CN111762066A - 一种动力电池低温自加热装置、方法及纹波抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力电池低温自加热装置、方法及纹波抑制方法，所述动力电池低温自加热装置包括：动力电池及双向变换器补偿装置，所述双向变换器补偿装置包括储能元件、双向变换器和双向变换器控制电路，所述双向变换器设置于所述储能元件和所述动力电池之间，所述双向变换器控制电路用于控制所述双向变换器在充电模式和放电模式之间进行切换，在充电模式下，动力电池的能量通过所述双向变换器给储能元件进行充电；在放电模式下，能量由储能元件通过所述双向变换器流向动力电池。本发明可实现动力电池在低温下的自加热功能，还可在动力电池充放电时，有效降低充放电纹波电压和纹波电流，提高电池使用寿命。

Description

一种动力电池低温自加热装置、方法及纹波抑制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，特别涉及一种动力电池低温自加热装置、方法及纹波抑制方法。
背景技术
随着电动汽车的快速发展及广泛使用，对动力电池的充电及其低温特性的研究成为热点。动力电池低温下性能会存在很大衰减，以目前市面上使用较多的三元锂电池为例：低温下充电会导致电池出现不可逆损伤，低温下放电，其容量存在明显衰减。为延长电池的使用寿命，低温下，通常都会通过外部加热方式给电池加热，传统的加热方式主要分为空气对流加热、冷却液对流加热、电阻丝加热等。空气和冷却液加热方式都是通过环境介质将整车余热或者专门的加热模块产生的热量传导给电池，其存在效率低、能耗大、加热慢等缺点。而电阻丝直接给电池加热，容易导致电池局部过热，产生安全问题。
目前,新能源汽车使用的动力电池，大部分都是使用单节电池组通过串并联的方式连接成动力电池模块，而目前的各种充电方式，都是通过电力电子变换器将AC电网的交流电转变成直流电给到动力电池，其与动力电池相连的输出端都会存在两倍AC电网频率的电流纹波，若纹波较大，会导致动力电池模块内部电池之间形成频繁的充放电，增大电池内部损耗，降低电池使用寿命。动力电池工作在放电模式时，其负载包含驱动器、空调、DCDC等，工作时也会存在纹波变大的问题，影响使用寿命。
发明内容
为了解决现有技术中动力电池低温下性能骤减而导致的动力电池使用寿命减少以及动力电池充放电过程中纹波过大的问题，本发明提出一种动力电池低温自加热装置、方法及纹波抑制方法。
本发明提出一种动力电池低温自加热装置，包括：动力电池及双向变换器补偿装置，所述双向变换器补偿装置包括储能元件、双向变换器和双向变换器控制电路，所述双向变换器设置于所述储能元件和所述动力电池之间，所述双向变换器控制电路用于控制所述双向变换器在充电模式和放电模式之间进行切换，在充电模式下，动力电池的能量通过所述双向变换器给储能元件进行充电；在放电模式下，能量由储能元件通过所述双向变换器流向动力电池。
本发明实施例中，所述双向变换器为升压型或降压型的双向Buck-Boost电路。
本发明实施例中，在充电模式下，所述双向Buck-Boost电路工作在Boost模态下，所述动力电池将能量传递给所述储能元件；在放电模式下，所述双向Buck-Boost电路工作在Buck模态下，所述储能元件将能量传递给所述动力电池。
本发明实施例中，所述双向变换器采用双向Cuk变换器、双向Sepic变换器或者双有源全桥变换器。
本发明实施例中，还提供了一种动力电池低温自加热方法，其包括：在低温下，通过控制双向变换器的工作模式，在储能元件与动力电池之间形成充放电电路，利用电池自身内阻发热对动力电池进行自加热。
本发明实施例中，所述的动力电池低温自加热方法，包括以下步骤：
S41、BMS检测动力电池温度；
S42、若动力电池温度低于预设最低工作温度，则开启双向变换器，启动自加热；
S43、双向变换器工作在充电模式，若储能元件电压未达到最高设定电压，则继续充电进程；否则，双向充电器进入放电模式；
S44、双向变换器工作在放电模式，若储能元件电压未达到最低设定电压，则继续放电进程；否则，转步骤S45；
S45、若动力电池温度未达到最高设定温度，则转步骤S43、S44进行循环；否则，退出自加热。
本发明实施例中，所述的动力电池低温自加热方法，还包括：启动自加热时，通过冷却液传导的方式将所述双向变换器产生的热量传导给动力电池进行加热。
本发明实施例中，还提供了一种上述动力电池低温自加热装置的纹波抑制方法，其包括：当车载充电机对所述动力电池进行充电或者所述动力电池对负载放电时，所述双向变换器控制电路根据所述动力电池充放电电流中的低频纹波分量来控制所述双向变换器，从而控制所述储能元件和所述动力电池之间的充放电电流，以对所述动力电池的充放电纹波进行抑制。
本发明实施例中，所述动力电池低温自加热装置的纹波抑制方法，包括以下步骤：
S101、在所述动力电池、所述储能元件、所述双向变换器控制电路及所述双向变换器形成的电流控制环路中，将所述动力电池充放电电流中的低频纹波分量取负作为补偿电流的指令值、将所述双向变换器的输出电流作为电流闭环反馈值；
S102、将所述补偿电流的指令值与所述电流闭环反馈值的偏差经过电流补偿运算后产生控制所述双向变换器开关的控制信号；
S103、利用所述控制信号控制所述双向变换器，从而控制所述双向变换器的输出电流，所述双向变换器的输出电流即所述储能元件和所述动力电池之间的充放电电流。
本发明实施例中，在所述控制环路中，还引入功率和储能元件电压闭环调节回路，用以保持电池功率和储能元件电压稳定。
与现有技术相比，在本发明的技术方案中，所述双向变换器控制电路用于控制所述双向变换器在充电模式和放电模式之间进行切换。在充电模式下，能量由所述动力电池流向所述储能元件；在放电模式下，能量由所述储能元件流向动力电池，可实现动力电池在低温下的自加热功能，降低整车***体积和成本；可在整车充放电时，控制所述储能元件和所述动力电池之间的电流，来抑制所述动力电池的充放电纹波电流，提高电池使用寿命。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是一种典型的动力电池等效模型；
图2是典型的动力电池随温度变化的SOC曲线；
图3是增加双向变换器补偿装置后的车载动力电池充放电***框图；
图4是增加双向变换器补偿装置后的车载动力电池低温自加热控制策略流程图；
图5是双向变换器采用双向Buck-Boost电路结构的第一典型用例；
图6是动力电池自加热时的***框图；
图7是动力电池自加热时的***控制框图；
图8是动力电池充电时的主要工作波形图；
图9是动力电池充电时的***框图；
图10是双向Buck-Boost电路电流环控制框图；
图11是引入功率和电容电压闭环调节后的电路控制框图；
图12是动力电池放电时的主要工作波形；
图13是动力电池放电时的***框图；
图14是动力电池放电时的纹波补偿控制框图；
图15是双向变换器的第二典型实施例，使用双向Cuk变换器；
图16是双向变换器的第三典型实施例，使用双向Sepic变换器；
图17是双向变换器的第四典型实施例，使用双有源全桥变换器。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。其中，相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似的元件；针对电路中诸如连接电阻改变电流/电压适配等惯常操作，本领域的技术人员很容易理解，具体实施例中不做描述。下面通过参考附图描述的实施例是示意性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
图1示出了一种典型的动力电池等效模型，该模型即Thevenin模型，是一种一阶RC(电阻-电容)模型，通常用于对动力电池SOC(电荷状态，表征电池里剩余的电量，用剩余电量比上电池的容量表示)进行在线实时估计。其中，EOCV为动力电池开路电压；I为动力电池放电电流；Re为动力电池等效内阻(或简称为电池内阻)；Rs为等效的极化内阻；Cs为等效的极化电容，其与Rs并联以模拟动力电池的极化特性；V为动力电池端口电压。采用内阻测量方法可得到能够反映动力电池随温度变化典型的动力电池SOC和动力电池等效内阻Re之间的关系，这种关系可用曲线加以描述。如图2所示即为典型的动力电池随温度变化的SOC曲线，其中，电池内阻随温度降低而明显增大，这使得动力电池的性能被极大地削弱了，因此需要对动力电池进行加热处理。
图3为增加双向变换器补偿装置后的车载动力电池充放电***框图。其中，301为充电模块，其包括：单相/三相交流输入车载充电机或者直流充电机，车载充电机可以是隔离拓扑，也可以是非隔离拓扑；302为动力电池(图中标记为HV-Battery)；303为包含功率变换器的动力电池负载，其包括：DC/DC、驱动器、空调；304为双向变换器补偿装置，其可以是隔离拓扑，也可以是非隔离拓扑。该双向变换器补偿装置包括：储能元件、双向变换器、双向变换器控制电路。具体的，充电模块301连接动力电池302，充电模块301可为动力电池302充电；动力电池302连接包含功率变换器的动力电池负载303，动力电池302可为包含功率变换器的动力电池负载303供电。双向变换器补偿装置304直接与动力电池302相连。更为具体的，双向变换器补偿装置304的电路拓扑具有两种工作模式：充电模式和放电模式，充电模式是指能量由动力电池流向储能元件，放电模式是指能量由储能元件流向动力电池，可通过控制双向变换器补偿装置304开关管的开通和关断，实现上述两种工作模式。
图4为本发明提出的一种动力电池自加热方法在具体实现流程。应用于车载动力电池***中，汽车用户在点火或者插枪充电后，辅助电源开始工作，唤醒BMS(电池管理***)，BMS实时检测动力电池温度，若动力电池温度高于预设的最低工作温度，则允许汽车启动或者开启充电，若动力电池温度低于预设的最低工作温度，则需开启双向变换器，启动自加热，同时开启冷却***，通过冷却液传导的方式给动力电池加热，以加快动力电池的加热进程。自加热过程中，由于储能元件没电或者电压很低，需要先工作在充电模式。充电电流大小及频率可以通过双向变换器补偿装置来实现动态调节。同时，充电过程中会实时检测储能元件电压是否达到最高设定电压，若储能元件电压未达到最高设定电压，则继续充电进程，若储能元件电压已达到最高设定电压，则双向变换器补偿装置进入放电模式。进入放电模式后，放电过程中也会实时检测储能元件电压是否达到最低设定电压，若储能元件电压未达到最低设定电压，则继续放电进程，若储能元件电压已达到最低设定电压，则终止双向变换器放电模式。上述充放电过程不断循环的同时，也需要实时检测动力电池温度是否达到最高设定温度，若动力电池温度达到最高设定温度，则退出自加热对流过程，并允许车辆启动或者开始充电。若动力电池温度未达到最高设定温度，则继续对双向Buck-Boost进行充电，再次进入S43-S45循环工作模式。
较优的，为了避免自加热模式频繁启动和关闭，在电池温度设定的最低值及最高值之间留有一定的回差裕量。
第一实施例中，双向变换器补偿装置采用非隔离拓扑结构，其包括：储能元件、双向变换器、双向变换器控制电路，其中，双向变换器采用双向升降压型拓扑，储能元件采用电容。在充电模式下，双向变换器工作在Boost模态，此时动力电池能量传递给电容。在放电模式下，双向变换器工作在Buck模态，电容能量传递给动力电池，充放电电流的大小可以通过控制双向变换器中开关管的导通占空比来实现。如图5所示为双向升降压型拓扑采用双向Buck-Boost电路结构的第一典型用例，其中双向电路结构为双向Buck-Boost电路。在放电模式下，双向Buck-Boost电路工作在Buck模态，此时电容将能量传导给动力电池。在充电模式下，双向Buck-Boost电路工作在Boost模态，此时动力电池将能量传递给电容。充放电电流的大小可以通过控制双向变换器中开关管的导通占空比来实现。应用于车载动力电池***中，双向变换器补偿装置304包括：电容C、双向Buck-Boost电路、双向变换器控制电路。其中，交流输入电压Vin和交流输入电流Iin的采样信号接入双向变换器控制电路；负载电压VL和负载电流IL采样信号接入双向变换器控制电路；充电电流icharge和放电电流idischarge采样信号接入双向变换器控制电路；动力电池电压Vbat和动力电池温度Tsample采样值接入双向变换器控制电路；电感电流icom和电容电压Vc的采样信号接入双向变换器控制电路。双向变换器控制电路的PWM输出信号，控制开关管Q1和开关管Q2的开通和关断。具体实现过程如下：
汽车用户在点火或者插枪充电后，辅助电源开始工作，唤醒BMS，BMS实时检测动力电池温度，若动力电池温度高于预设的最低工作温度，则允许汽车启动或者开启充电，若动力电池温度低于预设的最低工作温度，则需开启双向Buck-Boost电路，启动自加热，将双向Buck-Boost电路的功率器件和磁性器件损耗产生的热量传导给动力电池，以加快动力电池的加热进程，同时可开启冷却***，通过冷却液对流给电池加热。自加热过程中，由于电容C没电或者电压很低，需要先工作在充电模式。
进入充电模式后，电池动力***可转化为如图6所示的动力电池自加热时的***框图，其中，能量由动力电池流向电容。充电电流大小，可以通过双向变换器控制电路控制开关管Q1和Q2的导通占空比来实现动态调节。
图7为动力电池自加热时的***控制框图。汽车能够启动的最低工作温度Tmin减去动力电池实际采样的温度Tsample，两者的差值经过温度补偿器Gt(s)的作用得到一计算值，该计算值乘以动力电池采样电压Vbat得到电池自加热时的电压环参考值Vref-heater。电压环参考值Vref-heater减去电容采样电压vc，两者的差值经过电压补偿器Gv(s)的作用得到电池自加热时的电流环参考值Iref-heater。电流环参考值Iref-heater减去电感电流采样值icom，经过电流补偿器Gi(s)的作用得到占空比计算值，该计算值作用于双向变换器控制电路的PWM发生器，从而产生控制双向Buck-Boost电路的开关管Q1和开关管Q2的驱动信号，其中开关管Q1和开关管Q2的驱动信号互补。与此同时，充电过程中会实时检测电容电压是否达到最高设定电压，若电容电压未达到最高设定电压，则继续充电进程，若电容电压已达到最高设定电压，则双向Buck-Boost电路进入放电模式。
进入放电模式后，放电过程中也会实时检测电容电压是否达到最低设定电压，若电容电压未达到最低设定电压，则继续放电进程，若电容电压已达到最低设定电压，则双向Buck-Boost电路进入充电模式。
上述充放电过程不断循环的同时，也需要实时检测动力电池温度是否达到最高设定温度，若动力电池温度达到最高设定温度，则退出自加热对流过程，并允许车辆启动或者开始充电。
本发明的实施例中，当车载动力电池***工作在单相交流输入时，交流输入电压vin、交流输入电流iin为：
Figure BDA0002574000820000101
Figure BDA0002574000820000102
式(1)和式(2)中，Vin为相电压，Iin为相电流，fline为频率，与其相对应的交流输入功Pin为：
pin(t)＝vin(t)*iin(t)＝2VinIin[1-cos(2π(2fline)t)] (3)
对于动力电池，车载充电***工作在充电状态时，充电电压为V0，充电电流icharge为：
Figure BDA0002574000820000103
式(4)中，Im为充电电流直流分量，irip为低频纹波分量(对应单相交流输入时，其频率为两倍电网电压的频率)。图8为单相交流输入时，车载充电机给动力电池充电时的主要工作波形，其中，图8(a)中vin、iin为交流输入电压、交流输入电流；
图8(b)中，Pin、Preq为交流输入功率、动力电池充电时的需求功率；图8(c)中，icharge为实时采样充电电流；图8(d)中，Im为充电电流直流分量；图8(e)中，irip为充电电流低频纹波分量。
本发明的实施例中，所述双向变换器补偿装置可在动力电池充电时起到抑制纹波的作用，如图9所示为动力电池充电时的***框图，此时动力电池处于充电状态，充电模块301为动力电池302充电，双向Buck-Boost电路、电容(包含在双向Buck-Boost电路的结构中)、动力电池构成回路。
图10为双向Buck-Boost电路电流环控制框图，其中，实时采样充电电流icharge，双向Buck-Boost电路的电感采样电流icom，电容采样电压vc。所述双向变换器补偿装置抑制纹波的具体实现过程如下：
将充电电流中的低频纹波分量irip取负作为补偿电流的指令值、电流闭环反馈值为双向Buck-Boost电路的输出电流icom、Gi(s)为电流补偿器、指令值与反馈值的偏差经过Gi(s)电流环路后产生PWM控制信号以控制开关管Q1和Q2，其中，Q1和Q2需互补导通，并留有一定的死区时间。
较优的，所述双向变换器补偿装置的储能元件为电容，为保持电容电压稳定和电池功率稳定，引入功率和电容电压闭环调节控制。如图11所示为引入功率和电容电压闭环调节后的电路控制框图。具体实现过程如下：
Vbat为动力电池采样电压，Im为充电电流直流分量，Preq为动力电池充电时的需求功率，这三者之间的关系为：
Preq＝Vbat*Im (5)
vin为交流输入电压，iin为交流输入电流，Pin为交流输入功率，这三者之间的关系为：
pin＝vin*iin (6)
式(5)中的Preq与式(6)中的Pin的差值，经过功率环路调节器Gp(s)的作用，得到充电时电容电压的指令值Vref-charge，vc为电容电压实时检测反馈值，Gv(s)为电压环路调节器，指令值与反馈值的偏差经过Gv(s)电压环路调节器后产生iv，叠加到-irip，整体作为补偿电流指令值。
本发明的实施例中，所提出的双向变换器补偿装置可在动力电池放电时起到抑制纹波的作用。如图12所示为动力电池放电时的主要工作波形图，其中，图12(a)中，Vbat、idischarge为电池电压、电池放电电流；图12(b)中，Pdischarge、PL为动力电池放电功率、负载需求功率；图12(c)中，idischarge为放电电流；图12(d)中，Im-dis为放电电流直流分量；图12(e)中，irip-dis为放电低频纹波分量。
图13为动力电池放电时的***框图，其中双向变换器为双向Buck-Boost电路。即此时动力电池处于放电状态，动力电池302可为包含功率变换器的动力电池负载303和双向补偿装置301放电，双向Buck-Boost电路、电容(包含在双向Buck-Boost电路的结构中)、动力电池构成回路。放电状态下，放电电流idischarge中会含有低频纹波分量，即
idischarge＝Im-dis+irip-dis (7)
式(7)中，Im-dis为放电电流直流分量。irip-dis为放电纹波电流分量，将irip-dis作为补偿电流的指令值。如图14所示为动力电池放电时的纹波补偿控制框图，VL、IL为负载电压和负载电流，PL为动力电池放电时，负载的需求功率：
PL＝VL*IL (8)
Vbat为动力电池电压，idischarge为动力电池放电电流，Pdischarge为动力电池放电时的功率：
pdischarge＝Vbat*idischarge (9)
式(8)中的PL与式(9)中的Pdischarge的差值，经过功率环路调节器Gp(s)的作用，得到放电时电容电压的指令值Vref-discharge，vc为电容电压实时检测反馈值，Gv(s)为电压环路调节器，指令值与反馈值的偏差经过Gv(s)电压环路调节器后产生iv，叠加到irip-dis，整体作为补偿电流指令值。电流闭环反馈值为双向Buck-Boost电路的输出电流icom，Gi(s)为电流环路中的电流补偿器，指令值与反馈值的偏差经过Gi(s)调节器后得到占空比信号，占空比信号作用于PWM发生器，产生开关管Q1和Q2的驱动信号，Q1和Q2驱动信号互补。
在第二实施例中，双向变换器可以是如图15所示的双向Cuk变换器。
在第三实施例中，双向变换器可以是如图16所示的双向Sepic变换器。
在第四实施例中，双向变换器可以是如图17所示的双有源全桥变换器。
综上所述，在本发明的技术方案中，所述双向变换器控制电路用于控制所述双向变换器在充电模式和放电模式之间进行切换。在充电模式下，能量由所述动力电池流向所述储能元件；在放电模式下，能量由所述储能元件流向动力电池，可实现动力电池在低温下的自加热功能，降低整车***体积和成本；可在整车充放电时，控制所述储能元件和所述动力电池之间的电流，来抑制所述动力电池的充放电纹波电流，提高电池使用寿命。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限制，术语“连接”、“接入”、“包括”等应当做为广义的理解，对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解所述术语的具体含义。如在此处使用的，该单数的形式“一”、“一个”意欲同样包括复数形式，除非上下文清楚地表示之外。
在本说明书中，对所述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。并且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求及其等同予以限定。

Claims (10)

1.一种动力电池低温自加热装置，其特征在于，包括：动力电池及双向变换器补偿装置，所述双向变换器补偿装置包括储能元件、双向变换器和双向变换器控制电路，所述双向变换器设置于所述储能元件和所述动力电池之间，所述双向变换器控制电路用于控制所述双向变换器在充电模式和放电模式之间进行切换，在充电模式下，动力电池的能量通过所述双向变换器给储能元件进行充电；在放电模式下，能量由储能元件通过所述双向变换器流向动力电池。
2.根据权利要求1所述的动力电池低温自加热装置，其特征在于，所述双向变换器为升压型或降压型的双向Buck-Boost电路。
3.根据权利要求2所述的动力电池低温自加热装置，其特征在于，在充电模式下，所述双向Buck-Boost电路工作在Boost模态下，所述动力电池将能量传递给所述储能元件；在放电模式下，所述双向Buck-Boost电路工作在Buck模态下，所述储能元件将能量传递给所述动力电池。
4.根据权利要求1所述的动力电池低温自加热装置，其特征在于，所述双向变换器采用双向Cuk变换器、双向Sepic变换器或者双有源全桥变换器。
5.一种动力电池低温自加热方法，其特征在于，包括：在低温下，通过控制双向变换器的工作模式，在储能元件与动力电池之间形成充放电路路径，利用电池自身内阻发热对动力电池进行自加热。
6.根据权利要求5所述的动力电池低温自加热方法，其特征在于，包括以下步骤：
S41、BMS检测动力电池温度；
S42、若动力电池温度低于预设最低工作温度，则开启双向变换器，启动自加热；
S43、双向变换器工作在充电模式，若储能元件电压未达到最高设定电压，则继续充电进程；否则，双向充电器进入放电模式；
S44、双向变换器工作在放电模式，若储能元件电压未达到最低设定电压，则继续放电进程；否则，转步骤S45；
S45、若动力电池温度未达到最高设定温度，则转步骤S43、S44进行循环；否则，退出自加热。
7.根据权利要求6所述的动力电池低温自加热方法，其特征在于，还包括：启动自加热时，通过冷却液传导的方式将所述双向变换器产生的热量传导给动力电池进行加热。
8.一种如权利要求1所述的动力电池低温自加热装置的纹波抑制方法，其特征在于，包括：当车载充电机对所述动力电池进行充电或者所述动力电池对负载放电时，所述双向变换器控制电路根据所述动力电池充放电电流中的低频纹波分量来控制所述双向变换器，从而控制所述储能元件和所述动力电池之间的充放电电流，以对所述动力电池的充放电纹波进行抑制。
9.根据权利要求8所述的动力电池低温自加热装置的纹波抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101、在所述动力电池、所述储能元件、所述双向变换器控制电路及所述双向变换器形成的电流控制环路中，将所述动力电池充放电电流中的低频纹波分量取负用以作为补偿电流的指令值、将所述双向变换器的输出电流作为电流闭环反馈值；
S102、将所述补偿电流的指令值与所述电流闭环反馈值的偏差经过电流补偿运算后产生控制所述双向变换器的控制信号；
S103、利用所述控制信号控制所述双向变换器，从而控制所述双向变换器的输出电流，所述双向变换器的输出电流即所述储能元件和所述动力电池之间的充放电电流。
10.根据权利要求9所述的动力电池低温自加热装置的纹波抑制方法，其特征在于，在所述控制环路中，还引入功率和储能元件电压闭环调节回路，用以保持电池功率和储能元件电压稳定。
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