CN114156570B - 基于双向lc谐振的动力电池复合加热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于双向LC谐振的动力电池复合加热系统，相对于现有技术使加热时开关组的动作频率减半，使开关控制和驱动更加容易。结合正弦交流电过零点所选择的开关切换时刻，能够有效避免回路中电流过大，相对于现有技术电容不会持续累积过高的能量，且无需增设额外的PTC元件来限制电流，降低了器件成本并且提供了较高的可靠性。利用在加热系统各器件之间循环的油路和换热器，从开关器件、LC谐振单元吸收热量并输送到电池组件处，同时实现了电池组件的外部加热，进一步提升了电池组件的生热速率。
Description
技术领域
本发明属于动力电池加热技术领域，尤其涉及一种基于双向LC谐振的动力电池复合加热电路。
背景技术
锂离子动力电池工作在低温环境时，由于电解液粘度会变大，传质性能降低，离子在电极中嵌入、脱出的速度变慢，会造成外电路电子迁移速度不匹配，表现为电池可用容量减低、阻抗增大及外特性非线性增强，导致电动汽车的续航里程锐减。锂离子动力电池在低温下放电功率受限，会导致车辆的加速和爬坡性能降低，管理算法和模型失效。在低温环境中充电时，锂离子很容易在负极表面形成锂枝晶，严重时可能刺穿正负电解液隔膜，引发热失控等安全事故。另外，低温下循环使用锂离子电池，会导致容量加速衰减，严重影响新能源汽车和储能系统的推广和应用。所以，快速升高锂离子动力电池温度，恢复其性能，是当前电池管理研究的重点和难点。现有技术中，利用LC谐振电路对动力电池加热是针对低温工作环境所较为常用的方式，譬如公开号为CN112736327A的中国专利申请，此加热方式中首先利用多对与电池组件连接的开关管，使电池组件进行脉冲放电并对LC谐振单元充电，在电流为0、LC谐振单元充满时开关管动作，改变LC谐振单元在回路中的方向，使其与电池形成短路从而实现电池内阻产热。由于脉冲放电电流常会过大，这种加热方式对开关切换控制的精确性具有较高要求，且通常需要设置与LC谐振单元串联的PTC电阻，一方面起到适当限制脉冲放电电流的作用，同时对电池组件实现外部加热。
发明内容
针对本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种基于双向LC谐振的动力电池复合加热系统，包括：
电池组件、LC谐振单元以及LC方向切换单元；
其中，所述电池组件为单体电池或若干单体电池串联组成的电池组；
所述LC方向切换单元包括4个电力电子开关Q1～Q4，所述LC谐振单元正极分别与Q1和Q3的一端连接，负极分别与Q2和Q4的一端连接，Q1和Q2的另一端与电池组件的正极连接，Q3和Q4的另一端与电池组件的负极连接；
加热时，电池组件放电并在回路中产生正弦交流电，所述LC方向切换单元通过所述电力电子开关Q1～Q4的配合动作，在回路中正弦电流的每周期最后一个过零点处，将所述LC谐振单元与电池组连接方向反向，从而使电池组件内阻产热。
进一步地，所述系统中还包括油路、油泵以及换热器；
其中，所述换热器分别设置于所述电池组件、LC谐振单元以及LC方向切换单元的附近，分别用于向电池组件散热以及从LC谐振单元以及LC方向切换单元吸热；所述油路连接各换热器并构成导热油液的循环回路；所述油泵用于将从所述LC谐振单元和LC方向切换单元处的换热器吸热后的导热油液输送至电池组件处的换热器，向电池组件加热。
进一步地，所述LC方向切换单元中的电力电子开关选用MOS管或者IGBT或者晶闸管。
进一步地，所述LC谐振单元的谐振频率大于1000Hz。
相应地，本发明还提供了一种使用上述系统的动力电池复合加热方法，包括在加热时，电池组件放电并在回路中产生正弦交流电，通过电力电子开关Q1～Q4的配合动作，在回路中正弦电流的每周期最后一个过零点处，将LC谐振单元与电池组连接方向反向，从而使电池组件内阻产热。
本发明所提供的基于双向LC谐振的动力电池复合加热系统，相对于现有技术使加热时开关组的动作频率减半，使开关控制和驱动更加容易。结合正弦交流电过零点所选择的开关切换时刻，能够有效避免回路中电流过大，相对于现有技术电容不会持续累积过高的能量，且无需增设额外的PTC元件来限制电流，降低了器件成本并且提供了较高的可靠性。利用在加热系统各器件之间循环的油路和换热器，从开关器件、LC谐振单元吸收热量并输送到电池组件处，同时实现了电池组件的外部加热，进一步提升了电池组件的生热速率。
附图说明
图1为本发明所提供系统的电路图；
图2为本发明的开关切换时刻与回路电流波形；
图3为现有技术的开关切换时刻与回路电流波形；
图4为本发明中电池组件和双向LC谐振单元连接的两个状态；
图5为基于本发明的一个4单体串联电池组的实施示例；
图中，Q1～Q4为电力电子开关，P1～P3为油泵，E1～E3为油路换热器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。
本发明提供的一种基于双向LC谐振的动力电池复合加热系统，其电路结构如图1所示，包括：
电池组件、LC谐振单元以及LC方向切换单元；
其中，所述电池组件为单体电池或若干单体电池串联组成的电池组；
所述LC方向切换单元包括4个电力电子开关Q1～Q4，所述LC谐振单元正极分别与Q1和Q3的一端连接，负极分别与Q2和Q4的一端连接，Q1和Q2的另一端与电池组件的正极连接，Q3和Q4的另一端与电池组件的负极连接；
加热时，电池组件放电并在回路中产生正弦交流电，所述LC方向切换单元通过所述电力电子开关Q1～Q4的配合动作，在回路中正弦电流的每周期最后一个过零点处，将所述LC谐振单元与电池组连接方向反向，从而使电池组件内阻产热。
上述加热过程中，电池组与LC谐振单元之间存在两种状态，在状态一即电池组件开始放电并在回路中产生正弦交流电后，由于电池组件电压的作用，LC谐振单元被充电，回路中电流逐渐变小；当回路电流第一次过零点时，根据谐振原理可知电容中的电压为电池组件电压的2倍，之后LC衰减振荡并给电池充电，随着LC回路失去能量，回路中的电流越来越小，电流第二次达到过零点也即该周期最后一个过零点；此时，LC方向切换单元通过开关动作使LC谐振单元与电池组连接方向反向，电池组与LC谐振单元进入状态二；在状态二，电池组件与LC谐振单元重复发生与状态一类似的相互作用，并在该周期最后一个过零点重新回到状态一。如此两个状态循环往复，电池组通过双向LC谐振单元实现自振交流加热，实现LC谐振单元对电池的双向加热作用。图4示出了上述两种状态所对应的LC谐振单元在回路中的连接方向变化，如状态一，当双向LC谐振单元的Q1和Q4导通时，LC单元与整体回路的连接方向为正方向；来到状态二，当双向LC谐振单元的Q2和Q3导通时，LC单元与整体回路的连接方向为反方向。
图2和图3分别示出了本发明与现有技术的开关切换时刻及回路电流。可以看出，现有技术中的加热过程首先由电池放电，给LC谐振单元充电直到电流为0，即第一次电流过零点，此时LC单元充满能量，LC单元与电池组的连接方向也在此时改变，结果导致的是LC单元和电池电压方向是同向串联的电压，电池相当于和LC回路形成短路，由此来产生热量，相应的开关切换的频率是而本发明中的开关切换频率则是/>相对现有技术减半，过程中电容器也不会持续累积能量，而是会周期性地释放，由此取得了降低开关控制难度以及提高控制精确性和器件可靠性的有益效果
在本发明的一个优选实施方式中，如图5所示，电池组件为4单体BT1～BT4串联形式的电池组，所述系统中还包括油路、油泵P1～P3以及换热器E1～E3；
其中，所述换热器分别设置于所述电池组件、LC谐振单元以及LC方向切换单元的附近，分别用于向电池组件散热以及从LC谐振单元以及LC方向切换单元吸热；所述油路连接各换热器并构成导热油液的循环回路；所述油泵用于将从所述LC谐振单元和LC方向切换单元处的散热器吸热后的导热油液输送至电池组件处的散热器，向电池组件加热。
应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.基于双向LC谐振的动力电池复合加热系统，包括：
电池组件、LC谐振单元以及LC方向切换单元；
其中，所述电池组件为单体电池或若干单体电池串联组成的电池组；
所述LC方向切换单元包括4个电力电子开关Q1～Q4，所述LC谐振单元正极分别与Q1和Q3的一端连接，负极分别与Q2和Q4的一端连接，Q1和Q2的另一端与电池组件的正极连接，Q3和Q4的另一端与电池组件的负极连接；
加热时，电池组件放电并在回路中产生正弦交流电，所述LC方向切换单元通过所述电力电子开关Q1～Q4的配合动作，在回路中正弦电流的每周期最后一个过零点处，将所述LC谐振单元与电池组连接方向反向，开关切换频率是从而使电池组件内阻产热，并且过程中电容器不会持续累积能量而是周期性地释放，以此降低开关控制难度以及提高控制精确性和器件可靠性。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统中还包括油路、油泵以及换热器；
其中，所述换热器分别设置于所述电池组件、LC谐振单元以及LC方向切换单元的附近，分别用于向电池组件散热以及从LC谐振单元以及LC方向切换单元吸热；所述油路连接各换热器并构成导热油液的循环回路；所述油泵用于将从所述LC谐振单元和LC方向切换单元处的换热器吸热后的导热油液输送至电池组件处的换热器，向电池组件加热。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述LC方向切换单元中的电力电子开关选用MOS管或者IGBT或者晶闸管。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述LC谐振单元的谐振频率大于1000Hz。
5.基于双向LC谐振的动力电池复合加热方法，其特征在于：利用如前述权利要求任一项所述的系统，在加热时，电池组件放电并在回路中产生正弦交流电，通过电力电子开关Q1～Q4的配合动作，在回路中正弦电流的每周期最后一个过零点处，将LC谐振单元与电池组连接方向反向，开关切换频率是从而使电池组件内阻产热，并且过程中电容器不会持续累积能量而是周期性地释放，以此降低开关控制难度以及提高控制精确性和器件可靠性。
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