CN107666028A - 一种电动车用锂离子电池低温交流加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动车用锂离子电池低温交流加热装置，用于对动力电池进行交流加热，包括控制单元、能量转换电路、储能电感、电容、预充电路和启动开关，动力电池、储能电感、能量转换电路和电容依次连接形成回路，预充电路和启动开关并联于动力电池和电容之间，控制单元分别连接能量转换电路、预充电路和启动开关；控制单元实时根据动力电池的温度信息控制启动开关的开通和关断，实现动力电池交流加热状态和正常供电状态的转换，在进入交流加热状态，控制单元实时根据动力电池的电流信息控制能量转换电路的工作状态，在动力电池的交流充放电过程实现内部加热。与现有技术相比，本发明具有加热均匀，效率高，新增器件少，成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于电动车技术领域，涉及一种电动车用锂离子电池低温交流加热装置，尤其是涉及一种借助于现有电池管理系统资源与车载驱动电机逆变器的并联电容、并利用交流充放电方法的动力电池快速预加热装置，适用于电动汽车或其他锂离子动力电池应用在低温环境下的预加热。
背景技术
随着能源及环境问题的不断加剧，以动力电池为能量源的新能源汽车成为汽车发展的趋势。其中，锂离子电池工作电压高、能量密度大、循环寿命长、充电速度快，成为电动汽车用能量源的重要发展方向。同时，锂离子电池在便携式式电子设备、军工设备以及航空航天设备中也有着广泛的应用空间。虽然锂离子电池具有诸多优点，但其低温性能较差，限制了使用范围。现有的技术条件下，锂离子电池在-10℃温度下工作，其容量及输出电压会明显降低。工作温度低于-20℃时，锂离子电池放电比容量迅速下降，仅为常温时的30％左右。由此，锂离子电池在温度较低的地区或季节性能较差，严重制约了锂离子电池的广泛应用。
现有的电池低温预加热方法主要为加热膜加热、宽线法加热等外部加热方法，能量消耗大，加热效果不明显。同时，也有借助于外接充电机的交流加热方法，如中国专利CN205811017U公开一种电动车锂离子动力电池组加热装置，以充电机为加热电源，但由于需要外接充电机的支持，无法实现不受充电限制的车载加热。上述的外部加热方法无法满足车载应用对效率、成本以及重量上的要求。为此，还需引入新方法来克服传统方法的种种缺点，满足车载动力电池低温预加热的需要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低成本、高效率的电动车用锂离子电池低温交流加热装置。本发明借助于待加热的电池管理系统控制器、电池包温度传感器和电流传感器和车载驱动电机逆变电路的母线并联电容组成交流预加热装置，新增器件少，加热效率高，可以很好地与现有电动汽车动力系统兼容。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电动车用锂离子电池低温交流加热装置，用于对动力电池进行交流加热，包括控制单元、能量转换电路、储能电感、电容、预充电路和启动开关，所述动力电池、储能电感、能量转换电路和电容依次连接形成回路，所述预充电路和启动开关并联于动力电池和电容之间，所述控制单元分别连接能量转换电路、预充电路和启动开关；
所述控制单元实时根据动力电池的温度信息控制启动开关的开通和关断，实现动力电池交流加热状态和正常供电状态的转换，在进入交流加热状态，控制单元实时根据动力电池的电流信息控制能量转换电路的工作状态，在动力电池的交流充放电过程实现内部加热。
所述能量转换电路包括分别与控制单元连接的开关管M1和M2，所述开关管M1、动力电池、储能电感依次连接形成回路，所述开关管M2一端与储能电感连接，另一端与电容连接；
控制单元根据动力电池的电流信息调整开关管M1和M2的占空比，实现任意交流波形下的动力电池交流充放电。
所述开关管M1和M2均为半导体开关管器件。
所述预充电路包括电池管理系统中的预充电阻和预充继电器，所述预充电阻和预充继电器相连接，所述预充继电器与控制单元连接。
所述控制单元包括控制器以及分别与控制器连接的温度传感器和电流传感器。
所述控制器为电池管理系统控制器或专用加热控制器。
所述储能电感包括高频磁芯电感或无芯电感。
所述电容为驱动电机逆变电路母线电容或驱动电机逆变电路外置电容或驱动电机逆变电路母线电容与驱动电机逆变电路外置电容的组合。
所述动力电池交流充放电具体包括电池放电电容充电模式和电池充电电容放电模式，控制单元实时改变开关管M1和M2的占空比，以调整动力电池交流充放电电流的波形与幅值。
所述控制单元的工作频率高于电化学阻抗谱测试中电池电化学反应过程的最低频率点。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明通过对动力电池的交流充放电实现电池内部加热。由锂离子电池电化学反应的机理可知，电池交流内阻客观存在。在电池循环充放电过程中，内阻会产生热量，从而实现电池内部均匀加热。传统的外部加热方式依靠电池包壳壁来传递热量，加热效率低且温度分布不均匀，而电池内部加热可以使电池受热更均匀。相比之下，本发明的能量损耗小，效率更高，温升更均匀。
2)在低温环境下，锂离子电池的大倍率、长时间充电可能会使电池负极产生锂沉积和枝晶，从而影响电池的使用寿命及安全性。本发明交流充放电频率可由控制单元控制，控制单元的工作频率高于电化学阻抗谱测试中电池电化学反应过程的最低频率点，有效避免锂沉积及枝晶形成。
3)本发明复用待加热电池管理系统资源和车载驱动电机逆变电路中的母线电容，需要新增的器件很少，能够有效地节省成本。因此，对新增器件的布置空间要求很小，能在较少增加电池包结构设计空间负担的同时，实现交流加热功能。复用的电池管理系统控制器(BMS)仅需控制两个开关管的占空比，不占用过多控制器资源。
4)本发明通过采集电池输入输出电流，实时调整开关管占空比，可以实现在能量平均状态下的任意动力电池交流充放电电流波形，适用于不同电池种类以及不用工况下的电池交流加热。通过监测电流、温度信息，本发明可在电池电流过大和电压过低时终止交流加热过程，安全性更高。
5)本发明无需借助额外电源即可实现动力电池的低温快速加热，并避免充电过程中有锂金属析出。
附图说明
图1为本发明的整体电路拓扑图；
图2为本发明交流加热工作时电池放电示意图；
图3为本发明交流加热工作时电容充电示意图；
图4为本发明交流加热工作时电容放电示意图；
图5为本发明交流加热工作时电池充电示意图；
图6为本发明交流加热工作前驱动电机逆变器母线电容预充电时的电流流向示意图；
图7为本发明交流加热不需工作时的电流流向示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种电动车用锂离子电池低温交流加热装置，用于对动力电池B进行交流加热，包括控制单元、能量转换电路、储能电感L、电容C、预充电路和启动开关S2，动力电池、储能电感、能量转换电路和电容依次连接形成回路，预充电路和启动开关并联于动力电池和电容之间，控制单元分别连接能量转换电路、预充电路和启动开关。储能电感L包括高频磁芯电感或无芯电感。待加热的动力电池包包括由n节单体动力电池串并联而成的电池包，其中R1表示电池包的等效交流阻抗。
能量转换电路为buck-boost电路，包括分别与控制单元连接的开关管M1和M2，开关管M1、动力电池B、储能电感L依次连接形成回路，开关管M2一端与储能电感L连接，另一端与电容C连接；控制单元根据动力电池B的电流信息调整开关管M1和M2的占空比，实现任意交流波形(如：三角波、梯形波、正弦波等)下的动力电池交流充放电。开关管M1和M2均为半导体开关管器件，包括MOSFET、IGBT、碳化硅器件或其它功率半导体器件。
预充电路采用电池管理系统(BMS)中的预充电阻R2和预充继电器S1，预充电阻R2和预充继电器S1相连接，预充继电器S1与控制单元连接。
控制单元包括控制器以及分别与控制器连接的温度传感器和电流传感器。控制器可以复用电池管理系统控制器BMS，也可以设置专用加热控制器。温度传感器为热电偶或其它热-电转换传感器件。电流传感器为霍尔传感器、采样电阻或其它电流采样传感器。
电容C为驱动电机逆变电路母线电容(作为电机逆变器的一部分)或驱动电机逆变电路外置电容或驱动电机逆变电路母线电容与驱动电机逆变电路外置电容的组合。本实施例中，电容C复用驱动电机逆变电路的母线电容。
上述电动车用锂离子电池低温交流加热装置中，控制单元实时根据动力电池的温度信息控制启动开关的开通和关断，实现动力电池交流加热状态和正常供电状态的转换，在进入交流加热状态，控制单元实时根据动力电池的电流信息控制能量转换电路的工作状态，合理调控开关管占空比以及启动开关的开关状态，在动力电池的交流充放电过程实现内部加热。
根据电池交流加热充放电状态以及继电器开关状态，本发明的交流加热装置有以下四种工作模式：
1)电池放电、电容充电模式：图2、图3为本发明交流加热工作时电池放电、电容充电模式下工作示意图。该模式下，电感电流方向为从左至右，由电池系统向逆变器电容充电。BMS控制器控制开关管M1、M2的占空比，即可控制电池电流一个脉宽调制周期内的上升下降量。图2所示为M1开通、M2关断时的电流路径；图3所示为M2开通、M1关断时的电流路径。结合电池包温度信息以及电池电流信息，BMS实时改变M1、M2占空比，以实时调整电池放电电流的波形与幅值。
2)电池充电、电容放电模式：图4、图5为本发明交流加热工作时电池充电、电容放电模式下工作示意图。该模式下，电感电流方向为从右至左，由逆变器电容向电池系统充电。BMS控制开关管M1、M2的占空比，即可控制电池电流一个脉宽调制周期内的上升下降量。图4所示为M2开通、M1关断时的电流路径；图5所示为M1开通、M2关断时的电流路径。结合电池包温度信息以及电池电流信息，BMS实时改变M1、M2占空比，以实时调整电池充电电流的波形与幅值。
3)电容预充电模式：在动力电池进入交流加热模式之前，需要对驱动电机逆变电路母线电容C充电，将电容C两端电压接近于或高于电池电压。如图6所示，为本发明交流加热前电容C预充电电流流向图。利用预充电路，开通继电器开关S1，电池经S1、预充电阻R1向电容C充电，预充电阻R1用以防止预充电流过大，直至电容电压与电池电压接近，关闭继电器开关S1。
4)电池正常供电模式：本发明可根据上层控制器以及当前电池温度状态，实时开启或关闭交流加热过程。BMS关断开关S1、S2，同时禁止驱动电机逆变器工作时，通过控制开关管M1、M2状态，使交流加热过程开启。BMS开通开关S1，关断S2以及开关管M1、M2，进入电容C预充过程。BMS开通S2，关闭S1以及开关管M1、M2，使交流加热功能关闭。此时可以使能驱动电机逆变电路，电池向驱动电机提供能量，使驱动电机工作，该过程的电流流向见图7。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种电动车用锂离子电池低温交流加热装置，用于对动力电池进行交流加热，其特征在于，包括控制单元、能量转换电路、储能电感、电容、预充电路和启动开关，所述动力电池、储能电感、能量转换电路和电容依次连接形成回路，所述预充电路和启动开关并联于动力电池和电容之间，所述控制单元分别连接能量转换电路、预充电路和启动开关；
所述控制单元实时根据动力电池的温度信息控制启动开关的开通和关断，实现动力电池交流加热状态和正常供电状态的转换，在进入交流加热状态，控制单元实时根据动力电池的电流信息控制能量转换电路的工作状态，在动力电池的交流充放电过程实现内部加热。
2.根据权利要求1所述的电动车用锂离子电池低温交流加热装置，其特征在于，所述能量转换电路包括分别与控制单元连接的开关管M1和M2，所述开关管M1、动力电池、储能电感依次连接形成回路，所述开关管M2一端与储能电感连接，另一端与电容连接；
控制单元根据动力电池的电流信息调整开关管M1和M2的占空比，实现任意交流波形下的动力电池交流充放电。
3.根据权利要求2所述的电动车用锂离子电池低温交流加热装置，其特征在于，所述开关管M1和M2均为半导体开关管器件。
4.根据权利要求1所述的电动车用锂离子电池低温交流加热装置，其特征在于，所述预充电路包括电池管理系统中的预充电阻和预充继电器，所述预充电阻和预充继电器相连接，所述预充继电器与控制单元连接。
5.根据权利要求1所述的电动车用锂离子电池低温交流加热装置，其特征在于，所述控制单元包括控制器以及分别与控制器连接的温度传感器和电流传感器。
6.根据权利要求5所述的电动车用锂离子电池低温交流加热装置，其特征在于，所述控制器为电池管理系统控制器或专用加热控制器。
7.根据权利要求1所述的电动车用锂离子电池低温交流加热装置，其特征在于，所述储能电感包括高频磁芯电感或无芯电感。
8.根据权利要求1所述的电动车用锂离子电池低温交流加热装置，其特征在于，所述电容为驱动电机逆变电路母线电容或驱动电机逆变电路外置电容或驱动电机逆变电路母线电容与驱动电机逆变电路外置电容的组合。
9.根据权利要求2所述的电动车用锂离子电池低温交流加热装置，其特征在于，所述动力电池交流充放电具体包括电池放电电容充电模式和电池充电电容放电模式，控制单元实时改变开关管M1和M2的占空比，以调整动力电池交流充放电电流的波形与幅值。
10.根据权利要求1所述的电动车用锂离子电池低温交流加热装置，其特征在于，所述控制单元的工作频率高于电化学阻抗谱测试中电池电化学反应过程的最低频率点。
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