CN114597539A - 电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑及控制方法 - Google Patents

电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电动汽车充电技术领域，提供了一种电动汽车动力电池低温加热‑充电一体化拓扑及控制方法。其中，该拓扑包括Buck‑Boost变换电路及控制器；所述Buck‑Boost变换电路设置在充电桩与电池组之间；所述控制器被配置为：获取动力电池组的温度，并与设定温度阈值比较；根据比较结果，设定相匹配的充电电压，调节开关频率以使得所述Buck‑Boost变换电路产生设定大小幅值的交流电流或设定幅值的正向电流，以实现对动力电池组的低温加热、加热‑充电同时进行或快速充电。

Description

电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑及控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车充电技术领域，尤其涉及一种电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑及控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
锂电池因具有能量密度高、自放电率低、寿命长等优势而成为目前电动汽车主要的动力来源。然而，锂电池性能受温度影响较大，在低温环境下，充放电性能都受到很大限制，而且低温充电可能会导致锂离子析出堆积，严重影响电池的使用寿命，甚至引发内短路，造成严重安全事故。因而，为了减少低温环境下直接充电对电池的损伤，在充电前需要对电池加热到一定的温度。目前，现有的车载动力电池加热装置加热时间较长，不能满足快速充电的要求，而且每台电动汽车都需要配备加热装置，导致车载充电系统体积大、成本高，造成很大的资源浪费。
现有技术中提出了一种电动汽车的充电桩装置，包括温度检测模块、加热模块、充电模块和控制模块。通过充电桩中的加热模块与车载的进风口和出风口形成一个加热循环给电动汽车电池组加热，解决了每台车都配备加热装置的资源浪费问题。但是发明人发现，这种加热方法属于外部加热，存在加热均匀性差、效率低、可靠性低等缺点。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑及控制方法，其能够实现对电池组低温加热、加热-充电同时进行或快速充电，节约资源且容易应用到电动汽车充电领域。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供了一种电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑，其包括Buck-Boost变换电路及控制器；
所述Buck-Boost变换电路设置在充电桩与电池组之间；
所述控制器被配置为：
获取动力电池组的温度，并与设定温度阈值比较；
根据比较结果，设定相匹配的充电电压，调节开关频率以使得所述Buck-Boost变换电路产生设定大小幅值的交流电流或设定幅值的正向电流，以实现对动力电池组的低温加热、加热-充电同时进行或快速充电。
作为一种实施方式，在所述控制器中：若获取的动力电池组的温度小于第一温度阈值，设定充电电压为第一充电电压，调节开关频率至第一开关频率，以使得所述Buck-Boost变换电路产生设定大小幅值的交流电流，以实现对动力电池组进行低温加热。
作为一种实施方式，在所述控制器中：若获取的动力电池组的温度介于第一温度阈值与第二温度阈值之间，设定充电电压为第二充电电压，调节开关频率至第二开关频率，以使得所述Buck-Boost变换电路产生正电流大于负电流的设定幅值交流电流，以实现对动力电池组同时进行加热-充电；其中，第二温度阈值大于第一温度阈值。
作为一种实施方式，所述第二开关频率大于第一开关频率，所述第二充电电压大于第一充电电压。
作为一种实施方式，在所述控制器中：若获取的动力电池组的温度大于第二温度阈值，则设定充电电压为第三充电电压，调节开关频率至第三开关频率，以使得所述Buck-Boost变换电路产生设定幅值的正向电流，以实现对动力电池组同时进行快速充电。
作为一种实施方式，所述第三开关频率大于第二开关频率，所述第三充电电压大于第二充电电压。
作为一种实施方式，所述第一温度阈值为0℃，所述第二温度阈值为15℃。
作为一种实施方式，所述Buck-Boost变换电路包括第一开关管、第二开关管、电容和电感；所述第一开关管和第二开关管串联连接且连接点处与电感相连，所述电感与电容的一端相连，电容的另一端与第二开关管相连；所述电容并联连接在动力电池组两端，串联连接的第一开关管和第二开关管并联在充电桩两端。
作为一种实施方式，所述Buck-Boost变换电路的第一开关管和第二开关管通过一对状态互补的PWM信号进行驱动相应开关管的导通与关断。
本发明的第二个方面提供了一种基于如上述所述的电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑的控制方法，其包括：
获取动力电池组的温度，并与设定第一温度阈值与第二温度阈值分别比较；
根据比较结果，设定相匹配的充电电压，调节开关频率以使得所述Buck-Boost变换电路产生设定大小幅值的交流电流或设定幅值的正向电流，实现对动力电池组的低温加热、加热-充电同时进行或快速充电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了一种电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑，其包括Buck-Boost变换电路及控制器；其中，Buck-Boost变换电路设置在充电桩与电池组之间，Buck-Boost变换电路由第一开关管、第二开关管、电容和电感构成，整体结构体积小且成本低。
(2)本发明利用获取的动力电池组的温度与设定温度阈值比较，根据比较结果，输出相匹配的开关频率和充电电压控制指令至Buck-Boost变换电路，以实现对动力电池组的低温加热、加热-充电同时进行或快速充电，无需额外的电压、电流检测电路，只需要温度检测电路和一对状态互补的PWM信号来驱动两个开关管即可实现上述功能，控制方法简单。
(3)本发明的加热充电效率高：相比于传统方法，先对电池组加热完成后再进行充电，本方法加热到一定温度后可以同时进行加热与充电，提升了加热充电效率。
(4)本发明的实用性强：不需要在每台电动汽车上都装备加热装置就可以实现对电池组低温加热、加热-充电同时进行和快速充电，节约资源且容易应用到电动汽车充电领域。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例的电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑示意图；
图2为本发明实施例的电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑控制流程图；
图3为本发明实施例的开关频率5kHz、充电电压40V下的电池低温加热-充电一体化拓扑的电池组电流波形图；
图4为本发明实施例的开关频率8kHz、充电电压60V下的电池低温加热-充电一体化拓扑的电池组电流波形图；
图5为本发明实施例的开关频率150kHz、充电电压100V下的电池低温加热-充电一体化拓扑的电池组电流波形图；
图6为本发明实施例的电池低温加热过程中温度随时间的变化示意图；
图7为本发明实施例的电池低温加热过程中电压随时间的变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本实施例提供了一种电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑，其包括Buck-Boost变换电路及控制器；
所述Buck-Boost变换电路设置在充电桩与电池组之间；
所述控制器被配置为：
获取动力电池组的温度，并与设定温度阈值比较；
根据比较结果，设定相匹配的充电电压，调节开关频率以使得所述Buck-Boost变换电路产生设定大小幅值的交流电流或设定幅值的正向电流，以实现对动力电池组的低温加热、加热-充电同时进行或快速充电。
具体地，如图1所示，所述Buck-Boost变换电路包括第一开关管(如MOSFET开关Q1)、第二开关管(如MOSFET开关Q2)、电容C和电感L；所述第一开关管和第二开关管串联连接且连接点处与电感相连，所述电感与电容的一端相连，电容的另一端与第二开关管相连；所述电容并联连接在动力电池组两端，串联连接的第一开关管和第二开关管并联在充电桩两端。
其中，所述Buck-Boost变换电路的第一开关管和第二开关管通过一对状态互补的PWM信号进行驱动相应开关管的导通与关断。这一对状态互补的PWM信号的占空比为50％、相位差为180°。
具体地，设置Buck-Boost变换电路的电感L和电容C，当动力电池组的温度低于设定第一温度阈值的情况下，设定相匹配的充电电压，通过调节开关频率使Buck-Boost变换电路产生设定大小幅值的交流电流，实现对电池组进行低温交流加热；当动力电池组的温度介于设定第一温度阈值和第二温度阈值范围的情况下，调高充电电压，进一步调节开关频率使Buck-Boost变换电路产生正电流大于负电流设定幅值的交流电流，同时实现对电池组的低温加热和充电；当动力电池组的温度高于设定第二温度阈值时，调高开关频率，通过调节充电电压使Buck-Boost变换电路产生设定幅值正向电流(其中，该设定幅值正向电流为纹波较小的正向电流)，实现对电池组的快速充电。
在本实施例中，以所述第一温度阈值为0℃，所述第二温度阈值为15℃为例来详细说明。
可以理解的是，在其他实施例中，第一温度阈值和第二温度阈值的大小，本领域技术人员可根据实际情况来具体设置，此处不再详述。
如图2所示，在所述控制器中：若获取的动力电池组的温度小于第一温度阈值(如0℃)，此时，电池组不具备充电能力，急需对其加热，则设定充电电压为第一充电电压，调节开关频率至第一开关频率(如开关频率5kHz、充电电压40V)，以使得所述Buck-Boost变换电路产生设定大小幅值的交流电流，实现对动力电池组进行低温加热。这样借助于欧姆产热和电化学产热对电池组进行低温加热。
其中，开关频率5kHz、充电电压40V下的电池低温加热-充电一体化拓扑的电池组电流波形图如图3所示。
在具体实施过程中，在所述控制器中：若获取的动力电池组的温度介于第一温度阈值(如0℃)与第二温度阈值(如15℃)之间，设定充电电压为第二充电电压，调节开关频率至第二开关频率(例如开关频率8kHz、充电电压60V)，以使得所述Buck-Boost变换电路产生正电流大于负电流的设定幅值交流电流，实现对动力电池组同时进行加热-充电；其中，第二温度阈值大于第一温度阈值。开关频率8kHz、充电电压60V下的电池低温加热-充电一体化拓扑的电池组电流波形图如图4所示。
在具体实施过程中，在所述控制器中：若获取的动力电池组的温度大于第二温度阈值(如15℃)，则设定充电电压为第三充电电压，调节开关频率至第三开关频率(例如开关频率150kHz、充电电压100V)，以使得所述Buck-Boost变换电路产生设定幅值的正向电流，实现对动力电池组进行快速充电；其中，第二温度阈值大于第一温度阈值。这样Buck-Boost变换电路可以产生纹波较小的正向电流，实现对电池组的快速充电。
开关频率150kHz、充电电压100V下的电池低温加热-充电一体化拓扑的电池组电流波形图如图5所示。
其中，所述第二开关频率大于第一开关频率，所述第二充电电压大于第一充电电压。所述第三开关频率大于第二开关频率，所述第三充电电压大于第二充电电压。
图6为电池低温加热充电过程中温度随时间的变化示意图，从图6可以看出：
在电池温度低于0℃时，电池组不具备充电能力，只对电池组加热，电池组升温速率较快；当温度升高到0℃，可以对电池组加热-充电同时进行，升温速率稍微下降；当温度升高到15℃，无需再加热，对电池组快速充电，温升速率很慢。
图7为电池低温加热充电过程中电压随时间的变化示意图，从图7可以看出：
当只对电池组加热时，电压几乎不变；当对电池组加热-充电同时进行时，电压上升速率较慢；当只对电池组充电时，电压上升速率较快，上升到一定电压后进入恒压充电阶段，直至将电池组充满。
由此看出，在不同的温度区间，分别对电池组加热、加热-充电同时进行、充电，提高了电池组加热充电的效率。
基于如上述所述的电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑的控制方法，其包括：
获取动力电池组的温度，并与设定第一温度阈值与第二温度阈值分别比较；
根据比较结果，设定相匹配的充电电压，调节开关频率以使得所述Buck-Boost变换电路产生设定大小幅值的交流电流或设定幅值的正向电流，实现对动力电池组的低温加热、加热-充电同时进行或快速充电。
本实施例的电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑通过设置合适的开关频率和充电电压来实现对电池组的低温加热、加热-充电同时进行以及快速充电，解决了电动汽车动力电池在低温环境下直接充电有损伤的难题。
以上所述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 (10)

1.一种电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑，其特征在于，包括Buck-Boost变换电路及控制器；
所述Buck-Boost变换电路设置在充电桩与电池组之间；
所述控制器被配置为：
获取动力电池组的温度，并与设定温度阈值比较；
根据比较结果，设定相匹配的充电电压，调节开关频率以使得所述Buck-Boost变换电路产生设定大小幅值的交流电流或设定幅值的正向电流，以实现对动力电池组的低温加热、加热-充电同时进行或快速充电。
2.如权利要求1所述的电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑，其特征在于，在所述控制器中：若获取的动力电池组的温度小于第一温度阈值，设定充电电压为第一充电电压，调节开关频率至第一开关频率，以使得所述Buck-Boost变换电路产生设定大小幅值的交流电流，以实现对动力电池组进行低温加热。
3.如权利要求2所述的电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑，其特征在于，在所述控制器中：若获取的动力电池组的温度介于第一温度阈值与第二温度阈值之间，设定充电电压为第二充电电压，调节开关频率至第二开关频率，以使得所述Buck-Boost变换电路产生正电流大于负电流的设定幅值交流电流，以实现对动力电池组同时进行加热-充电；其中，第二温度阈值大于第一温度阈值。
4.如权利要求3所述的电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑，其特征在于，所述第二开关频率大于第一开关频率，所述第二充电电压大于第一充电电压。
5.如权利要求3所述的电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑，其特征在于，在所述控制器中：若获取的动力电池组的温度大于第二温度阈值，则设定充电电压为第三充电电压，调节开关频率至第三开关频率，以使得所述Buck-Boost变换电路产生设定幅值的正向电流，以实现对动力电池组同时进行快速充电。
6.如权利要求5所述的电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑，其特征在于，所述第三开关频率大于第二开关频率，所述第三充电电压大于第二充电电压。
7.如权利要求3或5所述的电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑，其特征在于，所述第一温度阈值为0℃，所述第二温度阈值为15℃。
8.如权利要求1所述的电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑，其特征在于，所述Buck-Boost变换电路包括第一开关管、第二开关管、电容和电感；所述第一开关管和第二开关管串联连接且连接点处与电感相连，所述电感与电容的一端相连，电容的另一端与第二开关管相连；所述电容并联连接在动力电池组两端，串联连接的第一开关管和第二开关管并联在充电桩两端。
9.如权利要求8所述的电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑，其特征在于，所述Buck-Boost变换电路的第一开关管和第二开关管通过一对状态互补的PWM信号进行驱动相应开关管的导通与关断。
10.一种基于如权利要求1-9中任一项所述的电动汽车动力电池低温加热-充电一体化拓扑的控制方法，其特征在于，包括：
获取动力电池组的温度，并与设定第一温度阈值与第二温度阈值分别比较；
根据比较结果，设定相匹配的充电电压，调节开关频率以使得所述Buck-Boost变换电路产生设定大小幅值的交流电流或设定幅值的正向电流，实现对动力电池组的低温加热、加热-充电同时进行或快速充电。
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