CN113859004B - 一种能量转换装置及其车辆 - Google Patents

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Abstract

公开提供了一种能量转换装置及其车辆，其中能量转换装置包括：电机线圈、桥臂变换器和储能元件；桥臂变换器与电机线圈连接，并且与外部的电池连接；桥臂变换器、电机线圈均与外部的充电口连接；桥臂变换器、电机线圈均与储能元件连接；电机线圈、桥臂变换器与外部的电池形成电机驱动电路；电机线圈中一部分、桥臂变换器的一部分与外部的充电口形成直流充电电路以对外部的电池充电；电机线圈的另一部分、桥臂变换器的另一部分与储能元件形成加热电路以对外部的电池加热，从而实现了能量转换装置边充电边加热的功能。

Description

一种能量转换装置及其车辆
技术领域
本公开涉及车辆领域，具体地，涉及一种能量转换装置及其车辆。
背景技术
动力电池作为新能源汽车的动力来源，在纯电动系列和混合动力系列的新能源汽车上大范围使用。然而，动力电池的外特性会受到低温环境温度的影响，续航里程下降，并在直流充电过程中会产生析锂，对动力电池造成永久性伤害，降低电池的寿命和容量。因此低温环境下，在使用动力电池前，尤其是低温充电前，有必要对动力电池进行加热升温处理，使电池电芯温度上升，让电池充放电能力随温度上升恢复正常。
相关技术中，为实现电池升温，可利用电机控制器的三相桥臂，与电机三相线圈，组成三组并联的升降压DC：将电机星型连接的线圈中性点引出，通过外接线缆与接触器KM，将中性点连接至整车直充端口和储能电容C。低温环境下，在充电前，电池组通过升降压DC的功率双向流动，实现电池组与储能电容C之间的能量流动，电池包内部有循环往复且可控的交流电流流过，使其内电阻迅速发热，功率P＝I^2R0(I取交流有效值，R0为电池内阻)，当电池组温度T达到预设温度T1时，电池管理器让升降压DC停止工作，充放电过程终止。对比单组升降压DC提供电池电流，将功率管及电感的电流应力分流到三组IGBT桥中，同等型号下，可提供给电池更大电流。其缺点在于：其一，升温过程中，充电器不参与升温程，电池升温能量来源于电池自身内部。而市场上多数充电装置在长时间不工作情况下会自动关闭，导致温度上升后无法充电；其二，自加热升温持续时间至少需要10min，插枪但充电不工作，显示界面无电流，用户体验不友好；其三，加热的能量是来源于电池自身的能量，在电池电量极低情况下，不补充电量而进行加热，电池可能由于能量不足，整个系统不能正常运行。
发明内容
本公开的目的是提供一种能量转换装置和车辆，旨在解决现有技术中充电、驱动和加热一体化电路存在的功能单一、不能边充电边加热的问题。
根据本公开的第一实施例，提供一种能量转换装置包括：
电机线圈、桥臂变换器和储能元件；桥臂变换器与电机线圈连接，并且与外部的电池连接；桥臂变换器、电机线圈均与外部的充电口连接；桥臂变换器、电机线圈均与储能元件连接；电机线圈、所述桥臂变换器与外部的电池形成电机驱动电路；电机线圈中一部分、桥臂变换器的一部分与外部的充电口形成直流充电电路以对外部的电池充电；电机线圈的另一部分、桥臂变换器的另一部分与储能元件形成加热电路以对外部的电池加热。
根据本公开的第二实施例，提供一种车辆包括本公开第一实施例描述的能量转换装置。
通过采用上述技术方案，能够实现如下的有益效果：通过采用包括电机线圈、桥臂变换器和储能元件的集成驱动、充电和加热功能的能量转换装置，并使得电机线圈和桥臂变换器的一部分用于实现充电功能，电机线圈和桥臂变换器的另一部分用于实现电池加热功能，解决了现有技术中存在的功能单一、用户体验差、系统不能正常工作的问题。
本公开的其他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
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是现有技术的电路示意图；
图2是第一实施例提供的能量转换装置的电路拓扑示意图；
图3是第二实施例提供的能量转换装置的电路拓扑示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
图1是现有技术的电路示意图。现有技术中公开了一种能量转换装置包括电机线圈100、桥臂变换器200和电容300。通过充电口400、电机线圈100、桥臂变换器200可以实现对电池500的充电功能；通过电容300、电机线圈100、桥臂变换器200可以实现对电池500的加热功能。因为在电池充电和电池开关通断时序不同，充电功能和加热功能不能同时实现，导致了功能单一、用户体验差、存在不能正常工作的问题。
图2是第一实施例提供的能量转换装置的电路拓扑示意图。如图2所示，本公开提供的能量转换装置包括电机线圈10、桥臂变换器20和储能元件30。
桥臂变换器20与电机线圈10连接，并且与外部的电池50连接，桥臂变换器20以及电机线圈10均与外部的充电口40连接；桥臂变换器20以及电机线圈10均与储能元件30连接。
具体地，桥臂变换器20、电机线圈10与电池50形成电机驱动电路；电机线圈10的一部分、桥臂变换器20的一部分与充电口40形成直流充电电路以对电池50充电；电机线圈10的另一部分、桥臂变换器20的另一部分与储能元件30形成加热电路以对电池50加热。
具体实施时，该能量转换装置用于电机驱动时，桥臂变换器20相当于逆变器，将电池50输出的直流电逆变成交流电，用于电机驱动；该能量转换装置用于电池充电时，桥臂变换器20和电机线圈10的一部分相当于直流升压DC，将充电口40输入的直流电升压后，用于电池充电；该能量转换装置用于电池加热时，储能元件30与电池50通过桥臂变换器20和电机线圈10的另一部分进行循环往复充放电，产生的交电流使电池内阻产生热量，从而实现了电池边充电边加热功能。
当电池处于低温环境下，并处于充电枪插枪模式下，电池BMS发出电池加热请求信号和充电请求信号时，此时，桥臂变换器20和电机线圈10的一部分用于实现电池加热功能，桥臂变换器20和电机线圈10的另一部分用于实现电池充电功能，从而能够实现电池边充电边加热的功能，所以丰富了能量转换装置的功能，并且充电枪再插入充电桩后，可以给电池充电，充电桩仍然有电流显示，使用户有较好的体验，在低温低电量的情况下，如果只进行电池加热，电量的进一步损耗会造成系统不能正常工作的情况，电池边充电边加热能够解决低温低电量的情况下系统不能正常工作的问题。
此外，该能量转换装置还可以实现直流放电模式。
该能量转换装置还包括控制器60，控制器60接受和输出信号，用于控制能量转换装置的开关动作。
在本公开的一个实施例中，储能元件30为电容C。
另外，在本公开中，所描述的“外部的电池”和“外部的充电口”是相对于能量转换装置而言的“外部”，并不是能量转换装置所在车辆的“外部”。
进一步地，电机线圈10包括三相绕组，桥臂变换器20包括并联连接的三相桥臂，三相桥臂共设有六个功率开关单元，分别为TI、T2、T3、T4、T5和T6。三相桥臂的第一端共接形成所述第一汇流端，三相桥臂的第二端共接形成所述第二汇流端。例如，第一相绕组L1的第一端与第一相桥臂的中点连接，第二相绕组L2的第一端与第二相桥臂的中点连接，第三相绕组L3的第一端与第三相桥臂的中点连接，每个桥臂的中点位于两个功率开关单元之间，三相绕组的第二端通过中性线11接，以及三相绕组的第二端汇聚于中性点M。
进一步地，中性线11上设置第一开关12，第一开关12的一端与第一相绕组L1的第二端连接，第一开关12的另一端与第二相绕组L2的第二端连接。第一开关12为可控开关，控制器60可根据输入信号控制第一开关12通断。
具体实施时，当控制器60收到电机驱动信号时，控制第一开关12导通，电机线圈10、桥臂变换器与电池形成形成电机驱动电路。当控制器60既收到电池加热请求信号也收到电池充电请求信号时，控制第一开关12断开，电机线圈10中至少一相绕组、桥臂变换器20的至少一相桥臂与外部的充电口40形成直流充电电路以对外部的电池50充电，并且电机线圈10的其他相绕组、桥臂变换器20的其他相桥臂与储能元件30形成加热电路以对外部的电池50加热，从而实现电池边充电边加热功能。
在本公开的一个实施例中，三相绕组中的第一相绕组L1的第二端与第一开关12的一端连接，三相绕组中的第二相绕组L2和第三相绕组L3的第二端与第一开关12的另一端连接；第一相绕组L1的第二端通过第二开关13与充电口40连接。这样，当第一开关12断开，第二开关13导通时，第一相绕组L1、桥臂变换器20中的第一相桥臂、第二开关13与充电口40形成对电池50的直流充电电路。
并且，当第一开关12断开，第三开关14导通时，第二相绕组L2和第三相绕组L3的第二端通过第三开关14与储能元件30连接，第二相绕组L2、桥臂变换器20中的第二相桥臂、第三开关14与储能元件30形成对电池50的第一加热电路，和/或第三相绕组L3、桥臂变换器20中的第三相桥臂、第三开关14与储能元件30形成对电池50的第二加热电路。在本实施例中，第一加热电路和第二加热电路可以按照同样的时序同时工作，也可以交替工作。
其中第一加热电路和第二加热电路同时工作的优势在于可以提高对电池的充放电电流，从而提高加热效率。第一加热电路和第二加热电路的优势在于均衡第二相桥臂和第三相桥臂的工作时间，有利于温度控制和延长功率开关单元的使用寿命。
图3是另一个实施例的能量转换装置的电路拓扑示意图，如图3所示，第一相绕组L1的第二端通过第二开关13与储能元件30连接，当第一开关12断开，第二开关13导通时，第一相绕组L1、桥臂变换器中的第一相桥臂、第二开关13与储能元件30形成对电池50的加热电路。
第二相绕组L2和第三相绕组L3的第二端通过第三开关14与充电口40连接，当第一开关12断开，第三开关14导通时，第二相绕组L2、桥臂变换器20中的第二相桥臂、第三开关14与充电口40形成对电池50的第一直流充电电路，和/或第三相绕组L3、桥臂变换器20中的第三相桥臂、第三开关14与充电口40形成对电池50的第二直流充电电路。在本实施例中，第一直流充电电路和第二直流充电电路可以按照同样的时序同时工作，也可以交替工作。
第一直流充电电路和第二直流充电电路同时工作的优势在于可以提高对电池的充电电流，从而提高充电效率。第一直流充电电路和第二直流充电电路的优势在于均衡第二相桥臂和第三相桥臂的工作时间，有利于温度控制和延长功率开关单元的使用寿命
在本公开的实施例中，储能元件30的一端与中性点M连接，其另一端与三相桥臂的第二汇流端连接。在另一个实施例中，中性点M与充电口40的正极连接，充电口40的负极与三相桥臂的第二汇流端连接。
本公开提供的能量转换装置除了实现边充电边加热功能以外，还可以实现单独加热以及单独充电的功能，在充电口40和储能元件30之间设置第四开关15，第四开关15可以设置在充电口正极与储能元件30之间，和/或第四开关15可以设置在充电口负极与储能元件30之间。当控制器60接受到电池单独充电请求信号时，第一开关12导通，第四开关15导通，电机线圈的至少一相绕组或者全部绕组，桥臂变换器的至少一相桥臂或者全部桥臂均构成直流充电电路；当控制器60接受到电池单独加热请求信号时，第一开关12导通，第四开关15断开，电机线圈的至少一相绕组或者全部绕组，桥臂变换器的至少一相桥臂或者全部桥臂均构成加热电路。
本公开还提供了一种车辆，包括前述的能量转换装置。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
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，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (8)

1.一种能量转换装置，其特征在于：包括：电机线圈、桥臂变换器和储能元件；
所述桥臂变换器与所述电机线圈连接，并且与外部的电池连接；
所述桥臂变换器、所述电机线圈均与外部的充电口连接；
所述桥臂变换器、所述电机线圈均与储能元件连接；
所述电机线圈、所述桥臂变换器与外部的电池形成电机驱动电路；
所述电机线圈中一部分、所述桥臂变换器的一部分与外部的充电口形成直流充电电路以对外部的电池充电；
所述电机线圈的另一部分、所述桥臂变换器的另一部分与储能元件形成加热电路以对外部的电池加热。
2.根据权利要求1所述的能量转换装置，其特征在于，所述电机线圈包括三相绕组；所述桥臂变换器包括三相桥臂；
所述三相绕组的第一端与所述桥臂变换器连接；
所述三相绕组的第二端通过中性线连接；
所述中性线上设置第一开关；
所述第一开关导通时，所述电机线圈、所述桥臂变换器与外部的电池形成电机驱动电路；
所述第一开关断开时，所述电机线圈中至少一相绕组、所述桥臂变换器的至少一相桥臂与外部的充电口形成直流充电电路以对外部的电池充电；
以及，所述电机线圈的其他相绕组、所述桥臂变换器的其他相桥臂与储能元件形成加热电路以对外部的电池加热。
3.根据权利要求2所述的能量转换装置，其特征在于，所述三相绕组中的第一相绕组的第二端与所述第一开关的一端连接，所述三相绕组中的第二相绕组和第三相绕组的第二端与所述第一开关的另一端连接；
所述第一相绕组的第二端通过第二开关与所述充电口连接，所述第一相绕组、所述桥臂变换器中的第一相桥臂、第二开关与所述充电口形成对所述电池的直流充电电路；
所述第二相绕组和第三相绕组的第二端通过第三开关与所述储能元件连接，所述第二相绕组、所述桥臂变换器中的第二相桥臂、第三开关与所述储能元件形成对所述电池的加热电路，和/或所述第三相绕组、所述桥臂变换器中的第三相桥臂、第三开关与所述储能元件形成对所述电池的加热电路。
4.根据权利要求2所述的能量转换装置，其特征在于，所述三相绕组中的第一相绕组的第二端与所述第一开关的一端连接，所述三相绕组中的第二相绕组和第三相绕组的第二端与所述第一开关的另一端连接；
所述第一相绕组的第二端通过第二开关与所述储能元件连接，所述第一相绕组、所述桥臂变换器中的第一相桥臂、第二开关与所述储能元件形成对所述电池的加热电路；
所述第二相绕组和第三相绕组的第二端通过第三开关与所述充电口连接，所述第二相绕组、所述桥臂变换器中的第二相桥臂、第三开关与所述充电口形成对所述电池的直流充电电路，和/或所述第三相绕组、所述桥臂变换器中的第三相桥臂、第三开关与所述充电口形成对所述电池的直流充电电路。
5.根据权利要求3或4所述的能量转换装置，其特征在于，
所述桥臂变换器包括并联连接的三相桥臂，所述三相桥臂的第一端共接形成第一汇流端，所述三相桥臂的第二端共接形成第二汇流端；
所述三相绕组的第一端对应连接至所述三相桥臂中一相桥臂的中点，所述三相绕组的第二端共接形成中性点，所述中性点与所述储能元件的一端连接，所述储能元件的另一端与所述三相桥臂的第二汇流端连接。
6.根据权利要求5所述的能量转换装置，其特征在于，所述中性点与所述充电口的正极连接，所述充电口的负极与所述三相桥臂的第二汇流端连接。
7.根据权利要求6所述的能量转换装置，其特征在于，还包括第四开关，所述第四开关设置在所述充电口和所述储能元件之间。
8.一种车辆，其特征在于，其包括权利要求1-7之一所述能量转换装置。
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