CN113206324B - 一种动力电池加热噪声优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本方案涉及一种动力电池加热噪声优化方法及装置，以降低电池加热过程中噪声的声压级和尖锐度，改善电池加热噪声的声品质。该动力电池加热噪声优化方法包括：选取使IGBT输出脉冲电流的基础定频开关频率；选取使IGBT输出的脉冲电流幅值最优的频率带宽；基于基础定频开关频率和频率带宽，生成随机变频开关频率；将随机变频开关频率输出至IGBT，使IGBT按照随机变频开关频率进行脉冲电流输出，以对动力电池进行脉冲加热，使动力电池加热速率最高且动力电池加热过程中所产生的噪声声压级和噪声尖锐度均满足预设的噪声优化要求；随机变频开关频率的频率值位于基础定频开关频率和目标定频开关频率所形成的频率范围内。

Description

一种动力电池加热噪声优化方法及装置

技术领域

本发明属于NVH噪声控制优化的领域，具体涉及一种动力电池加热噪声优化方法及装置。

背景技术

新能源汽车电池主要是锂电池，在低温环境下锂电池电解质移动变慢，从而影响锂离子在正负极之间的转移活性，导致锂电池充放电性能下降。其中以磷酸铁锂电池在低温下的充放电性能表现最差，磷酸铁锂电池的工作温度一般要求在-20℃以上，在-20℃以下磷酸铁锂电池的充放电性能严重受限。因此在-20℃以下的低温环境中，为保持电池的充放电性能，需对电池进行加热。

电池加热的方法分为外部加热法、内部加热法。外部加热法是先对电池外部的导热介质进行加热，然后通过导热介质的热传导对电池进行加热。外部加热法有循环液体加热、电热板加热，例如通过电机堵转加热循环水，再通过循环水对电池进行加热以及电池的PTC薄膜加热等。但外部加热法存在结构复杂、温升均匀性较差的缺点。

内部加热法是利用大电流通过电池内阻产生的焦耳热来对电池进行加热。内部加热法主要有充电加热、放电加热、交流加热，内部加热法的结构相对简单、加热速度和温升均匀性都较好。采用充、放电加热方法对电池进行加热的过程中，大幅值的直流电流易导致锂离子电池负极的石墨产生“锂沉积”，造成电池寿命快速衰减；采用交流加热方法对电池进行加热的过程中，只要保证交流电流的频率足够高，电池的寿命就不会受影响。因此，电池内部加热主要采用高频交流电流加热的方法。

在新能源汽车动力锂电池和电机组成的高压系统中，低温下锂电池的内阻变大，可以利用电机的电感特性，通过快速开关IGBT，让整个高压回路产生高频的交流脉冲电流，交流电流的频率是IGBT开关频率的二分之一。高频的交流脉冲电流通过电池内阻产生的焦耳热可以对电池电芯进行加热，从而提高低温下动力锂电池的充放电性能。在实际的应用过程中，为得到良好的电池加热性能，就需要大幅值的交流电流。然而在电机总成的高压系统中，除电机线圈外，还有一些滤波电容和电感等电子原件。在大幅值交流电流的激励下，这些电机线圈、滤波电容和电感等电子原件会产生振动，造成电机总成发出高频尖锐刺耳的噪声，这些尖锐刺耳的噪声会严重影响车内外驾乘人员的主观感受。

发明内容

本发明的目的是提供一种动力电池加热噪声优化方法及装置，以降低电池加热过程中噪声的声压级和尖锐度，改善电池加热噪声的声品质，提高。

本发明的技术方案为：

本发明实施例提供了一种动力电池加热噪声优化方法，包括：

选取使IGBT输出脉冲电流的基础定频开关频率；

选取使IGBT输出的脉冲电流幅值最优的频率带宽；

基于所述基础定频开关频率和所述频率带宽，生成随机变频开关频率；

将所述随机变频开关频率输出至IGBT，使IGBT按照所述随机变频开关频率进行脉冲电流输出，以对动力电池进行脉冲加热，使动力电池加热速率最高且动力电池加热过程中所产生的噪声声压级和噪声尖锐度均满足预设的噪声优化要求；

其中，所述随机变频开关频率的频率值位于所述基础定频开关频率和目标定频开关频率所形成的频率范围内，所述目标定频开关频率为所述基础定频开关频率和所述频率带宽的和。

其中，选取使IGBT输出脉冲电流的基础定频开关频率的步骤包括：

基于预先实验获得的动力电池寿命、动力电池加热速率和基础定频开关频率的预定对应关系，先筛选出使动力电池寿命处于可接受范围内的一个或多个基础定频开关频率；

再从筛选出的一个或多个基础定频开关频率中选取动力电池加热速率最高的其中一个基础定频开关频率作为使IGBT输出脉冲电流的基础定频开关频率。

其中，选取使IGBT输出的脉冲电流幅值最优的频率带宽的步骤包括：

基于预先实验获得的IGBT输出的脉冲电流幅值和频率带宽的预定关系，选取出使IGBT输出的脉冲电流幅值最优的频率带宽。

其中，基于所述基础定频开关频率和所述频率带宽，生成随机变频开关频率的步骤包括：

将所述基础定频开关频率和所述频率带宽输出预设的第一随机函数中，第一随机函数依次随机生成多个随机开关频率；

将所述基础开关频率和各所述随机开关频率依次相加，得到所述随机变频开关频率。

其中，所述第一随机函数为RAND()函数。

其中，基于所述基础定频开关频率和所述频率带宽，生成所述随机变频开关频率的步骤包括：

将所述基础开关频率和所述频率带宽相加，得到目标定频开关频率；

使用预设的第二随机函数，从所述基础定频开关频率和所述目标定频开关频率所形成的频率范围内随机取值形成所述随机变频开关频率。

其中，所述第二随机函数为RANDBETWEEN()函数。

本发明实施例还提供了一种动力电池加热噪声优化装置，包括：

第一选取模块，用于选取使IGBT输出脉冲电流的基础定频开关频率；

第二选取模块，用于选取使IGBT输出的脉冲电流幅值最优的频率带宽；

生成模块，用于基于所述基础定频开关频率和所述频率带宽，生成随机变频开关频率；

输出模块，用于将所述随机变频开关频率输出至IGBT，使IGBT按照所述随机变频开关频率进行脉冲电流输出，以对动力电池进行脉冲加热，使动力电池加热速率最高且动力电池加热过程中所产生的噪声声压级和噪声尖锐度均满足预设的噪声优化要求；

其中，所述随机变频开关频率的频率值位于所述基础定频开关频率和目标定频开关频率所形成的频率范围内，所述目标定频开关频率为所述基础定频开关频率和所述频率带宽的和。

本发明的有益效果为：

通过将IGBT输出的脉冲电流的频率由定频方式改成变频方式：定频方式下，电池加热噪声频率表现为单频及其倍频特征且单频能量分布较高，不容易被背景噪声掩蔽，电池加热噪声比较尖锐刺耳，导致用户不能接受；变频方式下，电池加热噪声频率表现为随机特征且能量分布较均匀，容易被掩蔽，电池加热噪声容易被接受。同时，结合动力电池的加热速率和电池的寿命影响选择合适的随机变频开关频率，使得IGBT按照该随机变频开关频率输出的脉冲电流所产生的噪音的尖锐度和声压级都位于人体可接受范围内，以此达到噪声优化的效果。

附图说明

图1-1为IGBT以定频频率输出脉冲电流为动力电池加热时的噪声频谱分析图；

图1-2为IGBT以定频频率输出脉冲电流为动力电池加热时的电流频谱分析图；

图2-1为不同基础开关频率与动力电池的加热速率之间的对应关系图；

图2-2为在1300HZ基础开关频率下，不同频率带宽与脉冲电流的幅值的对应关系图；

图2-3为频率带宽为500HZ时，通过第一随机函数生成的随机开关频率与时间的关系图；

图2-4为基于随机开关频率和基础开关频率生成的最终开关频率和时间的关系图；

图3-1为电池加热噪声频谱在优化前后的对比图；

图3-2为脉冲电流频谱在优化前后的对比图。

图4-1为电池加热电池近场声压级在优化前后结果对比图；

图4-2为电池加热电池近场尖锐度在优化前后结果对比图；

图5为本发明方法的流程示意图之一；

图6为本发明方法的流程示意图之二。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1-1和图1-2，发明人经过试验对电池加热噪声进行频谱分析，发现噪声频谱表现为定频及其倍频特征，同时噪声频谱与交流电流的频谱又相互呼应，二交流电流的频谱也表现为定频及其倍频特征，交流电流的频谱特征又与IGBT开关频率的控制策略息息相关。因此，发明人认定，要优化电池加热过程中所产生的噪声就需要对IGBT定频开关频率的控制策略进行优化。

本发明所述的一种优化电池加热噪声的控制策略是指将IGBT开关频率由定频优化为随机变频的控制策略，如图5和6，本实施例中实现电池加热噪声优化的具体步骤包括：

步骤1，对IGBT待输出的脉冲电流的基础定频开关频率进行确定。

由于动力电池的温度越低，其放电性能就会越差；相对地，动力电池对加热的需求也会越高，所需要加热的脉冲交流电流的需求幅值越大。而脉冲交流电流的幅值则与IGBT的基础定频开关频率强相关，具体来说，IGBT输出的脉冲电流的基础定频开关频率越低，脉冲交流电流的有效值越大，电池的加热性能也越好。

发明人通过在不同IGBT开关频率下进行电池加热性能测试（经试验，为满足动力电池寿命不受影响，本实施例中，进行电池加热性能测试时的IGBT开关频率从1300Hz开始进行测试，因为1300Hz以下的开关频率会导致动力电池的寿命受到影响，通过预先实验，可以先确定出电池寿命影响位于可接受范围内的初始频率范围），制定出IGBT的基础定频开关频率与加热速率的关联图（如图2-1）。从图2-1中可以看出，随着IGBT开关的基础定频开关频率逐渐上升，动力电池的加热速度也越来越差。并且，在本实施例中，在1300Hz的基础定频开关频率下，动力电池的加热速率最快。因此，本实施例中，为使对动力电池的脉冲加热达到最优的加热性能，初定IGBT的基础定频开关频率为1300Hz。

本实施例中，针对不同型号的动力电池，进行基础定频开关频率选择的具体步骤为：基于预先试验得到关于该动力电池的电池寿命、电池加热速率与IGBT的基础定频开关频率的预定关系表，先选择使电池寿命位于可接受范围内的一个或多个基础定频开关频率，再从所选择的一个或多个基础定频开关频率中选择出使动力电池的加热速率最优的其中一个基础定频开关频率。

但经过试验发现，在IGBT持续使用1300Hz的基础定频开关频率输出脉冲电流为动力电池加热的条件下，动力电池加热过程中所产生的噪声非常尖锐刺耳，导致用户体验较差，因此需对加热过程中所产生的噪声进行优化。

发明人经过多次试验发现，在对动力电池进行脉冲加热的过程中，将IGBT输出的脉冲电流的频率由定频改定为变频的形式，能够使最终测得的噪声声品质参数大幅度下降。为此，本实施例中提供几种实现使IGBT输出的脉冲电流改定为变频形式的手段。

为实现使IGBT输出的脉冲电流的频率为随机变频的方式。

本实施例中，需要先执行步骤2，选取使IGBT输出的脉冲电流幅值最优的频率带宽。此过程中，对于该频率带宽的具体参数的选择是基于不同带宽的随机开关频率和IGBT输出的脉冲电流幅值的对应关系图进行确定的，将选择使脉冲电流幅值最大的频率带宽作为本实施例中所需的频率带宽。

例如，通过在1300Hz的基础定频开关频率的基础上增加不同频率带宽的随机开关频率，对不同频率带宽的随机开关频率下的脉冲电流进行测试，制定出不同带宽的随机开关频率与脉冲电流的幅值的关联图（如图2-2）。从关联图2-2中可以看出，本实施例中，使动力电池具有最优加热性能的随机开关频率的频率带宽为500Hz。

进一步地，需要计算出本实施例中所需要的输出给IGBT的随机变频开关频率。

如图5，在其中一种实现方式中，本实施例中的该方法包括：

步骤311、生成一定频率带宽的随机开关频率。

具体来说，利用第一随机函数（如RAND()函数）生成一定频率带宽的随机开关频率。该随机开关频率为该第一随机函数的输出值，通过将上述的基础开关频率和上述的频率带宽输入到第一随机函数中，由第一随机函数随机生成本实施例中所需的随机开关频率。

经过该步骤3后，即可得到如图3所示的随机开关频率。

步骤312、得到优化后的随机变频开关频率。

具体来说，本实施例中，随机变频开关频率是综合步骤1中选取的基础定频开关频率和步骤2中求解得到的随机开关频率相叠加得到，得到最终的IGBT所需的随机变频开关频率。最终的IGBT所需的随机变频开关频率=基础定频开关频率+RAND()*带宽。如图2-4，本实施例中，综合考虑动力电池的加热性能要保持最优的需求，最终的随机变频开关频率为1300Hz~1800Hz的随机频率。

如图6，本实施例中，还提供了另外一种实现手段：

步骤321，将所述基础开关频率和所述频率带宽相加，得到目标定频开关频率。

该目标定频开关频率为所述基础定频开关频率和所述频率带宽的和。

步骤323，使用预设的第二随机函数（如RANDBETWEEN()函数），从所述基础定频开关频率和所述目标定频开关频率所形成的频率范围内随机取值形成所述随机变频开关频率。

经过第二随机函数随机取值生成的随机变频开关频率的频率值位于所述基础定频开关频率和目标定频开关频率所形成的频率范围内。本实施例中，该随机变频开关频率的频率值位于1300HZ（基础定频开关频率）至1800HZ（目标定频开关频率）之间。

最后，将执行步骤4，将步骤312或步骤322得到的随机变频开关频率输出至IGBT，使IGBT按照所述随机变频开关频率进行脉冲电流输出，以对动力电池进行脉冲加热，使动力电池加热速率最高且动力电池加热过程中所产生的噪声声压级和噪声尖锐度均满足预设的噪声优化要求。

为了论证上述控制IGBT输出的脉冲电流的频率为随机变频手段的有效性，发明人对优化前的基础定频开关频率下的动力电池加热噪声和优化后的随机变频开关频率下的动力电池加热噪声进行了主观评价和客观测试，主观评价发现，IGBT使用随机变频开关频率输出的脉冲电流给动力电池加热后，动力电池加热的噪声无尖锐刺耳感，位于人体可接受范围内。如图3-1和图3-2，经过分析比对，噪声频谱特征从优化前的定频尖峰特征变为随机变频的平缓特征，同时，脉冲电流的频谱特征从优化前定频的尖峰特征也变为优化后随机变频的平缓特征；同时，如图4-1和图4-2，电机近场噪声下降10dB(A),尖锐度下降40%，电机近场的噪声声压级和电机近场的噪声尖锐度值均有大幅降低，噪声优化效果明显。

上述实施例只对其中一些本发明的一个或多个实施例进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (8)

1.一种动力电池加热噪声优化方法，其特征在于，包括：

选取使IGBT输出脉冲电流的基础定频开关频率；

选取使IGBT输出的脉冲电流幅值最优的频率带宽；

基于所述基础定频开关频率和所述频率带宽，生成随机变频开关频率；

将所述随机变频开关频率输出至IGBT，使IGBT按照所述随机变频开关频率进行脉冲电流输出，以对动力电池进行脉冲加热，使动力电池加热速率最高且动力电池加热过程中所产生的噪声声压级和噪声尖锐度均满足预设的噪声优化要求；

其中，所述随机变频开关频率的频率值位于所述基础定频开关频率和目标定频开关频率所形成的频率范围内，所述目标定频开关频率为所述基础定频开关频率和所述频率带宽的和。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选取使IGBT输出脉冲电流的基础定频开关频率的步骤包括：

基于预先实验获得的动力电池寿命、动力电池加热速率和基础定频开关频率的预定对应关系，先筛选出使动力电池寿命处于可接受范围内的一个或多个基础定频开关频率；

再从筛选出的一个或多个基础定频开关频率中选取动力电池加热速率最高的其中一个基础定频开关频率作为使IGBT输出脉冲电流的基础定频开关频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选取使IGBT输出的脉冲电流幅值最优的频率带宽的步骤包括：

基于预先实验获得的IGBT输出的脉冲电流幅值和频率带宽的预定关系，选取出使IGBT输出的脉冲电流幅值最优的频率带宽。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述基础定频开关频率和所述频率带宽，生成随机变频开关频率的步骤包括：

将所述基础定频开关频率和所述频率带宽输出预设的第一随机函数中，第一随机函数依次随机生成多个随机开关频率；

将所述基础开关频率和各所述随机开关频率依次相加，得到所述随机变频开关频率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一随机函数为RAND()函数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述基础定频开关频率和所述频率带宽，生成所述随机变频开关频率的步骤包括：

将所述基础开关频率和所述频率带宽相加，得到目标定频开关频率；

使用预设的第二随机函数，从所述基础定频开关频率和所述目标定频开关频率所形成的频率范围内随机取值形成所述随机变频开关频率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二随机函数为RANDBETWEEN()函数。

8.一种动力电池加热噪声优化装置，其特征在于，包括：

第一选取模块，用于选取使IGBT输出脉冲电流的基础定频开关频率；

第二选取模块，用于选取使IGBT输出的脉冲电流幅值最优的频率带宽；

生成模块，用于基于所述基础定频开关频率和所述频率带宽，生成随机变频开关频率；

输出模块，用于将所述随机变频开关频率输出至IGBT，使IGBT按照所述随机变频开关频率进行脉冲电流输出，以对动力电池进行脉冲加热，使动力电池加热速率最高且动力电池加热过程中所产生的噪声声压级和噪声尖锐度均满足预设的噪声优化要求；

其中，所述随机变频开关频率的频率值位于所述基础定频开关频率和目标定频开关频率所形成的频率范围内，所述目标定频开关频率为所述基础定频开关频率和所述频率带宽的和。

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