CN115882118A - 一种适用于极寒环境快速冷起动的电池加热*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于极寒环境快速冷起动的电池加热***，通过灵活可变的结构有效地适用于车载电源、移动电源、固定电源场景，尤其是作为车载电源使用时，创新性地借助车上起动发电机的线圈绕组和驱动元件作为本***的组成部分，而不需要添加额外的元器件，从而使***的体积与成本均大大降低。在不同使用场景执行冷起动时，本***均能保证电池温度首先达到适宜的温度的基础上，再执行后续充电等操作，有效解决了极寒环境、野外作业等特殊条件下车辆快速起动的问题，且能避免低温亏电状态下的电池损伤。

Description

一种适用于极寒环境快速冷起动的电池加热***

技术领域

本发明属于电池热管理技术领域，具体涉及一种适用于极寒环境快速冷起动的电池加热***。

背景技术

电池在低温环境下使用时其电化学反应相对迟缓，常出现充放电电流变小等现象，严重限制了电池可放电容量以及充电性能，在极寒环境下对电池充电还会造成内部析锂，影响电池使用寿命并降低安全性，因此针对严寒环境下保证亏电电池的使用安全具有十分重要的意义。目前，用于对处在低温条件下的电池进行加热的现有技术中，主要采用PTC电阻等外部加热的方式，但这种方式存在电池受热不均、加热效率低、电池温度上升缓慢等诸多缺点，尤其在车辆上使用时，额外的电池加热装置不仅会增加整个电池组的占用空间，还会增加高压电气***的安全隐患。此外，对于野外作业场合中的车辆车载/非车载电池，以及室内/室外移动充电等多场景使用需求来说，进行低温加热还存在诸多限制，加热与充电装置存在着不适配、体积大、通用性差等缺点，因此，如何解决极寒环境多使用场景下车辆快速冷起动、亏电电池快速充电是本领域待解决的重要问题。

发明内容

有鉴于此，针对本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种适用于极寒环境快速冷起动的电池加热***，能够在作为车载单元、作为移动电源以及作为固定电源三种使用场景中切换，该***具体包括以下功能模块：

内部电池1、内部电池2、快速冷起动单元、直流母线、外部电池以及AC/DC模块；

其中，所述内部电池1与内部电池2为电气参数完全一致的两组电池；

所述快速冷起动单元由3组桥臂、控制单元、支撑电容、3个电感和3个电流传感器组成；所述3组桥臂由6个功率开关管组成，每两个功率开关管构成一个桥臂，每个桥臂的中性点作为交流侧分别与一个电感的一端以及一个电流传感器连接；每个桥臂的两端分别为与直流母线两侧连接；

所述电感的另一端在作为车载电源使用时均与内部电池1和2的中点连接；

在作为移动电源或固定电源使用时，所述外部电池和支撑电容接入该***，外部电池的一端与其中一个电感的另一端连接，外部电池的另一端与直流母线一侧连接，直流母线的另一侧悬空；所述支撑电容两端分别与直流母线两侧连接；

在作为移动电源使用时，其余两个电感的另一端分别与内部电池1与内部电池2的两端连接，内部电池1和2的负极连接直流母线的负极侧；在作为固定电源使用时其余两个电感则不接入***，所述AC/DC模块取代所述内部电池1和2与直流母线的两侧建立连接，用于将***外部输入的工频交流电转换为直流实现供电；

所述控制单元用于获取三个电流传感器采集的电流、内部电池与外部电池温度及荷电状态，针对***作为车载电源、作为移动电源以及作为固定电源三种的使用场景，分别执行相应处理并输出各功率开关管的通断控制信号。

进一步地，***作为车载电源时，可以使用车上起动发电机的线圈绕组及驱动模块中的开关元件作为所述电感与桥臂；在极寒环境冷起动时，所述控制单元向各功率开关管分别提供相配合的通断控制信号，切换***回路中的电流方向，使内部电池1和2与各电感相互授受电力，实现交流内部加热循环；当内部电池1和2达到预定温度满足起动条件后，所述电感的另一端与内部电池1和2的中点断开连接，起动发电机开始发电。

进一步地，***作为移动电源时，车辆的起动电池作为所述外部电池接入所述***；在极寒环境冷起动时，所述控制单元向各功率开关管分别提供相配合的通断控制信号，切换***回路中的电流方向，首先使内部电池1和2与各电感及所述支撑电容相互授受电力，通过交流内部加热循环使内部电池1和2达到预定温度；再用通断控制信号切换***回路中的电流方向，使内部电池1和2、各电感、支撑电容以及所述外部电池相互授受电力，执行交流外部加热循环使外部电池升温；当外部电池达到预定温度后，控制单元提供通断控制信号使内部电池1和2、相应桥臂及电感构成升压电路，对外部电池进行恒压或恒流的直流充电。

进一步地，***作为固定电源时，车辆的起动电池作为所述外部电池接入所述***；在极寒环境冷起动时，所述控制单元首先选择一个桥臂并提供相通断控制信号，使外部电池及其连接的电感相互授受电力执行交流外部加热循环；当外部电池达到预定温度后，再利用外部输入的工频交流电对外部电池进行充电。

上述本发明所提供的适用于极寒环境快速冷起动的电池加热***，通过灵活可变的结构有效地适用于车载电源、移动电源、固定电源场景，尤其是作为车载电源使用时，创新性地借助车上起动发电机的线圈绕组和驱动元件作为本***的组成部分，而不需要添加额外的元器件，从而使***的体积与成本均大大降低。在不同使用场景执行冷起动时，本***均能保证电池温度首先达到适宜的温度的基础上，再执行后续充电等操作，有效解决了极寒环境、野外作业等特殊条件下车辆快速起动的问题，且能避免低温亏电状态下的电池损伤。

附图说明

图1为本发明的所提供***的结构示意图；

图2为本发明的快速冷起动***的电路原理图；

图3为本发明的车载电源模式自加热完整循环示意图；

图4为本发明的车载电源模式控制时序与仿真结果图；

图5为本发明的移动电源模式自加热完整循环示意图；

图6为本发明的移动电源模式控制时序与仿真结果图；

图7为本发明的移动电源模式外部电池加热完整循环示意图；

图8为本发明的移动电源模式外部电池加热控制时序与仿真结果图；

图9为本发明的固定电源模式外部电池加热完整循环示意图；

图10为本发明的固定电源模式外部电池加热控制时序与仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

本发明所提供的一种适用于极寒环境快速冷起动的电池加热***其能够在作为车载电源、作为移动电源以及作为固定电源三种使用场景中灵活地切换。该***的工作原理及电路组成如图1、2所示，具体包括以下功能模块：

内部电池1、内部电池2、快速冷起动单元、直流母线、外部电池以及AC/DC模块；

其中，所述内部电池1、内部电池2为电气参数完全一致的两组电池；

所述快速冷起动单元由3组桥臂、控制单元、支撑电容C1、3个电感L1、L2、L3和3个电流传感器S1、S2、S3组成；所述3组桥臂由6个功率开关管Q1～Q6组成，每两个功率开关管构成一个桥臂，每个桥臂的中性点P11、P21、P31作为交流侧分别与一个电感的一端以及一个电流传感器连接；每个桥臂的两端分别与直流母线两侧连接；

所述电感的另一端P12、P22、P32在作为车载电源使用时均与内部电池1和2的中点连接；

在作为移动电源或固定电源使用时，所述外部电池和支撑电容接入该***，外部电池的一端与其中一个电感的另一端连接，外部电池的另一端与直流母线一侧连接，直流母线的另一侧悬空；所述支撑电容两端分别与直流母线正负极P41、P42两侧连接；

在作为移动电源使用时，其余两个电感的另一端分别与内部电池1与内部电池2的两端连接，内部电池1和2的连接直流母线的；在作为固定电源使用时其余两个电感则不接入***，所述AC/DC模块取代所述内部电池1和2与直流母线的两侧建立连接，用于将***外部输入的工频交流电转换为直流实现供电；

所述控制单元用于获取三个电流传感器采集的电流、内部电池与外部电池温度及荷电状态，针对***作为车载电源、作为移动电源以及作为固定电源三种的使用场景，分别执行相应处理并输出各功率开关管的通断控制信号。

在本发明的一个优选实施方式中，***作为车载电源时，可以使用车上起动发电机的线圈绕组及驱动模块中的开关元件作为所述电感与桥臂；在极寒环境冷起动时，所述控制单元向各功率开关管分别提供相配合的通断控制信号，切换***回路中的电流方向，使内部电池1和2与各电感相互授受电力，实现交流内部加热循环。起动发电机线圈绕组中点与内部电池中点的通断可利用一开关SW1实现。

图3(a)、(b)、(c)、(d)示出了***作为车载电源使用时交流内部加热工作的过程，三组桥臂开关状态一致，上下开关管分别同时选通，第一组桥臂控制时序如图4(a)工作过程包括以下T1阶段、T2阶段、T3阶段和T4阶段四个阶段：

在T1阶段内，控制单元首先控制开关SW1闭合。控制单元控制功率开关管Q1、Q2、Q3正向导通，其他功率开关管处于正向截止，内部电池1给电感L1充电；

在T2阶段，当电感L1达到一定储能后，控制单元控制功率开关管Q4、Q5、Q6正向导通，其他功率开关管正向截止，此时功率开关管Q4、Q5、Q6在电感续流作用下处于反向导通，电感L1向内部电池2充电；

在T3阶段，当电感L1的储能耗尽后电流发生反向，控制单元控制功率开关管Q4、Q5、Q6正向导通，其他功率开关管处于正向截止，内部电池2给电感L1充电；

在T4阶段，当电感L1达到一定储能后，控制单元控制功率开关管Q1、Q2、Q3正向导通，其他功率开关管正向截止，此时功率开关管Q1、Q2、Q3在电感续流作用下处于反向导通，电感L1向内部电池1充电，由此完成一个交流内部加热循环。

在上述加热循环过程中，三组桥臂上、下功率开关管交替工作，实现在上述内部电池1与内部电池2之间授受电力。交流内部加热仿真结果如图4(b)，内部电池1的交流阻抗实部和内部电池2的交流阻抗实部产生热量并在电池内部迅速传播，使电池温度升高，从而实现电池在交流电作用下产生热量，从内部进行加热。

在本发明的一个优选实施方式中，***作为移动电源时，车辆的起动电池作为所述外部电池接入所述***；在极寒环境冷起动时，所述控制单元向各功率开关管分别提供相配合的通断控制信号，切换***回路中的电流方向，首先使内部电池1和2与各电感及所述支撑电容相互授受电力，通过交流内部加热循环使内部电池1和2达到预定温度；再通断控制信号切换***回路中的电流方向，使内部电池1和2、各电感、支撑电容以及所述外部电池相互授受电力，执行交流外部加热循环使外部电池升温；当外部电池达到预定温度后，控制单元提供通断控制信号使内部电池1和2、相应桥臂及电感构成升压电路，对外部电池进行恒压或恒流的直流充电。

在此模式下，可选择内部电池1和2正极分别与电感L1、L2的一端P12、P22相连，内部电池1和2的负极连接至直流母线负极侧P42，外部电池正极与电感L3一端P32相连，外部电池负极连接至直流母线负极侧P42，直流母线正极侧P41悬空。图5(a)、(b)、(c)、(d)示出了以这种连接方式实现内部电池自加热工作过程，内部电池与外部电池可以连接至任意不同桥臂中点，本实施例以图中内部电池1/2与第一、二桥臂中点连接为例，并以电感L1正向储能、电感L2反向储能选择一小时间段阐释工作过程，此时内部电池1放电，内部电池2充电，第一、二组桥臂控制时序如图6(a)，包括以下T1阶段、T2阶段、T3阶段和T4阶段四个阶段：

在T1阶段内，电感L1与电感L2由于前段电流作用达到一定储能，且电感L1电流为正向，电感L2电流为反向，控制单元控制功率开关管Q4正向导通以及功率开关管Q5正向导通，其他功率开关管处于正向截止，此时内部电池1给电感L1正向充电，功率开关管Q5在电感L2续流作用下处于反向导通，电感L2给内部电池2充电；

在T2阶段，电感L1与电感L2仍有一定储能，控制单元控制功率开关管Q1正向导通以及功率开关管Q5正向导通，其他功率开关管处于正向截止，此时功率开关管Q1在电感L1续流作用下处于反向导通，内部电池1与电感L1给支撑电容C1充电，功率开关管Q5在电感L2续流作用下处于反向导通，电感L2给内部电池2充电；

在T3阶段，电感L1与电感L2仍有一定储能，控制单元控制功率开关管Q1正向导通以及功率开关管Q2正向导通，其他功率开关管处于正向截止，此时功率开关管Q1在电感L1续流作用下处于反向导通，内部电池1与电感L1、支撑电容C1给电感L2和内部电池2充电；

在T4阶段，电感L1与电感L2仍有一定储能，控制单元控制功率开关管Q1正向导通以及功率开关管Q5正向导通，其他功率开关管处于正向截止，此时功率开关管Q1在电感L1续流作用下处于反向导通，内部电池1与电感L1给支撑电容C1充电，功率开关管Q5在电感L2续流作用下处于反向导通，电感L2给内部电池2充电。

在上述加热过程中，第一桥臂上、下功率开关管以及第二桥臂上、下功率开关管均交替工作，通过控制第一、第二桥臂占空比即可实现在上述内部电池1与内部电池2之间授受电力，实现内部电池1和2的交流内部加热，内部电池自加热仿真结果如图6(b)。

图7(a)、(b)、(c)、(d)示出了移动电源模式外部电池交流加热工作过程，本发明以电感L1和L2反向储能、电感L3正向储能选择一小时间段阐释工作过程，此时内部电池1/2放电、外部电池充电。该模式下第一与第二桥臂开关状态完全相同，故内部电池1/2工作电流也完全相同，第一、三组桥臂控制时序如图8(a)，包括T1阶段、T2阶段、T3阶段和T4阶段四个阶段，工作原理与内部电池自加热类似，外部交流加热仿真结果如图8(b)。

待外部电池恢复温度，则快速冷起动***停止交流加热，转为使用直流电对外部电池充电；充电原理同外部电池加热，内部电池1和2通过各自的boost桥臂构成升压电路，通过控制Q5、Q6由电感L3输出恒压或恒流给外部电池充电。

在本发明的一个优选实施方式中，***作为固定电源时，车辆的起动电池作为所述外部电池接入所述***，利用工频交流电作为能量源替代内部电池，还需要接入AC/DC模块，对工频交流电进行整流、调压和隔离，输出直流电给快速冷起动单元；在极寒环境冷起动时，所述控制单元首先选择一个桥臂并提供相通断控制信号，使外部电池及其连接的电感相互授受电力执行交流外部加热循环；当外部电池达到预定温度后，再利用外部输入的工频交流电对外部电池进行充电。

在此模式下，可选择AC/DC模块输入侧与工频交流电相连，输出侧与直流母线正极P41、P42相连，外部电池正极与L3一端P32相连，负极与直流母线负极P42相连。图9(a)、(b)、(c)、(d)示出了以这种连接方式实现的外部交流加热工作过程，以任意一组桥臂均可实现，此实施例以第三组桥臂为例，控制时序如图10(a)，工作过程包括T1阶段、T2阶段、T3阶段和T4阶段四个阶段，工作原理与车载电源模式的交流内部加热过程类似，交流外部加热仿真结果如图10(b)所示。

待外部电池恢复温度后，利用AC/DC模块输出的直流电给外部电池充电，连接方式和原理同交流加热，通过电流或电压反馈控制Q5、Q6，实现外部电池的恒压或恒流充电。

基于上述本发明的教导，本领域技术人员应当知晓上述加热与充电方式以及参数设置功能，可以通过设备人机交互面板或连接外部控制器/上位机实现，包括单充电、单加热、加热后充电三种基础功能，并可以在三种基础功能上组合设置规则使用。

在本发明的具体实施过程中，本领域技术人员应当知晓可利用如嵌入式控制器等在该***的基本功能以外，实现人机交互、各功能设置与控制、通讯、散热等功能。通讯方式包括但不限于CAN通讯、USB通讯、以太网通讯，冷却方式可选择风冷、液冷等。

应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，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、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种适用于极寒环境快速冷起动的电池加热***，其特征在于：能够在作为车载单元、作为移动电源以及作为固定电源三种使用场景中切换，该***具体包括以下功能模块：

内部电池1、内部电池2、快速冷起动单元、直流母线、外部电池以及AC/DC模块；

其中，所述内部电池1与内部电池2为电气参数完全一致的两组电池；

所述快速冷起动单元由3组桥臂、控制单元、支撑电容、3个电感和3个电流传感器组成；所述3组桥臂由6个功率开关管组成，每两个功率开关管构成一个桥臂，每个桥臂的中性点作为交流侧分别与一个电感的一端以及一个电流传感器连接；每个桥臂的两端分别为与直流母线两侧连接；

所述电感的另一端在作为车载单元使用时均与内部电池1和2的中点连接；

在作为移动电源或固定电源使用时，所述外部电池和支撑电容接入该***，外部电池的一端与其中一个电感的另一端连接，外部电池的另一端与直流母线一侧连接，直流母线的另一侧悬空；所述支撑电容两端分别与直流母线两侧连接；

在作为移动电源使用时，其余两个电感的另一端分别与内部电池1与内部电池2的两端连接，内部电池1和2的负极连接直流母线的负极侧；在作为固定电源使用时其余两个电感则不接入***，所述AC/DC模块取代所述内部电池1和2与直流母线的两侧建立连接，用于将***外部输入的工频交流电转换为直流实现供电；

所述控制单元用于获取三个电流传感器采集的电流、内部电池与外部电池温度及荷电状态，针对***作为车载单元、作为移动电源以及作为固定电源三种的使用场景，分别执行相应处理并输出各功率开关管的通断控制信号。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于：***作为车载单元时，可以使用车上起动发电机的线圈绕组及驱动模块中的开关元件作为所述电感与桥臂；在极寒环境冷起动时，所述控制单元向各功率开关管分别提供相配合的通断控制信号，切换***回路中的电流方向，使内部电池1和2与各电感相互授受电力，实现交流内部加热循环；当内部电池1和2达到预定温度满足起动条件后，所述电感的另一端与内部电池1和2的中点断开连接，起动发电机开始发电。

3.如权利要求1所述的***，其特征在于：***作为移动电源时，车辆的起动电池作为所述外部电池接入所述***；在极寒环境冷起动时，所述控制单元向各功率开关管分别提供相配合的通断控制信号，切换***回路中的电流方向，首先使内部电池1和2与各电感及所述支撑电容相互授受电力，通过交流内部加热循环使内部电池1和2达到预定温度；再通断控制信号切换***回路中的电流方向，使内部电池1和2、各电感、支撑电容以及所述外部电池相互授受电力，执行交流外部加热循环使外部电池升温；当外部电池达到预定温度后，控制单元提供通断控制信号使内部电池1和2、相应桥臂及电感构成升压电路，对外部电池进行恒压或恒流的直流充电。

4.如权利要求1所述的***，其特征在于：***作为固定电源时，车辆的起动电池作为所述外部电池接入所述***；在极寒环境冷起动时，所述控制单元首先选择一个桥臂并提供相通断控制信号，使外部电池及其连接的电感相互授受电力执行交流外部加热循环；当外部电池达到预定温度后，再利用外部输入的工频交流电对外部电池进行充电。

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