CN112277732B - 一种自加热动力电池系统及行车加热方法 - Google Patents

一种自加热动力电池系统及行车加热方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种自加热动力电池系统及行车加热方法，涉及汽车技术领域，包括电池模块，电池模块分别连接自加热模块、开关模块及电池管理模块；电池模块，提供汽车的驱动功率，提供自加热模块的加热功率；自加热模块，将电池模块的部分能量转换为热能，并将热能提供给电池模块；开关模块控制自加热模块的启动与停止；电池管理模块实时监测电池模块状态，包括电池单体电压、电池单体温度、电池模块电压、电池模块温度、电池模块剩余电量；根据监测情况，判断并控制开关模块导通与断开和进行安全报警。本发明通过检测电池模块状态及识别驾驶员驾驶意图，控制动力电池系统自加热，实现边行车边加热的同时并兼顾驱动功率需求及加热功率需求。

Description

一种自加热动力电池系统及行车加热方法
技术领域
本发明涉及汽车技术领域，尤其是涉及一种自加热动力电池系统及行车加热方法。
背景技术
动力电池模块作为新能源汽车的核心部件，其性能与安全直接影响到整车动力性与安全性。
但是，动力电池在低温环境下性能衰减严重、出现析锂等副反应，使整车续驶里程减小、电池安全性下降，严重制约了新能源汽车在低温地区推广和发展。因此，动力电池模块低温加热技术很有必要。
目前解决动力电池低温适应性主要有两种方案，一种是使用低温材料制造电池、改善电池低温性能，但该方法尚不成熟，且导致电池常温性能变差，难以满足新能源汽车的实际使用需求。另一种是通过电池热管理，在低温下对动力电池模块进行加热，具有简单、可行性高等优点，是当前电动汽车行业的主流做法，但仍具有两大问题。
第一，目前具有电池加热功能的电动汽车，主要是通过加热板、PTC材料、加热膜等在整个电池组外部进行加热，且使用外部能源。该方法加热时间长、成本高、效率低、结构复杂。复杂的加热系统及外部能源导致的高成本是消费者无法接受的。
第二，动力电池系统加热时间过长是当前电动汽车行业的主要痛点，且目前仍缺乏可靠的解决方案。在低温电池技术没有突破性进展的大背景下，行车加热功能可以很大程度缩短驻车加热等待时间、提高驾驶员行车体验。但是，行车加热过程中，动力电池安全性难以保证、行车功率与加热功率难以协调，都是当前制约行车加热应用的主要难题。
因此，开发一种结构简单、能够使用电池自身能量加热的自加热动力电池系统是很有必要的。此外，针对电动汽车低温加热等待时间过长的行业痛点，开发一种易于实现、可靠性高的行车加热方法也非常必要。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种自加热动力电池系统及行车加热方法，使动力电池的加热所需的能量来自电池模块本身，同时在电池系统达到允许行车温度时可以实现边行车边加热，兼顾驱动功率需求及加热功率需求，缩短驾驶员驻车加热等待时间，同时提高低温环境行车体验。
为实现上述目的，本发明提供了一种自加热动力电池系统，包括电池模块、自加热模块、开关模块和电池管理模块，所述电池模块分别与自加热模块、开关模块及电池管理模块相连；
所述电池模块，用于：
提供汽车的驱动功率；
提供自加热模块的加热功率；
所述自加热模块，用于：
将电池模块的部分能量转换为热能，并将热能提供给电池模块；
所述开关模块，用于：
控制自加热模块的启动与停止；
所述电池管理模块，用于：
实时监测电池模块状态，包括电池单体电压、电池单体温度、电池模块电压、电池模块温度、电池模块剩余电量；
根据监测情况，判断采用行车加热或驻车加热，包括实时监测电池模块的状态与预设安全限制范围进行比对；若电池模块状态均满足安全限制，则电池管理模块进一步判断电池模块温度是否在预设行车加热温度阈值以上；若电池模块温度在所述行车加热温度阈值以上，则启动行车加热，否则启动驻车加热。
行车加热过程中，控制开关模块的导通与断开时间，进而控制加热功率；
行车加热过程中，电池模块状态超出安全限制时，停止加热并进行安全报警。
作为本发明的进一步改进，所述电池模块包括多个电池单体，多个所述电池单体的连接方式包括串联、并联或混联；
所述电池单体采用圆柱锂电池、软包锂电池或方形锂电池；
所述自加热模块包括多个加热片，多个所述加热片串联在加热回路中；
所述加热片的数量与电池模块的电池单体数量相同，每个所述加热片位于对应的一个电池单体的内部，或紧贴对应的一个电池单体外侧表面。
作为本发明的进一步改进，所述电池管理模块，在行车加热过程中控制开关模块的导通与断开时间，进而控制加热功率，包括：
所述电池管理模块通过控制脉冲宽度调制信号的占空比控制所述开关模块的导通与断开；
驻车加热过程中，电池管理系统控制开关模块闭合，脉冲宽度调制信号的占空比恒定为1；
所述电池管理模块识别驾驶意图，将行车工作状态分为正常工况和特殊工况，所述特殊工况包括起步工况、急加速工况，在正常工况条件下限制最大可用驾驶员需求功率，同时满足自加热功率；在特殊工况条件下优先满足行车需求功率；
行车加热过程中，根据电池最大输出功率、电池剩余电量与温度的关系，确定当前电池模块最大输出功率
Figure 197604DEST_PATH_IMAGE001
，并确定当前行车状态下驾驶员需求功率
Figure 822620DEST_PATH_IMAGE002
；
根据预设脉冲宽度控制信号的最小占空比
Figure 354096DEST_PATH_IMAGE003
，结合加热回路电阻R、电流I，计算自加热功率
Figure 697352DEST_PATH_IMAGE004
和最大可用驾驶员需求功率
Figure 605266DEST_PATH_IMAGE005
；
判断所述最大可用驾驶员需求功率是否小于所述驾驶员需求功率，若不小于，则当前为正常工况，调节脉冲宽度控制信号的占空比为
Figure 350368DEST_PATH_IMAGE006
；
若小于，则判断车速是否小于或等于车速阈值，若判断为是，则行车状态为起步工况，则减小控制开关模块的脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 52745DEST_PATH_IMAGE007
直至
Figure 883297DEST_PATH_IMAGE008
；
若车速大于车速阈值，则判断加速板开度
Figure 329322DEST_PATH_IMAGE009
是否大于或等于加速踏板开度阈值为
Figure 928931DEST_PATH_IMAGE010
，若判断为是，则判定行车工作状态为急加速工况，则减小控制开关模块的脉冲宽度控制脉冲宽度控制信号占空比
Figure 802209DEST_PATH_IMAGE007
直至满足脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 385637DEST_PATH_IMAGE008
；
若加速板开度
Figure 369773DEST_PATH_IMAGE011
小于加速踏板开度阈值为
Figure 89468DEST_PATH_IMAGE012
，则判定行车工作状态为正常工况，限制驾驶员需求功率
Figure 133647DEST_PATH_IMAGE013
，调节脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 938792DEST_PATH_IMAGE014
。
作为本发明的进一步改进，所述开关模块采用IGBT模块或MOSFET模块。
本发明还提供了一种基于自加热动力电池系统的行车加热方法，包括：
电池管理模块实时监测并判断电池模块的状态是否满足安全限制；
若满足安全限制，则电池管理模块进一步判断电池模块温度是否在预设行车加热温度阈值以上；
若电池模块温度在所述行车加热温度阈值以上，则启动行车加热，判断当前工况，根据工况情况调节脉冲宽度控制信号的占空比，进而控制自加热功率；
若电池模块温度不在所述行车加热温度阈值以上，则启动驻车加热；
行车加热或驻车加热过程中，电池管理模块实时检测电池模块状态，若电池模块状态超出安全限制，则进行报警并停止自加热；
当电池模块温度达到预设自加热停止温度阈值，电池管理系统控制开关模块断开，停止行车加热。
作为本发明的进一步改进，所述需判断的电池模块的状态，包括：电池单体电压、电池单体温度、电池模块电压、电池模块温度、电池模块剩余电量。
作为本发明的进一步改进，所述根据工况情况调节脉冲宽度控制信号的占空比，进而控制自加热功率，具体包括：
电池管理模块识别驾驶意图，将行车工作状态分为正常工况和特殊工况，所述特殊工况包括起步工况、急加速工况，在正常工况条件下限制最大可用驾驶员需求功率，同时满足自加热功率；在特殊工况条件下优先满足行车需求功率；
根据电池最大输出功率、电池剩余电量与温度的关系，确定当前电池模块最大输出功率
Figure 219295DEST_PATH_IMAGE001
，并确定当前行车状态下驾驶员需求功率
Figure 793496DEST_PATH_IMAGE002
；
根据脉冲宽度控制信号的最小占空比
Figure 274156DEST_PATH_IMAGE003
，结合加热回路电阻R、电流I，计算自加热最小功率
Figure 301018DEST_PATH_IMAGE004
和最大可用驾驶员需求功率
Figure 892536DEST_PATH_IMAGE005
；
判断所述最大可用驾驶员需求功率是否小于所述驾驶员需求功率，若不小于，则当前为正常工况，调节脉冲宽度控制信号的占空比为
Figure 321243DEST_PATH_IMAGE006
；
若小于，则判断车速是否小于或等于车速阈值，若判断为是，则当前行车状态为起步工况，则减小控制开关模块的脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 972805DEST_PATH_IMAGE007
直至
Figure 752542DEST_PATH_IMAGE008
；
若车速大于车速阈值，则判断加速板开度
Figure 882172DEST_PATH_IMAGE009
是否大于或等于加速踏板开度阈值为
Figure 165386DEST_PATH_IMAGE010
，若判断为是，则判定行车工作状态为急加速工况，则减小控制开关模块的脉冲宽度控制脉冲宽度控制信号占空比
Figure 253427DEST_PATH_IMAGE007
直至满足脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 254881DEST_PATH_IMAGE008
；
若加速板开度
Figure 188202DEST_PATH_IMAGE009
小于加速踏板开度阈值为
Figure 325923DEST_PATH_IMAGE010
，则判定行车工作状态为正常工况，限制驾驶员需求功率
Figure 319286DEST_PATH_IMAGE013
，调节脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 808037DEST_PATH_IMAGE014
。
作为本发明的进一步改进，启动驻车加热时，电池管理模块控制开关模块闭合，且调节脉冲宽度控制信号的占空比恒定为1。
作为本发明的进一步改进，所述驻车加热过程中，电池管理模块实时检测电池模块状态，若电池模块温度达到所述行车加热温度阈值时，切换至行车加热。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过自加热电路设计，无需外部能量即可完成电池模块的自加热，结构简单，便于实现；同时，自加热开始前首先检测电池模块状态，确保满足行车加热条件；满足行车加热条件下，实时控制开关模块的开启与断开，实现边行车边加热的同时并兼顾驾驶员需求功率及加热功率，进而缩短了驾驶员等待电池加热时间，提升了驾驶员驾驶体验。
本发明对应每节电池单体设置加热片，电池加热均匀性好、加热速度快，且不需要改变现有电池箱结构即可实现，成本低、便于推广。
本发明考虑了自加热过程前和过程中的电池单体及整体的安全限制，确保在不影响电池模块的安全性的情况下实现快速自加热。
本发明将加热过程中的工况进行详细分类，在具体工况下调节脉冲宽度控制信号的占空比来调整自加热功率，调节方便，效果良好。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开自加热系统示意图；
图2为本发明一种实施例公开的基于自加热系统的行车方法流程图；
图3为本发明一种实施例公开的自加热系统电路连接示意图；
图4为本发明一种实施例公开的基于自加热系统的行车方法详细流程框图。
附图标记：
1、电池回路；2、自加热回路；3、开关模块；4、电池管理模块；5、电池单体；6、加热片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1，本发明提供的一种自加热动力电池系统，包括电池模块、自加热模块、开关模块3和电池管理模块4，电池模块分别与自加热模块、开关模块3及电池管理模块4相连；
电池模块，用于：
提供汽车的驱动功率；
提供自加热模块的加热功率；
其中，如图3所示，电池模块包括多个电池单体5，多个电池单体5的连接方式可以为串联、并联或混联；电池单体5采用圆柱锂电池、软包锂电池或方形锂电池。
自加热模块，用于：
将电池模块的部分能量转换为热能，并将热能提供给电池模块；
其中，自加热模块包括多个加热片6，多个加热片6串联在加热回路中，加热片6可采用镍片或铝片；
加热片6的数量与电池模块的电池单体5数量相同，每个加热片6位于对应的一个电池单体5的内部，或紧贴对应的一个电池单体5外侧表面。
开关模块3，用于：
控制自加热模块的启动与停止；
其中，开关模块3可采用IGBT模块或MOSFET模块，且电池管理模块4通过控制脉冲宽度调制信号的占空比控制所述开关模块3的导通与断开。
电池管理模块4，用于：
实时监测电池模块状态，包括电池单体5电压、电池单体5温度、电池模块电压、电池模块温度、电池模块剩余电量；
根据监测情况，判断采用行车加热或驻车加热，包括：实时监测电池模块的状态与预设安全限制范围进行比对；若电池模块状态均满足安全限制，则电池管理模块进一步判断电池模块温度是否在预设行车加热温度阈值以上；若电池模块温度在所述行车加热温度阈值以上，则启动行车加热，否则启动驻车加热。
加热过程中，控制开关模块3的导通与断开时间，进而控制加热功率，包括：
所述电池管理模块通过控制脉冲宽度调制信号的占空比控制所述开关模块的导通与断开；
驻车加热过程中，电池管理系统控制开关模块3闭合，脉冲宽度调制信号的占空比恒定为1；
所述电池管理模块识别驾驶意图，将行车工作状态分为正常工况和特殊工况，所述特殊工况包括起步工况、急加速工况，在正常工况条件下限制最大可用驾驶员需求功率，同时满足自加热功率；在特殊工况条件下优先满足行车需求功率；
行车加热过程中，根据电池最大输出功率、电池剩余电量与温度的关系，确定当前电池模块最大输出功率
Figure 545048DEST_PATH_IMAGE001
，并确定当前行车状态下驾驶员需求功率
Figure 802854DEST_PATH_IMAGE002
；
根据预设脉冲宽度控制信号的最小占空比
Figure 967120DEST_PATH_IMAGE003
，结合加热回路电阻R、电流I，计算自加热功率
Figure 677587DEST_PATH_IMAGE004
和最大可用驾驶员需求功率
Figure 218289DEST_PATH_IMAGE005
；
判断所述最大可用驾驶员需求功率是否小于所述驾驶员需求功率，若不小于，则当前为正常工况，调节脉冲宽度控制信号的占空比为
Figure 94716DEST_PATH_IMAGE006
；
若小于，则判断车速是否小于或等于车速阈值，若判断为是，则当前行车状态为起步工况，则减小控制开关模块3的脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 164303DEST_PATH_IMAGE007
直至
Figure 627646DEST_PATH_IMAGE008
；
若车速大于车速阈值，则判断加速板开度
Figure 706460DEST_PATH_IMAGE009
是否大于或等于加速踏板开度阈值为
Figure 938858DEST_PATH_IMAGE010
，若判断为是，则判定行车工作状态为急加速工况，则减小控制开关模块3的脉冲宽度控制脉冲宽度控制信号占空比
Figure 179347DEST_PATH_IMAGE007
直至满足脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 129985DEST_PATH_IMAGE008
；
若加速板开度
Figure 746912DEST_PATH_IMAGE011
小于加速踏板开度阈值为
Figure 99395DEST_PATH_IMAGE012
，则判定行车工作状态为正常工况，限制驾驶员需求功率
Figure 776364DEST_PATH_IMAGE013
，调节脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 948720DEST_PATH_IMAGE014
。
进一步的，加热过程中，电池模块状态超出安全限制时，停止加热并进行安全报警。
本发明还提供了一种基于自加热动力电池系统的行车加热方法，包括步骤：
S1、电池管理模块4实时监测并判断电池模块的状态是否满足安全限制；
其中，需判断的电池模块的状态，包括：电池单体5电压、电池单体5温度、电池模块电压、电池模块温度、电池模块剩余电量；
进一步的，具体步骤包括：
根据所用动力电池厂家说明，确定电池单体5电压的安全限制范围
Figure 103758DEST_PATH_IMAGE015
至
Figure 576327DEST_PATH_IMAGE016
；
根据整车电压需求和电池单体5电压安全限制，确定电池模块电压的安全限制范围
Figure 158618DEST_PATH_IMAGE017
至
Figure 818270DEST_PATH_IMAGE018
；
电池单体5温度安全限制范围为
Figure 776999DEST_PATH_IMAGE019
至
Figure 104075DEST_PATH_IMAGE020
；
电池模块温度安全限制范围为低于
Figure 122846DEST_PATH_IMAGE021
；
电池模块剩余电量安全限制范围为
Figure 269794DEST_PATH_IMAGE022
至
Figure 766634DEST_PATH_IMAGE023
；
如果电池模块状态均满足以上安全限制范围，则允许启动自加热，否则不允许启动自加热。
S2、若满足安全限制，则电池管理模块4进一步判断电池模块温度是否在预设行车加热温度阈值以上；
其中，预设行车加热温度阈值
Figure 948217DEST_PATH_IMAGE024
；
S3、若电池模块温度在所述行车加热温度阈值以上，则启动行车加热，判断当前工况，根据工况情况调节脉冲宽度控制信号的占空比，进而控制自加热功率；
其中，
电池管理模块4识别驾驶意图，将行车工作状态分为正常工况和特殊工况，所述特殊工况包括起步工况、急加速工况，在正常工况条件下限制最大可用驾驶员需求功率，同时满足自加热功率；在特殊工况条件下优先满足行车需求功率；
根据工况情况调节脉冲宽度控制信号的占空比，具体包括：
根据当前车辆所用动力电池最大输出功率、电池剩余电量与温度的关系，确定当前电池模块最大输出功率
Figure 636425DEST_PATH_IMAGE001
；
设定控制开关模块3的脉冲宽度控制脉冲宽度控制信号占空比为
Figure 270669DEST_PATH_IMAGE007
，加热回路电阻为R，电流为I，利用公式
Figure 571200DEST_PATH_IMAGE025
确定自加热功率
Figure 341710DEST_PATH_IMAGE026
；
设定当前驾驶员需求功率为
Figure 967863DEST_PATH_IMAGE027
，最大可用驾驶员需求功率为
Figure 89403DEST_PATH_IMAGE028
，设定最小脉冲宽度控制脉冲宽度控制信号占空比
Figure 928046DEST_PATH_IMAGE003
，利用公式
Figure 818642DEST_PATH_IMAGE029
计算最大可用驾驶员需求功率
Figure 615696DEST_PATH_IMAGE028
；
判断所述最大可用驾驶员需求功率是否小于所述驾驶员需求功率，若不小于，即
Figure 958953DEST_PATH_IMAGE030
，则当前为正常工况，调节脉冲宽度控制信号的占空比为
Figure 866866DEST_PATH_IMAGE031
，进行行车加热，直至电池模块温度大于等于自加热停止温度阈值
Figure 611968DEST_PATH_IMAGE033
；
若小于，即
Figure 314345DEST_PATH_IMAGE034
，设定行车车速为v，行车车速阈值为
Figure 410477DEST_PATH_IMAGE035
，则判断车速v是否小于或等于车速阈值
Figure 590923DEST_PATH_IMAGE035
，若
Figure 456110DEST_PATH_IMAGE036
，则行车状态为起步工况，优先满足驾驶员需求功率
Figure 329388DEST_PATH_IMAGE027
，利用PID控制器，控制
Figure 647237DEST_PATH_IMAGE037
，则减小控制开关模块3的脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 896953DEST_PATH_IMAGE007
直至
Figure 616647DEST_PATH_IMAGE008
；
若车速大于车速阈值，即
Figure 159362DEST_PATH_IMAGE038
，则判断加速板开度
Figure 964507DEST_PATH_IMAGE009
是否大于或等于加速踏板开度阈值为
Figure 17914DEST_PATH_IMAGE010
，若
Figure 592114DEST_PATH_IMAGE039
，则判定行车工作状态为急加速工况，优先满足驾驶员需求功率
Figure 807195DEST_PATH_IMAGE027
，利用PID控制器，控制
Figure 834057DEST_PATH_IMAGE037
，即减小控制开关模块3的脉冲宽度控制信号占空比
Figure 425575DEST_PATH_IMAGE007
直至满足脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 854283DEST_PATH_IMAGE008
；
若加速板开度
Figure 240265DEST_PATH_IMAGE011
小于加速踏板开度阈值为
Figure 20002DEST_PATH_IMAGE012
，即
Figure 415211DEST_PATH_IMAGE040
，则判定行车工作状态为正常工况，限制驾驶员需求功率
Figure 698425DEST_PATH_IMAGE013
，进而满足加热功率，利用PID控制器，控制
Figure 520887DEST_PATH_IMAGE041
，即调节脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 522341DEST_PATH_IMAGE014
。
S4、若电池模块温度不在所述行车加热温度阈值
Figure 455662DEST_PATH_IMAGE024
以上，则启动驻车加热；
其中，
启动驻车加热时，电池管理模块4控制开关模块3闭合，且调节脉冲宽度控制信号的占空比恒定为1；
驻车加热过程中，电池管理模块4实时检测电池模块状态，若电池模块温度达到所述行车加热温度阈值
Figure 858962DEST_PATH_IMAGE024
时，切换至行车加热。
S5、行车加热或驻车加热过程中，电池管理模块4实时检测电池模块状态，若电池模块状态超出安全限制，则进行报警并停止自加热；
S6、当电池模块温度达到预设自加热停止温度阈值
Figure 852326DEST_PATH_IMAGE042
，电池管理系统控制开关模块3断开，停止行车加热。
实施例：
如图3所示，为本发明自加热动力电池系统的一种电路连接示意图，包括：电池回路1、加热回路2、开关模块3、电池管理模块4，电池回路1分别与加热回路2、开关模块3、电池管理模块4连接；电池回路1中电池单体5选用三元材料软包锂离子电池，电池单体5之间相互串联组成电池模块，每个电池单体5最大面积的外表面紧贴有一片加热片6，加热片6选用纯镍金属片，多个加热片6串联并接入加热回路2。
行车加热过程如图4所示，以环境温度为-20℃为例，电池模块初始温度为-20℃，电池单体5电压安全限制范围为2.75V至4.25V；电池模块电压安全范围由成组方式决定；电池单体5温度安全限制范围为-30℃至50℃；电池模块温度安全限制范围为低于0℃；电池模块剩余电量安全限制范围为15%至100%。
预设电池模块行车加热温度阈值
Figure 75496DEST_PATH_IMAGE024
=-10℃，自加热停止温度阈值
Figure 78088DEST_PATH_IMAGE042
=15℃。
开始时，电池管理模块4监测到电池单体5及电池模块状态均满足安全限制范围，允许启动自加热。
电池管理模块4判断电池模块温度-20℃低于行车加热温度阈值-10℃，禁止车辆上电行驶，启动驻车加热；电池管理模块4控制开关模块3闭合，脉冲宽度控制信号占空比恒定为1，启动自加热，直到电池模块温度达到行车加热温度阈值-10℃，车辆上电，切换至行车加热。
驾驶员启动车辆，此时行车车速
Figure 335894DEST_PATH_IMAGE043
，利用公式
Figure 738974DEST_PATH_IMAGE029
计算最大可用驾驶员需求功率，设置自加热模块最小加热功率时
Figure 715020DEST_PATH_IMAGE044
；得到
Figure 990144DEST_PATH_IMAGE034
，电池管理模块4判定行车状态为起步工况，利用PID控制器降低脉冲宽度控制信号占空比，控制
Figure 102456DEST_PATH_IMAGE045
，则
Figure 703202DEST_PATH_IMAGE008
，优先满足驾驶员需求功率。
当车速
Figure 900965DEST_PATH_IMAGE046
时，驾驶员进行缓慢加速，加速踏板开度
Figure 979779DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 212178DEST_PATH_IMAGE048
，电池管理模块4判定整车工作状态为正常工况，限制驾驶员需求功率
Figure 718245DEST_PATH_IMAGE013
，利用PID控制器提高脉冲宽度控制信号占空比，至
Figure 668884DEST_PATH_IMAGE049
。
当车速
Figure 285810DEST_PATH_IMAGE050
时，驾驶员进行急加速，加速踏板开度
Figure 372715DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 49684DEST_PATH_IMAGE034
，电池管理系统4判定整车工作状态为急加速工况，利用PID控制器降低脉冲宽度控制信号占空比，控制
Figure 222039DEST_PATH_IMAGE037
，则
Figure 642656DEST_PATH_IMAGE008
，优先满足驾驶员需求功率。
当车速
Figure 584067DEST_PATH_IMAGE052
时，驾驶员进行匀速行驶，
Figure 431938DEST_PATH_IMAGE030
，电池管理系统4判定整车工作状态为正常工况，限制驾驶员需求功率
Figure 357168DEST_PATH_IMAGE053
不超过
Figure 315897DEST_PATH_IMAGE054
，利用PID控制器提高脉冲宽度控制信号占空比，至
Figure 377394DEST_PATH_IMAGE006
。
自加热过程中，电池管理模块4实时监测电池单体5电压、电池单体5温度、电池模块电压、电池模块温度，当检测到电池模块温度达到自加热停止温度阈值15℃，电池管理模块4控制开关模块3停止自加热，解除最大可用驾驶员需求功率限制，驾驶员继续行车。
本发明的优点：
（1）通过自加热电路设计，无需外部能量即可完成电池模块的自加热，结构简单，便于实现；同时，自加热开始前首先检测电池模块状态，确保满足行车加热条件；满足行车加热条件下，实时控制开关模块的开启与断开，实现边行车边加热的同时并兼顾驾驶员需求功率及加热功率，进而缩短了驾驶员等待电池加热时间，提升了驾驶员驾驶体验。
（2）对应每节电池单体设置加热片，电池加热均匀性好、加热速度快，且不需要改变现有电池箱结构即可实现，成本低、便于推广。
（3）考虑了自加热过程前和过程中的电池单体及整体的安全限制，确保在不影响电池模块的安全性的情况下实现快速自加热。
（4）将加热过程中的工况进行详细分类，在具体工况下调节脉冲宽度控制信号的占空比来调整自加热功率，调节方便，效果良好。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自加热动力电池系统，其特征在于：包括电池模块、自加热模块、开关模块和电池管理模块，所述电池模块分别与自加热模块、开关模块及电池管理模块相连；
所述电池模块，用于：
提供汽车的驱动功率；
提供自加热模块的加热功率；
所述自加热模块，用于：
将电池模块的部分能量转换为热能，并将热能提供给电池模块；
所述开关模块，用于：
控制自加热模块的启动与停止；
所述电池管理模块，用于：
实时监测电池模块状态，包括电池单体电压、电池单体温度、电池模块电压、电池模块温度、电池模块剩余电量；
根据监测情况，判断采用行车加热或驻车加热，包括实时监测电池模块的状态与预设安全限制范围进行比对；若电池模块状态均满足安全限制，则电池管理模块进一步判断电池模块温度是否在预设行车加热温度阈值以上；若电池模块温度在所述行车加热温度阈值以上，则启动行车加热，否则启动驻车加热；
加热过程中，控制开关模块的导通与断开时间，进而控制加热功率；
加热过程中，电池模块状态超出安全限制时，停止加热并进行安全报警。
2.根据权利要求1所述的自加热动力电池系统，其特征在于：
所述电池模块包括多个电池单体，多个所述电池单体的连接方式包括串联、并联或混联；
所述电池单体采用圆柱锂电池、软包锂电池或方形锂电池；
所述自加热模块包括多个加热片，多个所述加热片串联在加热回路中；
所述加热片的数量与电池模块的电池单体数量相同，每个所述加热片位于对应的一个电池单体的内部，或紧贴对应的一个电池单体外侧表面。
3.根据权利要求1所述的自加热动力电池系统，其特征在于：所述电池管理模块，在加热过程中控制开关模块的导通与断开时间，进而控制加热功率，包括：
所述电池管理模块通过控制脉冲宽度调制信号的占空比控制所述开关模块的导通与断开；
驻车加热过程中，电池管理系统控制开关模块闭合，脉冲宽度调制信号的占空比恒定为1；
所述电池管理模块识别驾驶意图，将行车工作状态分为正常工况和特殊工况，所述特殊工况包括起步工况、急加速工况，在正常工况条件下限制最大可用驾驶员需求功率，同时满足自加热功率；在特殊工况条件下优先满足行车需求功率；
行车加热过程中，根据电池最大输出功率、电池剩余电量与温度的关系，确定当前电池模块最大输出功率
Figure 637391DEST_PATH_IMAGE001
，并确定当前行车状态下驾驶员需求功率
Figure 895197DEST_PATH_IMAGE002
；
根据预设脉冲宽度控制信号的最小占空比
Figure 59462DEST_PATH_IMAGE003
，结合加热回路电阻R、电流I，计算自加热最小功率
Figure 534043DEST_PATH_IMAGE004
和最大可用驾驶员需求功率
Figure 543588DEST_PATH_IMAGE005
；
判断所述最大可用驾驶员需求功率是否小于所述驾驶员需求功率，若不小于，则当前为正常工况，调节脉冲宽度控制信号的占空比为
Figure 921479DEST_PATH_IMAGE006
；
若小于，则判断车速是否小于或等于车速阈值，若判断为是，则行车状态为起步工况，则减小控制开关模块的脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 256646DEST_PATH_IMAGE007
直至
Figure 719988DEST_PATH_IMAGE008
；
若车速大于车速阈值，则判断加速板开度
Figure 533223DEST_PATH_IMAGE009
是否大于或等于加速踏板开度阈值为
Figure 765622DEST_PATH_IMAGE010
，若判断为是，则判定行车工作状态为急加速工况，则减小控制开关模块的脉冲宽度控制脉冲宽度控制信号占空比
Figure 271689DEST_PATH_IMAGE007
直至满足脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 956749DEST_PATH_IMAGE008
；
若加速板开度
Figure 573675DEST_PATH_IMAGE011
小于加速踏板开度阈值为
Figure 660579DEST_PATH_IMAGE012
，则判定行车工作状态为正常工况，限制驾驶员需求功率
Figure 337548DEST_PATH_IMAGE013
，调节脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 775483DEST_PATH_IMAGE014
。
4.根据权利要求1所述的自加热动力电池系统，其特征在于：所述开关模块采用IGBT模块或MOSFET模块。
5.一种基于自加热动力电池系统的行车加热方法，其特征在于，包括：
电池管理模块实时监测并判断电池模块的状态是否满足安全限制；
若满足安全限制，则电池管理模块进一步判断电池模块温度是否在预设行车加热温度阈值以上；
若电池模块温度在所述行车加热温度阈值以上，则启动行车加热，判断当前工况，根据工况情况调节脉冲宽度控制信号的占空比，进而控制自加热功率；
若电池模块温度不在所述行车加热温度阈值以上，则启动驻车加热；
行车加热或驻车加热过程中，电池管理模块实时检测电池模块状态，若电池模块状态超出安全限制，则进行报警并停止自加热；
当电池模块温度达到预设自加热停止温度阈值，电池管理系统控制开关模块断开，停止行车加热。
6.根据权利要求5所述的一种基于自加热动力电池系统的行车加热方法，其特征在于，所述电池管理模块实时检测电池模块状态，包括：电池单体电压、电池单体温度、电池模块电压、电池模块温度、电池模块剩余电量。
7.根据权利要求5所述的一种基于自加热动力电池系统的行车加热方法，其特征在于，所述根据工况情况调节脉冲宽度控制信号的占空比，进而控制自加热功率，具体包括：
电池管理模块识别驾驶意图，将行车工作状态分为正常工况和特殊工况，所述特殊工况包括起步工况、急加速工况，在正常工况条件下限制最大可用驾驶员需求功率，同时满足自加热功率；在特殊工况条件下优先满足行车需求功率；
根据电池最大输出功率、电池剩余电量与温度的关系，确定当前电池模块最大输出功率
Figure 930521DEST_PATH_IMAGE001
，并确定当前行车状态下驾驶员需求功率
Figure 137511DEST_PATH_IMAGE002
；
根据预设脉冲宽度控制信号的最小占空比
Figure 985381DEST_PATH_IMAGE003
，结合加热回路电阻R、电流I，计算自加热功率
Figure 645033DEST_PATH_IMAGE004
和最大可用驾驶员需求功率
Figure 603762DEST_PATH_IMAGE005
；
判断所述最大可用驾驶员需求功率是否小于所述驾驶员需求功率，若不小于，则为正常工况，调节脉冲宽度控制信号的占空比为
Figure 904074DEST_PATH_IMAGE006
；
若小于，则判断车速是否小于或等于车速阈值，若判断为是，则行车状态为起步工况，则减小控制开关模块的脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 922845DEST_PATH_IMAGE007
直至
Figure 69793DEST_PATH_IMAGE008
；
若车速大于车速阈值，则判断加速板开度
Figure 97792DEST_PATH_IMAGE009
是否大于或等于加速踏板开度阈值为
Figure 13795DEST_PATH_IMAGE010
，若判断为是，则判定行车工作状态为急加速工况，则减小控制开关模块的脉冲宽度控制脉冲宽度控制信号占空比
Figure 937889DEST_PATH_IMAGE007
直至满足脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 572133DEST_PATH_IMAGE008
；
若加速板开度
Figure 872664DEST_PATH_IMAGE009
小于加速踏板开度阈值为
Figure 908753DEST_PATH_IMAGE010
，则判定行车工作状态为正常工况，限制驾驶员需求功率
Figure 3748DEST_PATH_IMAGE013
，调节脉冲宽度控制信号的占空比
Figure 390867DEST_PATH_IMAGE014
。
8.根据权利要求5所述的一种基于自加热动力电池系统的行车加热方法，其特征在于：启动驻车加热时，电池管理模块控制开关模块闭合，且调节脉冲宽度控制信号的占空比恒定为1。
9.根据权利要求5所述的一种基于自加热动力电池系统的行车加热方法，其特征在于：所述驻车加热过程中，电池管理模块实时检测电池模块状态，若电池模块温度达到所述行车加热温度阈值时，切换至行车加热。
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