CN105846013B - 动力电池充电和加热控制系统以及控制方法 - Google Patents

动力电池充电和加热控制系统以及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及动力电池充电和加热控制系统以及控制方法，该控制系统中，驱动电机控制器的直流侧连接两条支路，一条为电池支路，另一条为加热支路，这两条支路并联，电池支路上串设有动力电池和第一开关，加热支路上串设有加热器和第二开关；控制器采样连接制动回收功率检测单元，控制器控制连接第一开关和第二开关。在制动时，比较制动回收功率与动力电池最大可充电功率的大小；如果制动回收功率大于动力电池最大可充电功率，闭合电池支路和加热支路，制动回收功率同时为动力电池进行充电和加热。这种方式能够使电池充电和加热同时进行，有效缩短了制动能量的利用时间，同时提升了加热效率和充电效率。

Description

动力电池充电和加热控制系统以及控制方法
技术领域
本发明涉及动力电池充电和加热控制系统以及控制方法，属于汽车能量回收及利用领域。
背景技术
在北方寒冷城市一年四季温差变化较大，基于电池在低温条件下充、放电能力差的特性，导致车辆在夏季和冬季的动力性和电制动性能存在很大差异，影响驾驶员感受或车辆正常运营。申请号为201410113551.9的专利公开了一种动力电池的加热方法，利用制动能量回收的能量，根据温度值来判断给电池进行加热或者充电，该方法具体有以下步骤：1)监测锂离子电池组温度是否小于或等于第一温度限值，若是，则开启加热器对所述锂离子电池组进行加热；2)监测锂离子电池组温度是否上升至第二温度限值，若否，则继续开启加热器对锂离子电池组进行持续加热，若是，则关闭加热器进入步骤3)；3)判断此时锂离子电池组温度是否小于第三温度限值，若是，则进入步骤4)；4)判断锂离子电池组的荷电状态SOC是否小于锂离子电池组的SOC限值，若是，则对锂离子电池组进行充电。该申请的方法能高效的回收制动能量，来提高锂离子电池组的低温性能，同时也提高了电动汽车的低温续航里程。但是，该方法实施的过程用时较长，能够导致动力电池的加热效率和充电效率均较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种动力电池充电和加热控制系统以及控制方法，用以解决传统的利用回收的制动能量的方式耗时较长，导致动力电池的加热效率和充电效率均较低的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括一种动力电池充电和加热控制系统，包括：控制器和制动回收功率检测单元；
驱动电机控制器的直流侧连接两条支路，一条为电池支路，另一条为加热支路，这两条支路并联，所述电池支路上串设有动力电池和第一开关，所述加热支路上串设有加热器和第二开关；所述控制器采样连接所述制动回收功率检测单元，所述控制器控制连接所述第一开关和第二开关。
所述电池支路上还串设有一个DC/DC单元，用于调节电池支路上的电流。
所述控制器还用于实时获取动力电池的信息，以得到制动能量充电时的最大可充电功率。
所述直流侧还包括一条风扇支路，所述风扇支路与所述加热支路并联，所述风扇支路上串设有第三开关和加热风扇，所述控制器控制连接所述第三开关；所述加热器和动力电池均设置在风扇的出风口，且加热器设置在加热风扇与动力电池之间。
一种专用于上述动力电池充电和加热控制系统的动力电池充电和加热控制方法，包括以下步骤：
(1)在制动时，比较制动回收功率P制与动力电池最大可充电功率P充的大小；
(2)如果制动回收功率P制大于动力电池最大可充电功率P充，闭合电池支路和加热支路，制动回收功率同时为动力电池进行充电和加热。
通过电池支路上设置的DC/DC单元来调节电池支路上的充电电流，以实现制动回收功率P制的最大可充电功率部分用于为动力电池进行充电，P制-P充部分用于对动力电池进行加热。
在所述步骤(1)之前，该控制方法还有采集动力电池的温度的步骤，当动力电池的温度小于设定的第一温度阈值时，进行所述步骤(1)。
当加热器的温度达到设定的第二温度阈值时，通过加热风扇使加热器的热量传输给动力电池。
在对动力电池进行加热过程中，动力电池的温度上升，当动力电池的温度达到设定的第三温度阈值时，停止对动力电池进行加热。
如果制动回收功率P制小于动力电池最大可充电功率P充，那么，制动回收功率P制用于为动力电池进行充电或加热。
本发明提供的动力电池充电和加热控制系统和方法中，首先需要判断比较制动回收功率与动力电池最大可充电功率的大小，只有当制动回收功率大于动力电池最大可充电功率时，制动回收功率才能够同时进行动力电池的充电和加热。这种控制方法将制动回收能量分为了两部分，一部分用于电池充电，另一部分用于电池加热，所以，这种方式能够使电池充电和加热同时进行，有效缩短了制动能量的利用时间，同时提升了加热效率和充电效率。另外，动力电池在充电时，其内部的温度由于充电电流的关系会上升，再加上同时进行的电池的外部加热，内外同时加热，在保证了动力电池的电量的同时进一步提高了动力电池的加热速度。
附图说明
图1是动力电池的充电和加热系统的电路结构示意图；
图2是充电和加热控制方法流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，驱动电机连接驱动电机控制器的交流侧，驱动电机控制器的直流侧连接两条支路，一条为电池支路，另一条为加热支路，这两条支路并联，电池支路上串设有动力电池、主接触器k2和DCDC变换器，加热支路上串设有加热器和电池加热接触器k1，在本实施例中，加热器以加热电阻为例。
通过接触器k1来控制加热器的通和断；通过接触器k2来控制电池本身的通和断，通过DCDC控制单元控制动力电池的充、放电功率；其中，加热器的功率较大，能够满足制动能量的回收利用。而且，为了实现上述控制，该控制系统包括一个控制器和制动回收功率检测单元，其中，控制器可以使用车辆本身的整车控制器，还可以专门设置一个控制器；制动回收功率检测单元用于检测在车辆制动时回收到的制动回收功率，由于制动回收功率的回收属于现有技术，那么，用于检测制动回收功率的检测单元也是现有的常规设备，比如是一个数据处理模块，通过采集制动时的相关系数来计算制动回收功率，所以，对于该检测单元这里就不再具体说明。该控制器采样连接该制动回收功率检测单元，用于实时获取制动回收功率；而且，该控制器上还具有采集动力电池最大可充电功率的信号输入端子，由于电池的BMS中有电池的所有的相关信息，所以上述信号输入端子采样连接BMS，通过BMS实时获知动力电池的最大可充电功率。还有就是，如果控制器直接使用BMS，由于BMS本就直接可以获取动力电池的最大可充电功率，那么，该BMS上就无需设置用于采集动力电池最大可充电功率的信号输入端子。
另外，为了保证动力电池四周的热气的流通，该系统还包括一个加热风扇支路，该风扇支路与上述加热支路并联，风扇支路上串设有加热风扇和开关(图中未画出)，控制器控制连接该开关。动力电池、加热器和加热风扇三者的位置关系如图1所示，动力电池和加热器均设置在风扇的出风口，且加热器在动力电池和加热风扇之间，加热风扇转动后向动力电池方向吹动，加热器产生的热量由风扇吹到动力电池的四周，进一步提升动力电池的加热速度。该加热风扇的电能供给由制动回收能量提供。通过加热风扇来控制空气流通保证热气传递给动力电池的电芯，而且风扇的转速是可控的。
汽车在制动模式下时，电池温度不足以满足制动能量回收，制动回馈所产生的电能同时为动力电池进行充电和加热，根据具体的实际需求进行制动回收功率的分配。而且，在制动回收功率的分配时，通过DCDC控制单元的调节，能够使电池支路上的充电电流发生相应地改变，由于加热支路和电池支路并联，两个支路两端的电压相同，所以，通过调节电池支路上的电流能够使两条支路上的功率发生改变，实现制动回收功率根据实际需求而分配，并且，通过DC/DC的调节，能够达到——制动回收功率优先给电池充可承受的电量，同时多余的制动回收功率直接用来为动力电池加热的要求。
本实施例中，控制器以整车控制器为例，那么，该控制方法设置在整车控制器中，整车控制器加载该控制方法以实现相应的控制，具体过程如下：
整车控制软件首先根据动力电池的温度以及动力电池的可充放电电流的大小来判断动力电池是否处于冬季模式。当然，动力电池的温度以及可充电电流的检测是需要检测设备的，比如通过温度传感器采集动力电池的温度，通过电流互感器采集可充电电流，整车控制器采样连接该温度传感器和电流互感器，这些是常规技术，这里不再具体说明。由于动力电池是由多个单体电池构成，单体电池由于排列的方式或者布置位置的不同而导致单体电池的温度之间有些许偏差，那么，选取所有的单体电池的温度中的最低温度作为该整个动力电池的温度。
当单体电池最低温度Batt_Temp小于设定温度T1(该值为标定值，其范围值根据具体的控制精度要求以及车辆所处的地理位置，即经纬度决定，在本实施例中，以一般情况为例，即其范围在-5度到10度间)车辆进入冬季控制模式。另外，由于动力电池的温度与其可充放电电流之间存在着一定关系，所以，上述“单体电池最低温度Batt_Temp小于设定温度T1”也可以理解为“电池可充放电电流BMS_LimitCur(可充放电电流为电池最大允许充放电电流)小于设定电流值C1(该值为标定值，其范围值根据具体的控制精度要求决定，在本实施例中，以一般情况为例，其范围在50A到150A之间)”。
然后判断车辆状态，当驾驶员踩刹车时，车辆进入制动模式，以下对动力电池在制动模式下的充电和加热的控制进行说明：
通过BMS可以读到电池当前可充电功率量BMS_LimitChPower(即动力电池最大可充电功率)，判断当前制动回收功率BrkDemandPower与动力电池当前可充电功率量BMS_LimitChPower之间的大小关系，如果当前制动回收功率BrkDemandPower大于动力电池当前可充电功率量BMS_LimitChPower，则控制k1接触器闭合，k2闭合，制动回收功率分为两部分，一部分用于对动力电池进行加热，另一部分用于对动力电池进行充电，即制动回收功率同时进行动力电池的充电和加热。在本实施例中，为了对电池进行有效充电，利用制动回收功率最大限度地为动力电池进行充电，那么，通过DC/DC的控制来调节电池支路上的电流，实现：制动回收功率一部分以电池最大可充电功率BMS_LimitChPower给动力电池充电；另一部分多余的能量，即制动回收功率BrkDemandPower减去BMS_LimitChPower的部分，用于对电池加热。
制动回收功率BrkDemandPower的检测方式不是本发明的重点，所以其可以采用现有制动回收功率的检测方式。并且，在本实施例中，给出一种检测方式的具体实施方式：通过CAN网络获取电机控制器中的主电机转速信息Mot_Spd和实际反馈的制动扭矩Mot_Trq，然后计算Mot_Spd*Mot_Trq/9550，得到的数值即为制动回收功率。
加热器在为动力电池进行加热的过程中，其温度会逐渐上升，当加热器温度Hotter_Temp达到设定温度T2(该值为标定值，其范围值根据具体的控制精度要求决定，在本实施例中，其范围在5度到15之间)时，开启加热风扇，该风扇使热气流通，热气在动力电池四周流通，将高温传递给电池本体，进一步增加电池加热速率，并且还可以控制风扇的转速随着加热器温度而加大。
在对动力电池进行加热过程中，动力电池的温度逐渐上升，当单体电池最低温度Batt_Temp达到满足最大制动回收的充电功率的温度T3(该值为标定值，其范围值根据具体的控制精度要求以及车辆所处的地理位置，即经纬度决定，在本实施例中，以一般情况为例，其范围在10度到25度间)时，k1断开，停止对动力电池进行加热，剩下的制动回收能量不做要求，比如其可以为动力电池进行充电。
上述控制方法中，是对当前制动回收功率大于动力电池当前可充电功率量这一情况进行说明的，那么，如果制动回收功率P制小于动力电池最大可充电功率P充，则制动回收功率可以只用于为动力电池进行充电，或只用于加热，或者其他的情况，由于该种情况不是本发明的发明点，所以不再详细说明。
当驾驶员踩油门时，车辆进入驱动模式，当整车需求功率V_DemandPower大于电池可放电功率BMS_LimitDisChPower时，控制发动机定转速高速运转，ISG以大于等于整车需求的功率进行发电，这样以ISG电机发电功率与电池放电功率之和来满足整车驱动需求功率。
上述实施例中，在对动力电池进行充电和加热之前，要对动力电池所处的温度进行判断，只有在动力电池处于较低环境温度下时，即冬季模式下时，才对其同时进行充电和加热控制，当然，这只是一种具体的实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，作为其他的实施例，如果车辆本身就处于寒冷的冬季，这时就无需进行上述判断，或者在进行冬季判断时，利用其他的方式进行判断，比如利用所处的月份进行判断，当处于1月份中时，很自然地就可以判断这时车辆处于冬季。另外，如果在进行冬季判断时，车辆没有处于冬季，那么就无需为动力电池进行加热，制动回收能量可以全部用于对动力电池进行充电，这种方式并非本发明的发明点，这里就不再具体说明。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种动力电池充电和加热控制系统，其特征在于，包括：控制器和制动回收功率检测单元；
驱动电机控制器的直流侧连接两条支路，一条为电池支路，另一条为加热支路，这两条支路并联，所述电池支路上串设有动力电池和第一开关，所述加热支路上串设有加热器和第二开关；所述控制器采样连接所述制动回收功率检测单元，所述控制器控制连接所述第一开关和第二开关，所述控制器还用于实时获取动力电池的信息，以得到制动能量充电时动力电池的最大可充电功率，在制动时，比较制动回收功率与动力电池最大可充电功率的大小；如果制动回收功率大于动力电池最大可充电功率，闭合电池支路和加热支路，制动回收功率同时为动力电池进行充电和加热。
2.根据权利要求1所述的动力电池充电和加热控制系统，其特征在于，所述电池支路上还串设有一个DC/DC单元，用于调节电池支路上的电流。
3.根据权利要求1所述的动力电池充电和加热控制系统，其特征在于，所述直流侧还包括一条风扇支路，所述风扇支路与所述加热支路并联，所述风扇支路上串设有第三开关和加热风扇，所述控制器控制连接所述第三开关；所述加热器和动力电池均设置在风扇的出风口，且加热器设置在加热风扇与动力电池之间。
4.一种专用于权利要求1所述动力电池充电和加热控制系统的动力电池充电和加热控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在制动时，比较制动回收功率P制与动力电池最大可充电功率P充的大小；
(2)如果制动回收功率P制大于动力电池最大可充电功率P充，闭合电池支路和加热支路，制动回收功率同时为动力电池进行充电和加热。
5.根据权利要求4所述的动力电池充电和加热控制方法，其特征在于，通过电池支路上设置的DC/DC单元来调节电池支路上的充电电流，以实现制动回收功率P制的最大可充电功率部分用于为动力电池进行充电，P制-P充部分用于对动力电池进行加热。
6.根据权利要求4所述的动力电池充电和加热控制方法，其特征在于，在所述步骤(1)之前，该控制方法还有采集动力电池的温度的步骤，当动力电池的温度小于设定的第一温度阈值时，进行所述步骤(1)。
7.根据权利要求4所述的动力电池充电和加热控制方法，其特征在于，当加热器的温度达到设定的第二温度阈值时，通过加热风扇使加热器的热量传输给动力电池。
8.根据权利要求4所述的动力电池充电和加热控制方法，其特征在于，在对动力电池进行加热过程中，动力电池的温度上升，当动力电池的温度达到设定的第三温度阈值时，停止对动力电池进行加热。
9.根据权利要求4所述的动力电池充电和加热控制方法，其特征在于，如果制动回收功率P制小于动力电池最大可充电功率P充，那么，制动回收功率P制用于为动力电池进行充电或加热。
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Address before: 450016 shibalihe Yutong Industrial Park, Zhengzhou City, Henan Province

Patentee before: Zhengzhou Yutong Bus Co., Ltd

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