CN218640706U - 一种基于分组电池的加热电路及电动车辆 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种基于分组电池的加热电路及电动车辆，涉及动力电池技术领域。该基于分组电池的加热电路包括电池机构组、分路继电器组、逆变桥机构和驱动电机；所述电池机构组包括多组电池机构，所述分路继电器组包括多个分路继电器，所述多组电池机构并联，所述电池机构的数量与所述分路继电器的数量相同，每个所述电池机构与对应的所述分路继电器串联；所述逆变桥机构的一端连接所述电池机构的正极，所述逆变桥机构的另一端连接所述电池机构的负极；所述驱动电机与所述逆变桥机构连接。该基于分组电池的加热电路可以实现提高电池加热效率的技术效果。

Description

一种基于分组电池的加热电路及电动车辆

技术领域

本申请涉及动力电池技术领域，具体而言，涉及一种基于分组电池的加热电路及电动车辆。

背景技术

目前，新能源汽车中的电动汽车(BEV，battery electric vehicle)是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，工作原理为动力电池——电力调节器——电动机——动力传动系统——驱动汽车行驶，其中动力电池为主要部件之一。

现有技术中，电动汽车的动力电池低温性能差，因此需要设法在低温下提高电池温度。现有的不增加额外成本的加热技术，即“电池自加热”技术，原理是利用电机控制器对驱动电机定子绕组充电储能，然后再放电释能，如此反复，从而引起电池反复充放电，利用充放电电流加热电池内阻而生热。电池自加热技术中，流入电池的交流电流大小，主要和电机绕组的储能大小、储能释能的频率，以及高压母线上的直流支撑电容、电路中的寄生电感、电池内部的欧姆电阻大小有关。因为电池内阻很小，为了获得足够的加热功率，就需要设法在直流母线上产生很大的交流电流，而如此大的交流电流会迅速加热电机绕组、连接导体、母线支撑电容、电池包和逆变器之间的高压线束，从而因为这些零部件的温升而制约电池包的加热效果。

实用新型内容

本申请实施例的目的在于提供一种基于分组电池的加热电路及电动车辆，可以实现提高电池加热效率的技术效果。

第一方面，本申请实施例提供了一种基于分组电池的加热电路，包括电池机构组、分路继电器组、逆变桥机构和驱动电机；

所述电池机构组包括多组电池机构，所述分路继电器组包括多个分路继电器，所述多组电池机构并联，所述电池机构的数量与所述分路继电器的数量相同，每个所述电池机构与对应的所述分路继电器串联；

所述逆变桥机构的一端连接所述电池机构的正极，所述逆变桥机构的另一端连接所述电池机构的负极；

所述驱动电机与所述逆变桥机构连接。

在上述实现过程中，该基于分组电池的加热电路通过将电池进行分组，分为多组电池机构，每组电池机构串联一个分路继电器，从而对每组电池机构的电路通断均可以进行单独控制，根据电池的热惯性时间，可以对每组电池机构的接通时间、循环周期进行控制，进而有效提高电池包的发热功率；从而，该基于分组电池的加热电路可以实现提高电池加热效率的技术效果。

进一步地，所述逆变桥机构包括三组半桥机构，所述三组半桥机构并联，所述半桥机构的一端连接所述电池机构的正极，所述半桥机构的另一端连接所述电池机构的负极。

进一步地，所述半桥机构包括两个半导体功率开关管，所述两个半导体功率开关管串联。

进一步地，所述半导体功率开关管为绝缘栅双极型晶体管。

进一步地，所述半导体功率开关管为场效应管。

进一步地，所述驱动电机为三相电机，所述三相电机的三相线缆分别连接所述三组半桥机构。

进一步地，所述加热电路还包括直流母线电容，所述直流母线电容的一端连接所述电池机构的正极，所述直流母线电容的另一端连接所述电池机构的负极。

进一步地，所述加热电路还包括总路继电器，所述总路继电器与所述电池机构组串联。

在上述实现过程中，通过一个总路继电器控制电池机构组中各个电池机构的通断。

进一步地，所述多组电池机构的参数相同。

第二方面，本申请实施例提供了一种电动车辆，包括第一方面任一项所述的基于分组电池的加热电路。

本申请公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本申请公开的上述技术即可得知。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的基于分组电池的加热电路的电路示意图；

图2为本申请实施例提供的电池未分组的加热电路的电路示意图；

图3为本申请实施例提供的电池未分组的加热电路的简化示意图；

图4为本申请实施例提供的发热功率比和分组数之间的关系的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

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定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本申请实施例提供了一种基于分组电池的加热电路及电动车辆，可以应用于车辆动力电池的自加热场景中；该基于分组电池的加热电路通过将电池进行分组，分为多组电池机构，每组电池机构串联一个分路继电器，从而对每组电池机构的电路通断均可以进行单独控制，根据电池的热惯性时间，可以对每组电池机构的接通时间、循环周期进行控制，进而有效提高电池包的发热功率；从而，该基于分组电池的加热电路可以实现提高电池加热效率的技术效果。

请参见图1，图1为本申请实施例提供的基于分组电池的加热电路的电路示意图，该基于分组电池的加热电路包括电池机构组100、分路继电器组200、逆变桥机构300和驱动电机400。

示例性地，电池机构组100包括多组电池机构，分路继电器组200包括多个分路继电器，多组电池机构并联，电池机构的数量与分路继电器的数量相同，每个电池机构与对应的分路继电器串联。

在一些实施方式中(如图1所示)，以电池机构组100包括三组电池机构U1～U3为例，三组电池机构U1～U3并联；分路继电器组200同样包括三组分路继电器Kp1～Kp3，其中电池机构U1与分路继电器Kp1串联、其中电池机构U2与分路继电器Kp2串联、其中电池机构U3与分路继电器Kp3串联。

示例性地，逆变桥机构300的一端连接电池机构的正极，逆变桥机构300的另一端连接电池机构的负极。

示例性地，逆变桥机构300构成逆变器的主要结构；其中，逆变器是把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成定频定压或调频调压交流电的转换器。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。在本申请实施例中，逆变桥机构300可以将电池机构组100的直流电压转换成交流电压。

示例性地，驱动电机400与逆变桥机构300连接。

示例性地，在电池机构的电路接通并加热，该电池机构断电后的温度下降至加热前水平的时间，在本申请中称为电池的热惯性时间。

在一些实施方式中，该基于分组电池的加热电路通过将电池进行分组，分为多组电池机构，每组电池机构串联一个分路继电器，从而对每组电池机构的电路通断均可以进行单独控制，根据电池的热惯性时间，可以对每组电池机构的接通时间、循环周期进行控制，进而有效提高电池包的发热功率；从而，该基于分组电池的加热电路可以实现提高电池加热效率的技术效果。

示例性地，逆变桥机构300包括三组半桥机构，三组半桥机构并联，半桥机构的一端连接电池机构的正极，半桥机构的另一端连接电池机构的负极。

示例性地，逆变桥机构300设置三组半桥机构，作为三相逆变器与电池机构的、驱动电机400连接。

示例性地，半桥机构包括两个半导体功率开关管，两个半导体功率开关管串联。

示例性地，每个半桥机构包括两个半导体功率开关管，驱动电机400的电缆连接在半桥机构的两个半导体功率开关管之间。

示例性地，半导体功率开关管为绝缘栅双极型晶体管。

示例性地，绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulate-Gate Bipolar Transistor)综合了电力晶体管(GTR，Giant Transistor)和电力场效应晶体管(Power MOSFET)的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛；IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。IGBT是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。

示例性地，半导体功率开关管为场效应管。

示例性地，驱动电机400为三相电机，三相电机的三相线缆分别连接三组半桥机构。

示例性地，加热电路还包括直流母线电容Cdc，直流母线电容Cdc的一端连接电池机构的正极，直流母线电容Cdc的另一端连接电池机构的负极。

示例性地，加热电路还包括总路继电器Kn，总路继电器Kn与电池机构组100串联。

示例性地，通过一个总路继电器Kn控制电池机构组100中各个电池机构的通断。

在一些实施方式中，总路继电器Kn为负极继电器，则分路继电器为正极继电器；可选地，总路继电器Kn为正极继电器，则分路继电器为负极继电器；在本申请实施例中，总路继电器Kn、分路继电器的正负极性可以相互调换。

示例性地，多组电池机构的参数相同。

示例性地，本申请实施例提供了一种电动车辆，包括如图1所示的基于分组电池的加热电路。

请参见图2和图3，图2为本申请实施例提供的电池未分组的加热电路的电路示意图，图3为本申请实施例提供的电池未分组的加热电路的简化示意图，图2和图3对应。

示例性地，图2所示的电池未分组的加热电路中，电池机构组100通过分路继电器Kp和总路继电器Kn连接到高压直流母线上；逆变桥机构300(包括直流母线电容Cdc，功率开关管Q1～Q6组成的三相逆变桥)连接在直流母线上，并连接驱动电机400。

示例性地，当需要加热电池时，闭合分路继电器Kp、总路继电器Kn，逆变桥机构300在程序控制下，控制驱动电机400的绕组电流变化，使得驱动电机400绕组以一定的频率反复充电放电，从而在直流母线上激发交流电流。其简化电路如图3所示。

示例性地，若设驱动电机400绕组按照频率fac为周期进行充放电，储能变化量(最大储能-最小储能)为ΔQ，那么其充放电功率为：

假设直流母线电容Cdc两端电压变化不大，则有：

按照有效值计算，则有：

可见，f_ac必须足够大，才能产生足够的交流电流。

考虑电容直流母线电容Cdc的滤波作用，则流入电池的有效加热电流有效值为：

可见，f_ac又不能太大，否则交流电流会被直流母线电容Cdc旁路掉而不怎么流入电池，从而影响加热效果。

电池内阻的发热功率为：

容易看到，I_ac电流和电池内阻没有直接关系。

而电池加热功率则随着R_bat的变化存在一个最大值。

对应的最优R_bat为：

一般来说，实际电池包欧姆内阻R_bat远远小于R_bat*。以典型纯电汽车为例，电池欧姆内阻约为20mΩ的量级，直流母线电容Cdc为600uF，交变电流频率为1kHz～3kHz，可以算得：

此时电池加热功率公式可以简化为：

在R_bat<R_bat*的时候，R_bat越大，则加热功率P_bat越大。因此设法增加电池欧姆内阻，可以增大电池发热效果，相应地可以降低对电机振荡电流I_ac的需求，从而降低电机、逆变器、线缆的发热。

示例性地，本申请实施例提供的基于分组电池的加热电路如图1所示；相比电池未分组的电池电路，此处将电池分成相互之间一致的多组(此处为三组)，各组电池的正极分别通过一个分路继电器连接直流母线正极。

在一些实施方式中，本申请实施例提供的基于分组电池的加热电路的控制方法流程示例如下：

1)车辆下电的时候，所有继电器(Kn，Kp1，Kp2，Kp3)全部断开；

2)车辆正常行车状态下，所有继电器(Kn，Kp1，Kp2，Kp3)全部闭合；

2.1)在需要加热的时候，每次只闭合一个分路继电器，只把一组电池机构连接到直流母线。当第k组电池机构加热到所需温度后，再切换为第(k+1)组电池连接直流母线，如此循环往复。从第一个分组到最后一个分组，一次循环的周期，应当比电池的热惯性时间要小。比如电池分组的热惯性时间参数是20min(20min温升衰减为初始值的1/e)，则循环的周期可以设计为6min，对于上述3分组来说，每个分组加热时间为2min；

若整包电池欧姆内阻为R_bat(即所有正极继电器闭合，所有电池组并联在一起的整体电阻)，那么每一组电池分支的内阻为n*R_bat，其中n为分组数。由上述的电路分析可知，合理的分组情况下，可以有效提高电池包的发热功率。由上述公式可推得分组数和加热功率倍数之间的关系：

虽然此时电池机构不再是同时发热，但是每个瞬间的整包瞬时发热功率可以变为常规方案的数倍。由于采用了循环往复的方式让电池分组轮流加热，而电池自身热容很大热惯性时间很长，因此最终电池包会被加热到基本一直的温度。

请参见图4，图4为本申请实施例提供的发热功率比和分组数之间的关系的示意图。

在一些实施场景中，以典型纯电车动力系统为例，假设f_ac＝2kHz，Cdc＝600uF，R_bat＝0.02Ω，那么分组数和电池加热功率倍数的关系如图4所示。可见，通过合理分组可以让发热功率成倍增加，这反过来意味着，相同的电池包发热功率下，电机、逆变器、电缆的发热功率可以成比例减小。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。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定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种基于分组电池的加热电路，其特征在于，包括电池机构组、分路继电器组、逆变桥机构和驱动电机；

所述电池机构组包括多组电池机构，所述分路继电器组包括多个分路继电器，所述多组电池机构并联，所述电池机构的数量与所述分路继电器的数量相同，每个所述电池机构与对应的所述分路继电器串联；

所述逆变桥机构的一端连接所述电池机构的正极，所述逆变桥机构的另一端连接所述电池机构的负极；

所述驱动电机与所述逆变桥机构连接。

2.根据权利要求1所述的基于分组电池的加热电路，其特征在于，所述逆变桥机构包括三组半桥机构，所述三组半桥机构并联，所述半桥机构的一端连接所述电池机构的正极，所述半桥机构的另一端连接所述电池机构的负极。

3.根据权利要求2所述的基于分组电池的加热电路，其特征在于，所述半桥机构包括两个半导体功率开关管，所述两个半导体功率开关管串联。

4.根据权利要求3所述的基于分组电池的加热电路，其特征在于，所述半导体功率开关管为绝缘栅双极型晶体管。

5.根据权利要求3所述的基于分组电池的加热电路，其特征在于，所述半导体功率开关管为场效应管。

6.根据权利要求2所述的基于分组电池的加热电路，其特征在于，所述驱动电机为三相电机，所述三相电机的三相线缆分别连接所述三组半桥机构。

7.根据权利要求1所述的基于分组电池的加热电路，其特征在于，所述加热电路还包括直流母线电容，所述直流母线电容的一端连接所述电池机构的正极，所述直流母线电容的另一端连接所述电池机构的负极。

8.根据权利要求1所述的基于分组电池的加热电路，其特征在于，所述加热电路还包括总路继电器，所述总路继电器与所述电池机构组串联。

9.根据权利要求1所述的基于分组电池的加热电路，其特征在于，所述多组电池机构的参数相同。

10.一种电动车辆，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的基于分组电池的加热电路。

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