CN106229583B - 一种基于lc谐振进行加热的蓄电装置加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于LC谐振进行加热的蓄电装置加热方法，该方法利用能量在所述直流电源、所述LC谐振单元和所示蓄电装置之间往复流动，产生正弦交流电流；所述正弦交流电流经所述蓄电装置的所述交流阻抗实部产生热量实现所述加热。通过判断蓄电装置SOC、端电压和温度的范围来判断是否进行加热。从电池内部实现快速、高效加热，保障了电池低温环境下使用性能，且加热过程中以电源系统对象，施加的电流为标准的正弦的交流电，有利于提高电池一致性和使用寿命。

Description

一种基于LC谐振进行加热的蓄电装置加热方法

技术领域

本发明涉及一种电源加热方法，具体地，涉及一种基于LC谐振进行加热的蓄电装置加热方法。

背景技术

随着电动汽车的逐步推广，车用动力电池的低温性能愈来愈受到人们的关注。在冬天气温较低的环境下，锂离子电池的内阻急剧升高，放电容量明显衰减，大电流充电和放电能力降低，导致电动汽车产生续驶里程缩短、动力性变差和充电难等问题，而且大部分电池在低于0℃时无法对其充电，若强行充电，容易引发内部短路，造成安全隐患。为了解决这一问题，比较行之有效的方法是对动力电池进行加热，目前有很多基于锂离子电池的低温使用问题的解决方案。

当前，主要解决方法是给电池组进行加热。其中专利CN102074769A提出采用电路板充电方式对电池侧面进行加热，专利CN103051026A提出通过电池组放电和外部加热装置同时工作的方式对电池组进行加热，专利CN201797350U提出在电池箱进风口采用电阻丝加热方式将热风传递到电池箱内部进行加热。然而上述方案存在加热供电困难，加热效率低、并容易引发电池温度不均匀等缺陷，尤其是在电动汽车有限的空间上，额外的供电装置不仅会增加整个电池组的占用空间，影响整车的布局，还增加了高压电气装置的潜在安全隐患。

上述现有技术采用的是外部加热法，即通过外部的生热装置产生热量来给电池加热，这种方法简单易行，但是由于热量需要从外部慢慢传递给电池内部，因此耗时长，而且很可能只是在短时间内加热了电池的表层，对于电池的内部则无法确定是否真的在短时间内实现了加热。

在电池组内部加热的现有技术中，日本专利公开公报特开2003-272712号提出若二次电池的温度成为规定温度以下，则通过发动机对发电机的驱动或行驶中的再生制动对二次电池充电，反复进行二次电池的充放电，使二次电池的温度上升，由此，能够抑制可输入输出的电力的降低。但是，在上述专利文献1所记载的装置中，为了对二次电池充电，始终需要行驶中的再生制动或发动机对发电机的驱动。换句话说，在停车中，为了使二次电池的温度上升，需要驱动发动机。

此外CN102074756A公开了一种电池内部加热电路，储能电路和电池串联，能量在电池和储能电路之间往复流动实现电池加热。但是在上述加热过程中，当电流从储能电路流回电池E时，电荷存储元件C1中的能量不会完全流回电池E，而是会有一些能量余留在电荷存储元件C1中，最终使得电荷存储元件C1电压接近或等于电池电压，从而使得从电池E向电荷存储元件C1的能量流动不能进行，不利于加热电路的循环工作。基于此该电路需要设置能量叠加单元实现电荷存储元件与电池中的能量进行叠加。该电路结构复杂，电流波形非标准正弦波，对电池寿命有影响。

因此本发明为克服上述技术缺陷，提出一种在停车低温环境下，高效、正弦交流电加热方法，通过LC谐振电路产生标准的、高低频都满足的正弦交流电流，作用于整个电源系统；利用电源系统在正弦交流电激励下的阻抗特性，从电池内部实现快速、高效加热，保障了电池低温环境下使用性能，且加热过程中以电源系统对象，施加的电流为标准的正弦的交流电，有利于提高电池一致性和使用寿命。

发明内容

本发明的一种基于LC谐振进行加热的蓄电装置加热方法，包括直流电源、LC谐振单元、开关装置和蓄电装置，所述蓄电装置具有交流阻抗实部；所述LC谐振单元包括电容和电感；

所述开关装置实现能量在所述直流电源系统和所述LC谐振单元之间往复流动，产生正弦交流电流；所述正弦交流电流经所述蓄电装置的所述交流阻抗实部产生热量实现所述自加热。

所述方法包括如下步骤：

a)采集蓄电装置中温度、端电压和SOC信息,判断是否需要进行加热；

b)若所述判断结果是进行加热，则使LC谐振单元工作；

c)若蓄电装置的SOC和端电压在允许范围内，控制所述开关装置的开关频尽可能接近LC谐振单元的谐振频率，以最大交流电幅值的工作电流实现快速加热；

d)如果蓄电装置SOC在允许范围内，而蓄电装置端电压超出第一允许值，执行所述开关频率偏离所述谐振单元的谐振频率，以降低交流电幅值来继续加热；

e)若电池组端电压进一步低于第二允许值，所述第二允许值小于第一允许值，或者蓄电装置SOC超出允许范围，或者蓄电装置温度达到加热所期望的温度，则加热控制系统闭合功率电子开关5，停止加热。

更进一步地，所述方法还包括所述开关装置是具有上下桥臂的半桥，所述上下桥臂分时通断，通过控制所述开关装置的开关频率，控制能量的所述往复流动时流向蓄电装置电池的电流大小；

更进一步地，所述能量的所述往复流动通过两个工作回路分时工作，通过开关装置中的上下桥臂控制所述两个工作回路交替导通和关断，所述工作回路一由直流电源系统、开关装置的上桥臂301、LC谐振单元和蓄电装置串联组成；所述工作回路二由蓄电装置、LC谐振单元、开关装置的下桥臂302串联组成。

更进一步地，还包括功率电子开关，所述功率电子开关并联在LC谐振单元两端，若功率电子开关关断，LC谐振单元无法工作，若功率电子开关关断，LC谐振单元参与工作。

更进一步地，还包括加热控制系统，所述加热控制系统收集蓄电装置电流、电压和SOC信息，判断是否需要进行加热，控制半桥和功率电子开关状态。

更进一步地，选配L和C参数值使LC谐振单元的振荡频率尽可能的低，以提高加热效果。

更进一步地，所述步骤d)中所述交流电幅值以蓄电装置端电压、SOC和温度为判断依据。

更进一步地，所述蓄电装置为车用动力电池组。

优选地，使用本发明方法的电源系统为：包括直流电源、开关装置、LC谐振单元和蓄电装置；

所述开关装置包括上桥臂和下桥臂；所述上桥臂和下桥臂分别与直流电源两端连接；

所述蓄电装置具有交流阻抗实部；

所述LC谐振单元包括电容和电感，所述LC谐振单元一端连接在所述上桥臂和下桥臂之间，另一端连接蓄电装置正极，蓄电装置负极与直流电源负极连接；

由直流电源和LC谐振单元、完成能量转换，产生正弦交流电流，所述正弦交流电电流经蓄电装置的交流阻抗实部产生热量实现所述内部加热。

优选地，使用本发明方法的电源系统另一种表述为：包括直流电源、功率电子开关、半桥、LC谐振单元和蓄电装置；

所述半桥包括上桥臂和下桥臂；

所述蓄电装置具有交流阻抗实部；

所述LC谐振单元包括电容和电感，

所述电源系统具有两个工作回路分时工作，通过半桥中的上下桥臂控制所述两个工作回路交替导通和关断，

所述工作回路一由直流电源、半桥的上桥臂、LC谐振单元和蓄电装置串联组成；

所述工作回路二由蓄电装置、LC谐振单元、半桥的下桥臂串联组成。

由直流电源和LC谐振单元、蓄电装置完成能量转换，产生正弦交流电流，所述正弦交流电经蓄电装置的交流阻抗实部产生热量实现所述内部加热。

更进一步地，电源系统还包括功率电子开关，所述功率电子开关并联在LC谐振单元两端，控制LC谐振单元是否工作。

更进一步地，电源系统还包括加热控制系统，所述加热控制系统收集蓄电装置电流、电压和SOC信息，判断是否需要进行加热，控制半桥和功率电子开关状态进行加热。

更进一步地，电源系统选配L和C参数值使LC谐振单元的振荡频率尽可能的低，以提高加热效果。

更进一步地，电源系统当蓄电装置的SOC和端电压在允许范围内，优选控制半桥开关频率等于LC谐振频率。

附图说明

图1，加热电源系统整体结构图。

图2(a)，加热电源系统电路原理图。

图2(b)，加热电源系统工作回路一和工作回路二。

图2(c)，加热电源系统另一实施例的电路原理图。

图3(a)，加热电源系统谐振工作时流经蓄电装置电流变化示意图。

图3(b)，半桥电路一个周期内蓄电装置电流和电压变化示意图。

图4(a)，某锂电池某一环境温度不同频率的正弦交流电对应的交流阻抗实部变化特性。

图4(b)，某锂电池在某一频率下不同温度对应的交流阻抗实部的变化特性。

图4(c)，某锂电池在某一低温环境下相同频率、不同电流幅值的正弦交流电加热的温升特性。

图5示为不同频率下的正弦交流电作用某锂电池的电流幅值变化特性。

图6为加热电源系统的控制流程。

具体实施方式

如图1所示，一种基于LC谐振进行加热的电源系统，包括直流电源4、半桥电路3、LC谐振单元2和蓄电装置1，并且功率电子开关5并联在LC谐振单元2两侧；如图2(a) 所示，半桥电路3包括上桥臂301和下桥臂302，所述半桥电路2可以是IGBT或者Mosfit，上桥臂301一端与直流电源4的正极连接，下桥臂302一端与直流电源4的负极连接，电源系统还包括电驱动系统7和驱动轮8 。

当电源系统加热工作时，功率电子开关5断开。

LC谐振单元2包括电容201和电感202，所述电容201和电感202采用串联形式，如图2(a)所示，电感202一端连接在上桥臂301和下桥臂302之间，电容201一端连接蓄电装置正极，蓄电装置1负极与直流电源4负极连接，蓄电装置1包括电动势101 和交流阻抗实部102；能量在直流电源4、LC谐振单元2和蓄电装置1之间往复流动，产生正弦交流电流，正弦交流电流经蓄电装置1的交流阻抗实部102产生热量实现加热。

加热的电源系统具有两个工作回路，回路一和回路二，如图2(b)所示，控制上桥臂和下桥臂交替导通和关断，回路一和回路二交替工作。回路一电路由直流电源、上桥臂、电感L、电容C、蓄电装置的电动势E和交流阻抗实部R串联组成；回路二电路由下桥臂、电感L、电容C、蓄电装置的电动势E和交流阻抗实部R串联组成。

直流电源4可选为超级电容，或者车载发动机-发电机组、或者外部充电接口导入的直流电。

当直流电源为超级电容时，闭合功率电子开关，此时图2(a)构成复合电源(蓄电池和超级电容)系统，半桥电路构成DC-DC装置。控制半桥电路上桥臂实现蓄电装置给超级电容小电流充电，满足低温环境下超级电容加热时直流电源所需的能量。

蓄电装置1是能进行充放电的直流电源，例如，由镍氢电池、锂离子电池等二次电池构成，本发明具体实施例以新能源车辆动力电池为例进行说明。

蓄电装置1是由一定数量单体电池串、并联组成，在这里示出的等效电路图中，具有反应电池能量状态的电动势和内部交流阻抗实部。

所述半桥电路可采用单独半桥，或者共享电机控制器一组桥臂，或者共享车载DC-DC 桥臂，图2(a)为共享车载复合电源系统DC-DC桥臂；

如图1，加热控制系统6采集蓄电装置1的电流值、电压和温度、计算蓄电装置的荷电状态(SOC)，其中计算SOC可以使用各种公知的计算方法，加热控制系统优选为电池管理系统，根据上述信息，确定谐振加热回路工作方式、交流电流幅值、半桥电路上下桥臂的开关频率，工作方式包括是否启动、启动后如何工作以及如何停止工作。

功率电子开关5受加热控制系统控制，只有在停车低温环境下动力电池需要自加热时才断开，其他时候都闭合。

当半桥电路共享电机控制器一组桥臂时，实现电路原理图如图2(c)所示,LC谐振单元通过控制功率电子开关502与电机控制器一组桥臂的上桥臂301、下桥臂302中间连接，而另一个功率电子开关501连接蓄电装置正极与电机控制控制一组桥臂的上桥臂301 相连；当停车加热电源系统工作时，功率电子开关502闭合，功率电路开关501断开；当加热电源系统不工作时，功率电子开关502断开，功率电路开关K1闭合；

谐振加热回路工作过程：加热控制系统根据蓄电装置中温度、电压和SOC等信息，判断此时是否需要进行加热，当达到加热条件时，加热控制系统控制谐振加热回路开始工作，对蓄电装置进行加热，当达到停止加热条件时，控制谐振加热回路停止工作。例：当加热控制系统检测到电池温度低于正常工作温度范围，启动谐振加热回路。

当判断需要进行加热时，对于图2(a)实施例，加热控制系统使功率电子开关5断开；对图2(c)实施例，加热控制系统使功率电子开关502闭合，功率电路开关501断开。通过上述方式使谐振加热回路接通，由其他电子控制单元，优选是电机控制器或者复合电源DC-DC，控制半桥电路上下桥臂交替工作，且上下桥臂开关频率优选为LC谐振单元谐振频率。

串联R、L、C谐振电路中，电感和电容吸收的功率分别为：

P_L(t)＝-QUIsin(2ω₀t)；

P_C(t)＝-P_L(t)＝QUIsin(2ω₀t).

由于u(t)＝u_L(t)+u_C(t)＝0(相当于虚短路)，任何时刻进入电感和电容的总瞬时功率为零，即P_L(t)+P_C(t)＝0。电感和电容与直流电源、电阻之间没有能量交换。但是，电感和电容之间相互交换能量，当电流减小时，电感中释放的磁场能量W_L＝0.5Li²减小，且全部被电容吸收，并转换为电场能。当电流增加时，电容电压减小，电容释放的电场能 W_C＝0.5Cu²减小，且全部被电感吸收，并转换为磁场能量。能量在电感和电容之间的往复交换，形成电流正弦振荡，如图3(a)所示，振荡频率由L和C来决定，即

如图2(b)所示，在t1时间内，半桥电路上桥臂301导通,下桥臂302关断，回路一工作，直流电源给蓄电装置充电，电路流经蓄电装置的交流阻抗实部产生热量从内部加热，同时电感L和电容C之间进行如前所述的能量交换，且由于谐振作用能量和保持不变；在t2时间内，半桥电路上桥臂301关断,下桥臂302导通，蓄电装置放电，电流流经自身的交流阻抗实部产生热量从内部加热，同时电感L和电容C之间进行能量交换，且由于谐振作用能量和保持不变。

图3(a)示出了蓄电装置随上桥臂和下桥臂通断的电流变化特性，当LC谐振电路工作时，经过很短时间从直流电源中获取能量逐渐使L、C逐渐达到储能平衡，当平衡后在 LC电路中产生谐振，电流波形呈现标准的正弦波。

图3(b)示出了LC谐振单元储能平衡后，一个周期内蓄电装置端电压和电流变化特性，其中电流呈标准正弦波，端电压为蓄电装置电动势基础上叠加一个呈正弦波形的电压，该正弦波形的电压为蓄电装置交流阻抗实部与流经的正弦电流作用的结果，端电压变化范围应满足蓄电装置电压允许范围。

正弦交流电流经蓄电装置时，蓄电装置交流阻抗实部的生热率公式如下：

式中Z_Re为蓄电装置交流阻抗实部值，与蓄电装置环境温度、交流电作用的频率有关， A为交流电的电流幅值，上述公式表明生热率与交流阻抗实部值成正比，与交流电电流幅值的平方成正比，交流电电流幅值变化的影响大于交流阻抗实部值变化的影响。

以蓄电装置是锂电池为例，图4(a)示某低温环境不同频率的正弦交流电作用电池时，电池内部交流阻抗实部变化特性，可见交流阻抗实部值随着交流电频率的增加而减小，一般较低频率(10Hz以下)具有较大交流阻抗实部。而LC谐振加热回路的振荡频率完全由L和C来决定，当L和C参数选定后，交流电的频率被确定，即交流阻抗实部值被确定，所以为了在低温下达到更好的加热效果，优先从低频角度选配L和C参数值，即在允许条件下，尽可能较低频率地选配L和C参数值；图4(b)为电池组在某一频率下不同温度对应的交流阻抗实部的变化特性，可见交流阻抗实部值随着温度降低而增加。图4(c)通过实验示出了电池组在某一低温环境下相同频率、不同电流幅值的动力电池温升特性，表明电池在低温条件通过改变交流电电流幅值可获得不同的加热效果，交流电电流幅值越大，加热效果越好。

因此，基于图4(a)至图4(c)的分析，加热回路中半桥电路开关频率fs优选采用LC谐振频率f₀,以达到较大正弦交流电幅值实现快速加热，进而实现蓄电装置和电池快速升温，但前提是蓄电装置的电压变化范围应在允许范围内。

图5示出半桥电路开关频率fs与谐振加热回路产生的电流幅值的关系，其中f₀为LC谐振频率，可见当半桥电路开关频率fs等于LC谐振频率f₀时，谐振加热回路电流幅值最大。

图6给出了基于LC谐振进行加热的电源系统控制流程，具体方法如下：加热控制系统根据车用电池中温度、端电压和SOC信息，判断是否需要进行加热，若进行加热，加热控制系统控制功率电子开关，使谐振加热回路投入工作；接着加热控制系统确定谐振加热回路半桥开关频率，控制半桥电路的上、下桥臂按照确定的加热回路开关频率交替导通和关断,此时优选半桥电路开关频率fs等于LC谐振频率f₀，以较大幅值的工作电流实现快速加热，由直流电源、LC谐振单元以及蓄电装置之间完成能量转换，产生正弦交流电流，流经蓄电装置内部交流阻抗实部产生热量实现低温内部加热。

如果动力电池组SOC在允许范围内，而端电压超出第一允许范围，执行偏离振荡频率f₀以降低交流电幅值来继续加热，此时谐振加热回路工作电流的幅值以动力电池组端电压、SOC和温度为判断依据；本领域技术人员基于蓄电池参数、充放电特性以及使用要求确定交流电幅值。

若电池组端电压进一步超出第二允许范围，所述第一允许范围在第二允许范围之内，即所述第二范围包含第一范围，或者电池组SOC超出允许范围，或者电池组温度达到加热所期望的温度，则加热控制系统控制功率电子开关，停止加热；本领域技术人员基于蓄电池参数、充放电特性以及使用要求确定交流电幅值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (8)

1.一种基于LC谐振进行加热的蓄电装置加热方法，包括直流电源、LC谐振单元、开关装置和蓄电装置，所述蓄电装置具有交流阻抗实部；所述LC谐振单元包括电容和电感；

所述开关装置实现能量在所述直流电源和所述LC谐振单元、蓄电装置之间往复流动，产生正弦交流电流；所述正弦交流电流经所述蓄电装置的所述交流阻抗实部产生热量实现所述加热；

所述方法包括如下步骤：

a)采集蓄电装置中温度、端电压和SOC信息,判断是否需要进行加热；

b)若上述判断需要进行加热，则使LC谐振单元工作；

c)若蓄电装置的SOC和端电压在允许范围内，控制所述开关装置的开关频等于LC谐振单元的谐振频率，以最大交流电幅值的工作电流实现快速加热；

d)如果蓄电装置SOC在允许范围内，而蓄电装置端电压超出第一允许范围，执行所述开关频率偏离所述LC谐振单元的谐振频率，以降低交流电幅值来继续加热；

e)若电池组端电压进一步超出第二允许范围，所述第二允许值范围包含第一允许范围，或者蓄电装置SOC超出允许范围，或者蓄电装置温度达到加热所期望的温度，则闭合功率电子开关，停止加热。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述开关装置是具有上下桥臂的半桥，所述上下桥臂分时通断，通过控制所述开关装置的开关频率，控制所述正弦交流电流大小。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述能量的所述往复流动通过两个工作回路分时工作，通过开关装置中的上下桥臂控制所述两个工作回路交替导通和关断，所述工作回路一由直流电源、上桥臂、LC谐振单元和蓄电装置串联组成；所述工作回路二由蓄电装置、LC谐振单元、下桥臂串联组成。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括功率电子开关，所述功率电子开关并联在LC谐振单元两端，若功率电子开关闭合，LC谐振单元无法工作，若功率电子开关断开，LC谐振单元参与工作。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括加热控制系统，所述加热控制系统收集蓄电装置电流、电压和SOC信息，判断是否需要进行加热，并控制开关装置和功率电子开关状态。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：选配L和C参数值使LC谐振单元的振荡频率接近低温环境中所述蓄电装置交流阻抗实部较大时对应的频率。

7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤d)中所述交流电幅值以蓄电装置端电压、SOC和温度为判断依据。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述蓄电装置为车用动力电池组。