CN114889494A - 一种电池加热装置和汽车 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种电池加热装置和汽车，该加热装置包括：电池包、三相逆变器、电机；电池包由多个电池组串联而成；三相逆变器的第一汇流端和电池包的正极连接；三相逆变器的第二汇流端和电池包的负极连接；三相逆变器的输出端和电机的输入端连接；三相逆变器用于改变电机的输入电流；电机的中性点和电池组的中任意两个电池组之间的串联点，形成支路；支路包括电容模块。该加热装置适合工作在高开关频率，从而降低运行噪声，增强加热效果。该电容模块可以隔离直流或低频的共模电压，从而使得该电池加热装置无需控制串联电池的电量平衡，简化了电池包控制软硬件；也能在高速行车发生故障时下迅速切入电机三相短路状态，不必等待中线继电器断开，提高了安全性。

Description

一种电池加热装置和汽车
技术领域
本申请涉及电路技术领域，具体而言，涉及一种电池加热装置和汽车。
背景技术
新能源汽车的动力电池在低温时性能表现不佳，因此，在汽车行驶或驻车充电时，需要对汽车的电池进行加热。现有技术中，存在将电机的中性点和串联的电池组的中点连接，利用中点电流加热电池的方法。但是，该方法在高开关频率加热电流偏小时，加热功率偏小。由于非理想因素的存在，即便三相逆变器的三相逆变桥上下桥臂PWM的占空比完全对称，中线电流的平均值不会绝对为零。长此以往，就有可能造成上下电池包容量不平衡。因此必须要配套软硬件对中线电流平均值进行控制，从而维持上下电池单元的容量平衡。除了三相逆变器自己控制中线平均电流外，汽车的电池管理系统需要同时估算上下电池包的电量，并根据电量给出中点平均电流参考值指令。这无疑大大增大了电池管理系统的硬件和软件复杂度。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种电池加热装置和汽车。
第一方面，本申请实施例提供了一种电池加热装置，包括：
电池包、三相逆变器、电机；
所述电池包由多个电池组串联而成；
所述三相逆变器的第一汇流端和电池包的正极连接；
所述三相逆变器的第二汇流端和电池包的负极连接；
所述三相逆变器的输出端和所述电机的输入端连接；
所述三相逆变器用于改变所述电机的输入电流；
所述电机的中性点和所述电池组的中任意两个电池组之间的串联点，形成支路；
所述支路包括电容模块。
在上述实现过程中，通过电容模块和电机的共模电感之间的谐振，能够提高系统在高频工作时的加热电流，使得整个装置更加适合工作在高开关频率的环境中。高开关频率可以避开人耳对噪声敏感的频率带，从而降低声学噪声。高频电流会产生显著的集肤效应，增大电池内阻，从而增强电池内阻发热。该电容模块可以隔离低频共模电压，从而使得该电池加热装置可以在行车状态下不受限制地采用各类三相PWM调制对三相逆变器进行调制。因为电容模块隔离的作用，支路电流的平均值肯定为零，因此无需设置支路平均电流控制软硬件，简化了电路，配套的汽车的电池管理系统不需要同时检测上下电池包的电量，并根据电量给出中点平均电流参考值指令，减少了电池管理系统的硬件复杂度和软件复杂度。
进一步地，所述电容模块和所述电机的共模电感形成谐振电路；
所述谐振电路的谐振频率高于所述三相逆变器的开关频率。
进一步地，所述三相逆变器包括：第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；
所述第一桥臂和所述电机的U相线连接；
所述第二桥臂和所述电机的V相线连接；
所述第三桥臂和所述电机的W相线连接。
进一步地，所述第一桥臂、所述第二桥臂和所述第三桥臂分别包括：
第一功率开关和第二功率开关；
所述第一功率开关的漏极和所述第一汇流端连接；
所述第一功率开关的源极和所述第二功率开关的漏极连接；
所述第二功率开关的源极和所述第二汇流端连接；
所述第一桥臂的第一功率开关的源极和所述的U相线连接；
所述第二桥臂的第一功率开关的源极和所述的V相线连接；
所述第三桥臂的第一功率开关的源极和所述的W相线连接。
进一步地，所述支路还包括继电器，所述继电器和所述电容模块串联。
进一步地，所述第一桥臂、所述第二桥臂和所述第三桥臂还分别包括：第一二极管和第二二极管；
所述第一二极管的阳极和所述第一功率开关的漏极；
所述第一二极管的阴极和所述第一功率开关的源极；
所述第二二极管的阳极和所述第二功率开关的漏极；
所述第二二极管的阴极和所述第二功率开关的源极。
进一步地，所述电池组由多个电池并联而成。
进一步地，所述装置在工作时所述三相逆变器由SPWM、SVPWM、DPWM中的一种调制波驱动。
进一步地，所述电池包由两个电池组串联而成。
第二方面，本申请实施例提供了一种汽车，包括第一方面所述的电池加热装置。
本申请公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本申请公开的上述技术即可得知。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的电池加热装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的电池加热装置的另一结构示意图；
图3为开关频率和支路谐振电流的关系的示意图。
标记：1-电池包；2-三相逆变器；21-第一桥臂；22-第二桥臂；23-第三桥臂；211-第一功率开关；212-第二功率开关；3-电机；4-电容模块；5-继电器。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1
参见图1，本申请实施例提供一种电池加热装置，包括：
电池包1、三相逆变器2、电机3；
所述电池包1由多个电池组串联而成；
所述三相逆变器2的第一汇流端和电池包1的正极连接；
所述三相逆变器2的第二汇流端和电池包1的负极连接；
所述三相逆变器2的输出端和所述电机3的输入端连接；
所述三相逆变器2用于改变所述电机3的输入电流；
所述电机3采用星形连接；
所述电机3的中性点和所述电池组的中任意两个电池组之间的串联点，形成支路；
所述支路包括电容模块4。
可以理解的是，三相逆变器2和控制电路(图中未示出)连接。
在上述实现过程中，通过电容模块4和电机3的共模电感之间的谐振，能够提高系统在高频工作时的加热电流，使得整个装置更加适合工作在高开关频率的环境中。高开关频率可以避开人耳对噪声敏感的频率带，从而降低声学噪声。高频电流会产生显著的集肤效应，增大电池内阻，从而增强电池内阻发热。该电容模块4可以隔离低频共模电压，从而使得该电池加热装置可以在行车状态下不受限制地采用各类三相PWM调制对三相逆变器2进行调制。因为电容模块4隔离的作用，支路电流的平均值肯定为零，因此无需设置支路平均电流控制软硬件，简化了电路，配套的汽车的电池管理系统不需要同时检测上下电池包的电量，并根据电量给出中点平均电流参考值指令，减少了电池管理系统的硬件复杂度和软件复杂度。
进一步地，所述电容模块4和所述电机3的共模电感形成谐振电路；
所述谐振电路的谐振频率高于所述三相逆变器2的开关频率。
进一步地，所述三相逆变器包括：第一桥臂21、第二桥臂22和第三桥臂23；
所述第一桥臂21和所述电机3的U相线连接；
所述第二桥臂22和所述电机3的V相线连接；
所述第三桥臂23和所述电机3的W相线连接。
在上述实现过程中，通过第一桥臂21、第二桥臂22和第三桥臂23对电流进行调整，能够改变流入电机3的电流值的大小，从而改变电机3的输出扭矩。
可以理解的是，第一桥臂21、第二桥臂22和第三桥臂23还和控制电路连接，控制电路，形成电机控制器，用于对通过电机电流的调整。
进一步地，所述第一桥臂21、所述第二桥臂22和所述第三桥臂23还分别包括：第一二极管和第二二极管；
所述第一二极管的阳极和所述第一功率开关211的漏极；
所述第一二极管的阴极和所述第一功率开关211的源极；
所述第二二极管的阳极和所述第二功率开关212的漏极；
所述第二二极管的阴极和所述第二功率开关212的源极。
在上述实现过程中，采用第一二极管和第二二极管对电路进行保护，能够防止高压击穿功率开关。
进一步地，所述电池组由多个电池并联而成。
可以理解的是，电池包1中包括多个串联而成的电池组，而每个电池组有多个电池并联而成。
作为一种优选的实施例，支路和电池包1的连接点到电池包1的第一端之间的电池组数量和电池包1的连接点到电池包1的第二端之间的电池组数量相等。基于此，可以保证加热均匀。
需要说明的是，本申请实施例中并不限定支路的一端一定和电池包1的中点连接。即支路和电池包1的连接点到电池包1的第一端之间的电池组数量和电池包1的连接点到电池包1的第二端之间的电池组数量可以不相等。
所述装置在工作时所述三相逆变器由SPWM、SVPWM、DPWM中的一种调制波驱动，这会带来更好的电机驱动性能。比如，SVPWM调制模式下，三相逆变器2可以输出更高的交流电压供给电机，从而让电机3输出更大的功率；SVPWM也意味着更小的电机电流纹波，从而改善电机3开关声学噪声。DPWM意味着三相逆变器2可以减小开关损耗，从而降低自身发热或者输出更大的电流给电机3以提升电机扭矩和功率。
进一步，所述支路还包括继电器5，所述继电器5和所述电容模块串联。
在上述实现过程中，通过继电器5的开合可以实现对电池加热功能的打开和关闭。
现有技术中，车辆一般适用永磁同步电机。装备永磁同步电机的汽车，在高速下，如果三相逆变器2或电机本身或其他相关部件出现故障，则需要控制三相逆变器2让电机3进入三相短路的状态。因此，如果在行车状态下进行加热，一旦发生故障需要电机3进入三相短路状态，必须首先断开继电器5，确认继电器5断开之后电机3才能进入三相短路状态。否则电池串联点的电压直接作用在共模电感两端，电机3将瞬间产生巨大的共模电流烧坏电机3。本实施例中，由于电容模块4的作用，电池电压被电容模块4阻挡，因此电机3可以直接进入三相短路，不必等待继电器5断开，这显著增加了车辆的安全性。
在一种可能的实施方式中，所述电容模块4包括：第一电容。第一电容和继电器5连接。
基于上述实施方式，本申请实施例对电路的工作原理进行阐述，以进一步说明该电池加热装置的有益效果。
基于电机3共模电感和电容模块4的谐振，装置的自然谐振频率为可以通过以下公式得出：
Figure BDA0003662549000000071
其中，LN为电机3共模电感(可以包括电机3绕组产生的共模电感、导线杂散电感或在电机3中性点额外加入的电感，示意图中并未画出)，CN为电容模块4的电容值。
装置中的加热电流的表达式为：
Figure BDA0003662549000000072
其中，UB为电池包1整包电压；fs为三相逆变器2中的功率开关的开关频率；示例性地，取电感的电容值LN＝15uH，电容模块4电容值的CN＝7.5uF，此时装置的自然谐振频率fN为15kHz。
开关频率和支路谐振电流的关系如图3所示。一般情况下，三相逆变器2驱动电机运行，不进行电池加热时，其开关频率在10kHz左右，根据工况不同可以有一定的变化(一般是降低开关频率以减小损耗)。在需要加热的时候，提高开关频率到接近15kHz谐振频率。比如，调节开关频率到13kHz，则支路电流有效值增大到了400A，如此大的电流可以快速加热电池。通过调节开关频率，就能控制支路电流的有效值，从而调节电池加热频率。如果完全不需要加热，则断开支路继电器。
进一步地，由于电容模块4的电容值让谐振电路谐振点在数千赫兹，甚至超过10kHz，远超过电机3电流电频率(比如四对极电机15000rpm，电频率fac＝1kHz)。而谐振网络在低频下表现为一个电容，呈现很大的阻抗，此时低频共模电压只能产生很小的低频共模电流，因此不会影响电机3运行，使得上述电路可以在行车状态下正常工作。
忽略电池内阻，在SVPWM调制下，可得此时低频共模电压产生的低频共模电流基波幅值为：
Figure BDA0003662549000000081
示例性地，LN＝15uH，CN＝7.5uF，fN此时为15kHz，在最高转速15000rpm下(fac＝1kHz，电压利用率m＝1)，低频共模电流幅值为5.4A，完全可以忽略不计。其他转速下，低频共模电流只会更低。因此，加入电容模块4之后，无论车辆运行状态下采用SPWM、SVPWM还是各类DPWM，都可以隔离低频共模电压，从而可以在行车状态下自由选择三相PWM调制方式，发挥各种三相PWM调制模式的优点。
实施例2
本申请实施例提供一种汽车，包括实施例1的电池加热装置。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种电池加热装置，其特征在于，包括：
电池包、三相逆变器、电机；
所述电池包由多个电池组串联而成；
所述三相逆变器的第一汇流端和所述电池包的正极连接；
所述三相逆变器的第二汇流端和所述电池包的负极连接；
所述三相逆变器的输出端和所述电机的输入端连接；
所述三相逆变器用于改变所述电机的输入电流；
所述电机的中性点和所述电池组的中任意两个电池组之间的串联点，形成支路；
所述支路包括电容模块。
2.根据权利要求1所述的电池加热装置，其特征在于，
所述电容模块和所述电机的共模电感形成谐振电路；
所述谐振电路的谐振频率高于所述三相逆变器的开关频率。
3.根据权利要求1所述的电池加热装置，其特征在于，所述三相逆变器包括：第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；
所述第一桥臂和所述电机的U相线连接；
所述第二桥臂和所述电机的V相线连接；
所述第三桥臂和所述电机的W相线连接。
4.根据权利要求3所述的电池加热装置，其特征在于，所述第一桥臂、所述第二桥臂和所述第三桥臂分别包括：
第一功率开关和第二功率开关；
所述第一功率开关的漏极和所述第一汇流端连接；
所述第一功率开关的源极和所述第二功率开关的漏极连接；
所述第二功率开关的源极和所述第二汇流端连接；
所述第一桥臂的第一功率开关的源极和所述的U相线连接；
所述第二桥臂的第一功率开关的源极和所述的V相线连接；
所述第三桥臂的第一功率开关的源极和所述的W相线连接。
5.根据权利要求1所述的电池加热装置，其特征在于，所述支路还包括继电器，所述继电器和所述电容模块串联。
6.根据权利要求4所述的电池加热装置，其特征在于，所述第一桥臂、所述第二桥臂和所述第三桥臂还分别包括：第一二极管和第二二极管；
所述第一二极管的阳极和所述第一功率开关的漏极；
所述第一二极管的阴极和所述第一功率开关的源极；
所述第二二极管的阳极和所述第二功率开关的漏极；
所述第二二极管的阴极和所述第二功率开关的源极。
7.根据权利要求1所述的电池加热装置，其特征在于，所述电池组由多个电池并联而成。
8.根据权利要求1-7任一项所述的电池加热装置，其特征在于，所述装置在工作时所述三相逆变器由SPWM、SVPWM、DPWM中的一种调制波驱动。
9.根据权利要求1-7任一项所述的电池加热装置，其特征在于，包括：
所述电池包由两个电池组串联而成。
10.一种汽车，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的电池加热装置。
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