CN111181208A - 一种集成交流加热功能的充电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池加热技术领域，公开了一种集成交流加热功能的充电器，包括逆变器、变压器以及整流桥，还包括切换全控器件、加热全控器件、以及控制器；逆变器与前级变换电路电连接，逆变器、变压器以及整流桥依次电连接，整流桥与电池电连接；以充电器中磁性器件作为加热电感，加热电感通过切换全控器件与整流桥的输入端电连接；控制器与切换全控器件电连接，并用于控制切换全控器件通断，使得加热电感、整流桥以及电池依次电连接形成加热回路；以整流桥的一对对角桥臂上的两个全控器件作为加热全控器件；控制器与加热全控器件电连接，并用于控制加热回路产生交变电流，对电池进行加热。本发明可以对电池进行无损快速加热。

Description

一种集成交流加热功能的充电器

技术领域

本发明涉及电池加热技术领域，具体涉及一种集成交流加热功能的充电器。

背景技术

电动汽车动力电池主要是采用锂离子电池，其具有功率性能良好，能量密度高，自放电率低等优点，但在低温环境下的可用容量和功率会大幅下降，导致电动汽车的行驶里程缩短，同时在低温环境中动力电池的充电时间会延长甚至损坏电池，这极大的限制了电动汽车在温度较低的地区的推广。

目前，改善低温环境下电动汽车动力电池性能的有效方法是对动力电池进行加热操作。现阶段主要有外部加热法和内部加热法，外部加热依托车用热管理技术，通过在动力电池包或动力电池模块外部添加高温液体或气体、电加热板、相变材料及利用珀尔贴效应等手段来实现热量由外向内的热传导，此方法对动力电池包的结构，安装有一定的要求，且加热时动力电池温度梯度较大；内部加热方法是利用电流通过有一定电阻值的导体所产生的焦耳热来加热动力电池，导体为动力电池本身。虽然内部加热法较外部加热法动力电池温度梯度小，但是对充放电导体有较高的要求，而采用交流电源来加热动力电池需要安装产生交流电流的装置，这样不仅会使得系统结构更加复杂，同时还会增加电动汽车动力电池的成本。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种集成于充电器的交流加热电路及方法，解决现有技术中电池内部加热需要安装外部交流电流装置致使结构复杂成本高的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种集成交流加热功能的充电器，包括逆变器、变压器以及整流桥，还包括切换全控器件、加热全控器件、以及控制器；

所述逆变器与前级变换电路电连接，所述逆变器、变压器以及整流桥依次电连接，所述整流桥与电池电连接；

以充电器中磁性器件作为加热电感，所述加热电感通过所述切换全控器件与所述整流桥的输入端电连接；所述控制器与所述切换全控器件电连接，并用于控制所述切换全控器件通断，使得所述加热电感、所述整流桥以及所述电池依次电连接形成加热回路；

以所述整流桥的一对对角桥臂上的两个全控器件作为所述加热全控器件；所述控制器与所述加热全控器件电连接，并用于控制所述加热全控器件通断，使得所述加热回路产生交变电流，对所述电池进行加热。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明通过改进充电器的充电电路拓扑结构，在充电功能的基础上集成加热功能，充电电路与未改进的充电器的充电电路相同，将充电器中磁性器件、整流桥以及电池连接形成加热回路，利用加热全控器件的通断使电池进行充放电，产生交变电流，通过交变电流对电池进行加热，以交流加热的方式实现无损加热。利用充电器中磁性器件作为加热电感实现加热，无需增加交流电装置，具有结构简单成本低的优点，解决了低温环境下电池性能差，充电时间延长，充电量不足等问题。

附图说明

图1是本发明提供的集成交流加热功能的充电器一实施方式的工作原理图；

图2是有线充电器一实施方式的充电电路图；

图3是本发明提供的在图2的有线充电器中集成加热功能的改进原理图；

图4是本发明提供的在图2的有线充电器中集成加热功能后的加热等效电路图；

图5是无线充电器一实施方式的充电电路图；

图6是本发明提供的在图5的无线充电器中集成加热功能的改进原理图；

图7是本发明提供的在图5的无线充电器中集成加热功能后的加热等效电路图；

图8是本发明提供的集成交流加热功能的充电器一实施方式的加热电流图。

附图标记：

1、逆变器，2、变压器，21、加热电感，3、整流桥，31、加热全控器件，4、切换全控器件，5、控制器，10、前级变换电路，20、电池。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种集成交流加热功能的充电器，包括逆变器1、变压器2以及整流桥3，还包括切换全控器件4、加热全控器件31以及控制器5；

所述逆变器1与前级变换电路电连接，所述逆变器1、变压器2以及整流桥3依次电连接，所述整流桥3与电池电连接；

以充电器中磁性器件作为加热电感21，所述加热电感21通过所述切换全控器件4与所述整流桥3的输入端电连接；所述控制器5与所述切换全控器件4电连接，并用于控制所述切换全控器件4通断，使得所述加热电感21、所述整流桥3以及所述电池依次电连接形成加热回路；

以所述整流桥3的一对对角桥臂上的两个全控器件作为所述加热全控器件31；所述控制器5与所述加热全控器件31电连接，并用于控制所述加热全控器件通断，使得所述加热回路产生交变电流，对所述电池进行加热。

本发明提供的充电器的充电功能由逆变器1、变压器2以及整流桥3实现，逆变器1将前级变换电路10输入的直流电转换为交流电，变压器2对交流电进行电压转换，整流桥3将电压转换后的交流电转换为直流电，并对电池进行充电。

本发明提供的充电器中还集成加热功能，首先将充电器中磁性器件作为加热电感21，将加热电感21通过切换全控器件4与整流桥3的输入端电连接，通过控制器5控制切换全控器件4的通断，实现加热功能与充电功能的切换。需要加热时，控制器5控制加热电感21、整流桥3以及电池20电连接形成加热回路，控制器5通过控制整流桥3一对对角桥臂上的加热全控器件31，使得加热回路产生交变电流，从而实现对电池20的交流无损加热。具体的，加热时，控制器5向加热全控器件31施加高频触发脉冲，使得电能在加热电感21与电池20之间往返流动，产生交变电流，从而实现交流加热。

应该理解的，本发明所采用的充电器可以为车载充电器、充电桩、充电机、无线充电器等。切换全控器件4以及加热全控器件31均可采用任意一种或几种全控型器件实现，例如门极可关断晶闸管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管以及宽禁带器件等。充电器中磁性器件包括变压器2的原边线圈、副边线圈、谐振电感、滤波电感等。加热电感21可以是一个、两个或多个。控制器5可以选用充电器原有的控制器5，也可以是单独增设的控制器5。

本发明借用充电器中磁性器件作为加热电感21进行储能，通过控制加热全控器件31使电能在电池20与加热电感21间高频往返流动，实现电池20在高频激励电流下的无损升温。由于其加热功能的实现主要借用充电器本身自带的电子器件以及电路结构，无需额外增设产生交流电流的装置，也无需增加其他的过多的电子元器件，因此电路结构简单、成本低廉，适合推广应用。本发明充分利用充电器的充电器拓扑结构中的磁性器件，即加热电感21，并通过对改进的电池20侧整流桥3进行控制，产生频率、幅值可控的交流电流对电池20进行加热，从而实现充电前电池20的加热，避免低温环境下充电电池20性能差，充电时间延长，充电量不足等问题。

优选的，所述控制器5控制所述加热全控器件31通断，具体为：

控制至少一个所述加热全控器件31周期性通断产生交变电流。

控制器5控制加热回路产生交变电流使电能在电池20与加热电感21间高频往返流动，是通过控制整流桥3上的加热全控器件31的以一定频率周期性通断实现的。其产生的振荡电流如图8所示，图8中横轴为时间t，纵轴为电流I，T为交变电流的振荡周期，Im为交变电流的幅值。

控制加热回路产生交变电流，可以通过控制其中一个加热全控器件31周期性通断，控制另一个加热全控器件31常闭实现；也可以通过控制两个加热全控器件31同步周期性通断实现。优选控制其中一个加热全控器件31周期性通断，控制另一个加热全控器件31常闭，以便降低功耗。

优选的，所述控制器5控制所述加热全控器件31周期性通断产生交变电流，具体为：

根据所述电池20的实际温度设置交变电流的设定幅值及设定频率；

根据所述设定频率设置开关频率，根据所述开关频率对所述加热全控器件31进行周期性通断控制，产生交变电流；

判断所述交变电流的实际幅值是否小于所述设定幅值，如果小于，则减小所述加热全控器件31的开关频率；如果大于，则增大所述加热全控器件31的开关频率，直至交变电流的实际幅值与设定幅值相等。

加热回路对电池20进行加热的速度与交变电流的频率以及幅值相关，而改变加热全控器件31的开关频率，可以改变加热用高频激励交流电流的频率大小以及幅值大小。因此本优选实施例首先获取电池20的实际温度，该实际温度通过检测获取，现有电池能量管理系统BMS中一般内置有温度检测电路，因此可以通过通信方式从BMS系统获得，也可以另外增设温度传感器，将温度传感器设置在电池20上，并将温度传感器与控制器5电连接，从而实现电池20实际温度的获取。获取实际温度后，根据实际温度设置交变电流的设定幅值及设定频率，再根据设定频率确定加热全控器件31的开关频率，控制加热全控器件31按确定的开关频率周期性通断，即可产生所需的高频激励交流电流，实现设定的升温速度。同时，对比实际幅值与所述设定幅值，根据对比结果对加热全控器件31的开关频率进行反馈调节，提高控制精度

优选的，所述控制器5还用于：

判断当前是否满足加热条件，如果满足，切换至加热模式，如果不满足，切换至充电模式。

控制器5在充电前先判断是否需要进行加热，需要加热，则切换至加热模式进行加热，不需要，则直接切换至充电模式。加热条件可根据实际情况进行设置，例如将加热条件设置为温度条件：充电前判断电池20的检测温度是否高于设定温度，如果是，则直接进行充电，否则将切换至加热模式进行加热；加热后继续监测电池20的检测温度，判断电池20的检测温度是否高于设定温度，如果是，则说明已经加热到设定温度，将充电器切换至充电模式，否则继续对电池20进行加热，直至加热到设定温度再进行充电。

优选的，所述加热电感21的数量为至少一个，所述切换全控器件4的数量为至少一个，各所述加热电感21通过各所述切换全控器件4串联或并联，并与所述整流桥3的输入端电连接。

切换全控器件4的数量和具体电路连接方式根据所选择的加热电感21的数量及其具体连接结构确定，通过切换全控器件4将选择的加热电感21依次串联或并联在整流桥3的输入端即可。

优选的，充电器中磁性器件为变压器的线圈、滤波电感或谐振电感。

变压器的原边线圈、副边线圈、滤波电感、谐振电感是充电器充电电路中常见的磁性器件，应该理解的，充电电路中还可能存在其他磁性器件，也可用作加热电感。

优选的，所述加热电感21还包括外置电感，所述外置电感与所述整流桥3的输入端电连接，所述外置电感与所述充电器的磁性器件并联组成所述加热电感21，共同用于加热过程的储能。

如果充电器中的磁性器件的储能能力不够，可另外加挂外置电感增强储能能力。

为更清楚的说明切换全控器件以及加热电感的连接方式，更清楚的解释本发明，以下以具体电路为例进行详细阐述。

实施例1：

本实施例对现有的有线充电器进行改进，使其具备加热功能。有线充电器的充电电路包括逆变器、谐振电感Lr、谐振电容Cr、变压器Tr以及整流桥，变压器Tr包括原边线圈以及副边线圈。

具体的，图2中示出了有线充电器的充电电路，该充电电路的逆变器由四个全控型器件S1、S2、S3、S4组成，所述前级变换电路10通过输入电容Cin与所述逆变器电连接，所述逆变器分别通过所述谐振电容Cr以及所述谐振电感Lr与所述原边线圈电连接，所述副边线圈与所述整流桥的输入端电连接，所述整流桥23的输出端与所述电池VB电连接，所述电池VB的两端并联有滤波电容Co。该充电电路为现有技术，其电路连接和工作原理在此不做过多赘述。

图3是对图2进行改进后得到的集成交流加热功能的充电器电路，图3中虚线部分为原有充电电路的电路结构部分，实线部分为改进部分。以谐振电感Lr、原边线圈以及副边线圈组成所述加热电感；所述切换全控器件包括切换全控器件S7、切换全控器件S8以及切换全控器件S9；S5和S6为加热全控器件。所述加热电感通过所述切换全控器件S7、切换全控器件S8以及切换全控器件S9与所述整流桥23的输入端电连接；所述切换全控器件S7、切换全控器件S8以及切换全控器件S9分别与所述控制器电连接。

具体的，如图3，所述副边线圈通过所述切换全控器件S7与所述整流桥的输入端电连接，所述切换全控器件S7和所述整流桥的公共端通过所述切换全控器件S8与所述励磁电感Lm和谐振电容Cr的公共端电连接，所述切换全控器件S7和所述副边线圈的公共端通过所述切换全控器件S9与所述谐振电感Lr和所述逆变器的公共端电连接；所述切换全控器件S7、切换全控器件S8以及切换全控器件S9分别与所述控制器电连接。

需要加热时，将切换全控器件S7断开，切换全控器件S8、S9闭合，原边线圈、副边线圈、谐振电感Lr、整流桥23以及电池VB电连接形成加热回路。通过控制加热全控器件S5和S6中至少一个周期性通断，产生幅值与频率可控的交流电流为电池VB加热，实现加热功能。

图4是图3中电路在加热模式时的加热等效电路图，图4中示出的即为加热模式时，原边线圈、副边线圈、谐振电感Lr、整流桥23以及电池VB形成的加热回路。

优选的，所述切换全控器件还包括切换全控器件S10；所述切换全控器件S10与所述滤波电容Co串联后与所述电池20并联。

具体的，如图3、图4所示，本优选实施例还设置有切换全控器件S10，需要加热时，将切换全控器件S10断开，避免滤波电容Co对交变电流产生影响。

实施例2：

本实施例对现有的一无线充电器进行改进，使其具备加热功能。无线充电器的充电电路包括逆变器、松耦合变压器M以及整流桥，还包括滤波电感Lf1、滤波电感Lf2、滤波电容Cf1、滤波电容Cf2、发送侧补偿电容C1、接收侧补偿电容C2以及滤波电感L、滤波电容C0以及松耦合变压器M。

具体的，图5中示出了现有的无线充电器的充电电路，该充电电路的逆变器由四个全控型器件S1、S2、S3、S4组成，所述前级变换电路通过输入电容Cin与所述逆变器电连接，所述发送侧补偿电容C1与所述滤波电容Cf1串联后与所述原边线圈并联，所述发送侧补偿电容C1与所述滤波电容Cf1的公共端通过所述滤波电感Lf1与所述逆变器电连接；所述接收侧补偿电容C2与所述滤波电容Cf2串联后与所述副边线圈并联，所述接收侧补偿电容C2与所述滤波电容Cf2的公共端通过所述滤波电感Lf2与所述整流桥的输入端电连接，所述整流桥的输出端通过滤波电感L与所述电池VB电连接，所述电池VB的两端并联有滤波电容Co；

图6对图5进行改进后得到的集成交流加热功能的充电器，图6中虚线部分为原有充电电路的电路结构部分，实线部分为改进部分。以滤波电感Lf2作为加热电感，加入了四个全控器件S5、S6、S7以及S9，其中S5、S6为加热全控器件，S7、S9为切换全控器件。所述切换全控器件S7与所述滤波电容Cf2并联，所述切换全控器件S9与所述滤波电感L并联；所述切换全控器件S7以及切换全控器件S9分别与控制器电连接。

需要加热时，将切换全控器件S7以及S9闭合，充电电路中电感L被短路，滤波电感Lf2、整流桥23以及电池20电连接形成加热回路，通过控制加热全控器件S5、S6产生幅值与频率可控的交流电流为电池VB加热。

图7是图6中电路在加热模式时的加热等效电路图，图7中示出的即加热模式时，滤波电感Lf2、整流桥23以及电池20电连接形成的加热回路。

对图5中无线充电电路改进时，还可将滤波电感以及松耦合变压器M的车载线圈均作为加热电感。加热电感的选择和数量根据具体需求进行设置即可。

优选的，所述切换全控器件还包括切换全控器件S8；所述切换全控器件S8与所述滤波电容Co串联后与所述电池20并联。

具体的，如图6、图7所示，本优选实施例设置切换全控器件S8，需要加热时，将切换全控器件S8断开，避免滤波电容Co对交变电流产生影响。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种集成交流加热功能的充电器，包括逆变器、变压器以及整流桥，其特征在于，还包括切换全控器件、加热全控器件、以及控制器；

所述逆变器与前级变换电路电连接，所述逆变器、变压器以及整流桥依次电连接，所述整流桥与电池电连接；

以充电器中磁性器件作为加热电感，所述加热电感通过所述切换全控器件与所述整流桥的输入端电连接；所述控制器与所述切换全控器件电连接，并用于控制所述切换全控器件通断，使得所述加热电感、所述整流桥以及所述电池依次电连接形成加热回路；

以所述整流桥的一对对角桥臂上的两个全控器件作为所述加热全控器件；所述控制器与所述加热全控器件电连接，并用于控制所述加热全控器件通断，使得所述加热回路产生交变电流，对所述电池进行加热。

2.根据权利要求1所述的集成交流加热功能的充电器，其特征在于，所述控制器控制所述加热全控器件通断，具体为：

控制至少一个所述加热全控器件周期性通断产生交变电流。

3.根据权利要求2所述的集成交流加热功能的充电器，其特征在于，所述控制器控制所述加热全控器件周期性通断产生交变电流，具体为：

根据所述电池的实际温度设置交变电流的设定幅值及设定频率；

根据所述设定频率设置开关频率，根据所述开关频率对所述加热全控器件进行周期性通断控制，产生交变电流；

判断所述交变电流的实际幅值是否小于所述设定幅值，如果小于，则减小所述加热全控器件的开关频率；如果大于，则增大所述加热全控器件的开关频率，直至交变电流的实际幅值与设定幅值相等。

4.根据权利要求1所述的集成交流加热功能的充电器，其特征在于，所述控制器还用于：

判断当前是否满足加热条件，如果满足，切换至加热模式，如果不满足，切换至充电模式。

5.根据权利要求1所述的集成交流加热功能的充电器，其特征在于，所述加热电感的数量为至少一个，所述切换全控器件的数量为至少一个，各所述加热电感通过各所述切换全控器件串联或并联，并与所述整流桥的输入端电连接。

6.根据权利要求1所述的集成交流加热功能的充电器，其特征在于，所述加热电感还包括外置电感，所述外置电感与所述整流桥的输入端电连接，所述外置电感与所述充电器的磁性器件组成的加热电感并联，共同用于加热过程的储能。

7.根据权利要求1所述的集成交流加热功能的充电器，其特征在于，所述充电器为有线充电器，所述有线充电器还包括输入电容Cin、谐振电容Cr、谐振电感Lr以及滤波电容Co；

所述前级变换电路通过所述输入电容Cin与所述逆变器电连接，所述逆变器分别通过所述谐振电容Cr以及所述谐振电感Lr与所述原边线圈电连接，所述副边线圈与所述整流桥的输入端电连接，所述整流桥的输出端与所述电池电连接，所述电池的两端并联有滤波电容Co；

所述谐振电感Lr、所述原边线圈以及所述副边线圈作为所述加热电感；所述切换全控器件包括切换全控器件S7、切换全控器件S8以及切换全控器件S10；所述加热电感通过所述切换全控器件S7、切换全控器件S8以及切换全控器件S9与所述整流桥23的输入端电连接；所述切换全控器件S7、切换全控器件S8以及切换全控器件S9分别与所述控制器电连接。

8.根据权利要求7所述的集成交流加热功能的充电器，其特征在于，所述切换全控器件还包括切换全控器件S10；所述切换全控器件S10与所述滤波电容Co串联后与所述电池并联。

9.根据权利要求1所述的集成交流加热功能的充电器，其特征在于，所述充电器为无线充电器，所述无线充电器还包括滤波电感Lf1、滤波电感Lf2、滤波电容Cf1、滤波电容Cf2、发送侧补偿电容C1、接收侧补偿电容C2以及滤波电感L、松耦合变压器M以及滤波电容Co；

所述前级变换电路通过输入电容Cin与所述逆变器电连接，所述发送侧补偿电容C1与所述滤波电容Cf1串联后与所述原边线圈并联，所述发送侧补偿电容C1与所述滤波电容Cf1的公共端通过所述滤波电感Lf1与所述逆变器电连接；所述接收侧补偿电容C2与所述滤波电容Cf2串联后与所述副边线圈并联，所述接收侧补偿电容C2与所述滤波电容Cf2的公共端通过所述滤波电感Lf2与所述整流桥的输入端电连接，所述整流桥的输出端通过滤波电感L与所述电池电连接，所述电池的两端并联有滤波电容Co；

所述滤波电感Lf2、松耦合变压器M的车载线圈作为所述加热电感，所述切换全控器件包括切换全控器件S7以及切换全控器件S9；

所述切换全控器件S7与所述滤波电容Cf2并联，所述切换全控器件S9与所述滤波电感L并联；所述切换全控器件S7以及切换全控器件S9分别与所述控制器电连接。

10.根据权利要求9所述的集成交流加热功能的充电器，其特征在于，所述切换全控器件还包括切换全控器件S8；所述切换全控器件S8与所述滤波电容Co串联后与所述电池并联。

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