CN114537220A - 一种用于动力电池的防过冲系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于动力电池的防过冲系统和方法，包括S1：实时检测与动力电池连接的母线电流，BMS将母线电流与预设的电流阈值进行比较；若母线电流小于电流阈值时，第二继电器断开，第一继电器闭合，为动力电池充电；若母线电流大于或等于电流阈值时，第一继电器断开，第二继电器和第三继电器闭合，进入S2；S2：当第二继电器和第三继电器闭合后，BMS实时将检测的动力电池温度信号传输到控制器，控制器根据温度信号控制温度调节元件和加热元件的工作状态，调节动力电池的温度。

Description

一种用于动力电池的防过冲系统和方法
技术领域
本发明涉及车辆技术领域，特别涉及一种用于动力电池的防过冲系统和方法。
背景技术
电动车在实际运行过程中，存在制动能量回收，电机在驱动模式和发电模式之间实时切换，需要比较复杂的控制逻辑，来实现瞬态功率平衡。
在车辆加速过程中，动力电池瞬时输出功率较大；驾驶员松开加速踏板后，整车需求功率极速降低，此时动力电池在几毫秒内降低输出功率，驱动电机进入能量回馈模式，处于发电状态。但是整车需要满足瞬态功率平衡，这使得动力电池需要在极短的时间内，接受电机较大的脉冲充电功率。
由于动力电池的允许充电功率和温度之间是正太分布，例如温度小于35℃(厂家具体设置)时，充电功率与温度成正比关系；当温度大于或等于35℃，充电功率与温度成反比关系。即动力电池在较高温度(10℃-35℃)时，能接受较大的脉冲充电功率，动力电池在较低温度(小于10℃)时，如果电机发出的脉冲功率较大，则会大大超过动力电池的允许充电功率，实现过冲。动力电池经过多次过充后，寿命和安全性会受到显著影响，因此一般时将脉冲功率直接释放，不用于为动力电池充电，降低了制动能量回收的效率。
发明内容
针对现有技术中动力电池易出现过冲的问题，本发明提出一种用于动力电池的防过冲系统和方法，通过实时将母线电流和电流阈值进行比较，若母线电流大于或等于电流阈值，就关断第一继电器，防止大电流对动力电池的冲击，防止动力电池出现过冲。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种用于动力电池的防过冲系统，包括高压充电模块和低压温度调节模块；所述高压充电模块的一端与母线连接，高压充电模块的另一端与低压温度调节模块的一端连接，低压温度调节模块的另一端与动力电池连接。
优选的，所述高压充电模块包括第一继电器、第二继电器和缓冲电路：
第一继电器安装在母线和动力电池之间，第二继电器的一端与母线连接，第二继电器的另一端与缓冲电路的输入端连接。
优选的，所述低压温度调节模块包括第三继电器、控制器、第一开关、第二开关、温度调节元件和加热元件：
第三继电器的一端和高压充电模块的输出端连接，第三继电器的另一端和控制器的一端连接，控制器的控制端分别和第一开关的一端、第二开关的一端连接，第一开关的另一端和温度调节元件的一端连接，第二开关的另一端和加热元件的一端连接，温度调节元件的另一端和加热元件的另一端并联后与动力电池连接。
优选的，还包括与母线连接的电流检测装置，用于实时检测母线的电流并将电流值发送到BMS，与预设的电流阈值进行比较。
优选的，所述电流阈值和动力电池的温度为一一对应关系。
优选的，所述温度调节元件采用半导体膜片，加热元件采用电阻丝。
本发明还提供一种用于动力电池的防过冲方法，具体包括以下步骤：
S1：实时检测与动力电池连接的母线电流，BMS将母线电流与预设的电流阈值进行比较；若母线电流小于电流阈值时，第二继电器断开，第一继电器闭合，为动力电池充电；若母线电流大于或等于电流阈值时，第一继电器断开，第二继电器和第三继电器闭合，进入S2；
S2：当第二继电器和第三继电器闭合后，BMS实时将检测的动力电池温度信号传输到控制器，控制器根据温度信号控制温度调节元件和加热元件的工作状态，调节动力电池的温度。
优选的，所述S2包括以下步骤：
S2-1：若动力电池温度大于或等于第一预设温度时，控制器控制第一开关闭合，第二开关仍处于断开状态，温度调节元件启动制冷模式，为动力电池降温，直至动力电池小于第一预设温度，断开第一开关S1；
S2-2：若动力电池温度小于或等于第二预设温度时，控制器控制第一开关闭合，第二开关仍处于断开状态，温度调节元件启动制热模式，为动力电池升温，直至动力电池大于第二预设温度，断开第一开关S1；
S2-3：若动力电池温度小于或等于第三预设温度时，控制器控制第一开关和第二开关均闭合，温度调节元件启动制热模式、加热元件开始工作，为动力电池加热，直至动力电池大于第三预设温度，断开第二开关；第一开关仍闭合，温度调节元件继续启动制热模式，直至动力电池大于第二预设温度，断开第一开关。
优选的，所述第一预设温度＞第二预设温度＞第三预设温度。
综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1.本发明通过实时将母线电流和电流阈值进行比较，若母线电流大于或等于电流阈值，就关断第一继电器，防止大电流对动力电池的冲击，防止动力电池出现过冲，提高了动力电池使用寿命；
2.将制动回收的能量通过温度调节元件和加热元件，为动力电池调节温度，使动力电池处于最佳充电温度区间，提高能量利用效率。
附图说明：
图1为根据本发明示例性实施例的一种用于动力电池的防过冲系统示意图。
图2为根据本发明示例性实施例的缓冲电路具体电路示意图。
图3为根据本发明示例性实施例的一种用于动力电池的防过冲方法示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种用于动力电池的防过冲系统，包括电机、母线、动力电池、高压充电模块和低压温度调节模块。电机通过母线为动力电池充电，高压充电模块的一端与母线连接，高压充电模块的另一端与低压温度调节模块的一端连接，低压温度调节模块的另一端与动力电池连接，以调节动力电池的温度。
本实施例中，还包括与母线连接的电流检测装置(可采用霍尔电流计)，用于实时检测母线的电流并将电流值发送到BMS(电源管理系统)，BMS(通过将母线实时电流与预设的电流阈值进行比较，从而确定第一继电器K1、第二继电器K2、第三继电器K3的开闭。
本实施例中，随着温度(温度可由BMS采集)的变化，动力电池的最大允许充电电流是不同的，即预设的电流阈值(额定电流可为130A)是根据温度进行调整的，如表1所示。
表1.温度和预设电流阈值对应关系表
Figure BDA0003524461150000051
本实施例中，高压充电模块包括第一继电器K1、第二继电器K2和缓冲电路：
第一继电器K1安装在母线和动力电池之间，第二继电器K2的一端与母线连接，第二继电器K2的另一端与缓冲电路的输入端连接。母线为高电压、小电流状态；经过缓冲电路后(如图2所示)，过滤掉脉冲尖端电流，成为小电压、大电流状态，防止瞬时电流过大，超过允许工作点。
如图2所示，为缓冲电路的具体电路图：
高压电流(即充电电源)的正极分别与第一场效应管Q1的漏极、第一二极管D1的负极、第二场效应管Q2的漏极、第二二极管D2的负极连接，高压电流的负极分别与第三场效应管Q3的源极、第三二极管D3的正极、第四场效应管Q4的源极、第四二极管D4的正极连接；第一场效应管Q1的源极、第一二极管D1的正极、第三场效应管Q3的漏极、第三二极管D3的负极并联后与变压器T1输入端的第一端(1)连接，第二场效应管Q2的源极、第二二极管D2的正极、第四场效应管Q4的漏极、第四二极管D4的负极并联后与变压器T1输入端的第二端(2)连接；
变压器T1输出端的第一端(3)与第五二极管D5的正极连接，变压器T1输出端的第二端(5)与第六二极管D6的正极连接，第五二极管D5的负极、第六二极管D6的负极并联后与第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端、第一电容C1的一端、第一电阻R1的一端并联后输出低压直流到PWM控制器的输入端；变压器T1输出端的中间端(4)分别与第一电容C1的另一端、第一电阻R1的另一端连接；
PWM控制器的输出端(输出电压Vc)与比较器的同相输入端连接，比较电压Vp与比较器的反相输入端连接，比较器的输出端与变压器T1输入端的第二端(2)连接。
本实施例中，高压直流经过四个开关(第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3、第四场效应管Q4，开关的栅极分别和内置的低压电源连接)和变压器后得到正弦交流电压，再经过二极管整流，电容和电感滤波，输出低压直流电压V到PWM控制器的输入端；PWM控制器将输出电压V与给定的参考电压Vref做比较，输出端输出控制电压Vc，然后比较器将Vc与高压锯齿波电压信号Vp做比较，输出PWM信号d，并由d来控制四个开关动作。
PWM信号d，用来驱动四个开关按照既定的顺序和时间开关，从而实现电流逆变；其中占空比大小控制降压比值，开关频率则可以根据高低压两侧的电流变化周期来调整。
高压充电模块的工作原理是：
当母线实时电流小于电流阈值时，第一继电器K1处于闭合状态，第二继电器K2和第三继电器K3处于断开状态，即通过母线为动力电池充电；当母线实时电流大于或等于电流阈值时，BMS控制第一继电器K1断开，第三继电器K3和第二继电器K2闭合，能量通过缓冲电路转换到低压温度调节模块。
本实施例中，低压温度调节模块包括第三继电器K3、控制器(可选用PLC)、第一开关S1、第二开关S2、温度调节元件和加热元件：
第三继电器K3的一端和高压充电模块的输出端(缓冲电路的输出端)连接，第三继电器K3的另一端和控制器的一端连接，控制器的信号接受端与BMS的信号输出端连接，控制器的控制端分别和第一开关S1的一端、第二开关S2的一端连接，第一开关S1的另一端和温度调节元件的一端连接，第二开关S2的另一端和加热元件的一端连接，温度调节元件的另一端和加热元件的另一端并联后与动力电池连接。
低压温度调节模块的工作原理是：
第一开关S1和第二开关S2处于常开状态(断开状态)。当母线实时电流大于或等于电流阈值时，第一继电器K1断开，即不为动力电池充电，第二继电器K2和第三继电器K3联通。
若动力电池温度大于或等于第一预设温度(例如30℃)时，控制器控制第一开关S1闭合，第二开关S2仍处于断开状态，温度调节元件启动制冷模式，开始工作为动力电池降温，直至动力电池小于第一预设温度，断开第一开关S1；
若动力电池温度小于或等于第二预设温度(例如10℃，那当动力电池在10℃-30℃之间时，电能用于充电，不存在电能回收)时，控制器控制第一开关S1闭合，第二开关S2仍处于断开状态，温度调节元件启动制热模式，开始工作为动力电池升温，直至动力电池大于第二预设温度，断开第一开关S1；
若动力电池温度小于或等于第三预设温度(例如0℃)时，控制器控制第一开关S1和第二开关S2均闭合，温度调节元件启动制热模式、加热元件开始工作为动力电池加热，至动力电池大于第三预设温度，断开第二开关S2，第一开关S1仍闭合，温度调节元件继续启动制热模式，直至动力电池大于第二预设温度，断开第一开关S1。
本实施例中，温度调节元件可采用半导体膜片(功率为4—20w)，加热元件可采用电阻丝(或PT加热器)。若温度较低会影响动力电池的使用，因此在温度较低时，本发明采用两种加热方式为动力电池加热，从而快速提高动力电池的温度。
基于上述系统，如图3所示，本发明还提供一种用于动力电池的防过冲方法，具体包括以下步骤：
S1：实时检测与动力电池连接的母线电流，BMS将母线电流与预设的电流阈值进行比较；若母线电流小于电流阈值时，第二继电器断开，第一继电器闭合，为动力电池充电；若母线电流大于或等于电流阈值时，第一继电器断开，第二继电器和第三继电器闭合，缓冲电路将母线电压转换成低电压。
S2：BMS实时将检测的动力电池温度信号传输到控制器，控制器根据温度信号控制温度调节元件和加热元件的工作状态，调节动力电池的温度。
S2-1：若动力电池温度大于或等于第一预设温度(例如30℃)时，控制器控制第一开关S1闭合，第二开关S2仍处于断开状态，温度调节元件启动制冷模式，开始工作为动力电池降温，直至动力电池小于第一预设温度，断开第一开关S1；
S2-2：若动力电池温度小于或等于第二预设温度(例如10℃)时，控制器控制第一开关S1闭合，第二开关S2仍处于断开状态，温度调节元件启动制热模式，开始工作为动力电池升温，直至动力电池大于第二预设温度，断开第一开关S1；
S2-3：若动力电池温度小于或等于第三预设温度(例如0℃)时，控制器控制第一开关S1和第二开关S2均闭合，温度调节元件启动制热模式、加热元件开始工作为动力电池加热，至动力电池大于第三预设温度，断开第二开关S2，第一开关S1仍闭合，温度调节元件继续启动制热模式，直至动力电池大于第二预设温度，断开第一开关S1。
本实施例中，所述第一预设温度＞第二预设温度＞第三预设温度。
当母线电流超过动力电池的电流阈值时，现有技术一般是将母线电流直接散发，这就导致能量利用率很低；更一步的是将这部分能量用于为其他低功率器件供电，这就使得动力电池的温度需要通过其他方式调节，即没有使用上这部分能量。
在本发明中，制动回收的能量，可以用于为其他低功率器件供电，同时还能根据动力电池温度的变化，为动力电池降温或加热，使得动力电池的温度稳定在最佳充电温度区间(例如10℃-30℃)，提高能量利用率，同时防止对动力电池的过冲，提高使用寿命。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于动力电池的防过冲系统，其特征在于，包括高压充电模块和低压温度调节模块；所述高压充电模块的一端与母线连接，高压充电模块的另一端与低压温度调节模块的一端连接，低压温度调节模块的另一端与动力电池连接。
2.如权利要求1所述的一种用于动力电池的防过冲系统，其特征在于，所述高压充电模块包括第一继电器、第二继电器和缓冲电路：
第一继电器安装在母线和动力电池之间，第二继电器的一端与母线连接，第二继电器的另一端与缓冲电路的输入端连接。
3.如权利要求1所述的一种用于动力电池的防过冲系统，其特征在于，所述低压温度调节模块包括第三继电器、控制器、第一开关、第二开关、温度调节元件和加热元件：
第三继电器的一端和高压充电模块的输出端连接，第三继电器的另一端和控制器的一端连接，控制器的控制端分别和第一开关的一端、第二开关的一端连接，第一开关的另一端和温度调节元件的一端连接，第二开关的另一端和加热元件的一端连接，温度调节元件的另一端和加热元件的另一端并联后与动力电池连接。
4.如权利要求1所述的一种用于动力电池的防过冲系统，其特征在于，还包括与母线连接的电流检测装置，用于实时检测母线的电流并将电流值发送到BMS，与预设的电流阈值进行比较。
5.如权利要求4所述的一种用于动力电池的防过冲系统，其特征在于，所述电流阈值和动力电池的温度为一一对应关系。
6.如权利要求3所述的一种用于动力电池的防过冲系统，其特征在于，所述温度调节元件采用半导体膜片，加热元件采用电阻丝。
7.基于权利要求1-6任一所述的一种用于动力电池的防过冲方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：实时检测与动力电池连接的母线电流，BMS将母线电流与预设的电流阈值进行比较；若母线电流小于电流阈值时，第二继电器断开，第一继电器闭合，为动力电池充电；若母线电流大于或等于电流阈值时，第一继电器断开，第二继电器和第三继电器闭合，进入S2；
S2：当第二继电器和第三继电器闭合后，BMS实时将检测的动力电池温度信号传输到控制器，控制器根据温度信号控制温度调节元件和加热元件的工作状态，调节动力电池的温度。
8.如权利要求7所述的一种用于动力电池的防过冲方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：
S2-1：若动力电池温度大于或等于第一预设温度时，控制器控制第一开关闭合，第二开关仍处于断开状态，温度调节元件启动制冷模式，为动力电池降温，直至动力电池小于第一预设温度，断开第一开关S1；
S2-2：若动力电池温度小于或等于第二预设温度时，控制器控制第一开关闭合，第二开关仍处于断开状态，温度调节元件启动制热模式，为动力电池升温，直至动力电池大于第二预设温度，断开第一开关S1；
S2-3：若动力电池温度小于或等于第三预设温度时，控制器控制第一开关和第二开关均闭合，温度调节元件启动制热模式、加热元件开始工作，为动力电池加热，直至动力电池大于第三预设温度，断开第二开关；第一开关仍闭合，温度调节元件继续启动制热模式，直至动力电池大于第二预设温度，断开第一开关。
9.如权利要求8所述的一种用于动力电池的防过冲方法，其特征在于，所述第一预设温度＞第二预设温度＞第三预设温度。
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