CN112721638B - 电动车辆及其电加热设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了电动车辆及其电加热设备，该电加热设备包括：多个电阻发热单元，该多个电阻发热单元彼此并联连接；多个调压装置，该多个调压装置分别与对应的电阻发热单元电连接，每个所述电阻发热单元以各自的调压装置作为与外部电源电连接的接口；控制器，该控制器均与各个电阻发热单元和调压装置电连接，以根据所述电动车辆对所述电加热设备的外部功率需求，实时地对各个电阻发热单元的功率分别独立地进行调节。根据本申请的技术方案，能够对电加热设备的实时功率进行精准的调节，从而确保该电加热设备在各种应用工况下都尽可能处于理想的工作状态中。

Description

电动车辆及其电加热设备
技术领域
本申请涉及用于电动车辆的电加热设备领域，更具体地说，涉及一种用于电动车辆的电加热设备以及包括该电加热设备的电动车辆。
背景技术
与传统车辆中利用发动机的热量实现对车内环境加热的方式不同，在电动车辆中(如混合动力车辆或纯电动车辆)，通常设置有电加热设备来实现对车内环境的温度控制。
在电动车辆中，该电加热设备与电动车辆的动力电池电连接，由电加热设备中的发热元件将电能转换为热能，再经由导热介质通过车内散热系统将热量传递给车内环境，以实现对车内环境的温度控制。电加热设备的功率需要根据工况不同而进行相应的控制，例如电动车辆的驾驶者设定了所预期的环境温度，电动车辆的动力电池组的剩余电量，环境温度等。
对于电加热设备的功率的控制，既要满足用户的需求，同时也要与关联电气设备具有匹配性。例如，电加热设备与动力电池组之间的匹配关系；再如，在电动车辆充电过程中，充电机能够直接电连接于电加热设备，需要对二者之间的电压和电流进行控制，以免充电机进入保护状态。
因此，如何对电加热设备的功率实现更为精确的调节，成为本领域需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提出了一种电动车辆的电加热设备，其中，该电加热设备包括：多个电阻发热单元，该多个电阻发热单元彼此并联连接；多个调压装置，该多个调压装置分别与对应的电阻发热单元电连接，每个所述电阻发热单元以各自的调压装置作为与外部电源电连接的接口；控制器，该控制器均与各个电阻发热单元和调压装置电连接，以根据所述电动车辆对所述电加热设备的外部功率需求，实时地对各个电阻发热单元的功率分别独立地进行调节。
优选情况下，所述电阻发热单元为薄膜电阻，所述多个电阻发热单元之间具有相同或不相同的电阻值。
优选情况下，所述调压装置的工作频率范围为100KHz-2MHz。
优选情况下，所述多个调压装置之间可以为相同或不相同的调压装置，所述调压装置为降压装置、升压装置或升降压装置。
优选情况下，所述调压装置为如BUCK电路的DCDC调压电路。
优选情况下，所述控制器通过独立地调节各个调压装置提供给对应的电阻发热单元的电压来独立地实时调节该电阻发热单元的功率，各个调压装置提供给对应的电阻发热单元的电压值之间为相同的或不同的。
优选情况下，该电加热设备包括多个传感器，该多个传感器与所述控制器电连接，用于分别独立地实时检测各个调压装置提供给对应的电阻发热单元的实际电压值V实际。
优选情况下，所述控制器包括：计算模块，该计算模块基于所述电动车辆对所述电加热设备的外部功率需求，实时计算所述调压装置需要提供给对应的电阻发热单元的理论电压值V理论；比较模块，该比较模块对所述调压装置提供给对应的电阻发热单元的实际电压值V实际和理论电压值V理论进行实时比较；所述控制器根据所述比较模块的比较结果对与该电阻发热单元对应的调压装置发出实时控制信号，对该电阻发热单元的实际电压值V实际进行实时调节，以接近所述理论电压值V理论。
优选情况下，所述控制器包括与所述调压装置电连接的PWM控制模块，该PWM控制模块根据所述比较模块的比较结果通过调节占空比的方式对所述调压装置发出实时控制信号，以对所述电阻发热单元的实际电压值V实际进行实时调节。
优选情况下，所述传感器还用于实时检测多个电阻发热单元的电流值，以及所述电加热设备的工作温度，所述控制器对所述各个调压装置进行控制，以将所述电流值和/或工作温度控制在预定范围之内。
优选情况下，所述控制器包括通讯模块，该通讯模块与所述电动车辆的控制单元相互通信，其中，所述电动车辆的控制单元向所述控制器的通讯模块提供所述电动车辆对所述电加热设备的外部功率需求信息，该外部功率需求信息包括所述电加热设备所需的功率值和/或电动车辆所需的环境温度值；和/或所述控制器的通讯模块向所述电动车辆的控制单元提供所述电加热设备的工作状态信息。
根据本申请的另一方面，还提供了一种电动车辆，该电动车辆为混合动力车辆或纯电动车辆，其中，所述电动车辆包括动力电池组和上述电加热设备。
优选情况下，在所述电动车辆与充电机电连接以进行充电时，所述充电机能通过所述电加热设备中作为所述接口的多个调压装置与对应的电阻发热单元电连接。
根据本申请的技术方案中，电加热设备的多个电阻发热单元彼此并联连接，每个电阻发热单元均配置有各自的调压装置，因此能根据所述电动车辆对所述电加热设备的外部功率需求，实时地对各个电阻发热单元的功率分别独立地进行调节，从而在工作状态下响应于工况需求而实时精准地对电发热设备的功率进行调节。
本申请的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施方式及其说明用于解释本申请。在附图中：
图1为根据本申请优选实施方式的电加热设备的原理框图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请的技术方案。
在电动车辆中，由于缺少或没有发动机的余热，因此通常设置有电加热设备对车辆的空调系统进行热交换，从而实现对车辆内环境的温度管理。该电加热设备可以为PTC电加热设备，但优选为薄膜电阻作为电阻发热单元的电加热设备。
在使用过程中，对电加热设备的需求主要来源于如下几个方面，首先是车辆操纵者对车内环境的需求指令，例如当车内环境温度过低而车辆操纵者要求车内环境温度提升至预定温度时，则控制器会根据车辆操纵者的需求指令向电加热设备发出工作指令，通常提高工作功率的指令；其次，是电加热设备与电源(如动力电池)之间的匹配关系，例如需要对电加热设备与动力电池组之间的驱动电流和驱动电压控制在预定范围之内，否则可能给系统带来安全隐患。再次，某些工况下特殊要求，例如在对电动车辆进行充电时，电加热设备可能接受充电机的电能，在该情况下也需要使电加热设备与充电机具有配合的电气性能，否则将引起充电机的自保护断电。最后，电加热设备在使用时的动态变化，例如在电加热设备刚刚启动、刚刚关闭、电加热设备的负载突然增加或减小等。
通过以上描述可知，电加热设备的功率需求是实时变化的，而且要与其具体的工况背景实时对应。因此，针对传统的电加热设备，如图1所示，本申请提出了电动车辆的电加热设备，该电加热设备包括：多个电阻发热单元10，该多个电阻发热单元10彼此并联连接；多个调压装置11，该多个调压装置11分别与对应的电阻发热单元10电连接，每个所述电阻发热单元以各自的调压装置11作为与外部电源电连接的接口；控制器12，该控制器均与各个电阻发热单元10和调压装置11电连接，以根据所述电动车辆对所述电加热设备的外部功率需求，实时地对各个电阻发热单元的功率分别独立地进行调节。
在传统的技术方案中，并未将电阻发热单元设计为彼此并联连接的多个，而是仅为一个电阻发热单元，因此其功率调节的精细化难以实现。而根据本申请的技术方案，电加热设备的多个电阻发热单元彼此并联连接，每个电阻发热单元均配置有各自的调压装置，因此能根据所述电动车辆对所述电加热设备的外部功率需求，实时地对各个电阻发热单元的功率分别独立地进行调节，从而在工作状态下响应于工况需求而实时精准地对电发热设备的功率进行调节。
根据不同的实施方式，所述多个电阻发热单元10之间具有相同或不相同的电阻值。例如，在一个电加热设备中可以设置有两个电阻发热单元10，而每个电阻发热单元10的电阻值例如可以为30欧姆。当然，本申请也并不限于此，可以设计有更多个电阻发热单元10，如3个或4个或更多个，电阻发热单元10之间的电阻值可以为相同的，也可以为不相同的，或者可以为有的相同有的不相同。
如图1所示，多个调压装置11分别与对应的电阻发热单元10电连接，每个所述电阻发热单元以各自的调压装置11作为与外部电源电连接的接口，在这里外部电源可以为动力电池组和/或充电机。在该实施方式中，外部电源首先通过各个调压装置11而电连接于各自的电阻发热单元10，因此利用控制器12对个调压装置11的控制，能够实现作用于各个电阻发热单元10上的电压值(即输出电压Vout)为不同的，因此实现各个电阻发热单元的功率也能够有所不同，进而实现对电加热设备的功率的更为精准地调节。具体来说，对于电加热设备的每个电阻发热单元10来说，其功率与作用于该电阻发热单元10上的电压值Vout之间的关系为：Vout*Vout＝P*R，其中P为其发热功率，R为其电阻值。因此，在电阻发热单元10的电阻值为确定的情况下，通过针对各个电阻发热单元分别独立地调节作用于其上的电压值，能够对其发热功率分别独立地进行精准的调节。
另外，将电阻发热单元设计为并联连接的多个，能够使每路电阻发热单元的工作电流相对较小，也便于元器件的选型以及小型化设计的需求。
调压装置可以通过多种方式来实现，例如可以为调压电路、变压器等。调压装置能够根据控制器的指令而基于外部电源对该调压装置的输入电压Vin实现对电加热设备的电阻发热单元10输出各自的输出电压Vout。调压装置可以彼此相同或不相同，根据不同的应用工况场合，所述调压装置可以为降压装置、升压装置或升降压装置。例如，对于输入电压在200V-500V或400-850V之间的情况下，通常选择降压电路工作即可；对于输入电压在200V以下的产品中，可以考虑采用升降压电路。优选情况下，所述调压装置为如BUCK电路的DCDC调压电路。进一步优选的，为了实现电加热设备的小型化，调压装置采用高频工作方式，所述调压装置11的工作频率范围为100KHz-2MHz。利用该高频工作模式，驱动电路上的脉动电压和脉动电流的峰值相对较小，因此对于与电加热设备配合工作的其他电器设备来说，不会导致其出现过电流或过电压。尤其是对于充电机来说，不会引起充电机的工作保护，可以使电加热设备在充电机能够提供的最大功率下进行发热工作。
控制器12可以分别与各个电阻发热单元10和调压装置11电连接，以根据所述电动车辆对所述电加热设备的外部功率需求，实时地对各个电阻发热单元的功率分别独立地进行调节。控制器可以为各种合适的控制元器件、控制线路板或控制电路等，如电动车辆中的ECU等。控制器12可以通过调控电阻发热单元的电压和/或电流来实现其功率的调节。优选情况下，所述控制器12通过独立地调节各个调压装置11提供给对应的电阻发热单元10的电压来独立地实时调节该电阻发热单元10的功率，各个调压装置11提供给对应的电阻发热单元10的电压值之间为相同的或不同的。优选情况下，所述控制器12包括与所述调压装置11电连接的PWM控制模块，该PWM控制模块通过调节占空比的方式对所述调压装置11发出控制信号。
如图1所示，控制器12具有进行外部通讯的通讯模块，该通讯模块与所述电动车辆的控制单元相互通信，其中，所述电动车辆的控制单元向所述控制器12的通讯模块提供所述电动车辆对所述电加热设备的外部功率需求信息，该外部功率需求信息包括所述电加热设备所需的功率值和/或电动车辆所需的环境温度值。因此，利用该通讯模块，允许控制器12获知车辆操纵者的指令信息和与相关电气设备之间的匹配信息。优选情况下，控制器12的通讯模块向所述电动车辆的控制单元提供所述电加热设备的工作状态信息，以将电加热设备的工作状态信息提供给电动车辆的控制单元，因此，利用该通讯模块，使电动车辆的控制单元(如动力电池的BMS、ECU等)与电加热设备互通信息，从而对整体系统的运行状况做到实时的了解和反馈。
为了采集电加热设备的各个运行状态的参数信息，优选情况下，如图1所示，电加热设备包括多个传感器，该多个传感器与所述控制器12电连接，用于分别独立地实时检测各个电阻发热单元10的运行参数。例如，可以实时检测各个调压装置11提供给对应的电阻发热单元10的实际电压值V实际，多个电阻发热单元10的电流值，以及所述电加热设备的工作温度等。传感器可以检测至少上述一种参数，也可以同时检测多种参数，以适应于不同的工况。在优选情况下，通过实时检测各个调压装置11提供给对应的电阻发热单元10的实际电压值V实际，以判断其实际功率是否与所需功率相一致。
优选情况下，所述控制器包括：计算模块，该计算模块基于所述电动车辆对所述电加热设备的外部功率需求，实时计算所述调压装置11需要提供给对应的电阻发热单元10的理论电压值V理论；比较模块，该比较模块对所述调压装置11提供给对应的电阻发热单元10的实际电压值V实际和理论电压值V理论进行实时比较；所述控制器根据所述比较模块的比较结果对与该电阻发热单元10对应的调压装置11发出实时控制信号(例如图1所示的pwm1和pwm2控制信号)，对该电阻发热单元10的实际电压值V实际进行实时调节，以接近所述理论电压值V理论。
在使用过程中，电动车辆对电加热设备的外部功率需求是处于实时变化状态之中的，根据公式Vout*Vout＝P*R(其中P为其发热功率，R为其电阻值)可以针对每个电阻发热单元11实时计算所述调压装置11需要提供给对应的电阻发热单元10的理论电压值V理论。同时，利用传感器对各个电阻发热单元11的实际电压值V实际进行检测，因此可以利用比较模块对对应的电阻发热单元10的实际电压值V实际和理论电压值V理论进行实时比较。根据比较结果，控制器12对调压装置11发出控制信号，从而对实际电压值进行调节，以尽可能与理论电压值保持一致。
例如，某电加热设备包括两个并联的电阻发热单元，电阻发热单元的电阻分别为30欧姆和25欧姆，总的外部功率需求为8Kw，每个电阻发热单元需提供4Kw的加热功率。因此，每个电阻发热单元的理论电压值的计算方法为：
V理论1*V理论1＝4000*30,V理论1＝346.4V；
V理论2*V理论2＝4000*25,V理论2＝316.2V。
如果任一个电阻发热单元来说，V实际1(2)小于V理论1(2)，则可以加大PWM输出，以提高V实际的值；反而，则可以减小PWM的输出。另外，针对两个不同的电阻发热单元的控制来说，可以对其中一个减小PWM的输出，而对另一个则增加PWM的输出。可见，由于对每个电阻发热单元可以分别进行单独控制，因此能够更为精准地对其发热功率进行动态的实时调整。
如上所述，优选情况下，控制器12包括与所述调压装置11电连接的PWM控制模块，该PWM控制模块根据所述比较模块的比较结果通过调节占空比的方式对所述调压装置11发出实时控制信号，以对所述电阻发热单元10的实际电压值V实际进行实时调节。
此外，在优选情况下，利用传感器所获得的电流值(如单个电阻发热单元10的电流)和/或工作温度等参数信息，所述控制器12对所述各个调压装置11进行单独控制，以将所述电流值和/或工作温度控制在预定范围之内，确保系统的安全稳定性。
以上对本申请的电加热设备进行了详细地描述，这种电加热设备可以用于多种工况应用中，如各种载运工具中，尤其是电动车辆。本申请还提供了一种电动车辆，其中，该电动车辆包括上述电加热设备，所述电动车辆为纯电动车辆或混合动力车辆。上述电动车辆中的动力电池可以为二次可充电电池，如锂电池、镍氢电池，也可以为燃料电池，如氢燃料电池。在动力电池组为二次可充电电池的情形下，在所述电动车辆与充电机电连接以进行充电时，所述充电机能通过所述电加热设备中作为所述接口的多个调压装置11与对应的电阻发热单元10电连接。
根据本申请的优选技术方案，采用DCDC调压电路且使其在高频范围内工作，同时对每个电阻发热单元分别布置各自的调压装置。因此，能够对电阻发热单元的发热功率进行独立地精准调节，同时避免电加热设备的驱动电路中出现较大的脉动电压和脉动电流，因此不会引起充电机的工作保护。
以上详细描述了本申请的优选实施方式，但是，本申请并不限于上述实施方式中的具体细节，在本申请的技术构思范围内，可以对本申请的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本申请的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本申请的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本申请的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.电动车辆的电加热设备，其中，该电加热设备包括：
多个电阻发热单元(10)，该多个电阻发热单元(10)彼此并联连接；
多个调压装置(11)，该多个调压装置(11)分别与对应的电阻发热单元(10)电连接，每个所述电阻发热单元以各自的调压装置(11)作为与外部电源电连接的接口；
控制器(12)，该控制器均与各个电阻发热单元(10)和调压装置(11)电连接，以根据所述电动车辆对所述电加热设备的外部功率需求，通过独立地调节各个调压装置(11)提供给对应的电阻发热单元(10)的电压，来实时地对各个电阻发热单元的功率分别独立地进行调节；
该电加热设备包括多个传感器，该多个传感器与所述控制器(12)电连接，用于分别独立地实时检测各个调压装置(11)提供给对应的电阻发热单元(10)的实际电压值V实际；
所述控制器包括：
计算模块，该计算模块基于所述电动车辆对所述电加热设备的外部功率需求，实时计算所述调压装置(11)需要提供给对应的电阻发热单元(10)的理论电压值V理论；
比较模块，该比较模块对所述调压装置(11)提供给对应的电阻发热单元(10)的实际电压值V实际和理论电压值V理论进行实时比较；
所述控制器根据所述比较模块的比较结果对与该电阻发热单元(10)对应的调压装置(11)发出实时控制信号，对该电阻发热单元(10)的实际电压值V实际进行实时调节，以接近所述理论电压值V理论。
2.根据权利要求1所述的电加热设备，其中，所述电阻发热单元为薄膜电阻，所述多个电阻发热单元(10)之间具有相同或不相同的电阻值。
3.根据权利要求1所述的电加热设备，其中，所述调压装置(11)的工作频率范围为100KHz-2MHz。
4.根据权利要求1所述的电加热设备，其中，所述多个调压装置(11)之间可以为相同或不相同的调压装置。
5.根据权利要求1所述的电加热设备，其中，所述调压装置为降压装置、升压装置或升降压装置。
6.根据权利要求1所述的电加热设备，其中，所述调压装置为DCDC调压电路。
7.根据权利要求6 所述的电加热设备，其中，所述DCDC调压电路为BUCK电路。
8.根据权利要求1所述的电加热设备，其中，各个调压装置(11)提供给对应的电阻发热单元(10)的电压值之间为相同的或不同的。
9.根据权利要求1所述的电加热设备，其中，所述控制器(12)包括与所述调压装置(11)电连接的PWM控制模块，该PWM控制模块根据所述比较模块的比较结果通过调节占空比的方式对所述调压装置(11)发出实时控制信号，以对所述电阻发热单元(10)的实际电压值V实际进行实时调节。
10.根据权利要求1所述的电加热设备，其中，所述传感器还用于实时检测多个电阻发热单元(10)的电流值，以及所述电加热设备的工作温度，
所述控制器(12)对所述各个调压装置(11)进行控制，以将所述电流值和/或工作温度控制在预定范围之内。
11.根据权利要求1所述的电加热设备，其中，所述控制器(12)包括通讯模块，该通讯模块与所述电动车辆的控制单元相互通信，其中，
所述电动车辆的控制单元向所述控制器(12)的通讯模块提供所述电动车辆对所述电加热设备的外部功率需求信息，该外部功率需求信息包括所述电加热设备所需的功率值和/或电动车辆所需的环境温度值；和/或
所述控制器(12)的通讯模块向所述电动车辆的控制单元提供所述电加热设备的工作状态信息。
12.电动车辆，该电动车辆为混合动力车辆或纯电动车辆，其中，所述电动车辆包括动力电池组和权利要求1-11中任意一项所述的电加热设备。
13.根据权利要求12所述的电动车辆，其中，在所述电动车辆与充电机电连接以进行充电时，所述充电机能通过所述电加热设备中作为所述接口的多个调压装置(11)与对应的电阻发热单元(10)电连接。
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