CN115837866A - 一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明采用的技术方案是：一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法，包括以下步骤：电机控制器接收到整车自加热模式请求后，判断当前整车状态是否满足进入自加热模式的条件；如果满足请求则给请求端反馈肯定响应并进入自加热模式，否则响应否定响应并不进入自加热模式；进入自加热模式后，电机控制器判断当前电机是否处于扭矩模式状态；如果电机不处于扭矩模式状态，则通过逆变器对电机施加不同频率的脉冲电压，实现交流充放电以实现电池自加热；如果电机处于扭矩模式状态，则通过调整电机控制器的扭矩Map，提高该系统热损耗，通过热循环给电池加热。本发明实现电机内外部加热的目的同时，保证了电机噪音的最低。

Description

一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法

技术领域

本发明属于新能源电动汽车技术领域，具体涉及一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法。

背景技术

新能源汽车电池续航性能收到温度的影响较大，低温环境下，锂电池的化学活性严重降低，造成动力电池的有效容量会大幅度下降，导致新能源汽车续航严重衰减，严重影响驾驶体验，并且，在低温下条件下对电池进行充电过程中，容易出现析锂现象，严重影响电池的使用寿命。

目前提高锂电池低温性能主要有两种方式，内部加热和外部加热，内部加热是在锂电池两端施加一个交流电，利用锂电池的内部阻抗发热来实现电池的整体加热，传统的内部加热方式需要对电池单体结构改动，影响了电池的能量密度，而且需要外部设备，增加了成本；外部加热方式通过外部增加加热装置实现对电池的热传导加热，且加热效率较低，该方案需要额外增加辅控设备，还会存在受热不均匀的风险，不仅增加了硬件成本，而且还存在安全隐患，使用电池内部自加热方案，可以让单体电芯受热均匀，加热快，效率高，无附加部件，成本低等优点。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法，通过电池与电机绕组构成回路，将电池内加热和外加热结合起来，保障了电池加热速率。

本发明采用的技术方案是：一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法，该系统包括电机控制器、电池、电机和逆变器，电池经由逆变器与电机绕组构成回路，电机控制器实时获取电机状态并通过逆变器控制电机；该方法包括以下步骤：

电机控制器接收到整车自加热模式请求后，判断当前整车状态是否满足进入自加热模式的条件；如果满足请求则给请求端反馈肯定响应并进入自加热模式，否则响应否定响应并不进入自加热模式；

进入自加热模式后，电机控制器判断当前电机是否处于扭矩模式状态；

如果电机不处于扭矩模式状态，则通过逆变器对电机施加不同频率的脉冲电压，实现交流充放电以实现电池自加热；

如果电机处于扭矩模式状态，则通过调整电机控制器的扭矩Map，提高该系统热损耗，通过冷却水循环系统为给电池加热。

上述技术方案中，还包括以下步骤：自加热模式下，若电机控制器判定出现电机或者逆变器超过温度阈值后，则临时退出自加热模式，等待电机或者逆变器温度降低至设定值后再进入自加热模式。本发明通过设置自加热模式的退出机制，保证了整车的安全性。

上述技术方案中，还包括以下步骤：电机控制器接收到整车退出自加热请求时，退出自加热模式。本发明通过设置自加热模式的退出机制，保证了整车的安全性。

上述技术方案中，进入自加热模式的条件如下：电机、控制器温度不超过设定阈值且有母线电压输出，有效保证整体的安全性。

上述技术方案中，通过逆变器对电机施加不同频率的脉冲电压，实现交流充放电以实现电池自加热的过程包括：

逆变器输出的q轴电压为0，逆变器输出的d轴电压为脉冲电压；电池在电机绕组的作用下进行交流充放电，实现电池内部加热。本发明通过采用d轴电流对电池进行充放电，保证了加热过程的整体效率。

上述技术方案中，逆变器输出的d轴电压为幅值交替且输出频率为固定频率叠加随机频率的交流电压信号，有效降低转矩脉动，有效降低电池自加热时的噪音，提升用户感受。

上述技术方案中，逆变器输出的d轴电压幅值u_d采用下式计算：u_d＝U_dc*0.667

其中U_dc表示实际母线电压。

上述技术方案中，逆变器输出频率采用下式计算：

f_ud＝F_{ud_min}+F_rdm；

其中F_{ud_min}为d轴电压输出时的最小允许频率，最小允许频率为在保证电机相电流不过流的情况下的最小频率；F_rdm为叠加的随机频率分量，该随机频率分量的设定标准为在保证输出噪音最小化的同时保证输出母线电流有效值的最大化，提高加热效率的同时保证了整体的安全性。

上述技术方案中，逆变器输出的d轴电压一半周期内输出幅值为u_d，一半周期内输出幅值为-u_d。

上述技术方案中，通过调整电机控制器的电流扭矩Map，提高该系统热损耗的过程包括：获取电机的短路电流，选取80％的短路电流作为d轴电流Id，并在该d轴电流下找到与MTPA电流扭矩Map的交点作为修正Map的最大扭矩Te_S；固定d轴电流Id，基于从0至Te_S等步长的扭矩命令根据原始的MTPA电流扭矩Map标定q轴电流Iq，作为调整后的MTPA电流扭矩Map；Te_S到峰值扭矩按照调整前的MTPA电流扭矩Map输出；电机转速到达极限椭圆后沿着极限椭圆寻优直到到达MTPV曲线。本发明在实现自加热过程的同时，保证了扭矩输出的精度。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种电池自加热方案，通过电池与电机绕组构成回路，电机静止时通过逆变器对电机施加不同频率的脉冲电压，实现交流充放电，实现电机内部加热的目的，保证了电机噪音的最低；当响应整车扭矩请求时，可以通过调整扭矩Map，降低电机电控的效率，通过热循环给电池包加热，保证输出扭矩精度的同时，实现电池的快速升温。本发明通过逆变器对电机施加不同频率的脉冲电压，实现交流充放电，实现电池内部加热，通过施加最优的电压来获取最大化的交变电流，可以快速实现电池内部均匀加热，通过叠加随机频率可以降低转矩脉动，有效降低电池自加热时的噪音，提升用户感受。本发明具有加热快、受热均匀、效率高、成本低等优点。本发明为了保障电池使用寿命，可以考虑牺牲系统效率，通过降低系统效率，提高系统热损耗，通过热循环的方式实现热传导对电池外加热，保证输出扭矩精度的同时，实现电池的快速升温。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的流程示意图；

图3为本发明的输出d轴电压波形示意图；

图4为本发明的电流map示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1-2所示，本发明提供了一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法，该系统包括电机控制器、电池、电机和逆变器，电池经由逆变器与电机绕组构成回路，电机控制器实时获取电机状态并通过逆变器控制电机；该方法包括以下步骤：

电机控制器接收到整车自加热模式请求后，判断当前整车状态是否满足进入自加热模式的条件；进入自加热模式的条件如下：电机、控制器温度不超过设定阈值且有母线电压输出。所述自加热模式请求由整车VCU根据整车状态信息实时生成。

如果满足请求则给请求端反馈肯定响应并进入自加热模式，否则响应否定响应并不进入自加热模式；

进入自加热模式后，电机控制器判断当前电机是否处于扭矩模式状态；

如果电机不处于扭矩模式状态，则通过逆变器对电机施加不同频率的脉冲电压，实现交流充放电以实现电池自加热；

如果电机处于扭矩模式状态，则通过调整电机控制器的扭矩Map，提高该系统热损耗，通过热循环给电池加热。

自加热模式下，若电机控制器判定出现电机或者逆变器超过温度阈值后，则临时退出自加热模式，等待电机或者逆变器温度降低至设定值后再进入自加热模式。

电机控制器接收到整车退出自加热请求时，退出自加热模式。所述整车退出自加热模式请求由整车VCU根据整车状态信息实时生成。

具体地，当电机静止时，电池内发热是通过电池内阻发热的形式实现，整车静态时，通过电机绕组以及电池内阻形成的回路要保证电机在不产生有效扭矩的情况下形成较大的电流，该电流产生无功功率，根据电感储能公式：

可知电感消耗的无功功率为：

而无功功率来源于电池，继而母线电流：

I_dc(t_n)＝P(t_n)/U_dc (3)

/>

而内阻的发热功率为：

P_Rs＝I_dcRms²*Rs (5)

其中：W、L、i分别为电机存储的能量、电机电感、电感流过的电流；P(t_n)、i(t_n)、i(t_n-1)分别为电机消耗的无功功率、t_n和t_n-1时刻电感的电流值；I_dc(t_n)、U_dc、I_dcRms分别为直流母线电流t_n时刻的值、母线电压和直流母线有效值；P_Rs、Rs分别为电池内阻发热功率、电池内阻。

很显然，为了获取更大的电池发热功率，就必须保障最大母线电流有效值，必须保障电感消耗的无功功率足够大，即流过电感的电流要大，斜率要快。

电机电压扭矩方程为：

其中：u_d、u_q分别为电机dq坐标系下的电机定子电压；i_d、i_q分别为电机dq坐标系下的电机定子电流，L_d和Lq为电机D、Q轴等效电感；R_s为电机定子绕组的电阻，ω_e、

N_p分别为电机电角速度、转子磁链和电机极对数、Te为电机输出扭矩。

由公式(6)、(7)可知，静止状态下，忽略电机电阻，直接在d轴上加入脉冲电压时，电流上升斜率为固定值，与电机d轴电感相关，即：

此时的电流上升斜率最快，满足电池内加热需求。

为了获得最快的电流上升斜率，本发明通过脉冲电压注入法的形式实现最大的无功功率，以此达到最高的母线交流电流，实现最快的加热效果，具体原理如下所示：

根据公式(8)可知，在不产生扭矩的前提下想要获得最大的无功功率，必须保证q轴输出电流为零，即q轴电压u_q为0。

本发明将输出q轴电压u_q置0，使得扭矩输出一直为零，为了获得最大的直流母线脉冲电流，使d轴电压以脉冲输出。

在电池加热过程中，固定频率的绕组d轴电流会带来噪音的问题，为了降低噪音，可将输出脉冲电压频率随机，分散噪音能量，改善整车噪音，具体做法为：

设定q轴电压为0输出，d轴电压u_d＝U_dc*0.667，该电压为母线电压为U_dc时电机电压允许输出的最大电压值；

设定d轴输出电压频率f_ud＝F_{ud_min}+F_rdm，其中F_{ud_min}为d轴电压U_dc*0.667输出时，的最小允许频率，此时输出的电机相电流不过流，可以通过标定获取F_{ud_min}，F_rdm为叠加的随机频率分量，该随机频率分量的设定在保证输出噪音最优的同时也要保证输出母线电流有效值的最大化，可以标定获取。

在上述设定的d轴输出频率下，d轴电压一半周期内输出u_d一半周期内输出-u_d。示意图如下图3所示。即输出出的d轴电压是一个幅值交替，输出频率为固定频率叠加随机频率的交流电压信号，即保证了输出无功功率变化率，又有效的控制了电机绕组产生的噪音量。

具体地，当电机响应整车扭矩命令时，为了保障整车扭矩输出，无法再通过高频脉冲电压输出的方式达到电池内加热的目的，可以通过调整扭矩Map，降低电机电控的效率，通过热循环给电池包加热，保证输出扭矩精度的同时，实现电池的快速升温。

电机控制器工作任务是将整车扭矩命令转化成电流命令，闭环控制输出的电机电流，根据公式(8)可知同个扭矩输出可以由无数组id和iq的组合，传统电流控制目的是为了获取最大的系统效率，即电流组合满足MTPA+极限电压椭圆的组合直到MTPV，该组合保障了同等扭矩输出下的电流输出最小，系统效率最优。为了在极寒条件下保障电池使用寿命，可以考虑牺牲系统效率，通过降低系统效率，提高系统热损耗，并将提高的热损耗所产生的热量传递至冷却水系统，冷却水系统将上述热量通过热循环的方式实现热传导对电池外加热。具体实施步骤为：

获取电机短路电流I_short，选取80％的短路电流作为d轴电流Id，并在该d轴电流下找到与MTPA的交点作为修正Map的最大扭矩Te_S；固定d轴电流Id，基于从0至Te_S等步长的扭矩命令根据原始的MTPA电流扭矩Map标定q轴电流Iq，作为调整后的MTPA电流扭矩Map；Te_S到峰值扭矩按照调整前的MTPA电流扭矩Map输出；电机转速到达极限椭圆后沿着极限椭圆寻优直到MTPV。

如图4所示，OAC曲线为MTPA电流扭矩曲线，HGF为MTPV曲线，其中横坐标为d轴电流，纵坐标为q轴电流。ω₁、ω₂、ω₃为电机角速度，图中所示的椭圆为其对应的极限椭圆。其中ω₁＞ω₂＞ω₃。H为电机的短路电流点，其中OE＝0.8*OH，即E点为标定的d轴电流ID。基于从0至Te_S等步长的扭矩命令根据原始的电流扭矩Map标定q轴电流Iq，即找到了B/D/I点，将BDIE形成的曲线作为调整后的MTPA电流扭矩Map。

电池自加热模式下电流Map如下所示：

当电机旋转角速度小于ω₁时，电流Map走EIDBC曲线；即在从0至Te_S的扭矩命令下，输出调整后MTPA电流扭矩Map中所对应的固定的d轴电流和标定的q轴电流，在Te_S到峰值扭矩按照调整前的MTPA电流扭矩Map输出。

当电机旋转角速度为ω₂时，电流Map走EIDF曲线；即在电机机转速到达极限椭圆前根据扭矩命令输出调整后的MTPA电流扭矩Map中所对应的固定的d轴电流和标定的q轴电流，走EID曲线；在电机机转速到达极限椭圆后，沿ω₂的极限椭圆寻优MTPV曲线，找到F点。

当电机旋转角速度为ω₃时，电流Map走EIG曲线；即在电机机转速到达极限椭圆前根据扭矩命令输出调整后的MTPA电流扭矩Map中所对应的固定的d轴电流和标定的q轴电流，走EI曲线；在电机机转速到达极限椭圆后，沿ω₃的极限椭圆寻优MTPV曲线，找到G点。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法，该系统包括电机控制器、电池、电机和逆变器，电池经由逆变器与电机绕组构成回路，电机控制器实时获取电机状态并通过逆变器控制电机；其特征在于：该方法包括以下步骤：

电机控制器接收到整车自加热模式请求后，判断当前整车状态是否满足进入自加热模式的条件；如果满足请求则给请求端反馈肯定响应并进入自加热模式，否则响应否定响应并不进入自加热模式；

进入自加热模式后，电机控制器判断当前电机是否处于扭矩模式状态；

如果电机不处于扭矩模式状态，则通过逆变器对电机施加不同频率的脉冲电压，实现交流充放电以实现电池自加热；

如果电机处于扭矩模式状态，则通过调整电机控制器的扭矩Map，提高该系统热损耗，通过冷却水循环系统为电池加热。

2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法，其特征在于：还包括以下步骤：自加热模式下，若电机控制器判定出现电机或者逆变器超过温度阈值后，则临时退出自加热模式，等待电机或者逆变器温度降低至设定值后再进入自加热模式。

3.根据权利要求1所述的一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法，其特征在于：还包括以下步骤：电机控制器接收到整车退出自加热请求时，退出自加热模式。

4.根据权利要求1所述的一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法，其特征在于：通过逆变器对电机施加不同频率的脉冲电压，实现交流充放电以实现电池自加热的过程包括：

逆变器输出的q轴电压为0，逆变器输出的d轴电压为脉冲电压；电池在电机绕组的作用下进行交流充放电，实现电池内部加热。

5.根据权利要求4所述的一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法，其特征在于：逆变器输出的d轴电压为幅值交替且输出频率为固定频率叠加随机频率的交流电压信号。

6.根据权利要求5所述的一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法，其特征在于：逆变器输出的d轴电压幅值u_d采用下式计算：u_d＝U_dc*0.667

其中U_dc表示实际母线电压。

7.根据权利要求6所述的一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法，其特征在于：逆变器输出频率采用下式计算：

其中F_{ud_min}为d轴电压输出时的最小允许频率，最小允许频率为在保证电机相电流不过流的情况下的最小频率；F_rdm为叠加的随机频率分量，该随机频率分量的设定标准为在保证输出噪音最小化的同时保证输出母线电流有效值的最大化。

8.根据权利要求7所述的一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法，其特征在于：逆变器输出的d轴电压一半周期内输出幅值为u_d，一半周期内输出幅值为-u_d。

9.根据权利要求1所述的一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法，其特征在于：通过调整电机控制器的电流扭矩Map，提高该系统热损耗的过程包括：获取电机的短路电流，选取80％的短路电流作为d轴电流Id，并在该d轴电流下找到与MTPA电流扭矩Map的交点作为修正Map的最大扭矩Te_S；固定d轴电流Id，基于从0至Te_S等步长的扭矩命令根据原始的MTPA电流扭矩Map标定q轴电流Iq，作为调整后的MTPA电流扭矩Map；Te_S到峰值扭矩按照调整前的MTPA电流扭矩Map输出；电机转速到达极限椭圆后沿着极限椭圆寻优直到到达MTPV曲线。

10.根据权利要求1所述的一种新能源汽车电池自加热系统的控制方法，其特征在于：进入自加热模式的条件如下：电机、控制器温度不超过设定阈值且有母线电压输出。

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