CN103457318A - 纯电动汽车的动力电池充电加热系统及加热方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纯电动汽车的动力电池充电加热系统及加热方法，该充电加热系统包括整车控制单元、车载充电机、充电桩、电池管理系统、动力电池、DC/DC直流转换器、热管理系统、PTC加热器和用于充电加热系统低压上电的12V蓄电池。该充电加热方法为：在充电时，如果动力电池的温度T小于等于预先设定的最低温度T临界，车载充电机给PTC加热器提供电能，进行低温加热；如果动力电池温度T大于预先设定的最低温度T临界，则退出低温加热，进入正常充电模式。本发明能缩短低温加热时间，保证动力电池的正常充电，同时不影响动力电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于纯电动汽车技术领域，具体涉及一种纯电动汽车的动力电池充电加热系统及加热方法。
背景技术
纯电动汽车有着节能、环保等诸多优点，并且是诸多高新技术结合的产物，随着能源的日趋减少和政府的大力倡导，在不久的将来其必将拥有广阔的市场。
纯电动汽车可合理利用电网波谷电力等优点，目前我国已将纯电动汽车产业化列为新能源汽车产业规划。影响纯电动汽车产业化的关键瓶颈是动力电池，目前大多数纯电动汽车用动力电池多采用锂离子动力电池，而在低温环境下锂离子动力电池极化很大，充放电特性较差，充电过程中的极化大于放电过程中的极化，因此，电池低温充电能力更差。一般在动力电池温度较低时，需要给动力电池加热升温，待动力电池达到允许的充电温度（即大于预先设定的最低温度T临界）后才能进行充电。
目前一般采用的方式是在动力电池内部布置加热装置，利用动力电池预留的小部分电量进行低温加热，待动力电池达到允许的充电温度后进行充电。这种方式对电池包电芯布置空间有影响，且只能提供一个较小加热功率，加热时间较长，会导致充电时间延长、在预设的充电时间内未充满从而影响续驶里程；如果预留电量不足以将动力电池温度加热到可充电温度时，还会造成不能充电的现象，而为保证能够加热达到允许充电的温度，需增加预留电量，从而影响续驶里程。
公开号为CN102479983A的专利公开了一种用于电动汽车动力电池的充电控制方法及装置，其利用动力电池进行不断切换地充电和放电，给动力电池加热升温。这种方式虽然不会对电池包电芯布置空间造成影响，但是，在低温条件下，动力电池的充放电特性都较差，不断切换地充、放电会给动力电池的性能带来不利影响，缩短动力电池的使用寿命。
公开号为CN201985213U的专利公开了一种电动汽车电池组低温预热系统，其采用12V蓄电池供电，通过外置的加热丝对动力电池进行加热，给动力电池升温。加热丝外置，虽然不会对电池包电芯布置空间造成影响，但是如果12V蓄电池的电量较少，则其只能提供一个较小的加热功率，加热时间较长，会导致充电时间延长、在预设的充电时间内未充满从而影响续驶里程。
发明内容
本发明的目的是提供一种纯电动汽车的动力电池充电加热系统及加热方法，以缩短低温加热时间，保证动力电池的正常充电，同时不影响动力电池的使用寿命。
本发明所述的纯电动汽车的动力电池充电加热系统，包括整车控制单元、车载充电机、充电桩、电池管理系统、动力电池、DC/DC直流转换器、热管理系统、PTC加热器和用于充电加热系统低压上电的12V蓄电池；所述整车控制单元通过CAN线与车载充电机、电池管理系统、DC/DC直流转换器、热管理系统进行通讯连接，协调车载充电机、电池管理系统、DC/DC直流转换器、热管理系统的工作；所述电池管理系统通过CAN线与动力电池进行通讯连接，对动力电池的各项参数进行管理，电池管理系统通过低压线束与位于动力电池线路上的总正、总负继电器进行控制连接，接通/断开动力电池的充电回路；所述DC/DC直流转换器通过高压线束与动力电池连接，将高压直流电转换为低压直流电给整车控制单元、电池管理系统、热管理系统供电，DC/DC直流转换器通过低压线束与12V蓄电池连接，给12V蓄电池充电；所述热管理系统通过CAN线与PTC加热器进行通讯连接，控制PTC加热器的工作；所述车载充电机通过高压线束与充电桩、PTC加热器、动力电池、DC/DC直流转换器连接，将充电桩内的交流电转换为直流电给PTC加热器、DC/DC直流转换器供电，给动力电池充电，车载充电机通过CAN线与电池管理系统进行通讯连接，获取电池管理系统发送来的需求信息，并返回充电的相关信息。
进一步，为了给电池包电芯布置提供空间，所述PTC加热器布置在前机舱内，靠近散热器，空调系统的鼓风机将PTC加热器产生的热量和散热器的散热量通过空调系统的管道吹入电池包内，给动力电池加热。
进一步，为了保证高压电路漏电安全，所述车载充电机并联有第一绝缘检测电路，所述动力电池并联有第二绝缘检测电路。
本发明所述的一种纯电动汽车的动力电池充电加热方法，包括：
步骤1：将车载充电机的充电枪插入充电桩内进行连接；
步骤2：整车控制单元通过步骤1被唤醒，车载充电机、电池管理系统、DC/DC直流转换器和热管理系统通过12V蓄电池低压上电；
步骤3：整车控制单元指令电池管理系统将总正、总负继电器接通，完成高压上电；
步骤4：整车控制单元检测到电池管理系统传来的充电信号后，进入充电模式（在该充电模式下，热管理系统控制PTC加热器处于默认的不加热状态）；
步骤5：整车控制单元从电池管理系统处检测动力电池的温度T，并判断该温度T是否小于等于预先设定的最低温度T临界；如果温度T大于该最低温度T临界，则进入正常充电模式；如果温度T小于等于该最低温度T临界，则整车控制单元发送低温加热需求1给电池管理系统，并进行充电故障检测，如果有故障，则进入下电流程，如果没有故障，则进入低温加热模式；
步骤6：整车控制单元发送总正、总负继电器断开指令给电池管理系统，电池管理系统关断总正、总负继电器；
步骤7：电池管理系统给车载充电机发送交流充电需求电压、交流充电需求电流、允许最大充电功率，闭合车载充电机的交流充电继电器，整车控制单元指令热管理系统控制PTC加热器接通，开始低温加热；
步骤8：在整个加热过程中，整车控制单元始终检测判断动力电池的温度T，如果检测到动力电池的温度T小于等于所述最低温度T临界，则继续进行低温加热；如果检测到动力电池的温度T大于所述最低温度T临界，则发送低温加热需求0给电池管理系统，整车控制单元发给车载充电机最大允许充电功率为0W，断开车载充电机上的交流充电继电器，指令热管理系统控制PTC加热器断开，停止低温加热；然后返回步骤3重新开始执行。
进一步，所述PTC加热器布置在前机舱内，靠近散热器，空调系统的鼓风机将PTC加热器产生的热量和散热器的散热量通过空调系统的管道吹入电池包内，给动力电池加热。
本发明中PTC加热器加热消耗的能量由车载充电机提供，可提供较大的加热功率，缩短了低温加热时间、保证了动力电池能够快速加热到允许充电的温度。PTC加热器布置在前机舱内，靠近散热器管道，空调系统的鼓风机将PTC加热器产生的热量和散热器的散热量通过空调系统的管道吹入电池包内，给动力电池加热，省去了在动力电池内部布置加热装置，节省了空间，给电池包电芯布置提供了空间。在对动力电池进行低温加热的过程中，关断动力电池的充电回路（即关断总正、总负继电器，也关断了动力电池的放电回路），避免了因PTC加热器功率的较大波动造成动力电池负极材料结晶，故不会对动力电池的使用寿命造成影响。
附图说明
图1为本发明中所述充电加热系统的电路框图。
图2为本发明中所述充电加热系统的原理图。
图3为本发明中动力电池充电加热的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示的纯电动汽车的动力电池充电加热系统，包括整车控制单元1、车载充电机2、充电桩3、电池管理系统4、动力电池5、DC/DC直流转换器6、热管理系统8、PTC加热器9和用于充电加热系统低压上电的12V蓄电池7，车载充电机2并联有第一绝缘检测电路11，动力电池5并联有第二绝缘检测电路12。整车控制单元1通过CAN线与车载充电机2、电池管理系统4、DC/DC直流转换器6、热管理系统8进行通讯连接，协调车载充电机2、电池管理系统4、DC/DC直流转换器6、热管理系统8的工作；电池管理系统4通过CAN线与动力电池5进行通讯连接，对动力电池5的各项参数进行管理，电池管理系统4通过低压线束与位于动力电池线路上的总正继电器J1、总负继电器J2进行控制连接，接通/断开动力电池5的充电回路；DC/DC直流转换器6通过高压线束与动力电池5连接，将高压直流电转换为低压直流电给整车控制单元1、电池管理系统4、热管理系统8供电，DC/DC直流转换器6通过低压线束与12V蓄电池7连接，给12V蓄电池7充电；热管理系统8通过CAN线与PTC加热器9进行通讯连接，控制PTC加热器的工作；车载充电机2通过高压线束与充电桩3、PTC加热器9、动力电池5、DC/DC直流转换器6连接，将充电桩3内的交流电转换为直流电给PTC加热器9、DC/DC直流转换器6供电，给动力电池5充电，车载充电机2通过CAN线与电池管理系统4进行通讯连接，获取电池管理系统4发送来的需求信息，并返回充电的相关信息。PTC加热器9布置在前机舱内，靠近散热器，空调系统的鼓风机将PTC加热器9产生的热量和散热器的散热量通过空调系统的管道吹入电池包内，给动力电池5加热。
如图2所示，在低温加热过程中，总正继电器J1、总负继电器J2都处于断开状态，车载充电机2工作在电压恒定模式（车载充电机2将充电桩3的220V交流电转换为380V直流电）。车载充电机2给PTC加热器9、DC/DC直流转换器6供电，在加热完成后总正继电器J1、总负继电器J2重新闭合，PTC加热器9关闭，动力电池5进入正常充电。
根据电路原理分析可知：
ICHM＝IDCDC+IPTC+IBATTER （1）式（1）中，ICHM为车载充电机2的输出电流，单位A；IDCDC为DC/DC直流转换器6的输入电流，单位A；IPTC为PTC加热器9的输入电流，单位A；IBATTER为动力电池5允许输入的充电电流，单位A。
当动力电池5的温度T小于等于预先设定的最低温度T临界时，热管理系统8在整车控制单元1的指令下，开启PTC加热器9，通过吹暖风给动力电池加热；当动力电池5的温度T大于预先设定的最低温度T临界时，热管理系统8在整车控制单元1的指令下，关闭PTC加热器9，停止加热，进入正常充电模式。
整车控制单元1根据动力电池5的充电电流的目标限值，来控制车载充电机2输出电流以及提供给PTC加热器9的电流。动力电池5的充电电流的限值目标函数如式（2）所示。
式（2）中，T为动力电池的温度，单位℃；IC为正常充电电流。
充电加热时各高压部件的功率平衡关系如式（3）所示。
P1＝P2+P3+P4 （3）式（3）中，P1为整车控制单元1发给车载充电机2的最大允许充电功率，单位W；P2为DC/DC直流转换器6的实际消耗的功率值，单位W；P3为PTC加热器9的实际最大可用功率值，单位W；P4为动力电池5的充电功率的控制目标值，单位W。
PTC加热器9加热过程中，其最大可用功率P3与整车控制单元1发给热管理系统8的最大允许充电功率有关，整个加热过程中P3受整车控制单元1控制。
热管理系统8发送给整车控制单元1的PTC加热器功率是根据当前的水温、流量以及功率需求进行计算的，会导致PTC加热器功率会出现一些波动，为了避免出现一些大的PTC加热器功率波动，给动力电池带来电流冲击，造成动力电池负极材料结晶，因此，需对动力电池的充电功率进行限值。动力电池的充电功率的控制目标值P4如式（4）所示。
式（4）中，U为动力电池直流母线电压，单位V。
在低温加热过程中，总正继电器J1、总负继电器J2都处于断开状态，保证充电电流为0，整车控制单元1始终监测P2、P3的变化来调整P1，使车载充电机2提供的功率满足消耗需求；在正常充电时，整车控制单元1始终监测P2、P4的变化来调整P1，使车载充电机2提供的功率满足动力电池的充电要求。
如图3所示，在纯电动汽车进行充电时，如果动力电池的温度T小于等于预先设定的最低温度T临界时，进入低温加热；当动力电池温度T大于预先设定的最低温度T临界时，退出低温加热，进入正常充电模式（正常充电模式的充电方法与现有的充电方法相同）。采用上述充电加热系统进行加热的方法，具体包括：
步骤1：将车载充电机2的充电枪插入充电桩3内进行连接；
步骤2：整车控制单元1通过步骤1被唤醒，车载充电机2、电池管理系统4、DC/DC直流转换器6和热管理系统8通过12V蓄电池7低压上电；
步骤3：整车控制单元1指令电池管理系统4将总正继电器J1、总负继电器J2接通，完成高压上电；
步骤4：整车控制单元1检测到电池管理系统4传来的充电信号后，进入充电模式（在该充电模式下，热管理系统8控制PTC加热器9处于默认的不加热状态）；
步骤5：整车控制单元1从电池管理系统4处检测动力电池的温度T，并判断该温度T是否小于等于预先设定的最低温度T临界；如果温度T大于该最低温度T临界，则进入正常充电模式；如果温度T小于等于该最低温度T临界，则整车控制单元1发送低温加热需求1给电池管理系统4，并自发送需求开始计时，t秒内检测影响充电的故障，如果有故障，则进入下电流程，如果没有故障，则进入低温加热模式；
步骤6：整车控制单元1发送总正继电器J1、总负继电器J2断开指令给电池管理系统4，电池管理系统4关断总正继电器J1、总负继电器J2；
步骤7：电池管理系统4给车载充电机2发送交流充电需求电压、交流充电需求电流、允许最大充电功率，闭合车载充电机2的交流充电继电器，整车控制单元1指令热管理系统8控制PTC加热器9接通，开始低温加热，在加热过程中，整车控制单元1会根据P2、P3的变化来调整P1；
步骤8：在整个加热过程中，整车控制单元1始终检测判断动力电池的温度T，如果检测到动力电池的温度T小于等于预先设定的最低温度T临界，则继续进行低温加热；如果检测到动力电池的温度T大于预先设定的最低温度T临界，则发送低温加热需求0给电池管理系统4，整车控制单元1发给车载充电机2最大允许充电功率为0W，指令热管理系统8控制PTC加热器9断开，同时，电池管理系统4向车载充电机2发送交流充电需求电压0V、交流充电需求电流0A、高压输出使能信号0和最大允许充电功率0W,断开车载充电机2的交流充电继电器，停止低温加热；然后返回步骤3重新高压上电，开始正常充电流程。
PTC加热器9产生的热量和散热器的散热量，利用空调系统的鼓风机，通过管道被吹入电池包内，给动力电池5加热。
Claims (5)
1.纯电动汽车的动力电池充电加热系统，其特征是：包括整车控制单元（1）、车载充电机（2）、充电桩（3）、电池管理系统（4）、动力电池（5）、DC/DC直流转换器（6）、热管理系统（8）、PTC加热器（9）和用于充电加热系统低压上电的12V蓄电池（7）；所述整车控制单元（1）通过CAN线与车载充电机（2）、电池管理系统（4）、DC/DC直流转换器（6）、热管理系统（8）进行通讯连接，协调车载充电机、电池管理系统、DC/DC直流转换器、热管理系统的工作；所述电池管理系统（4）通过CAN线与动力电池（5）进行通讯连接，对动力电池的各项参数进行管理，电池管理系统通过低压线束与位于动力电池线路上的总正、总负继电器（J1、J2）进行控制连接，接通/断开动力电池的充电回路；所述DC/DC直流转换器（6）通过高压线束与动力电池（5）连接，将高压直流电转换为低压直流电给整车控制单元、电池管理系统、热管理系统供电，DC/DC直流转换器通过低压线束与12V蓄电池连接，给12V蓄电池充电；所述热管理系统（8）通过CAN线与PTC加热器（9）进行通讯连接，控制PTC加热器的工作；所述车载充电机（2）通过高压线束与充电桩（3）、PTC加热器（9）、动力电池（5）、DC/DC直流转换器（6）连接，将充电桩内的交流电转换为直流电给PTC加热器、DC/DC直流转换器供电，给动力电池充电，车载充电机通过CAN线与电池管理系统（4）进行通讯连接，获取电池管理系统发送来的需求信息，并返回充电的相关信息。
2.根据权利要求1所述的纯电动汽车的动力电池充电加热系统，其特征是：所述PTC加热器（9）布置在前机舱内，靠近散热器，空调系统的鼓风机将PTC加热器产生的热量和散热器的散热量通过空调系统的管道吹入电池包内，给动力电池加热。
3.根据权利要求1所述的纯电动汽车的动力电池充电加热系统，其特征是：所述车载充电机（2）并联有第一绝缘检测电路（11），所述动力电池（5）并联有第二绝缘检测电路（12）。
4.纯电动汽车的动力电池充电加热方法，包括：
步骤1：将车载充电机（2）的充电枪插入充电桩（3）内进行连接；
步骤2：整车控制单元（1）通过步骤1被唤醒，车载充电机（2）、电池管理系统（4）、DC/DC直流转换器（6）和热管理系统（8）通过12V蓄电池（7）低压上电；
步骤3：整车控制单元（1）指令电池管理系统（4）将总正、总负继电器（J1、J2）接通，完成高压上电；
步骤4：整车控制单元（1）检测到电池管理系统（4）传来的充电信号后，进入充电模式；
步骤5：整车控制单元（1）从电池管理系统（4）处检测动力电池的温度T，并判断该温度T是否小于等于预先设定的最低温度T临界；如果温度T大于该最低温度T临界，则进入正常充电模式；如果温度T小于等于该最低温度T临界，则整车控制单元发送低温加热需求1给电池管理系统，并进行充电故障检测，如果有故障，则进入下电流程，如果没有故障，则进入低温加热模式；
步骤6：整车控制单元（1）发送总正、总负继电器（J1、J2）断开指令给电池管理系统（4），电池管理系统关断总正、总负继电器（J1、J2）；
步骤7：电池管理系统（4）给车载充电机（2）发送交流充电需求电压、交流充电需求电流、允许最大充电功率，闭合车载充电机的交流充电继电器，整车控制单元指令热管理系统控制PTC加热器接通，开始低温加热；
步骤8：在整个加热过程中，整车控制单元（1）始终检测判断动力电池的温度T，如果检测到动力电池的温度T小于等于所述最低温度T临界，则继续进行低温加热；如果检测到动力电池的温度T大于所述最低温度T临界，则发送低温加热需求0给电池管理系统（4），整车控制单元发给车载充电机最大允许充电功率为0W，断开车载充电机上的交流充电继电器，指令热管理系统控制PTC加热器断开，停止低温加热，然后返回步骤3重新开始执行。
5.根权利要求4所述的纯电动汽车的动力电池充电加热方法，其特征是：所述PTC加热器（9）布置在前机舱内，靠近散热器，空调系统的鼓风机将PTC加热器产生的热量和散热器的散热量通过空调系统的管道吹入电池包内，给动力电池加热。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131218 |