CN105932363B - 一种电源系统的自加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电源系统的自加热方法，适用于电动汽车，其基于一种高效、可靠且无需增加额外供电装置的具有自加热功能的电源系统，自加热控制方法利用电机电感和电机控制器桥臂，实现自加热，无需增设器件且成本低，通过调节自加热交流电幅值和交流电频率，实现高效调整自加热过程的充放电电量或发热量。

Description

一种电源系统的自加热方法

技术领域

本发明涉及一种电源系统的自加热方法，具体的是一种车用动力电池的基于交流电的自加热方法。

背景技术

锂离子电池对低温比较敏感，低温下锂离子电池的内阻急剧升高，可放电容量、充放电性能大大受限，导致电动汽车在低温环境下动力性能不足，续驶里程大幅缩短，而且电池在低于0℃时几乎无法对其进行充电，若强行充电，容易引发内部短路，造成安全隐患。目前有很多基于锂离子电池的低温使用问题的解决方案。

目前，现有的利用电池充放电自行加热的方案，仅研究了充放电方向的控制方法，没有基于提高自加热安全和效率的方法。且自加热方法需要增设多种辅助设备，因而增加了成本，如发明专利CN101685971。

因此基于一种高效、可靠且无需增加额外电器装置的具有自加热功能的电源系统，本发明设计了自加热方法，该自加热方法利用电机电感和电机控制器桥臂实现自加热，无需增设器件且成本低。本发明还包含了调节自加热交流电幅值和交流电频率，实现高效调整自加热过程的充放电电量或发热量的方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一种电源系统的自加热方法，包括：串联的第1和第2蓄电装置；在该第1和第2蓄电装置与电机之间授受电力的电力线和电机控制器；所述电机控制器具有三组桥臂，任一组桥臂包含上功率开关管和下功率开关管；所述任意一组桥臂的上、下功率开关管交替工作，实现在上述第1和第2蓄电装置之间授受电力。

本方法利用电机电感和电机控制器任一组桥臂和第1和第2蓄电装置，形成自加热回路，相对于不具备自加热功能的电动车辆，无需增设元器件，不增加成本。

优选地，第1和第2蓄电装置各自的充、放电电力，或者第1和第2蓄电装置各自的充、放电时发热量，通过所述授受电力的交流电的电流幅值和频率调节。

优选地，所述电流幅值和频率设定参考所述第1和第2蓄电装置的容量、端电压、SOC和温度。

优选地，若增加第1和第2蓄电装置各自的充、放电时的电量或充、放电时发热量，则提高交流电幅值或降低交流电频率。

优选地，首先，当蓄电装置的SOC、端电压在允许范围内时，采用尽可能高的交流电幅值和尽可能低的频率授受电力以快速加热。通过蓄电装置的参数、充放电特性和使用要求确定上述交流电幅值和频率的变化程度，即确定尽可能高或者尽可能低的程度，是本领域技术人员的普通技术知识。

如果蓄电装置SOC在允许范围内，而所述端电压超出第一允许值范围，执行维持交流电幅值不变并提高交流电频率继续授受电力，或者执行同时降低交流电幅值和提高频率来继续授受电力。

若蓄电装置端电压进一步低于第二允许值范围，或者SOC超出允许范围，或者温度达到加热所期望的温度，则停止授受电力，所述第二允许值范围包含第一允许值范围。

优选地，该第1和第2蓄电装置与电机之间授受电力通过任一电机绕组电感，或者任一电机绕组电感串联外接电感,或者仅通过外接电感。

附图说明

图1为本发明的所涉及车辆的结构示意图；

图2(a)-(c)为车用动力电池组内部自加热等效原理图；

图3(a)-(b)为车用动力电池组内部自加热充放电电流示意图；

图4(a)-(c)为电池组交流阻抗实部在不同频率和不同温度下的变化曲线；

图5为车用动力电池组内部自加热控制流程图；

图6为本发明的实施效果实验数据一；

图7(a)-(b)为本发明的实施效果实验数据二；

具体实施方式

图1是本发明涉及的车辆的结构示意图。参照图1，该车辆具备：电源系统1、19和驱动力产生部。驱动力产生部包括电机控制器7、电机9、电机到驱动轮34之间的动力传动机构32和驱动轴33。

电机控制器7并联连接于主正母线MPL和主负母线MNL。此外，电机控制器7将从电源系统1、19供给的驱动电力(直流电力)变换成交流电力，向电机9输出。此外，电机控制器7将电机9发电产生的交流电力变换成直流电力，作为再生电力向电源系统1、19输出。如图2所示电机控制器7包括控制电路(未图示)和逆变电路，逆变电路包括三相的开关元件的桥式电路，通过控制电路控制六个开关元件S1至S6的接通、断开，将电源系统1、19供应的直流电变换为三相交流电，然后，由逆变器电路驱动三相电机9。电机控制器优选用高频PWM控制，也可以低频开关控制。

电机9接收从逆变电路供给的交流电力，产生旋转驱动力。此外，电机9还接受来自外部的旋转力，进行发电产生交流电力。例如，电机9由具备埋设有永久磁铁的转子的三相交流旋转电机构成。此外，电机9与动力传动机构32连接，经由与动力传动机构32连接的驱动轴33向驱动轮34传递旋转驱动力。

电源系统1、19是能够充电的直流电源，例如，由镍氢电池、锂离子电池等二次电池构成。此外，电源系统1、19经由主正母线MPL和主负母线MNL与电机控制器7连接。另外，电源系统1、19也可以又双电层电容器构成，本发明具体实施例以新能源车辆动力电池为例进行说明，其中第一动力电池组1和第二动力电池组19串联，且第一动力电池组1和第二动力电池组19的容量、单体电池串联数量和/或并联数量相同。

电流传感器，检测电源系统1、19输入输出的电流值，向自加热控制系统5输出其检测结果；电压传感器、检测电源系统1、19电压值，向自加热控制系统5输出其检测结果；温度传感器，检测电源系统1、19的内部的温度，向自加热控制系统5输出其检测结果；此外，电源系统1、19根据来自电流传感器的电流值、电压传感器的电压值和来自温度传感器的温度，计算电源系统1、19的SOC状态量，将该计算出的SOC状态量、温度、电流和电压一起向自加热控制系统5输出。另外，状态量SOC的计算方法，可以使用各种公知的手法；自加热控制系统5可以是电池管理系统，根据上述信息确定交流电自加热回路工作方式以及交流电流的频率和幅值，工作方式包括是否启动、启动后如何工作以及如何停止工作。

图1示出具有动力电池的电源系统，所述动力电池为第一动力电池组1和第二动力电池组19串联。在这里示出的等效电路图中，第一动力电池组1和第二动力电池组19中的每一个分别具有一个理想的交流阻抗实部2、17。

自加热控制系统5通过信号线3和信号线18与第一动力电池组1、第二动力电池组19连接，通过信号线传送SOC的状态量、温度、电流和电压。自加热控制系统5通过信号线14与功率电子开关15连接，控制功率电子开关闭合或断开。自加热控制系统5还与电机控制器7通信，优选的，可通过CAN总线与电机控制器7连接。

本发明涉及的基于交流电的具有自加热装置的车用电源系统，包括第一动力电池组1、第二动力电池组19、自加热控制系统5、电机控制器7、电机9、功率电子开关15。根据普通物理知识，第一动力电池组1具有第一交流阻抗实部2、第二动力电池组19具有第二交流阻抗实部17，电机9三项绕组中的每一项都具有电感。

电机9通过第一高压线8、第二高压线11、第三高压线12与电机控制器7连接，电机中性点通过高压线10与第一动力电池组1和第二动力电池组19的等势中心点连接，所述的功率电子开关15通过高压线10串联在电机9和所述等势中心点之间。

电机控制器7逆变电路如图2(a)所示，其中的功率开关管的桥臂包括三组桥臂，即第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，其中第一桥臂包括功率开关管一21(也称第一桥臂的上功率开关管)和功率开关管四27(也称第一桥臂的下功率开关管)，第二桥臂包括功率开关管二29(也称第二桥臂的上功率开关管)和功率开关管五26(也称第二桥臂的下功率开关管)，第三桥臂包括功率开关管三20(也称第三桥臂的上功率开关管)和功率开关管六25(也称第三桥臂的下功率开关管)。交流电自加热回路在工作时通过控制电机控制器7中的控制电路选择上述三组桥臂中的任意一组桥臂串联进自加热回路。

电机绕组具有感性负载，感性负载可以等效为电阻与电感的串联。在这图2(a)里示出的等效电路图中，电机9的三个端子到中性点之间的电感分别是包括电感一22、电感二24和电感三23，交流电自加热回路在工作时可选电机9中的任意一相绕组。电机优先是三相交流电机。

功率电子开关15受自加热控制系统5控制，只有在停车低温环境下动力电池需要自加热时才闭合，其他时候都断开。

本发明的交流电自加热回路由第一动力电池组1、第二动力电池组19、功率电子开关15、电机控制器7、电机9组成。

交流电自加热回路在工作时通过电机控制器中的控制电路选择上述三组桥臂中的任意一组，与此相应的，交流电自加热回路选择了与该桥臂对应的电机绕组；电机控制器中的控制电路选择第一桥臂时，第一或第二动力电池、功率电子开关15、第一桥臂和电感一22组合成交流电自加热回路；电机控制器中的控制电路选择第二桥臂时，第一或第二动力电池、功率电子开关15、第二桥臂和电感二24组合成交流电自加热回路；电机控制器中的控制电路选择第三桥臂时，第一或第二动力电池、功率电子开关15、第三桥臂和电感三23组合成交流电自加热回路。

可见更具体地，交流电自加热回路由第一动力电池组1的第一交流阻抗实部2、第二动力电池组19的第二交流阻抗实部17、功率电子开关15、电机控制器7任意一组桥臂、电机9的与所述桥臂对应的一相绕组的电感构成。

图2(b)示出包含第一桥臂和电感一22组合交流电的自加热回路。功率开关管一至功率开关管六中有且仅有功率开关管一21(也称第一桥臂的上功率开关管)导通时，回路一工作，第一动力电池组1的第一交流阻抗实部2、功率开关管一21、电感一22和功率电子开关15串联组成回路一；功率开关管一至功率开关管六中有且仅有功率开关管四27(也称第一桥臂的下功率开关管)导通时，回路二工作，由第二动力电池组19的第二交流阻抗实部17、功率开关管四27、电感一22和功率电子开关15串联组成回路二。

第一桥臂的功率开关管一和四交替工作，即交替通断，实现回路一和二交替连通，第一和第二动力电池组之间授受电力，自加热控制系统通过控制功率电子开关管的通断决定上述第一和第二动力电池组之间进行授受的电力的通电方向。

将上述功率开关管一和功率开关管四控制为使得依照该决定的通电方向在上述第一和第二动力电池组之间授受电力。

自加热工作过程是：自加热控制系统5根据第一动力电池组1、第二动力电池组19中温度、电压和SOC等信息，判断此时是否需要进行自加热。例：当自加热控制系统5检测到电池温度低于正常工作温度范围，启动交流电自加热回路。

当自加热控制系统5判断需要进行自加热时，自加热控制系统5通过总线通讯，优选CAN总线向电机控制器下发指令，使功率电子开关15闭合，使交流电自加热回路接通。指令包括交流电频率和幅值。电机控制器功率开关管中任意一组桥臂的上下桥臂交替工作，且上下桥臂工作控制优选采用高频PWM控制通过自加热回路产生正弦交流电，也可以是低频开关控制产生交流三角波。

如图2(c)所示，在时间t1内，自加热控制系统5下发指令给电机控制器7，首先使功率开关管一21闭合，此时回路一接通，在闭合时间t1内，第一动力电池组1给电感一22充电。

在时间t2内，自加热控制系统5下发指令给电机控制器7，使功率开关管一21断开，功率开关管四27闭合，此时回路二接通。由于电感一22存储有第一动力电池组1在t1时间内释放的电能，在时间t2内，电感一22给第二动力电池组19充电，直到电感一22储存的电能全部释放。

在时间t3内，第二动力电池组19给电感一22充电。

在时间t4内，自加热控制系统5下发指令给电机控制器7，使功率开关管四27断开，使功率开关管一21闭合，此时回路二断开，回路一接通，由于电感一22存储有第二动力电池组19在时间t3内释放的电能，在时间t4内，电感一22给第一动力电池组1充电，直到电感一22储存的电能全部释放。

在整个自加热过程中，所述第一桥臂的上、下功率开关管交替工作，实现在上述第一和第二动力电池组之间授受电力，第一交流阻抗实部2和第二交流阻抗实部17产生热量并在电池组内部迅速传热，使动力电池组的温度升高，从而实现动力电池组在交流电的作用下产生热量，从动力电池组内部进行加热。

自加热控制系统5根据第一动力电池组1、第二动力电池组19中温度、电压和SOC等信息，确定交流电自加热回路的电流频率和幅值，实现动力电池高效、可靠自加热。

自加热装置的按照t1、t2、t3、t4为一个工作周期进行周期循环。直到自加热控制系统5根据第一动力电池组1、第二动力电池组19中温度、电压和SOC等信息，判断不再需要进行自加热，下发指令使交流电自加热回路断开，自加热过程停止。

第二桥臂和第三桥臂对应的自加热回路和工作过程与上述第一桥臂的类似。自加热控制系统通过控制功率开关管决定第一和第二动力电池组之间进行授受的电力的通电方向，将上述第二或第三桥臂的上功率开关管和下功率开关管控制为使得依照该决定的通电方向在上述第一和第二动力电池组之间授受电力。

在一个工作周期中，通过第一动力电池组1和第二动力电池组19的工作电流如图3所示，其中图3(b)是图3(a)在高频下的电流示意图，大于1kHz为高频。

正弦交流电作用的生热率公式如下：

式中Z_Re为电池交流阻抗实部值，主要与电池环境温度、交流电作用的频率有关，A为交流电的电流幅值。上述公式表明生热率与交流阻抗实部值成正比，与交流电电流幅值的平方成正比，交流电电流幅值变化的影响大于交流阻抗实部值变化的影响。

图4(a)为电池组某一环境温度不同频率对应的交流阻抗实部变化特性，可见交流阻抗实部值随着频率的增加而减小；图4(b)为电池组在某一频率下不同温度对应的交流阻抗实部的变化特性，可见交流阻抗实部值随着温度降低而增加。图4(c)给出了电池组在某一低温环境下采取不同交流电频率、电流幅值的动力电池温升特性。说明电池组在低温条件通过改变频率、交流电电流幅值可获得不同的加热效果。

因此基于图4(a)至图4(c)的分析，交流自加热回路优选提高交流电幅值和采用较低的频率快速加热，进而实现动力电池快速升温。

图5给出了基于交流电的车用动力电池组内部自加热的控制流程，具体方法如下：自加热控制系统根据车用动力电池组中温度、端电压和SOC等信息，判断是否需要进行自加热，并确定交流电自加热回路工作电流的频率和幅值；

若进行自加热，自加热控制系统闭合功率电子开关15，使交流自加热回路投入工作，并通过CAN总线给电机控制器7下发交流电电流幅值和频率指令，电机控制器控制方式优先选用高频PWM控制，也可以低频开关控制；

交流电自加热回路工作电流的频率和幅值以动力电池组端电压、SOC和温度为判断依据，当动力电池组SOC、端电压在允许范围内，而电池温度较低时优先尽可能高的交流电幅值和采用尽可能低的频率快速加热；本领域技术人员基于蓄电池参数、充放电特性以及使用要求确定交流电幅值和频率的限值。

如果动力电池组SOC在允许范围内，而端电压超出第一允许范围，执行维持交流电幅值不变并提高交流电频率继续加热，或者执行同时降低交流电幅值和提高频率来继续加热。

若电池组端电压进一步超出第二允许范围，所述第二允许范围包括第一允许范围，或者电池组SOC超出其允许范围，或者电池组温度达到加热所期望的温度，则自加热控制系统断开功率电子开关15，停止加热。

图6给出了采用本发明的工作方法，车用动力电池组在某频率和幅值的交流电作用下自加热作用下温升变化，由图可知电池组经过15分钟，温度从-40℃升高至0℃，加热效果好。

图7(a)给出了-20℃环境温度下电池组1C放电特性，交流电加热15min后相对于不加热时，电池组放电功率提升20％、放电容量提升了45％；图7(b)给出了-40℃环境温度下电池组1C放电特性，不加热时电池不可以放电，交流电加热20min后可以放出75％容量，充分说明采用上述交流电自加热方法能有效的提升电池的低温放电能力。

再次补充，本发明中电机控制器7功率开关管不局限于IGBT，或者物理独立于电机控制器7的其他功率电子器件，功率电子开关15不局限与高压接触器，回路中电机9任意一相绕组可以是独立于电机外的电感，交流电波形优先是正弦波，可以是三角波。

Claims (6)

1.一种电源系统的自加热方法，包括：

串联的第1和第2蓄电装置；

其特征在于：

在该第1和第2蓄电装置与电机之间授受电力的电力线和电机控制器；所述电机控制器具有三组桥臂，任意一组桥臂包含上功率开关管和下功率开关管；

选择上述三组桥臂中的任意一组；所述选择后的一组桥臂的所述上、下功率开关管交替工作，实现在上述第1和第2蓄电装置之间授受电力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

第1和第2蓄电装置各自的充、放电电力，或者第1和第2蓄电装置各自的充、放电时发热量，通过所述授受电力的交流电的电流幅值和频率调节。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述电流幅值和频率设定参考所述第1和第2蓄电装置的容量、端电压、SOC和温度。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：若增加第1和第2蓄电装置各自的充、放电时电量或充、放电时发热量，则提高交流电幅值或降低交流电频率。

5.如权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于：

首先，当所述第1或第2蓄电装置的SOC、端电压在允许范围内时，采用尽可能高的交流电幅值和尽可能低的频率授受电力；

如果所述第1或第2蓄电装置的SOC在允许范围内，而所述端电压超出第一允许值范围，执行维持交流电幅值不变并提高交流电频率继续授受电力，或者执行同时降低交流电幅值和提高频率来继续授受电力；

若蓄电装置端电压进一步超出第二允许值范围，或者蓄电装置SOC超出允许范围，或者蓄电装置温度达到加热所期望的温度，则停止授受电力，所述第一允许值范围在第二允许值范围内。

6.如权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于：该第1和第2蓄电装置与电机之间授受电力通过任一电机绕组电感，或者任一电机绕组电感串联外接电感,或者仅通过外接电感。