CN117124932A - 一种锂离子电池的低温预热电路拓扑系统 - Google Patents

一种锂离子电池的低温预热电路拓扑系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池的低温预热电路拓扑系统，包括：三相逆变器、永磁同步电机、动力电池组、两相桥和控制器；所述动力电池组的正极与所述两相桥的一端连接，所述动力电池组的负极与所述三相逆变器的一端连接；所述两相桥的另外两端分别与所述三相逆变器的另外两端连接；所述永磁同步电机的三相分别与所述三相逆变器、所述控制器连接；所述控制器通过驱动信号分别与所述两相桥、所述三相逆变器连接。本发明无需使用额外电源，且不产生电机振动噪声，具有重要的工程应用价值。

Description

一种锂离子电池的低温预热电路拓扑系统
技术领域
本发明属于锂离子电池建模与管理应用领域，具体涉及一种锂离子电池的低温预热电路拓扑系统。
背景技术
锂离子动力电池作为电动汽车整车的动力来源，具有高能量密度、高充电倍率以及良好循环寿命等特点。然而，它的性能受外界低温的影响显著，在低温环境下直接给锂离子电池充电，存在一定的安全隐患。因此，对锂离子动力电池充电前必须采用一定的策略对其进行预热。
现阶段，常见的动力电池低温加热方法主要分为外部加热法和内部加热法。
外部加热原理简单，易于实现，如使用热空气、热矿物油作为介质加热电池或在电池表面覆盖金属膜等，但加热过程中电池易受热不均，且损耗多，能量利用率低。
内部加热方法产生温升的热量来源于电池内阻生热，具有更高的能量利用率，电池组各部分温度分布更加均匀。如在电池上施加一定幅值和频率的电流或外加开关管，采用瞬时短路产生大电流等方法。大部分内部加热都需要额外的电源等装置或需要对电池本身结构进行改变，操作复杂，也增加了供电系统体积，难以对于广泛使用的锂离子动力电池进行大规模修改。还有改变电池组串并联连接方式，利用车载逆变器和电机形成电流通路，进而加热电池的方法，这种方法会在电机上产生振动噪声。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种锂离子电池的低温预热电路拓扑系统，无需使用额外电源，且不产生电机振动噪声，具有重要的工程应用价值。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种锂离子电池的低温预热电路拓扑系统，包括：三相逆变器、永磁同步电机、动力电池组、两相桥和控制器；
所述动力电池组的正极与所述两相桥的一端连接，所述动力电池组的负极与所述三相逆变器的一端连接；
所述两相桥的另外两端分别与所述三相逆变器的另外两端连接；
所述永磁同步电机的三相分别与所述三相逆变器、所述控制器连接；
所述控制器通过驱动信号分别与所述两相桥、所述三相逆变器连接。
优选的，所述动力电池组包括：彼此并联的、单体数量相等、连接方式相同的两组，分别为Bat1、Bat2。
优选的，所述三相逆变器由开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6构成，其中，A、B、C相上桥臂开关管分别为S1、S3、S5，A、B、C相下桥臂开关管分别为S2、S4、S6；同时，每个开关管均反向并联一个二极管，依次为D1、D2、D3、D4、D5、D6，二极管正极与开关管S极相连，二极管负极与开关管D极相连；
A、B、C相上桥臂开关管S1、S3、S5的S极分别与所述永磁同步电机三相相连，并断开A、B两相上桥臂开关管S1、S3的D极之间的连接；
所述Bat1和所述Bat2的负极均与所述三相逆变器的下桥臂开关管S极相连。
优选的，所述两相桥为在所述动力电池组和所述三相逆变器之间加入的两相逆变电路，由开关管S7、S8、S9、S10构成，其中，S8的D极与所述Bat1的正极连接，S10的D极与所述Bat2的正极连接，S8、S10的S极共同接在所述三相逆变器的A相上桥臂S1的D极；S7、S9的D极共同接在所述三相逆变器的B、C相上桥臂S3、S5的D极；同时，每个开关管均反向并联一个二极管，依次为D7、D8、D9、D10，二极管正极与开关管的S极相连，负极与开关管的D极相连。
优选的，所述控制器包括：电流解耦单元、PI控制器、第一驱动单元和第二驱动单元；
所述电流解耦单元与所述PI控制器连接；所述PI控制器与所述第一驱动单元连接。
优选的，所述第一驱动单元发出的SVPWM波分别经过驱动电路与开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6相连。
优选的，所述电流解耦单元发出的电流环控制所述永磁同步电机的电流为预定幅值的直流量。
优选的，所述第二驱动单元发出的占空比恒为50％的PWM波，控制所述两相桥的各开关管，在前半周期，开关管S8、S9同时导通，开关管S7、S10同时闭合，称为状态1；在后半周期，开关管S7、S10同时导通，开关管S8、S9同时闭合，称为状态2，两种状态交替出现，频率f＝1/T。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)能够在电池Bat1、Bat2上得到方波加热电流，其幅值、频率均单独可调。幅值下限为零，上限取决于电机额定电流；频率f可调范围为1～1kHz。能在20分钟内将电池从-20℃加热至0℃。
(2)不产生噪音。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的电动车驱动电路主电路原理图；
图2为本发明实施例中的改进后的驱动电路主电路原理图及控制框图；
图3为本发明实施例中的电机三相电流示意图；
图4为本发明实施例中的电机d、q轴电流示意图；
图5为本发明实施例中的流经两组电池的加热电流示意图；
图6为本发明实施例中的正半周期电流通路，Bat2电池组给Bat1电池组充电示意图；
图7为本发明实施例中的负半周期电流通路，Bat1电池组给Bat2电池组充电示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，是电动车上使用的驱动电路主电路原理图，包括由开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6构成的三相逆变器，A、B、C相上桥臂开关管S1、S3、S5的S极分别与永磁同步电机三相相连，动力电池组正负极分别与逆变器上桥臂管D极、下桥臂管S极相连。本发明提出的拓扑在此基础上做出两点改变：
如图2所示，本发明提供了一种锂离子电池的低温预热电路拓扑系统，包括：三相逆变器、永磁同步电机、动力电池组、两相桥和控制器；
动力电池组的正极与两相桥的一端连接，动力电池组的负极与三相逆变器的一端连接；
两相桥的另外两端分别与三相逆变器的另外两端连接；
永磁同步电机的三相分别与三相逆变器、控制器连接；
控制器通过驱动信号分别与两相桥、三相逆变器连接。
在本实施例中，改变电池组连接方式，原拓扑中动力电池组可拆成彼此并联的、单体数量相等、连接方式相同的两组，分别为Bat1、Bat2。
在本实施例中，三相逆变器由开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6构成，其中，A、B、C相上桥臂开关管分别为S1、S3、S5，A、B、C相下桥臂开关管分别为S2、S4、S6；同时，每个开关管均反向并联一个二极管，依次为D1、D2、D3、D4、D5、D6，用于续流。二极管正极与开关管S极相连，二极管负极与开关管D极相连；
A、B、C相上桥臂开关管S1、S3、S5的S极分别与永磁同步电机三相相连，并断开A、B两相上桥臂开关管S1、S3的D极之间的连接；
Bat1和Bat2的负极均与三相逆变器的下桥臂开关管S极相连。
在本实施例中，两相桥为在动力电池组和三相逆变器之间加入的两相逆变电路，由开关管S7、S8、S9、S10构成，其中，S8的D极与Bat1的正极连接，S10的D极与Bat2的正极连接，S8、S10的S极共同接在三相逆变器的A相上桥臂S1的D极；S7、S9的D极共同接在三相逆变器的B、C相上桥臂S3、S5的D极；同时，每个开关管均反向并联一个二极管，依次为D7、D8、D9、D10，用于续流。二极管正极与开关管的S极相连，负极与开关管的D极相连。
在本实施例中，控制器包括：电流解耦单元、PI控制器、第一驱动单元和第二驱动单元；
电流解耦单元与PI控制器连接；PI控制器与第一驱动单元连接。
第一驱动单元发出的SVPWM波分别经过驱动电路与开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6相连。
电流解耦单元发出的电流环控制所述永磁同步电机的电流为预定幅值的直流量。
第二驱动单元发出的占空比恒为50％的PWM波，控制两相桥的各开关管，在前半周期，开关管S8、S9同时导通，开关管S7、S10同时闭合，称为状态1；在后半周期，开关管S7、S10同时导通，开关管S8、S9同时闭合，称为状态2，两种状态交替出现，频率f＝1/T。
在本实施例中，通过坐标变换将电机定子电流iA、iB、iC转换为id、iq，关系如公式(1)，id、iq分别代表励磁分量、转矩分量。
式中，θ为电角度。在给电池组预热过程中，电机保持不动，因此电角度θ为一定值，可人为设定为0度，将θ＝0带入公式(1)可得
id＝iA (2)
控制励磁分量id为一定值，即保证了定子磁链稳定，方向、幅值均不改变，不会使转子产生振动引发噪声。
在仿真平台中对该拓扑功能进行验证：
图3为电机三相电流iA、iB、iC，其中B、C相电流一致。图4为电机d、q轴电流id、iq，其中iq数值约等于零，保证了电机不产生电磁转矩，整车处于静止状态。
图5为流经两个电池组的电流。正半周期，Bat2电池组给Bat1电池组充电，电流通路如图6所示，两相桥S8、S9导通(即状态1)；负半周期，Bat1电池组给Bat2电池组充电，电流通路如图7所示，两相桥S7、S10导通(即状态2)，与图6相比iA方向不改变。Bat1、Bat2电池组上的电流即为加热电流，幅值、频率可由三相逆变器、两相桥单独调整。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种锂离子电池的低温预热电路拓扑系统，其特征在于，包括：三相逆变器、永磁同步电机、动力电池组、两相桥和控制器；
所述动力电池组的正极与所述两相桥的一端连接，所述动力电池组的负极与所述三相逆变器的一端连接；
所述两相桥的另外两端分别与所述三相逆变器的另外两端连接；
所述永磁同步电机的三相分别与所述三相逆变器、所述控制器连接；
所述控制器通过驱动信号分别与所述两相桥、所述三相逆变器连接。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池的低温预热电路拓扑系统，其特征在于，所述动力电池组包括：彼此并联的、单体数量相等、连接方式相同的两组，分别为Bat1、Bat2。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池的低温预热电路拓扑系统，其特征在于，所述三相逆变器由开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6构成，其中，A、B、C相上桥臂开关管分别为S1、S3、S5，A、B、C相下桥臂开关管分别为S2、S4、S6；同时，每个开关管均反向并联一个二极管，依次为D1、D2、D3、D4、D5、D6，二极管正极与开关管S极相连，二极管负极与开关管D极相连；
A、B、C相上桥臂开关管S1、S3、S5的S极分别与所述永磁同步电机三相相连，并断开A、B两相上桥臂开关管S1、S3的D极之间的连接；
所述Bat1和所述Bat2的负极均与所述三相逆变器的下桥臂开关管S极相连。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池的低温预热电路拓扑系统，其特征在于，所述两相桥为在所述动力电池组和所述三相逆变器之间加入的两相逆变电路，由开关管S7、S8、S9、S10构成，其中，S8的D极与所述Bat1的正极连接，S10的D极与所述Bat2的正极连接，S8、S10的S极共同接在所述三相逆变器的A相上桥臂S1的D极；S7、S9的D极共同接在所述三相逆变器的B、C相上桥臂S3、S5的D极；同时，每个开关管均反向并联一个二极管，依次为D7、D8、D9、D10，二极管正极与开关管的S极相连，负极与开关管的D极相连。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池的低温预热电路拓扑系统，其特征在于，所述控制器包括：电流解耦单元、PI控制器、第一驱动单元和第二驱动单元；
所述电流解耦单元与所述PI控制器连接；所述PI控制器与所述第一驱动单元连接。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池的低温预热电路拓扑系统，其特征在于，所述第一驱动单元发出的SVPWM波分别经过驱动电路与开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6相连。
7.根据权利要求5所述的锂离子电池的低温预热电路拓扑系统，其特征在于，所述电流解耦单元发出的电流环控制所述永磁同步电机的电流为预定幅值的直流量。
8.根据权利要求5所述的锂离子电池的低温预热电路拓扑系统，其特征在于，所述第二驱动单元发出的占空比恒为50％的PWM波，控制所述两相桥的各开关管，在前半周期，开关管S8、S9同时导通，开关管S7、S10同时闭合，称为状态1；在后半周期，开关管S7、S10同时导通，开关管S8、S9同时闭合，称为状态2，两种状态交替出现，频率f＝1/T。
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