CN112977171B - 一种电动汽车及动力电池脉冲加热*** - Google Patents

一种电动汽车及动力电池脉冲加热*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车及动力电池脉冲加热***，包括电池管理***、整车控制器、电机控制器、三相电机、可控开关K1、电感L4、二极管D1和场效应管S7，电机控制器包括控制模块、三相桥臂和母线电容C，三相电机的三相定子绕组的中性点通过可控开关K1连接电感L4的一端，电感L4的另一端连接二极管D1的阳极和场效应管S7的漏极，二极管D1的阴极连接三相桥臂的上端，场效应管S7的源极连接三相桥臂的下端，可控开关K1的控制端与整车控制器连接，场效应管S7的基极与控制模块连接；整车控制器控制可控开关K1以及请求控制模块控制六个功率开关和场效应管S7，以对动力电池进行脉冲加热。本发明能扩大脉冲电流可调范围，提升动力电池脉冲加热速率。

Description

一种电动汽车及动力电池脉冲加热***
技术领域
本发明属于动力电池加热技术领域，具体涉及一种电动汽车及动力电池脉冲加热***。
背景技术
对于电动汽车而言，动力电池与电机***是车辆驱动回路的两个重要部件。其中，动力电池作为车辆动力的来源，其充放电的性能将直接影响电动汽车的性能表现。锂离子电池具有能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，现广泛应用于电动汽车的动力电池***。然而，在低温环境下，锂离子电池的持续输出电流能力将大大降低，为了提升动力电池低温下的持续输出能力，对动力电池进行加热，提升锂离子电池的温度是一种有效的方法。在低温下，通过高频脉冲的电流可以使电池的内阻进行发热，从而起到对锂离子电池快速加热的效果。
CN110962631A公开了一种电池加热***及其控制方法，其电池管理模块确定电池组的状态参数满足预设加热条件，向电机控制器发送控制信号，控制电机控制器向目标上桥臂开关模块和目标下桥臂开关模块输出驱动信号，以控制目标上桥臂开关模块和目标下桥臂开关模块周期性地导通和断开，使得电池组、主正开关、目标上桥臂开关模块、电机、目标下桥臂开关模块、主负开关所形成的回路中产生了交流电流，交流电流流过电池组的内阻产生热量，从而起到对电池组快速加热的效果。但是其不能根据动力电池的温度情况选择加热（档位）功率，脉冲电流可调范围有限，动力电池加热速率有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动汽车及动力电池脉冲加热***，以扩大脉冲电流可调范围，提升动力电池脉冲加热速率。
本发明所述的动力电池脉冲加热***，包括电池管理***、整车控制器、电机控制器和三相电机，电机控制器包括控制模块、三相桥臂和母线电容C，电池管理***与动力电池、整车控制器连接，整车控制器与控制模块连接，母线电容C与三相桥臂并联，三相桥臂的上端能连接动力电池的正极，三相桥臂的下端能连接动力电池的负极，三相桥臂的中点分别连接三相电机的三相定子绕组，三相桥臂的六个功率开关的控制端连接控制模块；所述动力电池脉冲加热***还包括可控开关K1、电感L4、二极管D1和场效应管S7，三相电机的三相定子绕组的中性点引线连接可控开关K1的第一端，可控开关K1的第二端连接电感L4的一端，电感L4的另一端连接二极管D1的阳极和场效应管S7的漏极，二极管D1的阴极连接三相桥臂的上端，场效应管S7的源极连接三相桥臂的下端，可控开关K1的控制端与整车控制器连接，场效应管S7的基极与控制模块连接；在满足脉冲加热条件时，整车控制器控制可控开关K1以及请求控制模块控制所述六个功率开关和场效应管S7，以对动力电池进行脉冲加热。
优选的，在满足脉冲加热条件，且动力电池的温度T大于或等于预设的温度阈值Tthr，且小于预设的加热启动温度T1时，整车控制器控制可控开关K1断开，并请求控制模块控制所述六个功率开关的通断，使动力电池对所述三相定子绕组的储能过程以及所述三相定子绕组对动力电池的充电过程交替进行，以对动力电池进行脉冲加热。
在满足脉冲加热条件，且动力电池的温度T小于预设的温度阈值Tthr时，整车控制器控制可控开关K1闭合，并请求控制模块控制所述六个功率开关的通断和所述场效应管S7的通断，使动力电池对所述三相定子绕组、电感L4的储能过程以及所述三相定子绕组、电感L4对动力电池的充电过程交替进行，以对动力电池进行脉冲加热。
优选的，在动力电池对所述三相定子绕组、电感L4的储能过程中，控制模块控制所述场效应管S7导通；在所述三相定子绕组、电感L4对动力电池的充电过程中，控制模块控制所述场效应管S7断开。
优选的，在满足脉冲加热条件，且动力电池的温度T大于或等于预设的温度阈值Tthr，且小于预设的加热启动温度T1时，所述整车控制器请求控制模块控制所述六个功率开关的通断的具体方式为：整车控制器请求控制模块控制六个功率开关中的目标上桥臂开关模块和目标下桥臂开关模块周期性地导通和断开，控制剩余的功率开关保持断开；其中，所述目标上桥臂开关模块为三相桥臂中的任意两相桥臂的上桥臂功率开关，所述目标下桥臂开关模块为除所述目标上桥臂开关模块所在的桥臂外的剩余一相桥臂的下桥臂功率开关。
优选的，在满足脉冲加热条件，且动力电池的温度T小于预设的温度阈值Tthr时，所述整车控制器请求控制模块控制所述六个功率开关的通断的具体方式有两种：
第一种方式：整车控制器请求控制模块控制六个功率开关中的目标上桥臂开关模块和目标下桥臂开关模块周期性地导通和断开，控制剩余的功率开关保持断开；其中，所述目标上桥臂开关模块为三相桥臂中的任意两相桥臂的上桥臂功率开关，所述目标下桥臂开关模块为除所述目标上桥臂开关模块所在的桥臂外的剩余一相桥臂的下桥臂功率开关。
第二种方式：整车控制器请求控制模块控制六个功率开关中的三个上桥臂功率开关周期性地导通和断开，控制剩余的三个下桥臂功率开关保持断开。
本发明所述的电动汽车，包括上述动力电池脉冲加热***。
本发明具有如下效果：
（1）配置可控开关K1、二极管D1和场效应管S7将电感L4接入脉冲加热回路，能为***提供更广的脉冲电流可调范围，提升了动力电池脉冲加热速率；当三相定子绕组可以满足脉冲加热需求时，通过断开可控开关K1来使电感L4不接入脉冲加热回路，可以降低***脉冲加热过程中的损耗。
（2）提供了两种脉冲加热回路（即电感L4接入或者不接入的脉冲加热回路），可以根据实际脉冲加热需求选择更加适合的脉冲加热回路。当动力电池的温度T大于或等于预设的温度阈值Tthr，且小于预设的加热启动温度T1时，电感L4不接入脉冲加热回路；当动力电池的温度T小于预设的温度阈值Tthr时，电感L4接入脉冲加热回路，从而保证了动力电池在不同温度下的脉冲加热时间都能够小于目标值，从而提升了用户体验。
附图说明
图1为本实施例中的动力电池脉冲加热***架构图。
图2为本实施例中的动力电池脉冲加热***的部分电路示意图。
图3为本实施例中的动力电池脉冲加热***在某个时间的储能过程的电流流向图。
图4为本实施例中的动力电池脉冲加热***在某个时间的充电过程的电流流向图。
图5为本实施例中的动力电池脉冲加热***在另一个时间的储能过程的电流流向图。
图6为本实施例中的动力电池脉冲加热***在另一个时间的充电过程的电流流向图。
图7为本实施例中的动力电池脉冲加热控制流程图。
具体实施方式
如图1、图2所示的动力电池脉冲加热***，电池管理***2、整车控制器3、电机控制器4、三相电机5、可控开关K1、电感L4、二极管D1和场效应管S7，电机控制器4包括控制模块（图中未示出）、三相桥臂和母线电容C。三相桥臂由U相桥臂、V相桥臂和W相桥臂并联构成，母线电容C与U相桥臂、V相桥臂、W相桥臂并联。U相桥臂由上桥臂功率开关S1和下桥臂功率开关S4连接构成，V相桥臂由上桥臂功率开关S2和下桥臂功率开关S5连接构成，W相桥臂由上桥臂功率开关S3和下桥臂功率开关S6连接构成。本实施中上桥臂功率开关S1、上桥臂功率开关S2、上桥臂功率开关S3、下桥臂功率开关S4、下桥臂功率开关S5和下桥臂功率开关S6都为IGBT模块，上桥臂功率开关S1、上桥臂功率开关S2、上桥臂功率开关S3、下桥臂功率开关S4、下桥臂功率开关S5和下桥臂功率开关S6都具有续流二极管。上桥臂功率开关S1的上端、上桥臂功率开关S2的上端、上桥臂功率开关S3的上端连接动力电池1的正极，下桥臂功率开关S4的下端、下桥臂功率开关S5的下端、下桥臂功率开关S6的下端连接动力电池1的负极。上桥臂功率开关S1的控制端、上桥臂功率开关S2的控制端、上桥臂功率开关S3的控制端、下桥臂功率开关S4的控制端、下桥臂功率开关S5的控制端和下桥臂功率开关S6的控制端分别与控制模块连接。U相桥臂的中点（即上桥臂功率开关S1与下桥臂功率开关S4的连接点）引线连接三相电机5的U相定子绕组L1，V相桥臂的中点（即上桥臂功率开关S2与下桥臂功率开关S5的连接点）引线连接三相电机5的V相定子绕组L2，W相桥臂的中点（即上桥臂功率开关S3与下桥臂功率开关S6的连接点）引线连接三相电机5的W相定子绕组L3。三相电机5的U、V、W相定子绕组的中性点引线连接可控开关K1的第一端，可控开关K1的第二端连接电感L4的一端，电感L4的另一端连接二极管D1的阳极和场效应管S7的漏极，二极管D1的阴极连接上桥臂功率开关S1的上端、上桥臂功率开关S2的上端和上桥臂功率开关S3的上端，场效应管S7的源极连接下桥臂功率开关S4的下端、下桥臂功率开关S5的下端和下桥臂功率开关S6的下端，可控开关K1的控制端与整车控制器3连接，场效应管S7的基极与控制模块连接。
电池管理***2与动力电池1连接，电池管理***2实时监测动力电池1的温度T和SOC值TBD，控制***3与电池管理***2连接，从电池管理***2处获取脉冲加热开启请求和动力电池1的温度T，控制***3与控制模块连接，请求控制模块控制六个功率开关（即上桥臂功率开关S1、上桥臂功率开关S2、上桥臂功率开关S3、下桥臂功率开关S4、下桥臂功率开关S5和下桥臂功率开关S6）导通/断开，请求控制模块控制场效应管S7导通/断开。在满足脉冲加热条件时，整车控制器3控制可控开关K1以及请求控制模块控制六个功率开关和场效应管S7，以对动力电池1进行脉冲加热。
电池管理***2在判断出动力电池的温度T小于预设的加热启动温度T1，且动力电池的SOC值TBD大于预设的加热启动SOC值TBD1时，会向整车控制器3发送脉冲加热开启请求和动力电池1的温度T，整车控制器3获取到脉冲加热开启请求后，再请求电池管理***2控制动力电池1内的相关继电器闭合，并在判断出车辆可以进行脉冲加热时，判定满足脉冲加热条件。
电池管理***2在判断出动力电池的温度T大于或等于预设的加热停止温度T2，或者动力电池的SOC值TBD小于或等于预设的加热停止SOC值TBD2时，会向整车控制器3发送脉冲加热关闭请求，整车控制器3获取到脉冲加热关闭请求或者判断出车辆不可以进行脉冲加热时，判定满足脉冲加热停止条件。
如图7所示，采用上述动力电池脉冲加热***进行动力电池脉冲加热控制的方法，由整车控制器3执行，该方法包括：
步骤一、判断是否满足脉冲加热条件，如果是，则执行步骤二，否则继续执行步骤一。
步骤二、判断是否动力电池的温度T大于或等于预设的温度阈值Tthr，且小于预设的加热启动温度T1，如果是，则执行步骤三，否则（即动力电池的温度T小于预设的温度阈值Tthr时）执行步骤四。
步骤三、控制可控开关K1断开，并请求控制模块控制六个功率开关（即上桥臂功率开关S1、上桥臂功率开关S2、上桥臂功率开关S3、下桥臂功率开关S4、下桥臂功率开关S5和下桥臂功率开关S6）的通断，使动力电池1对U相定子绕组L1、V相定子绕组L2、W相定子绕组L3的储能过程以及U相定子绕组L1、V相定子绕组L2、W相定子绕组L3对动力电池1的充电过程交替进行，以对动力电池1进行脉冲加热，然后执行步骤五。比如，请求控制模块控制六个功率开关中的目标上桥臂开关模块和目标下桥臂开关模块周期性地导通和断开，控制剩余的功率开关保持断开；其中，目标上桥臂开关模块为三相桥臂中的任意两相桥臂的上桥臂功率开关，目标下桥臂开关模块为除目标上桥臂开关模块所在的桥臂外的剩余一相桥臂的下桥臂功率开关。
步骤四、控制可控开关K1闭合，并请求控制模块控制六个功率开关的通断和场效应管S7的通断，使动力电池1对U相定子绕组L1、V相定子绕组L2、W相定子绕组L3、电感L4的储能过程以及U相定子绕组L1、V相定子绕组L2、W相定子绕组L3、电感L4对动力电池1的充电过程交替进行，以对动力电池1进行脉冲加热，然后执行步骤五。比如，请求控制模块控制上桥臂功率开关S1、上桥臂功率开关S2和上桥臂功率开关S3周期性地导通和断开，控制下桥臂功率开关S4、下桥臂功率开关S5和下桥臂功率开关S6保持断开。在动力电池1对U相定子绕组L1、V相定子绕组L2、W相定子绕组L3、电感L4的储能过程中，控制模块控制场效应管S7导通；在U相定子绕组L1、V相定子绕组L2、W相定子绕组L3、电感L4对动力电池1的充电过程中，控制模块控制场效应管S7断开。
步骤五、判断是否满足脉冲加热停止条件，如果是，则执行步骤六，否则继续执行步骤五。
步骤六、控制可控开关K1断开，然后结束。
如图3所示的某个时间（即上桥臂功率开关S1、上桥臂功率开关S2、下桥臂功率开关S6导通，上桥臂功率开关S3、下桥臂功率开关S4、下桥臂功率开关S5、可控开关K1断开时）的储能过程的电流流向为：电流由动力电池1的正极流出，经上桥臂功率开关S1、上桥臂功率开关S2后，流入U相定子绕组L1和V相定子绕组L2，汇合后再流入W相定子绕组L3，而后经下桥臂功率开关S6流出电机控制器，最终流入动力电池1的负极，该过程为动力电池1对U相定子绕组L1、V相定子绕组L2、W相定子绕组L3进行储能的过程。
U相定子绕组L1、V相定子绕组L2、W相定子绕组L3中储存的能量可以通过续流回路给动力电池1进行充电。
如图4所示的某个时间（即上桥臂功率开关S1、上桥臂功率开关S2、上桥臂功率开关S3、下桥臂功率开关S4、下桥臂功率开关S5、下桥臂功率开关S6和可控开关K1均断开时）的充电过程的电流流向示意图为：电流由W相定子绕组L3流出后通过上桥臂功率开关S3的续流二极管流出电机控制器，再流入动力电池1的正极，由动力电池1的负极流出后经下桥臂功率开关S4的续流二极管、下桥臂功率开关S5的续流二极管分别流入U相定子绕组L1、V相定子绕组L2，汇合后再流入W相定子绕组L3，由此形成续流回路。
如图5所示的某个时间（即可控开关K1闭合，上桥臂功率开关S1、上桥臂功率开关S2、上桥臂功率开关S3和场效应管S7导通，下桥臂功率开关S4、下桥臂功率开关S5、下桥臂功率开关S6断开时）的储能过程的电流流向为：电流由动力电池1的正极流出，经上桥臂功率开关S1、上桥臂功率开关S2、上桥臂功率开关S3后，流入U相定子绕组L1、V相定子绕组L2、W相定子绕组L3，再从中性点流出，依次经过可控开关K1、电感L4、场效应管S7，而后最终流入动力电池1的负极，该过程为动力电池1对U相定子绕组L1、V相定子绕组L2、W相定子绕组L3、电感L4进行储能的过程。
U相定子绕组L1、V相定子绕组L2、W相定子绕组L3和电感L4中储存的能量可以通过续流回路给动力电池1进行充电。
如图6所示的某个时间（即可控开关K1闭合，上桥臂功率开关S1、上桥臂功率开关S2、上桥臂功率开关S3、下桥臂功率开关S4、下桥臂功率开关S5、下桥臂功率开关S6和场效应管S7均断开时）的充电过程的电流流向示意图为：电流由U相定子绕组L1、V相定子绕组L2、W相定子绕组L3流出后，依次经过可控开关K1、电感L4、二极管D1流入动力电池1的正极，由动力电池1的负极流出后经下桥臂功率开关S4的续流二极管、下桥臂功率开关S5的续流二极管、下桥臂功率开关S6的续流二极管分别流入U相定子绕组L1、V相定子绕组L2、W相定子绕组L3，由此形成续流回路。
本实施例还提供一种电动汽车，包括上述动力电池脉冲加热***。

Claims (5)

1.一种动力电池脉冲加热***，包括电池管理***（2）、整车控制器（3）、电机控制器（4）和三相电机（5），电机控制器（4）包括控制模块、三相桥臂和母线电容C，电池管理***（2）与动力电池（1）、整车控制器（3）连接，整车控制器（3）与控制模块连接，母线电容C与三相桥臂并联，三相桥臂的上端能连接动力电池的正极、下端能连接动力电池（1）的负极，三相桥臂的中点分别连接三相电机（5）的三相定子绕组，三相桥臂的六个功率开关的控制端连接控制模块；其特征在于：所述加热***还包括可控开关K1、电感L4、二极管D1和场效应管S7，三相电机（5）的三相定子绕组的中性点引线连接可控开关K1的第一端，可控开关K1的第二端连接电感L4的一端，电感L4的另一端连接二极管D1的阳极和场效应管S7的漏极，二极管D1的阴极连接三相桥臂的上端，场效应管S7的源极连接三相桥臂的下端，可控开关K1的控制端与整车控制器（3）连接，场效应管S7的基极与控制模块连接；在满足脉冲加热条件时，整车控制器（3）控制可控开关K1以及请求控制模块控制所述六个功率开关和场效应管S7，以对动力电池（1）进行脉冲加热，具体为：
在满足脉冲加热条件，且动力电池的温度T大于或等于预设的温度阈值Tthr，且小于预设的加热启动温度T1时，整车控制器（3）控制可控开关K1断开，并请求控制模块控制所述六个功率开关的通断，使动力电池（1）对所述三相定子绕组的储能过程以及所述三相定子绕组对动力电池（1）的充电过程交替进行，以对动力电池（1）进行脉冲加热；
在满足脉冲加热条件，且动力电池的温度T小于预设的温度阈值Tthr时，整车控制器（3）控制可控开关K1闭合，并请求控制模块控制所述六个功率开关的通断和所述场效应管S7的通断，使动力电池（1）对所述三相定子绕组、电感L4的储能过程以及所述三相定子绕组、电感L4对动力电池（1）的充电过程交替进行，以对动力电池（1）进行脉冲加热。
2.根据权利要求1所述的动力电池脉冲加热***，其特征在于：
在动力电池（1）对所述三相定子绕组、电感L4的储能过程中，控制模块控制所述场效应管S7导通；在所述三相定子绕组、电感L4对动力电池（1）的充电过程中，控制模块控制所述场效应管S7断开。
3.根据权利要求1或2所述的动力电池脉冲加热***，其特征在于：
在满足脉冲加热条件，且动力电池的温度T大于或等于预设的温度阈值Tthr，且小于预设的加热启动温度T1时，所述整车控制器（3）请求控制模块控制所述六个功率开关的通断的具体方式为：整车控制器（3）请求控制模块控制六个功率开关中的目标上桥臂开关模块和目标下桥臂开关模块周期性地导通和断开，控制剩余的功率开关保持断开；其中，所述目标上桥臂开关模块为三相桥臂中的任意两相桥臂的上桥臂功率开关，所述目标下桥臂开关模块为除所述目标上桥臂开关模块所在的桥臂外的剩余一相桥臂的下桥臂功率开关。
4.根据权利要求3所述的动力电池脉冲加热***，其特征在于：
在满足脉冲加热条件，且动力电池的温度T小于预设的温度阈值Tthr时，所述整车控制器（3）请求控制模块控制所述六个功率开关的通断的具体方式为：
整车控制器（3）请求控制模块控制六个功率开关中的目标上桥臂开关模块和目标下桥臂开关模块周期性地导通和断开，控制剩余的功率开关保持断开；其中，所述目标上桥臂开关模块为三相桥臂中的任意两相桥臂的上桥臂功率开关，所述目标下桥臂开关模块为除所述目标上桥臂开关模块所在的桥臂外的剩余一相桥臂的下桥臂功率开关；
或者整车控制器（3）请求控制模块控制六个功率开关中的三个上桥臂功率开关周期性地导通和断开，控制剩余的三个下桥臂功率开关保持断开。
5.一种电动汽车，其特征在于：包括如权利要求1至4任一项所述的动力电池脉冲加热***。
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