CN116552335A - 动力电池的加热电路和电动车 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及动力电池的加热电路和电动车。所述动力电池包括串联的第一电芯组和第二电芯组，所述动力电池的加热电路包括逆变器、交流电动机和第一控制器；所述交流电动机的中性点与第一连接点连接，所述第一连接点为所述第一电芯组和所述第二电芯组之间的连接点；所述第一控制器用于向所述逆变器输入驱动信号，以控制所述逆变器交替导通所述第一电芯组和交流电动机、所述第二电芯组和所述交流电动机，以使得所述第一电芯组和所述第二电芯组交替互相充电。本公开的动力电池的加热电路和电动车，可以提升加热性能。
Description
技术领域
本公开涉及车辆技术，更具体地，涉及动力电池的加热电路和电动车。
背景技术
随着车辆技术的发展，使用动力电池作为动力源的车辆越来越普及。动力电池的特性受环境温度的影响比较显著，特别是在低温环境中，锂离子动力电池的能量和功率特性会出现严重衰减，因此需要在低温情况下对电池进行加热。对于利用激励电流对电芯进行自加热这种加热方式，如何提升其加热性能成为关键问题。
发明内容
本公开的实施例提供动力电池的加热电路，可以提升加热性能。
根据本公开的第一方面，提供了动力电池的加热电路。所述动力电池包括串联的第一电芯组和第二电芯组，所述动力电池的加热电路包括逆变器、交流电动机和第一控制器；所述交流电动机的中性点与第一连接点连接，所述第一连接点为所述第一电芯组和所述第二电芯组之间的连接点；所述第一控制器用于向所述逆变器输入驱动信号，以控制所述逆变器交替导通所述第一电芯组和交流电动机、所述第二电芯组和所述交流电动机，以使得所述第一电芯组和所述第二电芯组交替互相充电。
根据本公开的第二方面，提供了电动车，所述电动车包括动力电池以及如第一方面任一项所述的加热电路。
本公开实施例的动力电池的加热电路和电动车，在电动车原有电路拓扑结构的基础上增加一条回路，该回路是从交流电动机的中性点至第一电芯组和第二电芯组之间的连接点，利用这一加热电路可以在整体上提升加热性能。
通过以下参照附图对本说明书的示例性实施例的详细描述，本说明书的实施例的特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本说明书的实施例，并且连同其说明一起用于解释本说明书实施例的原理。
图1是本公开实施例提供的动力电池的加热电路的框图；
图2是本公开实施例提供的动力电池的加热电路的具体电路图；
图3是激励电流的大小对动力电池容量的影响的示意图；
图4是激励电流的频率对升温速度的影响的示意图；
图5～8是动力电池在不同SOC情况下在不同频率的激励电流的作用下的电池阻抗谱分解示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本说明书的各种示例性实施例。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本说明书实施例及其应用或使用的任何限制。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在电动车中，逆变器连接在动力电池和交流电动机之间，逆变器的主要作用之一是将动力电池输出的直流电转变为交流电以驱动交流电动机转动，进而带动轮端转动。本公开实施例的动力电池加热方案，利用了动力电池、逆变器和交流电动机之间的电路拓扑结构。下面参见图1和图2所示，对本公开实施例提供的动力电池的加热电路进行说明。
动力电池包括串联的第一电芯组1和第二电芯组2，加热电路包括逆变器3、交流电动机4和第一控制器。第一控制器在图中没有示出。
交流电动机4为星形连接，三相线圈(线圈A、线圈B、线圈C)的3个末端连接在一起作为公共端，公共端即为中性点P2。交流电动机4的中性点P2与第一连接点P1连接，第一连接点P1为第一电芯组1和第二电芯组2之间的连接点。在一个例子中，电池包中包含第一电芯组和第二电芯组，电池包对外提供总正端口、总负端口、以及从第一连接点P1处引出的第三端口，通过该第三端口将第一连接点P1与将交流电动机4的中性点P2连接。在另一个例子中，第一电芯组1和第二电芯组2为不同的电池包。
第一控制器用于向逆变器3输入驱动信号，以控制逆变器3交替导通第一电芯组1和交流电动机4、第二电芯组2和交流电动机4，以使得第一电芯组和第二电芯组交替互相充电。
在一个例子中，参见图1和图2所示，逆变器3包括IGBT管T1、IGBT管T2、IGBT管T3、IGBT管T4、IGBT管T5以及IGBT管T6，IGBT管T1～T6构成3个桥臂。IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，是由BJT管(Bipolar Junction Transistor，双极型三极管)和MOS管(Meial-Oxide-Semiconductor，绝缘栅型场效应管)组成的复合型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET场效应晶体管的高输入阻抗和GTR(GiantTransistor，电力晶体管)的低导通压降两方面的优点。参见图2所示，在逆变器3中，每个IGBT管还反向并联有二极管，该二级管可以起电路保护作用。在另一个实施例中，IGBT管T1～T6也可以分别替换为MOS管。
在本公开实施例中，IGBT管可根据驱动信号的频率和周期，实时输出不同频率和幅值的电流信号。在一个例子中，第一控制器输出的驱动信号为PWM(Pulse widthmodulation wave，脉冲宽度调制)驱动信号，也就是占空比可变的脉冲波信号。
在本公开实施例中，参见图2所示，第一控制器输出六路驱动信号Q1～Q6，其中驱动信号Q1施加在IGBT管T1上，驱动信号Q2施加在IGBT管T2上，驱动信号Q3施加在IGBT管T3上，驱动信号Q4施加在IGBT管T4上，驱动信号Q5施加在IGBT管T5上，驱动信号Q6施加在IGBT管T6上，第一控制器通过向IGBT管T1～T6施加驱动信号Q1～Q6，交替导通第一电芯组1和交流电动机4的回路、第二电芯组2和交流电动机4的回路，使得第一电芯组1和第二电芯组2交替性地给对方充电。在一个例子中，第一电芯组1放电，逆变器3把第一电芯组1输出的直流电转换为交流电输入给交流电动机4，交流电动机4将电能储存在线圈中给第二电芯组2充电。之后，第二电芯组2放电，逆变器3把第二电芯组2输出的直流电转换为交流电输入给交流电动机4，交流电动机4将电能储存在线圈给第一电芯组1充电。循环往复，第一电芯组和第二电芯组交替给对方充电。
在一个例子中，交流电动机的中性点P2与第一连接点P1之间串联有开关5。该加热电路还包括第二控制器。第二控制器用于控制开关5的通断状态，使得开关5在动力电池需要加热时导通，在动力电池不需要加热时断开，以保证车辆和动力电池的安全性。例如，第二控制器在电动车行驶状态下控制开关5断开，以保证车辆行驶过的安全性。
在一个例子中，交流电动机的中性点P2和第一连接点P1之间串联有保护电路，例如保险丝等，以提升电池加热过程的安全性。
在一个例子中，第一电芯组和第二电芯组的电池容量相同。第一电芯组和第二电芯组的电池容量相同，有利于控制逻辑算法简单化，也便于对加热电路的相关器件进行选型。
本公开实施例提供的动力电池的加热电路，在电动车原有电路拓扑结构的基础上增加一条回路，该回路是从交流电动机的中性点至第一电芯组和第二电芯组之间的连接点，对原有电路的改动小，方案简单容易实现。
在动力电池加热过程中，充放电电流，也就是激励电流的频率和大小受限于相关元器件，本公开实施例提供的加热电路可以使得激励电流的受限程度较小，使得以较大激励电流对电池进行加热成为可能。例如，如果单独考虑电动机单个线圈对激励电流的限制，假设电动机单个线圈的允许通过的最大电流值为100单位，按照本公开实施例的加热电路，三个线圈同时储能、同时放电，使得激励电流上限可以为300单位。
在动力电池加热过程中，对激励电流的控制是非常关键的。在较大的激励电流的作用下，动力电池的升温速度较快。图4示出了磷酸铁锂与三元电池在自加热条件下的容量保持率，通过发明人大量研究实验发现。在温度为-20℃的情况下，采用1C的激励电流对动力电池进行加热，加热预设次数后容量保持率为99.0％～99.94％，也就是加热预设次数后的电池容量只有原有电池容量的99.0％～99.94％。1C是电池用一小时完全放电时的电流强度。预设次数为200次。采用2C～5C的充放电电流对动力电池进行加热的情况同样可以参见图4所示。也就是说，随着激励电流的增大，对电池容量造成的不利影响也会变大。
发明人经大量研究实验发现，激励电流的频率过高会影响加热效率，使得电池升温较慢。这是由于电池固有的电化学特性导致的，电池在低频电流震荡下阻抗更大，因此温升效果更高。但是，在低温环境下的加热过程中，低频激励可能会导致电池寿命衰减，甚至有可能造成析锂情况。参见图3所示，对动力电池分别以2C的激励电流、3C的激励电流、4C的激励电流对进行加热，设置激励电流的频率从1Hz～1000Hz不等，可以看出，在低频阶段升温速率较高，尤其在1Hz～100Hz区间，电池升温速率较高。
图5-8示出了动力电池在不同SOC情况下在不同频率的激励电流的作用下的电池阻抗谱分解示意图。SOC(State of Charge)是指电池中剩余电荷情况，一般用一个百分比来表示，即电池剩余可用电量占总容量的百分比。横轴为激励电流的周期时长，单位为秒，其倒数为激励电流的频率，在横轴方向上从左至右频率逐渐降低。纵轴为阻抗在时间上的分布，单位是欧姆每秒。从图5-8中可以看出，不同SOC情况下，激励电流的周期在0.01秒-0.1秒(频率在10Hz～100Hz)这个区间内，阻抗在时间上的分布会出现一个很大的峰值。从图5-8中可以看出，不同SOC情况下，激励电流的周期超过1秒(频率小于1Hz)，会出现较高的析锂风险,。
本公开实施例中，第一控制器获取车辆测量***监测到的电池状态(温度、电量、电压)以及充放电电流的幅值和频率等，根据预设策略实时动态调整激励电流的频率或电流幅值。下面描述本实施例中对激励电流，也就是充放电电流的控制方式。
在本公开实施例中，第一电芯组1的实时电流记为IA，第二电芯组2的实时电流记为IB，将IA从第一电芯组1的正极流出记为正周期，将IA流入第一电芯组1的正极记为负周期，将IB从第二电芯组2的正极流出记为正周期，将IB流入第二电芯组2的正极记为负周期。
策略一：第一控制器还用于调节驱动信号，使得在第一时间段内，第一电芯组的电流强度平均值在1C到5C之间，第二电芯组的电流强度平均值在1C到5C之间，第一时间段为60秒。也就是说，在对动力电池进行加热过程中，至少在一段60秒的时间长度内，第一电芯组的电流强度平均值在1C到5C之间，第二电芯组的电流强度平均值在1C到5C之间。
电芯组的电流强度平均值可以通过以下式子计算：其中，i为电芯组的实时电流的大小(不考虑方向)，也就是说i为正值，t为时间，Ieff为电流强度平均值。
这里的“C”是电池充放电电流大小的倍率，1C表示电池一小时完全放电时电流强度。对于第一电芯组来说，1C＝CA/3600秒，CA为第一电芯组的额定容量，单位是安时。对于第二电芯组来说，1C＝CB/3600秒，CB为第二电芯组的额定容量，单位是安时。也就是说：
1*(CA/3600s)<＝IeffA<＝5*(CA/3600s)
1*(CB/3600s)<＝IeffB<＝5*(CB/3600s)
其中，IeffA为第一电芯组1在第一时间段内的电流强度平均值，IeffB为第一电芯组2在第一时间段内的电流强度平均值。
本公开实施例通过控制激励电流处于1C～5C之间，可以保证加热效率并且将电池容量的不利影响控制在一个较小的程度内，同时，还可以防止电芯在低温下发生过充或者过放，进而保证电芯的安全性。
策略二：
在一个例子中，第一控制器还用于调节驱动信号，使得在1秒内，第一电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数在1次到1000次之间，第二电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数在在1次到1000次之间。也就是说，在对动力电池进行加热过程中，至少在一段1秒的时间长度内，电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数在1次到1000次之间。
在一个例子中，第一控制器还用于调节驱动信号，使得在1秒内，第一电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数在5次到1000次之间，第二电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数在在5次到1000次之间。也就是说，在对动力电池进行加热过程中，至少在一段1秒的时间长度内，电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数在5次到1000次之间。
在一个例子中，第一控制器还用于调节驱动信号，使得在1秒内，第一电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数在1次到100次之间，第二电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数在在1次到100次之间。也就是说，在对动力电池进行加热过程中，至少在一段1秒的时间长度内，电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数在1次到100次之间。
在一个例子中，第一控制器还用于调节驱动信号，使得在1秒内，第一电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数在5次到100次之间，第二电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数在在5次到100次之间。也就是说，在对动力电池进行加热过程中，至少在一段1秒的时间长度内，电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数在5次到100次之间。
在一个例子中，第一控制器还用于调节驱动信号，使得在1秒内，第一电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数为10次，第二电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数为10次。也就是说，在对动力电池进行加热过程中，至少在一段1秒的时间长度内，电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数为10次。
结合图4和图5-8所展示的内容，考虑到对电池寿命的不利影响以及激励电流过于低频下的析锂风险，本公开实施例中将激励电流的安全频率的范围设置为1Hz以上，也就是激励电流的频率下限是1Hz。考虑到加热效率，将激励电流的频率上限设置为1000Hz。本公开实施例在1Hz-1000Hz之间优选了上述若干范围，按照上述方式设置电芯组的实时电流在单位时间内从正周期切换为负周期的次数，可以兼顾加热效率并且降低加热对电池寿命的影响、降低加热过程中的风险。
策略三：第一控制器还用于调节驱动信号，使得第一电芯组的实时电流的大小与第二电芯组的实时电流的大小相同。也就是说，在加热过程中，至少在一段时间内，∣IA∣＝∣IB∣。“∣ ∣”为绝对值符号。
第一电芯组的实时电流的大小与第二电芯组的实时电流的大小相同，有利于控制逻辑算法简单化，也便于对加热电路的相关器件进行选型，可以降低成本。
策略四：
第一控制器还用于调节驱动信号，使得目标比值大于等于0.3，目标比值是第一值和第二值的比值，第一值是第一电芯组的实时电流绝对值和第二电芯组的实时电流绝对值中较小的一个，第二值是第一电芯组的实时电流绝对值和第二电芯组的实时电流绝对值中较大的一个。
从策略四可以看出，基于本公开实施例的加热电路，第一电芯组的实时电流的大小与第二电芯组的实时电流的大小可以不同。通过控制两者之间的较小者与两者之间的较大者的比值在0.3以上，使得第一电芯组的实时电流的大小与第二电芯组的实时电流的大小不会差异过大，这样也可以较为良好的实现对动力电池的加热，在技术上也相对容易实现。
在本公开实施例中，上述策略在不冲突的情况下可以叠加实施，以取得更好的效果。
在本公开实施例中，第一控制器可以调节驱动信号的占空比和/或频率，实现上述控制策略。例如，第一控制器调节驱动信号的占空比，来调节激励电流的大小。例如，第一控制器调节驱动信号的频率，来控制在一段时间内激励电流从正周期切换为负周期的次数。
本公开实施例通过上述策略，兼顾自加热过程的升温效率和安全性，可以高效率的对动力电池进行加热同时避免对电池的寿命造成过大损伤，并且保证电池的安全性。
本公开实施例的第一控制器可以包括处理器和存储器，以及存储在存储器上并可在所述处理器上运行的程序或指令，所述程序或指令被所述处理器执行时实现如前述实施例所述的任一项加热控制策略。
本公开实施例提供了一种车辆，包括动力电池以及前述任一实施例所述的动力电池的加热电路。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于电动车实施例而言，其相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
本说明书的实施例可以是***、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本说明书实施例的各个方面的计算机指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由计算机指令执行设备使用的计算机指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有计算机指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
这里所描述的计算机指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机指令，并转发该计算机指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
附图中的流程图和框图显示了根据本说明书的多个实施例的***、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或计算机指令的一部分，模块、程序段或计算机指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行计算机指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。
以上已经描述了本说明书的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (11)
1.一种动力电池的加热电路，其特征在于，所述动力电池包括串联的第一电芯组和第二电芯组，所述加热电路包括逆变器、交流电动机和第一控制器；
所述交流电动机的中性点与第一连接点连接，所述第一连接点为所述第一电芯组和所述第二电芯组之间的连接点；
所述第一控制器用于向所述逆变器输入驱动信号，以控制所述逆变器交替导通所述第一电芯组和交流电动机、所述第二电芯组和所述交流电动机，以使得所述第一电芯组和所述第二电芯组交替互相充电。
2.根据权利要求1所述的加热电路，其特征在于，所述交流电动机的中性点与所述第一连接点之间串联有开关；所述加热电路还包括第二控制器；所述第二控制器用于控制所述开关的通断状态。
3.根据权利要求1所述的加热电路，其特征在于，所述交流电动机的中性点和所述第一连接点之间串联有保护电路。
4.根据权利要求1所述的加热电路，其特征在于，所述第一电芯组和所述第二电芯组的电池容量相同。
5.根据权利要求1-4任一项所述的加热电路，其特征在于，所述第一控制器还用于调节所述驱动信号，使得在第一时间段内，所述第一电芯组的电流强度平均值在1C到5C之间，所述第二电芯组的电流强度平均值在1C到5C之间，所述第一时间段为60秒。
6.根据权利要求1-5任一项所述的加热电路，其特征在于，所述第一控制器还用于调节所述驱动信号，使得在1秒内，所述第一电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数在1次到1000次之间，所述第二电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数在在1次到1000次之间。
7.根据权利要求1-5任一项所述的加热电路，其特征在于，所述第一控制器还用于调节所述驱动信号，使得在1秒内，所述第一电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数在1次到100次之间，所述第二电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数在在1次到100次之间。
8.根据权利要求1-5任一项所述的加热电路，其特征在于，所述第一控制器还用于调节所述驱动信号，使得在1秒内，所述第一电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数为10次，所述第二电芯组的实时电流从正周期切换为负周期的次数为10次。
9.根据权利要求1-8任一项所述的加热电路，其特征在于，所述第一控制器还用于调节所述驱动信号，使得所述第一电芯组的实时电流的大小与所述第二电芯组的实时电流的大小相同。
10.根据权利要求1-8任一项所述的加热电路，其特征在于，所述第一控制器还用于调节所述驱动信号，使得目标比值大于等于0.3，所述目标比值是第一值和第二值的比值，所述第一值是所述第一电芯组的实时电流绝对值和所述第二电芯组的实时电流绝对值中较小的一个，所述第二值是所述第一电芯组的实时电流绝对值和所述第二电芯组的实时电流绝对值中较大的一个。
11.一种电动车，其特征在于，包括动力电池以及如权利要求1-10任一项所述的加热电路。
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