量显著下降；在不断的使用过程中，这些沉积锂越长越大，甚至可能引发内部短路，造成安全隐患。这是车辆不能在低温下充电（包括回馈）的原因。3、电池的放电能力有限，不利于行车。

目前，电池加热在电动汽车领域中已经是一种非常重要的技术。电池加热策略的好坏，电池加热器性能的优劣直接影响到汽车的舒适性、操作稳定性和安全性。在电动车中，加热器与动力电池相连接。随着社会的发展，新能源车，特别是纯电动车作为一种代步工具，正慢慢地进入每一个家庭，用户对汽车的性能要求也越来越高，特别是对舒适性的要求，这就要求车辆必须适应不同的行车需求。然而现阶段大部分的电动车显然无法满足这种要求，特别是在寒冷的冬天，温度过低，使动力电池的性能下降，无论是在放电能力上，还是在电池容量上都会有所下降，甚至不能使用。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明需要提供一种电动车辆的动力系统，所述动力系统无需外加电源，即可利用自身动力电池所提供的能量实现对动力电池的加热。

此外，本发明需要提供一种用于电动车辆的动力系统，所述动力系统可以极大地降低电动车辆在低温环境使用的限制，在提高加热效率的同时降低成本。

根据本发明的一方面，提供了一种用于电动车辆的动力系统，包括：电池组；电池加热器，所述电池加热器与所述电池组相连，所述电池加热器构造成适于可在所述电池组和所述电池加热器之间进行充放电，以通过所述电池组内产生的热量而对所述电池组进行加热；电池管理器，所述电池管理器分别与所述电池组和所述电池加热器相连，以控制所述电池加热器对所述电池组的加热；电动机；

配电器，所述配电器连接至所述电池加热器，并用于对所述电池组输出的电压进行分配；电动机控制器，所述电动机控制器分别与所述电动机和所述配电器相连，用于控制所述电动机的操作；以及隔离电感，所述隔离电感的两端分别连接至所述电池组和所述配电器，且所述隔离电感设置在所述电池加热器内。

根据本发明的所述动力系统，通过电池加热器的构造而在所述电池组和所述电池加热器之间进行充放电，从而实现了利用所述电池组自身的能量实现了对电池组的加热，效率更高。由于不需要专门的外部电源，从而降低了制造成本，容易实现工业上大规模制造。此外，由于该隔离电感设置在电池加热器的内部的缘故，从而在防止了负载回路对加热回路特性的影响并保证加热电路的正常工作的同时，使得整个电池加热器的安装和拆卸更加方便。且在气温较高的应用环境下，可以整体去除该电池加热器，从而降低成本。

本发明第二方面的实施例公开了一种电动车辆，包括上述的电动车辆的动力系统。该电动汽车能够在寒冷的地区正常行驶，并且能够一边行车，一边对电池组进行加热，从而保证安全顺利行车。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是为根据本发明的一个实施例的用于电动车辆的动力系统的结构示意图；

图2为根据本发明的一个实施例的、用于电动车辆的动力系统的电气结构示意图；

图3为根据本发明的一个实施例的、用于电动车辆的动力系统的电气连接示意图；以及

图4为根据本发明的一个实施例的、用于电动车辆的动力系统中的配电器的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下述说明本质上只是示例性的，而不是以任何方式来限制本公开、本公开的应用或者使用。为了简洁，将在附图中使用相同的参考数字以识别相似的元件。如此处所使用，术语至少A、B和C中的至少一个必须理解为指的是逻辑（A或者B或者C），使用非排他性逻辑或者。必须理解，在不改变本公开的原理的情况下，方法中的步骤可以不同的顺序来执行。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，应当理解，本发明的实施例的范围不受说明书中所公开的示例的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。例如，在下面的用于电动车辆的动力系统的描述中，将以电动车作为示例来进行描述。但是，普通技术人员显然知道，本发明不仅限于电动车，也可以将本发明的动力系统应用到其他类型的电力驱动的车辆，例如混合动力车等。

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于电动车辆的动力系统。如图1中所示，该动力系统可以包括：电池组101、电池加热器102、电池管理器103、配电器104、电动机105、电动机控制器106和隔离电感L2。根据本发明的一个实施例，电池组101适于对电动车辆提供动力，可选地，该电池组101可以为动力电池组，也可以为任何能够为电动车辆提供动力的电池所形成。电池加热器102与电池组101相连，且所述电池加热器102构造成适于可在所述电池组101和所述电池加热器102之间进行充放电，以通过所述电池组101内产生的热量而对所述电池组101进行加热。

电池管理器103分别与电池组101和所述电池加热器102相连，以控制电池加热器102对电池组101的加热。可选地，电池管理器103通过CAN线107与电池加热器102相连，同时还通过采样线108与电池组101相连，以对电池组101中的电池进行温度采样、电压采样、对电池组101输出电流采样等。此外，电池管理器103还具有计算电池剩余电量的功能，并可通过CAN线107把控制信号发送给相关的电气器件，以实现对电池功能的管理。具体而言，电池管理器103用于在电池组101的温度低于第一预定温度阈值且电池组101剩余电量高于预定电量阈值时，控制电池加热器102对电池组101加热。如图1中所示，隔离电感L2的两端分别连接至电池组101和配电器104，且隔离电感L2设置在电池加热器102内。

根据本发明的所述动力系统，通过电池加热器102的构造而在电池组101和电池加热器102之间进行充放电，从而实现了利用电池组101自身的能量实现了对电池组的加热，效率更高。由于不需要专门的外部电源，从而降低了制造成本，容易实现工业上大规模制造。此外，由于该隔离电感L2设置在电池加热器102的内部的缘故，从而在防止了负载回路对加热回路特性的影响并保证加热电路的正常工作的同时，使得整个电池加热器的安装和拆卸更加方便。且在气温较高的应用环境下，可以整体去除该电池加热器，从而降低成本。

根据本发明的一个实施例，配电器104可以是一个通断大电流的高压器件，电池管理器103通过发送控制信号给配电器104来达到对电池组101输出的电压进行分配。

根据本发明的一个实施例，电动机控制器106分别与电动机105和配电器104相连，且电动机控制器106具有第一输入端、第二输入端和连接在第一输入端和第二输入端之间的预充电容C2，电动机控制器106用于根据控制指令和配电器104为电动机控制器分配的电压为电动机105供电。具体而言，电动机控制器106可以通过其内部的驱动电路把电池组101提供的直流电逆变成电动机105所需的三相交流电以给电动机105供电。

在本发明的一个实施例中，所述电池管理器103控制成将所述动力系统工作在行车加热模式或者停车加热模式中。在所述行车加热模式中，所述电动机控制器106根据所述电池管理器103发送的信号控制所述电动机105在限功率下运行。所述电池加热器102进行故障自检后将检测结果发送至所述电池管理器103，并在所述电池加热器102出现故障时所述电池管理器103发出禁止所述电动汽车加热、行驶或充电的提示。。

行车加热具体是指除了电池加热器给电池组加热之外，电动车辆的其它高压用电设备也能同时工作，例如电机、空调等，但电机和空调会被限功率运行。对应地，停车加热是指除了电池加热器给电池组加热之外，电动车辆的其它高压用电设备不工作，例如电池加热器工作时，电机、空调等高压用电设备不工作。相应地，行车电量阈值是指允许电动车辆进入行车加热模式时电池组的剩余电量，而停车电量是指允许电动车辆进入停车加热模式时电池组的剩余电量。

根据本发明的一个实施例，隔离电感L2可以连接在电池组101和配电器104之间，且隔离电感L2的电感值与电动机控制器的预充电容C2相匹配。在本发明的一个实施例中，隔离电感L2的电感值L根据以下公式确定：

其中T为电动机的等效负载工作周期，C为预充电容C2的电容值。由于该隔离电感的缘故，从而防止了负载回路对加热回路特性的影响，并保证加热电路的正常工作。

下面将结合图2来对所述动力系统中的电池加热器的详细结构进行描述。如图3所示，加热组件1021和加热器壳体1022。加热组件1021与电池组101相连，并构造成适于可在电池组101和加热组件1021之间进行充放电，以通过电池组101内产生的热量来对电池组101进行加热，加热器壳体1022用于容纳加热组件1021和隔离电感L2。

根据本发明的一个实施例，加热组件1021可以包括：第一开关模块301、第一电容C1、第一电感L1和第二开关模块302。第一开关模块301的一端与电池组101的第一电极和隔离电感L2相连。第一电容C1的一端与第一开关模块301的另一端相连，且第一电容C1的另一端与电池组101的第二电极相连。第一电感L1的一端与第一开关模块301和第一电容C1之间的节点相连。第二开关模块302的一端与第一电感L1的另一端相连，且第二开关模块302的另一端与电池组101的第二电极相连。第一开关模块301和第二开关模块302的控制端分别与电池管理器103相连，在对电池组101加热时，电池管理器103发送信号给电池加热器102，电池加热器102控制第一开关模块301和第二开关模块302依次导通，且在第一开关模块301导通时第二开关模块302关闭，在第二开关模块302导通时第一开关模块301关闭。进一步地，如图2所示，电池组101中ESR为电池组等效内阻，ESL为电池组等效电感，E为电池组。L2为隔离电感，用于将表示电池加热器102的Part2与电动机105的等效负载电路Part5相隔离，这样电池组101的反电压就被隔离电感L2所吸收，不会加到后级负载。C2为电动机控制器106的直流母线电容，即预充电容，R表示电动机105的等效负载。电池加热器102工作时，其内部开关模块按照一定的时序闭合和关断。

在本发明的一个示例中，如图2所示，开关模块可以为IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）。需要说明的是，该开关模块可以采用其他能实现电路通断的器件，其也落入本发明的保护范围之内。当加热开始时，内部元器件如电感、电容都处于初始状态，并没有储存能量，电池加热器102的工作流程包括：（1）IGBT1导通，IGBT2关断时，电池包E通过回路“C1-D1-ESL-ESR-E-C1”对第一电容C1进行充电，当充电进行到一段时间后，第一电容C1两端的电压与电池包E的电压相等，但由于电路中存在感性元件，使第一电容C1继续充电，第一电容C1两端电压比电池包E电压高，当充电电流为零时，第一电容C1开始放电，此时放电回路为C1-D1-ESL-ESR-E-C1”，直到放电电流为零。（2）IGBT1关断，当IGBT2导通时，第一电容C1继续放电。其中存在放电回路为“C1-D2-L1-IGBT2-C1”。由于第一电感L1的存在，第一电容C1继续放电，使第一电容C1两端电压低于电池包E电压。如此重复上述过程，从而实现了通过电池组101的反复充电和放电，而实现了对电池组101自身加热，通过电池加热器102的构造而在电池组101和电池加热器102之间进行充放电，从而实现了利用电池组101自身的能量实现了对电池组101的加热，效率更高。由于不需要专门的外部电源，从而降低了制造成本，容易实现工业上大规模制造。

当第一开关模块301导通时，若不加入隔离电感L2，则预充电容C2通过第一开关模块301对第一电容C1进行充电，充电电流大小由回路中总抗决定，致使第一电容C1电流波形不可控，加热电路特性被改变，电路不能正常工作。因此，根据本发明的一个实施例，当电动机105与电池加热器102同时工作时，需加入隔离电感L2。

在本发明的一个实施例中，电池加热器102还包括动力接插件，用于连接并固定动力线109。该动力接插件需要满足防涡流要求，并且由于电池加热器102工作期间电流变化频率非常快，导致动力接插件内部的磁导材料温升很快，因此，尽量选择磁导率小的动力接插件。根据本发明的一个实施例，电池加热器102上可以设置有四个动力接插件，其中两个动力接插件与电池组101相连，另外两个动力接插件与配电器104相连。动力接插件用于高压线束的始端和末端。所述电池加热器102通过动力线与配电器104连接。如图3中所示，电池加热器102的加热组件1021与配电器104之间并联连接。

可选地，电池加热器102也包括一个低压接插件，用于与外部系统进行连接并通讯，其中包括用于连接电池管理器103的CAN线107以及自检信号线和故障信号线。

参照图3，在本发明的一个实施例中，隔离电感L2放置在电池加热器102内部。由此，使配电器104与电池组101直接连接，从而使得整个动力系统的物理结构更加简单。如图3所示，在本发明的一个实施例中，电池加热器102内部包括隔离电感L2、保险401以及加热器自身用电器件。这样，当电池组101不需要加热时，可把电池加热器102整体卸下，直接使配电器104与例如动力电池包的电池组101进行连接，从而有利于节省成本。此外，在气温较高的地方，电动车无需外加电池加热器，而在寒冷的地方，则可以装载电池加热器102，从而在车型开发时，无需为适应销售地区而作较大的改动。提高了该动力系统的适用范围。

根据本发明的一个实施例，电池加热器102包括四个动力接插件，其中两个通过动力线109与电池组101相连，另外两个动力接插件通过动力线109与配电器104相连。动力接插件用于高压线束的始端和末端。

在本发明的一个实施例中，参照图1-图3，电池加热器102还包括冷却组件110，用于对所述电池加热器102进行冷却，即对电池加热器102中的第一开关模块301和第二开关模块302进行冷却。

在本发明的一个实施例中，冷却组件110可以进一步包括设置在电池加热器102中的风道和设置在风道一端的风扇。采用风扇进行散热的电池加热器。

在本发明的另一个实施例中，冷却组件110可以进一步包括设置在电池加热器102中的冷却液通道以及设置在电池加热器102上的冷却液进口和冷却液出口（未示出）。采用冷却液进行散热的电池加热器，散热效果好，并且密封性能优。

在本发明的一个实施例中，如图4所示，电动汽车的动力系统中的配电器104可以进一步包括：主接触器601和预充接触器602。主接触器601用于在电池管理器103的控制下将配电器104的输出电压分配至电动汽车的用电设备，如电动机105等。预充接触器602与电动机控制器106的第一输入端603和第二输入端604其中之一相连，在本实施例中，所述预充接触器602与第一输入端603相连。预充接触器602用于在电池管理器103的控制下，在电动机控制器106控制电动机105启动之前，为预充电容C2充电。

下面将简单描述本发明的用于车辆的动力系统的操作过程。当电动车被启动之后，电池管理器103开始工作，并检测电池组101的平均温度和配电器104内的主接触器的通断情况。所述电池组的温度为电池组101的平均温度，电池管理器103对电池组101内的每个电池模组的温度进行采样，采集电池组101内每节电池的温度值，并计算出电池组内所有电池的平均温度。如果电池组101的平均温度小于第一预定温度阈值且电池组101的剩余电量大于预定电量阈值时，同时用户按下加热按钮并保持预定的时间，则电池管理器103通过CAN线107向电池加热器102发送电池加热控制指令，允许整车加热和行驶。在本发明的一个示例中，第一预定温度阈值可以为-10℃，该预定电量阈值可以是电池组101的总电量的30%。在行车加热开始之前，也就是电机工作之前，电池管理器103发送控制信号给配电器104，控制预充接触器进行吸合，从而使电池组101给预充电容C2充电，当预充电容电压接近电池组电压后，才允许电动机105进行工作。电池管理器103根据电动车行驶的状态而将使得所述动力系统工作在行车加热模式或者停车加热模式中。当在行车时，电动机控制器106根据电池管理器103发送的电池充电信号控制电动机105在限定功率下运行。当电池加热到所需温度时，电池管理器103可以中止电池加热器102对电池组101的加热。

综上，根据本发明实施例的一个实施例，利用车上电池组101大电流放电，电池包E自身内阻发热，达到给电池组101加热的目的。该动力系统无需外加电源，加热所需电量完全由本身电池组101提供，通过电池管理器103和电池加热器102对电池组101进行加热管理，大大降低了电动车辆在低温环境使用的限制，且能够实现电动汽车边行车边加热，即可在电池加热的同时能满足电动汽车限功率运行，满足客户在低温时行车和充电要求。此外，该动力系统对电池直接加热，加热效率更高，成本较低，实用性强，容易实行产业化。

本发明第二方面的实施例公开了一种电动车辆，包括上述的电动车辆的动力系统。该电动汽车能够在寒冷的地区正常行驶，并且能够一边行车，一边对电池组进行加热，从而保证安全顺利行车。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (14)

1.一种用于电动车辆的动力系统，包括：

电池组；

电池加热器，所述电池加热器与所述电池组相连，所述电池加热器构造成适于可在所述电池组和所述电池加热器之间进行充放电，以通过所述电池组内产生的热量而对所述电池组进行加热；

电池管理器，所述电池管理器分别与所述电池组和所述电池加热器相连，以控制所述电池加热器对所述电池组的加热；

配电器，所述配电器连接至所述电池加热器，并用于对所述电池组输出的电压进行分配；

电动机和电动机控制器，所述电动机控制器分别与所述电动机和所述配电器相连，用于控制所述电动机的操作；以及

隔离电感，所述隔离电感的两端分别连接至所述电池组和所述配电器，且所述隔离电感设置在所述电池加热器内。

2.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，所述电动机控制器具有第一输入端、第二输入端和连接在所述第一输入端和第二输入端之间的预充电容，且所述隔离电感与所述电动机控制器的预充电容相匹配。

3.根据权利要求2所述的动力系统，其特征在于，所述隔离电感的电感值L根据以下公式确定：

$T=2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}},$

其中T为所述电动机的等效负载工作周期，C为所述预充电容的电容值。

4.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，所述电池管理器适于在所述电池组的温度低于第一预定温度阈值且所述电池组的剩余电量高于预定电量阈值时，控制所述电池加热器对所述电池组进行加热。

5.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，所述电池加热器包括：

加热组件；以及

加热器壳体，所述加热器壳体用于容纳所述加热组件和所述隔离电感。

6.根据权利要求5所述的动力系统，其特征在于，所述加热组件包括：

第一开关模块，所述第一开关模块的一端与所述电池组的第一电极相连；

第一电容，所述第一电容的一端与所述第一开关模块的另一端相连，且所述第一电容的另一端与所述电池组的第二电极相连；

第一电感，所述第一电感的一端与所述第一开关模块和所述第一电容之间的节点相连；以及

第二开关模块，所述第二开关模块的一端与所述第一电感的另一端相连，且所述第二开关模块的另一端与所述电池组的第二电极相连，所述第一开关模块和第二开关模块的控制端分别与所述电池管理器相连。

7.根据权利要求6所述的动力系统，其特征在于，所述电池管理器发送信号给电池加热器，所述电池加热器控制成在对所述电池组加热时控制所述第一开关模块和第二开关模块依次导通，且在所述第一开关模块导通时所述第二开关模块关闭，在所述第二开关模块导通时所述第一开关模块关闭。

8.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，所述电池管理器控制成将所述动力系统工作在行车加热模式或者停车加热模式中。

9.根据权利要求8所述的动力系统，其特征在于，在所述行车加热模式中，所述电动机控制器根据所述电池管理器发送的信号控制所述电动机在限功率下运行。

10.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，进一步包括：冷却组件，用于对所述电池加热器进行冷却。

11.根据权利要求4所述的动力系统，其特征在于，所述电池加热器和所述配电器串联连接，且所述电池加热器分别通过两根动力线与所述电池组和所述配电器连接。

12.根据权利要求11所述的动力系统，其特征在于，所述动力线分别通过设置在所述电池加热器、所述配电器以及所述电池组上的动力接插件固定并连接。

13.根据权利要求1所述的动力系统，其特征在于，所述电动车辆为纯电动车或者混合动力车。

14.一种电动车辆，包括如权利要求1-13任意一项所述的电动车辆的动力系统。

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