CN108847513A - 一种锂离子电池低温加热控制方法 - Google Patents

一种锂离子电池低温加热控制方法 Download PDF

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Abstract

一种锂离子电池低温加热控制方法，首先选取容性元件，然后将容性元件和一增设功率器件串联连接后再并联连接一开关器件形成加热控制电路，再将加热控制电路与锂离子电池、电机控制器本身的两组功率器件及电动机本身的两相绕组电感依次连接组成回路，然后通过开关器件以及增设功率器件各自的开启与关闭控制容性元件的充放电及两相绕组电感的磁能存储与释放，使得容性元件与绕组电感形成LC振荡电路，产生高频交变电流，再基于焦耳定律在锂离子电池内部产生热量，并且可以重复操作加热过程，实现连续振荡，不断产热，直至锂离子电池加热到目标温度。该方法只需在电动汽车固有结构的基础上添加简单的元件即可实现，加热效果好、热效率高且使用成本低。

Description

一种锂离子电池低温加热控制方法
技术领域
本发明涉及电池加热技术领域，具体涉及一种锂离子电池低温加热控制方法。
背景技术
电池加热方法在电池加热技术领域乃至电动汽车领域都是一种非常重要的技术，而且锂离子电池加热方法的好坏直接影响到电动汽车的舒适性、操作稳定性和安全性。目前，有很多新型技术方法开始运用到锂离子电池加热上来，但由于自身的性能缺陷，并没有在电动汽车领域得到广泛的运用，如：在锂离子电池外部加保温套，通过保温材料进行隔热保暖，但这只是起到隔热效果，并没有起到加热的作用；还有就是使用红外辐射膜给锂离子电池加热，然后在锂离子电池外部加保温套，以起到保温作用；还有空气加热法、液体加热法和帕尔贴加热法等方法，其中，空气加热法和液体加热法均是加热外部环境，能量耗散较大；帕尔贴加热法是利用不同的导体组成电路，进行通电，导体接头处就会产生焦耳热，进而实现加热锂离子电池，这种方法也会产生浪费许多热量并且对锂离子电池的加热效果也不明显。
现有技术也提出了一种宽线金属膜加热方法，将宽线金属膜加装在锂离子电池表面积最大的两个侧面上，宽线金属膜采用FR4板材或是铝基板，厚度1mm，板材两侧面上覆上铜膜，厚度0.03mm，宽线金属膜的一面为完整矩形平面铜膜，另外一面是由具有一定宽度、连续的铜线组成的铜膜，两铜膜的表面覆上耐磨绝缘层，利用电流通过时产生的热量实现对锂离子电池加热的目的。但该加热方法会在锂离子电池内部会产生较大的温度梯度，导致电池中心的温度变化显著滞后于电池表面，使得温度不一致，严重影响锂离子电池的寿命。
还有一种PTC加热器法(加热板加热法)，该方法的基本原理是在锂离子电池组中不同电池单体之间增加加热板，通过加热板和PTC加热器连接进行加热，进而实现对锂离子电池加热的目的。这种方法同样存在锂离子电池内部温度梯度较大的问题。
也有人提出了一种将加热片布置在锂离子电池内部的加热方法，改善了传统方法对电池加热时温度梯度较大的问题，但这种加热方法需要改变锂离子电池的自身结构，且只有在布置较多的加热片时才能实现大型电池单体的均匀加热，增大了电池单体的体积和重量，导致锂离子电池组能量密度降低。
上述几种方法均属于外部加热方法，其容易改变电池结构或者引起电池内部较大温度梯度，加热效果不够理想，相比而言，锂离子电池的内部加热方法使得电池内部发热速率较为均匀，锂离子电池内部温度梯度小，且不需要在锂离子电池内部布置额外的装置，不影响锂离子电池本身的结构、体积和重量，因此内部加热方法是一种安全高效的加热方法。
在公开号为CN104779652B、名称为“一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机”的专利中，其发明了一种利用交流充放电快速预加热的动力电池充电机，其应用属于内部加热方法，通过温度传感器将实时采集的待充电汽车动力电池包的温度转换为电信号后传输给控制单元，控制单元控制选通模块和交流加热模块，实现对待充电汽车动力电池包的正常充电或预加热。但是，该方法需要通过外部设备对锂离子电池进行加热，只适合锂离子电池充电前的预加热，而不能解决低温环境下电动汽车动力性能较差的问题，不适用于电动汽车复杂多变的应用环境。
综上所述，现有方法大都是利用外部加热设备或电源给锂离子电池加热，装置复杂，操作繁琐，容易造成电池加热时内部温度梯度过大，加热效果不理想等问题，甚至上述方法还需要加热外部环境的空气或者液体，造成大量能量消耗，整体发热效率低下，或者又必须改变电池的自身结构，导致总体能量密度降低电池性能变差的问题，因此，这些加热方法并没有在电动汽车上得到广泛地应用。
发明内容
本发明针对现有的锂离子电池的加热方法操作繁琐、加热效果不理想、能量消耗大等问题，提供一种锂离子电池低温加热控制方法，将加热控制电路设置在回路中，然后通过该加热控制电路中的开关器件与增设功率器件各自的开启与关闭控制容性元件与绕组电感形成LC振荡电路，不断产生高频交变电流流经锂离子电池进而实现对锂离子电池的加热，同时能够多次重复给容性元件充电升压以实现连续振荡克服衰减，直至锂离子电池加热到目标温度，本方法使用成本低、热效率高且加热速率均匀，还能有效减少能耗，实用性极强。
本发明的技术方案如下：
一种锂离子电池低温加热控制方法，用于控制低温环境下电动汽车的锂离子电池的加热过程，首先根据锂离子电池的参数性能并基于加热频率定义式选取容性元件，然后将所述容性元件和一增设功率器件串联连接后再并联连接一开关器件形成加热控制电路，再将加热控制电路与锂离子电池、电机控制器本身的两组功率器件及电动机本身的两相绕组电感依次连接组成回路，然后通过所述开关器件以及所述增设功率器件各自的开启与关闭控制容性元件的充放电及两相绕组电感的磁能存储与释放，使得容性元件与绕组电感形成LC振荡电路，产生高频交变电流，再基于焦耳定律在锂离子电池内部产生热量使得锂离子电池加热，同时在加热过程中基于基尔霍夫定律获得回路电流与各电压的关系，然后结合焦耳定律求得最小电流幅值，在回路电流每次衰减到最小电流幅值时重复操作加热过程，进而实现连续振荡使得锂离子电池内部不断产生热量，直至锂离子电池加热到目标温度。
所述两相绕组电感为电动机本身的三相绕组电感中的任意两相的绕组电感，所述两组功率器件为电机控制器本身的若干组功率器件中分别与所述两相绕组电感连接对应的两组功率器件。
所述锂离子电池低温加热控制方法包括以下步骤：
第一步骤：形成加热控制电路并将加热控制电路与锂离子电池、电机控制器本身的两组功率器件及电动机本身的两相绕组电感依次连接组成回路；
第二步骤：低温环境下，通过开关器件以及增设功率器件各自的开启与关闭控制回路对容性元件进行充电直至容性元件两端的电压值与锂离子电池的电源电压值达到一致；
第三步骤：通过开关器件以及增设功率器件各自的开启与关闭将容性元件短路且两相绕组电感进行储能直至回路电流达到目标电流值；
第四步骤：通过开关器件以及增设功率器件各自的开启与关闭将容性元件再次接入回路且两相绕组电感的储能释放再次为容性元件充电直至绕组电感上电流减小到0；
再通过开关器件以及增设功率器件各自的开启与关闭使得容性元件放电且两相绕组电感再次储能直至容性元件两端的电压值减小至与锂离子电池的电源电压值再次达到一致，再基于电感电流不能突变的原理容性元件两端的电压值继续下降到小于锂离子电池的电源电压值，然后回路电流反向流动，容性元件两端的电压值逐渐上升，绕组电感重新储能后并基于电感电流不能突变的原理再次为容性元件进行充电使容性元件两端的电压值再次超过锂离子电池的电源电压值直至绕组电感上的电流再次减小到0，进而容性元件与绕组电感形成LC振荡电路，不断产生高频交变电流，再基于焦耳定律在锂离子电池内部产生热量；
第五步骤：基于焦耳定律求得回路电流衰减的最小电流幅值，每次衰减到最小电流幅值时重复执行第二至第五步骤以重新给容性元件充电升压直至锂离子电池加热到目标温度。
所述容性元件为采用目标匹配电容值的电容，所述增设功率器件包括并联连接的基于晶体管的功率器件和增设二极管。
所述第一步骤中所述基于晶体管的功率器件的集电极以及所述增设二极管的阴极均与电容的一端连接，所述电容的另一端与锂离子电池的负极连接，所述基于晶体管的功率器件的发射极以及增设二极管的阳极均与电机控制器的功率器件连接。
所述电机控制器本身的若干组功率器件中的每组功率器件均包括并联连接的一个已有IGBT和一个已有反并联二极管。
所述增设功率器件中的基于晶体管的功率器件采用增设的IGBT，所述增设二极管采用增设的反并联二极管。
所述锂离子电池低温加热控制方法包括以下步骤：
第一步骤：对固有的锂离子电池、包括若干组功率器件的电机控制器以及包括三相绕组电感的电动机分别进行参数性能的测定并记录电动机三相绕组电感的电感值、锂离子电池的电源电压值和总内阻阻值，再根据锂离子电池的参数性能确定目标加热频率，然后根据目标加热频率并基于加热频率定义式计算获得目标匹配电容值；
将所述电容和所述增设功率器件串联连接后再并联连接开关器件形成加热控制电路，再将加热控制电路设置在电机控制器的功率器件与锂离子电池负极之间使得锂离子电池、电机控制器本身的两组功率器件、电动机本身的两相绕组电感和所述加热控制电路依次连接组成回路；
第二步骤：低温环境下，断开所述开关器件，然后闭合电机控制器中与所述两相绕组电感连接对应的两组功率器件并断开电机控制器中其他组功率器件，再闭合所述增设的IGBT使得回路接通后对电容进行充电，静置回路直至电容两端的电压值与锂离子电池的电源电压值达到一致，记录此时电容的充电电压值；
第三步骤：保持第二步骤中电机控制器中各组功率器件的控制状态，闭合所述开关器件并断开所述增设的IGBT使得电容短路进而使电容两端的电压值保持不变，同时锂离子电池、电机控制器的所述两组功率器件及电动机中的所述两相绕组电感组成回路使得两相绕组电感进行储能，然后建立等效电路并基于基尔霍夫定律获得回路电流与各电压的关系，再设定目标电流值，然后静置直至回路电流达到目标电流值且绕组电感达到最大磁能值；
第四步骤：保持第三步骤中电机控制器中各组功率器件的控制状态，断开所述开关器件并保持所述增设的IGBT的断开状态使得电容接入回路，然后两相绕组电感上的电流逐渐减小、最大磁能逐渐释放转化成电能为电容充电使得电容两端的电压值在所述锂离子电池的电源电压值的基础上逐渐升高，再次建立等效电路并基于基尔霍夫定律获得回路电流与各电压的关系，静置直至绕组电感上电流减小至0；
闭合所述增设的IGBT使电容放电进而两相绕组电感再次储能直至电容两端的电压值减小至与锂离子电池的电源电压值再次达到一致，然后基于电感电流不能突变的原理回路电流继续从电容的正极流向锂离子电池的正极使电容两端的电压值继续下降到小于锂离子电池的电源电压值，然后回路电流反向流动，电容两端的电压值逐渐上升，绕组电感重新储能后并基于电感电流不能突变的原理再次为电容进行充电使电容两端的电压值再次超过锂离子电池的电源电压值直至两相绕组电感上的电流再次减小到0，进而电容与绕组电感形成LC振荡电路且电容两端的电压值在锂离子电池的电源电压值的基础上上下振荡，不断产生高频交变电流，再基于焦耳定律及锂离子电池总内阻在锂离子电池内部产生热量实现对锂离子电池加热；
第五步骤：根据第三步骤、第四步骤中分别获得的回路电流与各电压的关系获得第一振荡周期中回路电流的振荡表达式并基于焦耳定律求得第一周期有效发热量及有效加热功率，并结合设定的最小加热功率，求得回路电流衰减的最小电流幅值，在回路电流每次衰减到最小电流幅值时重复执行上述第二步骤至第五步骤以重新给电容充电升压直至锂离子电池加热到目标温度。
根据第三至第四步骤通过基于基尔霍夫定律获得的回路电流与各电压之间的关系获得振荡过程中电容两端的电压值及回路电流的波形图像。
所述电动机本身的三相绕组电感采用星形连接或三角形连接，两种连接方式等效。
本发明的有益效果如下：
本发明涉及一种锂离子电池低温加热控制方法，在固有的锂离子电池、电机控制器及电动机的基础上简单添加了由容性元件、增设功率器件及开关器件形成的加热控制电路，并在回路中通过控制开关器件以及增设功率器件各自的开启与关闭来控制容性元件的充放电及两相绕组电感的磁能存储与释放，进而使容性元件与绕组电感形成LC振荡电路，产生高频交变电流，再基于焦耳定律在锂离子电池内部产生热量，还能够重复执行加热操作，实现连续振荡使锂离子电池内部不断产生热量，直至锂离子电池加热到目标温度。本方法有效利用了电动汽车内部固有的电动机绕组电感和电机控制器的功率器件，增设加热控制电路以共同构成回路，低温环境下，容性元件两端的电压会在锂离子电池电压值的基础上上下振荡，电路中产生的高频交变电流不断流经锂离子电池，锂离子电池内阻在流经电流的过程中会生热，进而实现对锂离子电池进行低温环境下的内部加热，采用内部加热的控制方法且对锂离子电池进行全过程加热直至锂离子电池达到理想的目标温度，从根本上解决了锂离子电池在低温环境下充放电性能差的问题，延长了锂离子电池的使用寿命，使用成本低、操作简便且无须在锂离子电池内部布置额外的装置，不影响电池本身的结构、体积和重量，简单可行、工作效率高，并且本方法不需要对外部环境进行加热，同时还能有效减少外部环境温差导致的能耗，热效率高，其加热过程中锂离子电池内部发热速率也比较均匀、温度梯度小、加热效果好，从根本上解决了低温环境下电动汽车锂离子电池难以有效加热的问题，方便高效。
优选地，电机控制器本身的若干组功率器件中的每组功率器件均包括并联连接的一个已有IGBT和一个已有反并联二极管，IGBT的高速开关特性以及导通低损耗的特性，能够减少加热过程中的无用损耗，提升锂离子电池的加热效率。
优选地，容性元件为采用目标匹配电容值的电容，增设功率器件包括并联连接的基于晶体管的功率器件和增设二极管，且进一步优选地所述增设功率器件中的基于晶体管的功率器件采用增设的IGBT，所述增设二极管采用增设的反并联二极管，所述目标电容值根据最优加热频率得到，能够符合相应的锂离子电池的加热需求，而增设功率器件的选取也为了能够提高整体加热效率，提升加热效果，且增设的IGBT与增设的反并联二极管选材简单、容易获取、成本低廉，实用性更强。
附图说明
图1是本发明一种锂离子电池低温加热控制方法的一种优选操作流程图。
图2是本发明一种锂离子电池低温加热控制方法的一种优选电路结构原理示意图。
图3是本发明一种锂离子电池低温加热控制方法的第三步骤的等效电路图。
图4是本发明一种锂离子电池低温加热控制方法的第四步骤的等效电路图。
图5是振荡过程中的容性元件两端的电压值的波形图像。
图6是振荡过程中的回路电流的波形图像。
1-锂离子电池；2-电机控制器；3-电动机；4-加热控制电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明。
本发明涉及一种锂离子电池低温加热控制方法，该方法用于控制低温环境下电动汽车的锂离子电池的加热过程，首先根据锂离子电池的参数性能并基于加热频率定义式选取容性元件，然后将所述容性元件和一增设功率器件串联连接后再并联连接一开关器件形成加热控制电路，再将加热控制电路与锂离子电池、电机控制器本身的两组功率器件(电机控制器本身的若干组功率器件中分别与两相绕组电感连接对应的两组功率器件)及电动机本身的两相绕组电感(电动机本身的三相绕组电感中的任意两相的绕组电感)依次连接组成回路，然后通过所述开关器件以及所述增设功率器件各自的开启与关闭控制容性元件的充放电及两相绕组电感的磁能存储与释放，使得容性元件与绕组电感形成LC振荡电路，产生高频交变电流，再基于焦耳定律在锂离子电池内部产生热量使得锂离子电池加热，同时在加热过程中基于基尔霍夫定律获得回路电流与各电压的关系，然后结合焦耳定律求得最小电流幅值，在回路电流每次衰减到最小电流幅值时重复操作加热过程，进而实现连续振荡使得锂离子电池内部不断产生热量，直至锂离子电池加热到目标温度，该方法只需在电动汽车固有结构的基础上添加简单的加热控制电路形成整个回路，进而实现对锂离子电池进行低温环境下的内部加热，且还可重复加热过程直至锂离子电池加热到目标温度，其加热过程中锂离子电池内部发热速率也比较均匀、温度梯度小，故而该方法加热效果好、热效率高且使用成本低、操作简单。
图1是本发明一种锂离子电池低温加热控制方法的一种优选操作流程图，如图所示，该方法包括以下步骤：
第一步骤：形成加热控制电路并将加热控制电路与锂离子电池、电机控制器本身的两组功率器件及电动机本身的两相绕组电感依次连接组成回路；
第二步骤：低温环境下，通过开关器件以及增设功率器件各自的开启与关闭控制回路对容性元件进行充电直至容性元件两端的电压值与锂离子电池的电源电压值达到一致；
第三步骤：通过开关器件以及增设功率器件各自的开启与关闭将容性元件短路且两相绕组电感进行储能直至回路电流达到目标电流值；
第四步骤：通过开关器件以及增设功率器件各自的开启与关闭将容性元件再次接入回路且两相绕组电感的储能释放再次为容性元件充电直至绕组电感上电流减小到0；
再通过开关器件以及增设功率器件各自的开启与关闭使得容性元件放电且两相绕组电感再次储能直至容性元件两端的电压值减小至与锂离子电池的电源电压值再次达到一致，再基于电感电流不能突变的原理容性元件两端的电压值继续下降到小于锂离子电池的电源电压值，然后回路电流反向流动，容性元件两端的电压值逐渐上升，绕组电感重新储能后并基于电感电流不能突变的原理再次为容性元件充电使容性元件两端的电压值再次超过锂离子电池的电源电压值直至绕组电感上的电流再次减小到0，进而容性元件与绕组电感形成LC振荡电路，不断产生高频交变电流，再基于焦耳定律在锂离子电池内部产生热量；
第五步骤：基于焦耳定律求得回路电流衰减的最小电流幅值，每次衰减到最小电流幅值时重复执行第二至第五步骤以重新给容性元件充电升压直至锂离子电池加热到目标温度。
由上述第一至第五步骤可以看出，本方法有效利用了电动汽车内部固有的电动机绕组电感和电机控制器的功率器件，增设加热控制电路以共同构成回路，在低温环境下，通过控制加热控制电路中的开关器件以及增设功率器件各自的开启与关闭使得容性元件与绕组电感形成LC振荡电路，并不断产生高频交变电流不断流经锂离子电池，再基于焦耳定律实现对锂离子电池进行的内部加热，操作成本低且加热效果好，从根本上解决了低温环境下电动汽车锂离子电池难以有效加热的问题。
图2是本发明一种锂离子电池低温加热控制方法的一种优选电路结构原理示意图，如图所示，锂离子电池低温加热控制方法包括以下步骤：
第一步骤：对固有的锂离子电池1、包括若干组功率器件的电机控制器2以及包括三相绕组电感的电动机3分别进行参数性能的测定并记录电动机3的三相绕组电感L1、L2、L3的电感值、锂离子电池1的电源电压值UOCV和总内阻阻值Re，再根据锂离子电池1的参数性能确定目标加热频率f，然后根据目标加热频率f并基于加热频率定义式计算获得目标匹配电容值；
优选地将容性元件设置为采用目标匹配电容值的电容C，将所述采用目标匹配电容值的电容C和所述增设功率器件串联连接后再并联连接开关器件K1形成加热控制电路4，再将加热控制电路4设置在电机控制器2的功率器件与锂离子电池1的负极之间使得锂离子电池1、电机控制器2本身的两组功率器件、电动机3本身的两相绕组电感和所述加热控制电路4依次连接组成回路；
具体地，上述两相绕组电感为电动机3本身三相绕组电感(本实施例优选采用星形连接方式)中的任意两相的绕组电感，上述两组功率器件为电机控制器2本身若干组功率器件中分别与所述两相绕组电感连接对应的两组功率器件，并且如图2所示优选地，所述电机控制器2中设置六组功率器件且每组功率器件均包括并联连接的一个已有IGBT和一个已有反并联二极管，IGBT的高速开关特性以及导通低损耗的特性，能够减少加热过程中的无用损耗，提升锂离子电池的加热效率，将第一步骤与图1结合，回路中电动机3本身的两相绕组电感与电机控制器2本身的两组功率器件的配合可以有多种组合工作方式，即当两相绕组电感为第一绕组电感L1和第二绕组电感L2时，两组功率器件为第一组功率器件和第四组功率器件，或者为第二组功率器件和第三组功率器件，也就是说，可以是仅闭合第一功率器件Q1、第四功率器件Q4或仅闭合第二功率器件Q2、第三功率器件Q3，第一绕组电感L1和第二绕组电感L2接入低温加热装置；当两个绕组电感为第一绕组电感L1和第三绕组电感L3时，两组功率器件为第一组功率器件和第六组功率器件，或为第二组功率器件和第五组功率器件，也就是说，还可以是仅闭合第一功率器件Q1、第六功率器件Q6或仅闭合第二功率器件Q2、第五功率器件Q5，第一绕组电感L1和第三绕组电感L3接入低温加热装置；当两个绕组电感为第二绕组电感L2和第三绕组电感L3时，两组功率器件为第三组功率器件和第六组功率器件，或为第四组功率器件和第五组功率器件，也就是说，可以是仅闭合第三功率器件Q3、第六功率器件Q6或仅闭合第四功率器件Q4、第五功率器件Q5，第二绕组电感L2和第三绕组电感L3接入低温加热装置，进一步地，还可以是上述多种控制组合切换的工作形式，这样能够对锂离子电池1多次重复进行低温加热，且能避免因单路控制发生故障无法加热的情况，本实施例优选采用第一绕组电感L1和第二绕组电感L2作为接入回路的电动机3本身的两相绕组电感且选择分别与第一绕组电感L1和第二绕组电感L2连接对应的第一组功率器件和第四组功率器件接入回路，且第一组功率器件包括并联连接的一个已有IGBT Q1和一个已有反并联二极管D1，第四组功率器件包括并联连接的一个已有IGBT Q4和一个已有反并联二极管D4；
根据目标加热频率f并基于加热频率定义式计算获得目标匹配电容值，目标匹配电容值的计算表达式如下：
其中C′表示待求的目标匹配电容值，f为目标加热频率，L为接入回路的电动机3本身的两相绕组电感的等效电感值，本实施例中L＝L1+L2，且电容C采用此时求得的目标匹配电容值C′。
进一步地，增设功率器件包括并联连接的基于晶体管的功率器件和增设二极管，具体优选地，基于晶体管的功率器件采用增设的IGBT Q7，同样采用IGBT是因为IGBT的高速开关特性以及导通低损耗的特性，能够减少加热过程中的无用损耗，提升锂离子电池的加热效率，增设二极管采用增设的反并联二极管D7，且增设的IGBT Q7的集电极以及增设的反并联二极管D7的阴极均与电容C的一端连接，所述电容C的另一端与锂离子电池1的负极连接，所述增设的IGBT Q7的发射极以及增设的反并联二极管D7的阳极均与电机控制器2的功率器件连接。
第二步骤：低温环境下，断开所述开关器件K1，然后闭合电机控制器2中与第一绕组电感L1和第二绕组电感L2连接对应的第一组功率器件和第四组功率器件，即闭合已有IGBT Q1及已有IGBT Q4，并断开电机控制器2中其他组功率器件，即断开已有IGBT Q1、Q3、Q5、Q6，再闭合所述增设的IGBT Q7使得回路接通后对电容C进行充电，静置回路直至电容C两端的电压值与锂离子电池1的电源电压值UOCV达到一致，记录此时电容C的充电电压值。
第三步骤：保持第二步骤中电机控制器中各组功率器件的控制状态，即保持已有IGBT Q1至Q6的在第二步骤中的开关状态，闭合所述开关器件K1并断开所述增设的IGBT Q7使得电容C短路，此时电流流经第一绕组电感L1、第二绕组电感L2和开关器件K1，不通过增设的IGBT Q7和电容C，短暂时刻后，第一绕组电感L1和第二绕组电感L2中的电流值达到要求，此时由于IGBT Q7断开，二极管D7反向，进而使电容C两端的电压值保持不变，同时锂离子电池1、电机控制器2的所述两组功率器件及电动机3中的所述两相绕组电感组成回路使得两相绕组电感进行储能，然后建立等效电路并基于基尔霍夫定律获得回路电流与各电压的关系，再设定目标电流值Itarget，然后静置直至回路电流I(t)达到目标电流值Itarget且绕组电感达到最大磁能值Em；
此步骤建立等效电路如图3所示，其中R1为外电路等效电阻，再基于基尔霍夫定律获得回路电流I(t)与各电压的关系式如下：
其中UL(t)为等效电感两端电压，UOCV为锂离子电池的电源电压也称电池开路电压，I(t)为回路电流，I(0)为本步骤初始0时刻的初始电流，又等效电感L＝L1+L2，由图3及关系式(2)可知，本步骤中回路电流不断增大，电能被转化成磁能存储在第一绕组电感L1和第二绕组电感L2中，静置回路直至tl时刻，回路电流I(t)达到目标电流Itarget，(Itarget的值可提前基于大量实验数据进行选取)，此时绕组电感上的磁能存储至最大，又故可根据tl时刻的回路电流值及等效电感值L求得，此时又由于增设的IGBT Q7为断开状态，故电容C上的电压保持不变，进一步执行步骤四。
第四步骤：保持第三步骤中电机控制器2中各组功率器件的控制状态，即保持已有IGBT Q1至Q6的在第二步骤中的开关状态，断开所述开关器件K1并保持所述增设的IGBT Q7的断开状态使得电容C接入回路，由于绕组电感线圈的电流不能突变，绕组电感线圈上会继续保持上一时刻的电流，通过增设的反并联二极管D7给电容C进行充电，使电容C两端的电压值在电源电压值的基础上增大，然后回路电流逐渐减小，也即两相绕组电感上的电流逐渐减小、最大磁能逐渐释放转化成电能为电容C充电使得电容C两端的电压值在所述锂离子电池1的电源电压值UOCV的基础上逐渐升高，再次建立等效电路并基于基尔霍夫定律获得回路电流I(t)与各电压的关系，静置直至回路电流I(t)(两相绕组电感上的电流)减小至0；
闭合所述增设的IGBT Q7使电容C放电，进而两相绕组电感再次储能直至电容C两端的电压值减小至与锂离子电池1的电源电压值再次达到一致，然后基于电感电流不能突变的原理，回路电流继续从电容C的正极流向锂离子电池的正极使电容C两端的电压值继续下降到小于锂离子电池的电源电压值UOCV，由于电容C的电压值小于锂离子电池的电压值，然后回路电流反向流动，电容C两端的电压值逐渐上升，绕组电感重新储能后并基于电感电流不能突变的原理再次为电容C进行充电，使电容C两端的电压值再次超过锂离子电池1的电源电压值直至绕组电感上的电流再次减小到0，进而电容C两端电压值再次升高直至两相绕组电感的电流再次减小到0，然后电容C再次放电同时两相绕组电感再次储能，进而电容C与绕组电感形成LC振荡电路且电容C两端的电压值在锂离子电池1的电源电压值UOCV的基础上上下振荡，不断产生高频交变电流，再基于焦耳定律及总内阻Re在锂离子电池1内部产生热量实现对锂离子电池1的加热；
此步骤建立等效电路如图4所示，其中R1为外电路等效电阻，再基于基尔霍夫定律获得回路电流I(t)与各电压的关系式如下：
其中I(t1)为本步骤初始时刻(tl时刻)的初始电流，由图4及关系式(3)可知，本步骤中两相绕组电感中储存的磁能转化为电容C中储存的电能，当磁能减小至零时，反过来，电容C又开始释放电能转化为两相绕组电感中储存的磁能，进而电容C与绕组电感形成LC振荡电路且电容C两端的电压值在锂离子电池1的电源电压值UOCV的基础上上下振荡，使得回路中不断产生高频交变电流流经锂离子电池1，再基于焦耳定律及锂离子电池1的总内阻Re，进而在锂离子电池1内部产生热量实现对锂离子电池1的加热过程；
进一步地，图5是振荡过程中的容性元件两端的电压值的波形图像，图6是振荡过程中的回路电流的波形图像，如图5-6所示，由于锂离子电池存在着内阻且回路中的各种电子元件均存在一定的损耗，因此在振荡过程中，容性元件两端的电压值及回路电流值均呈现衰减趋势，在锂离子电池的产热量也是逐渐降低的。
第五步骤：根据第三步骤、第四步骤中分别获得的回路电流与各电压的关系式及图5-图6的波形图像，获得第一振荡周期中振荡电流(振荡过程中的回路电流，用I表示)的振荡表达式，并基于焦耳定律求得第一周期内有效发热量Q及有效加热功率q，并结合设定的最小加热功率q0，求得振荡电流I衰减的最小电流幅值Imin，在振荡电流I每次衰减到最小电流幅值Imin时重复执行上述第二步骤至第五步骤以重新给电容C充电升压直至锂离子电池1加热到目标温度，就可以停止加热操作了；
忽略第一振荡周期内回路中振荡能量的衰减损耗，第一振荡周期中振荡电流(振荡过程中的回路电流，用I表示)的振荡表达式如下：
其中，I0为忽略回路中振荡能量的衰减损耗的第一振荡周期内的电流峰值，本实施例优选采用第一振荡周期的电流峰值，也即I0值等于Itarget的值。
第一振荡周期内的有效发热量Q为：
第一振荡周期内的有效加热功率为q：
此时设定最小加热功率为q0，则回路电流可以衰减到的最小电流幅值Imin为：
在振荡电流I每次衰减到最小电流幅值Imin时重复执行上述第二步骤至第五步骤以重新给电容C充电升压直至锂离子电池1加热到目标温度。
本实施例所示的锂离子电池低温加热控制方法有效利用了电动汽车内部固有的电动机3本身的绕组电感L1、L2和电机控制器2的功率器件Q1-Q6，简单添加了由电容C、增设IGBT Q7、增设反并联二极管D7及开关器件K1组成的加热控制电路4以共同构成回路，并在回路中通过控制开关器件K1以及增设IGBT Q7等的开启与关闭来控制电容C的充放电及两相绕组电感的磁能存储与释放，使电容C与绕组电感形成LC振荡电路，使得电容C两端的电压会在锂离子电池1的电压值的基础上上下振荡，回路中不断产生的高频交变电流不断流经锂离子电池1，进而实现对锂离子电池1进行低温环境下的内部加热，采用内部加热的控制方法且对锂离子电池1进行全过程加热直至锂离子电池1达到理想的目标温度，从根本上解决了锂离子电池1在低温环境下充放电性能差的问题，延长了锂离子电池1的使用寿命，使用成本低、操作简便且无须在锂离子电池1的内部布置额外的装置，不影响电池本身的结构、体积和重量，简单可行、工作效率高，并且本方法不需要对外部环境进行加热，同时还能有效减少外部环境温差导致的能耗，热效率高，其加热过程中锂离子电池内部发热速率也比较均匀、温度梯度小、加热效果好，从根本上解决了低温环境下电动汽车锂离子电池难以有效加热的问题，方便高效。
进一步地，所述电动机本身的三相绕组电感除了可以采用星形连接方式以外，还可以采用三角形连接，且三角形连接的方式与星形连接方式等效，当电动机本身的三相绕组电感采用三角形连接时，具体电机控制器本身的功率器件与电动机本身三相绕组电感的连接对应关系做想适应的调整，最终整个电路的工作控制原理仍与上述加热控制方法原理相同且效果等效。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种锂离子电池低温加热控制方法，用于控制低温环境下电动汽车的锂离子电池的加热过程，其特征在于，首先根据锂离子电池的参数性能并基于加热频率定义式选取容性元件,然后将所述容性元件和一增设功率器件串联连接后再并联连接一开关器件形成加热控制电路，再将加热控制电路与锂离子电池、电机控制器本身的两组功率器件及电动机本身的两相绕组电感依次连接组成回路，然后通过所述开关器件以及所述增设功率器件各自的开启与关闭控制容性元件的充放电及两相绕组电感的磁能存储与释放，使得容性元件与绕组电感形成LC振荡电路，产生高频交变电流，再基于焦耳定律在锂离子电池内部产生热量使得锂离子电池加热，同时在加热过程中基于基尔霍夫定律获得回路电流与各电压的关系，然后结合焦耳定律求得最小电流幅值，在回路电流每次衰减到最小电流幅值时重复操作加热过程，进而实现连续振荡使得锂离子电池内部不断产生热量，直至锂离子电池加热到目标温度。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池低温加热控制方法，其特征在于，所述两相绕组电感为电动机本身的三相绕组电感中的任意两相的绕组电感，所述两组功率器件为电机控制器本身的若干组功率器件中分别与所述两相绕组电感连接对应的两组功率器件。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池低温加热控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
第一步骤：形成加热控制电路并将加热控制电路与锂离子电池、电机控制器本身的两组功率器件及电动机本身的两相绕组电感依次连接组成回路；
第二步骤：低温环境下，通过开关器件以及增设功率器件各自的开启与关闭控制回路对容性元件进行充电直至容性元件两端的电压值与锂离子电池的电源电压值达到一致；
第三步骤：通过开关器件以及增设功率器件各自的开启与关闭将容性元件短路且两相绕组电感进行储能直至回路电流达到目标电流值；
第四步骤：通过开关器件以及增设功率器件各自的开启与关闭将容性元件再次接入回路且两相绕组电感的储能释放再次为容性元件充电直至绕组电感上电流减小到0；
再通过开关器件以及增设功率器件各自的开启与关闭使得容性元件放电且两相绕组电感再次储能直至容性元件两端的电压值减小至与锂离子电池的电源电压值再次达到一致，再基于电感电流不能突变的原理容性元件两端的电压值继续下降到小于锂离子电池的电源电压值，然后回路电流反向流动，容性元件两端的电压值逐渐上升，绕组电感重新储能后并基于电感电流不能突变的原理再次为容性元件进行充电，使容性元件两端的电压值再次超过锂离子电池的电源电压值直至绕组电感上的电流再次减小到0，进而容性元件与绕组电感形成LC振荡电路，不断产生高频交变电流，再基于焦耳定律在锂离子电池内部产生热量；
第五步骤：基于焦耳定律求得回路电流衰减的最小电流幅值，每次衰减到最小电流幅值时重复执行第二至第五步骤以重新给容性元件充电升压直至锂离子电池加热到目标温度。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池低温加热控制方法，其特征在于，所述容性元件为采用目标匹配电容值的电容，所述增设功率器件包括并联连接的基于晶体管的功率器件和增设二极管。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池低温加热控制方法，其特征在于，第一步骤中所述基于晶体管的功率器件的集电极以及所述增设二极管的阴极均与电容的一端连接，所述电容的另一端与锂离子电池的负极连接，所述基于晶体管的功率器件的发射极以及增设二极管的阳极均与电机控制器的功率器件连接。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池低温加热控制方法，其特征在于，所述电机控制器本身的若干组功率器件中的每组功率器件均包括并联连接的一个已有IGBT和一个已有反并联二极管。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池低温加热控制方法，其特征在于，所述增设功率器件中的基于晶体管的功率器件采用增设的IGBT，所述增设二极管采用增设的反并联二极管。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池低温加热控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
第一步骤：对固有的锂离子电池、包括若干组功率器件的电机控制器以及包括三相绕组电感的电动机分别进行参数性能的测定并记录电动机三相绕组电感的电感值、锂离子电池的电源电压值和总内阻阻值，再根据锂离子电池的参数性能确定目标加热频率，然后根据目标加热频率并基于加热频率定义式计算获得目标匹配电容值；
将所述电容和所述增设功率器件串联连接后再并联连接开关器件形成加热控制电路，再将加热控制电路设置在电机控制器的功率器件与锂离子电池负极之间使得锂离子电池、电机控制器本身的两组功率器件、电动机本身的两相绕组电感和所述加热控制电路依次连接组成回路；
第二步骤：低温环境下，断开所述开关器件，然后闭合电机控制器中与所述两相绕组电感连接对应的两组功率器件并断开电机控制器中其他组功率器件，再闭合所述增设的IGBT使得回路接通后对电容进行充电，静置回路直至电容两端的电压值与锂离子电池的电源电压值达到一致，记录此时电容的充电电压值；
第三步骤：保持第二步骤中电机控制器中各组功率器件的控制状态，闭合所述开关器件并断开所述增设的IGBT使得电容短路进而使电容两端的电压值保持不变，同时锂离子电池、电机控制器的所述两组功率器件及电动机中的所述两相绕组电感组成回路使得两相绕组电感进行储能，然后建立等效电路并基于基尔霍夫定律获得回路电流与各电压的关系，再设定目标电流值，然后静置直至回路电流达到目标电流值且绕组电感达到最大磁能值；
第四步骤：保持第三步骤中电机控制器中各组功率器件的控制状态，断开所述开关器件并保持所述增设的IGBT的断开状态使得电容接入回路，然后两相绕组电感上的电流逐渐减小、最大磁能逐渐释放转化成电能为电容充电使得电容两端的电压值在所述锂离子电池的电源电压值的基础上逐渐升高，再次建立等效电路并基于基尔霍夫定律获得回路电流与各电压的关系，静置直至绕组电感上电流减小至0；
闭合所述增设的IGBT使电容放电进而两相绕组电感再次储能直至电容两端的电压值减小至与锂离子电池的电源电压值再次达到一致，然后基于电感电流不能突变的原理回路电流继续从电容的正极流向锂离子电池的正极使电容两端的电压值继续下降到小于锂离子电池的电源电压值，然后回路电流反向流动，电容两端的电压值逐渐上升，绕组电感重新储能后并基于电感电流不能突变的原理再次为电容进行充电，使电容两端的电压值再次超过锂离子电池的电源电压值直至绕组电感上的电流再次减小到0，使两相绕组电感磁能再次释放给电容充电进而电容两端电压值再次升高直至两相绕组电感的电流再次减小到0，然后电容再次放电同时两相绕组电感再次储能，进而电容与绕组电感形成LC振荡电路且电容两端的电压值在锂离子电池的电源电压值的基础上上下振荡，不断产生高频交变电流，再基于焦耳定律及锂离子电池总内阻在锂离子电池内部产生热量实现对锂离子电池加热；
第五步骤：根据第三步骤、第四步骤中分别获得的回路电流与各电压的关系获得第一振荡周期中回路电流的振荡表达式并基于焦耳定律求得第一周期有效发热量及有效加热功率，并结合设定的最小加热功率，求得回路电流衰减的最小电流幅值，在回路电流每次衰减到最小电流幅值时重复执行上述第二步骤至第五步骤以重新给电容充电升压直至锂离子电池加热到目标温度。
9.根据权利要求8所述的锂离子电池低温加热控制方法，其特征在于，根据第三至第四步骤通过基于基尔霍夫定律获得的回路电流与各电压之间的关系获得振荡过程中电容两端的电压值及回路电流的波形图像。
10.根据权利要求1-9之一所述的锂离子电池低温加热控制方法，其特征在于，所述电动机本身的三相绕组电感采用星形连接或三角形连接，两种连接方式等效。
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Application publication date: 20181120

Assignee: BEIJING HANGSHENG NEW ENERGY TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: BEIHANG University

Contract record no.: X2021110000001

Denomination of invention: A low temperature heating control method for lithium ion battery

Granted publication date: 20200724

License type: Common License

Record date: 20210114