具有电池预加热功能的车用电机系统及控制方法与流程

1.本公开涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种具有电池预加热功能的车用电机系统及控制方法。


背景技术：

2.在低温状态下，特别是在北方的冬天，车用电池活性降低，导致纯电动汽车续航里程严重缩水且动力输出不足，影响驾车体验。因此，在车辆启动前的驻车状态下通常会给电池组进行预加热，使电池的温度快速从-20～-30摄氏度快速升温到20摄氏度左右的最佳状态，消除低温环境对电池引起的负面效应。


技术实现要素：

3.本公开提供一种具有电池预加热功能的车用电机系统，以解决相关技术的不足。
4.根据本公开实施例的第一方面，提供一种具有电池预加热功能的车用电机系统，所述系统包括电池、分时复用的车用电机、第一逆变全桥和第二逆变全桥；在驻车模式下，所述第一逆变全桥和所述第二逆变全桥用于将所述车用电机的三相绕组分成三个单相绕组，并且所述第一逆变全桥、所述第二逆变全桥、各个单相绕组和所述电池形成用于预加热所述电池的电流回路，以使所述车用电机在驻车模式下参与预加热所述电池。
5.可选地，在行车模式下，所述第一逆变全桥、所述电池、所述车用电机和所述第二逆变全桥形成用于使所述车用电机输出动力的电流回路。
6.可选地，所述系统还包括控制器；所述控制器分别与所述第一逆变全桥和所述第二逆变全桥连接，用于在驻车模式下控制所述第一逆变全桥中第一组开关和第二逆变全桥中第四组开关器件开启，或者控制所述第一逆变全桥中第二组开关和第二逆变全桥中第三组开关器件开启。
7.可选地，所述控制器还用于在行车模式下控制所述第一逆变全桥和所述第二逆变全桥将所述电池的直流电逆变成三相交流电以为所述车用电机供电。
8.可选地，所述第一逆变全桥包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件和第六开关器件，所述第一开关器件、所述第二开关器件和所述第三开关器件作为所述第一逆变全桥的第一组开关器件，所述第四开关器件、所述第五开关器件和所述第六开关器件作为所述第一逆变全桥的第二组开关器件；
9.所述第二逆变全桥包括第七开关器件、第八开关器件、第九开关器件、第十开关器件、第十一开关器件和第十二开关器件；所述第七开关器件、所述第八开关器件和所述第九开关器件作为所述第二逆变全桥的第三组开关器件，所述第十开关器件、所述第十一开关器件和所述第十二开关器件作为所述第二逆变全桥的第四组开关器件；
10.所述第一开关器件和所述第四开关器件串接在所述电池的正极和负极之间；所述第二开关器件和所述第五开关器件串接在所述电池的正极和负极之间；所述第三开关器件和所述第六开关器件串接在所述电池的正极和负极之间；所述第七开关器件和所述第十开
关器件串接在所述电池的正极和负极之间；所述第八开关器件和所述第十一开关器件串接在所述电池的正极和负极之间；所述第九开关器件和所述第十二开关器件串接在所述电池的正极和负极之间；
11.所述三个单相绕组的a相绕组的第一端连接至所述第一开关器件和所述第四开关器件之间的串接点，第二端连接至所述第七开关器件和所述第十开关器件之间的串接点；
12.所述三个单相绕组的b相绕组的第一端连接至所述第二开关器件和所述第五开关器件之间的串接点，第二端连接至所述第八开关器件和所述第十一开关器件之间的串接点；
13.所述三个单相绕组的c相绕组的第一端连接至所述第三开关器件和所述第六开关器件之间的串接点，第二端连接至所述第九开关器件和所述第十二开关器件之间的串接点。
14.根据本公开实施例的第二方面，提供一种车用电机控制方法，适用于第一方面任一项所述的具有电池预加热功能的车用电机系统，所述方法还包括：
15.在驻车模式下，按照预设频率控制所述第一逆变全桥和所述第二逆变全桥在第一状态和第二状态之间切换，以使所述车用电机中各相绕组的第一端连接至所述电池的正极或者负极之间切换；所述第一状态是指所述第一逆变全桥中第一组开关和所述第二逆变全桥中第四组开关器件处于开启状态并且所述第一逆变全桥中第二组开关和所述第二逆变全桥中第三组开关器件处于断开状态；所述第二状态是指所述第一逆变全桥中第二组开关和所述第二逆变全桥中第三组开关器件处于开启状态并且所述第一逆变全桥中第一组开关和所述第二逆变全桥中第四组开关器件处于断开状态。
16.可选地，所述预设频率的范围是0～1000hz。
17.可选地，所述各相绕组两端电压为预设频率的正弦波。
18.可选地，所述预设频率的正弦波采用以下表达式表示：
[0019]va
＝vb＝vc＝u
dc
×k×
sin(2
×
π
×f×
t)；
[0020]
式中，va,vb,vc分别表示a、b和c相绕组两端的电压；u
dc
表示电池的电压；k为调制系数，且0《k《1。
[0021]
可选地，所述各相绕组两端电压为预设频率的方波。
[0022]
可选地，所述预设频率的方波采用以下表达式表示：
[0023][0024]
式中，va,vb,vc分别表示a、b和c相绕组两端的电压；u
dc
表示电池的电压；k为调制系数，且0《k《1。
[0025]
可选地，所述第一组开关器件和所述第四组开关器件在每个开关周期内的导通时间为：
[0026][0027]
所述第二组开关器件和所述第三组开关器件在每个开关周期内的导通时间为：
[0028][0029]
式中，duty1、duty2、duty3、duty4分别表示第一组开关器件、第二组开关器件、第三组开关器件和第四组开关器件在每个开关周期内的导通时间，t表示每个开关周期，
[0030]
根据本公开实施例的第三方面，提供一种电动汽车，包括如第一方面任一项所述的具有电池预加热功能的车用电机系统；所述具有电池预加热功能的车用电机系统包括至少一个控制器和至少一个存储器；
[0031]
所述至少一个存储器用于存储所述至少一个控制器可执行的计算机程序；
[0032]
所述至少一个控制器用于执行所述至少一个存储器中的计算机程序，以实现如第二方面任一项所述的方法。
[0033]
根据本公开实施例的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，当所述存储介质中的可执行的计算机程序由至少一个控制器执行时，能够实现如第一方面所述的方法。
[0034]
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
[0035]
由上述实施例可知，本公开实施例提供的方案可以分时复用车用电机，即在驻车模式下车用电机可以参与预加热电池以及在行车模式下车用电机可以输出动力，可以提升车用电机的使用率；并且，本实施例的方案无需在电池外部单独增加感抗线圈和开关控制器件等器件，可以降低车用电机系统的体积和生产成本。
[0036]
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
[0037]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
[0038]
图1是根据一示例性实施例示出的一种具有电池预加热功能的车用电机系统的框图。
[0039]
图2是根据一示例性实施例示出的第一状态下的等效电路图。
[0040]
图3是根据一示例性实施例示出的第二状态下的等效电路图。
[0041]
图4是根据一示例性实施例示出的各组开关器件的导通时间的示意图。
[0042]
图5是根据一示例性实施例示出的行车模式下车用电机输入三相交流电的波形图。
[0043]
图6是根据一示例性实施例示出的一种电动汽车的框图。
具体实施方式
[0044]
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性所描述的实施例并不代表与本公开相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置例子。需要说明的是，在不冲突的情况下，下述
的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
[0045]
在低温状态下，特别是在北方的冬天，车用电池活性降低，导致纯电动汽车续航里程严重缩水且动力输出不足，影响驾车体验。因此，在车辆启动前的驻车状态下通常会给电池组进行预加热，使电池的温度快速从-20～-30摄氏度快速升温到20摄氏度左右的最佳状态，消除低温环境对电池引起的负面效应。
[0046]
相关技术中通常在电池外部增加感抗线圈、开关控制器件等器件，这些器件可以与电池形成电流回路。这样，通过该电流回路可以使电池内通过电流即电池自身可以放热以加热电池自身，达到预加热电池的效果。然而，相关技术中需要增加感抗线圈、开关控制器件等器件会占用电动汽车内部的有限空间，并且还会增加电动汽车的生产成本。
[0047]
为解决上述技术问题，本公开实施例提供了一种具有电池预加热功能的车用电机系统，其发明构思之一在于，考虑到电动汽车内设置有车用电机且车用电机内设置有电机绕组，因此本公开中提出了分时复用车用电机的构思，即在驻车模式下车用电机与电池连接，用于参与预加热电池；并且，在行车模式下车用电机与电池连接，用于输出动力以驱动电动汽车行驶。与相关技术中相比较，本公开中通过分时复用车用电机，可以使车用电机参与预加热电池的过程，无需在电池外部即电动汽车之内单独增加感抗线圈等器件，可以降低车用电机系统的体积和生产成本。并且，车用电机绕组的感抗较大可以使电流回路中的电流足够大，使得电池内部热量均匀分布，从而保证预加热效果，进而保证电池的使用寿命。
[0048]
本公开实施例提供了一种具有电池预加热功能的车用电机系统，其发明构思之二在于，考虑到现有的车用电机为三相电机且其绕组采用星型连接，结合对车用电机分时复用和发明构思，本公开可以对星型连接的中性点进行控制即：分开星型连接的中性点以使得车用电机的三相绕组转换成三个单相绕组，并且各个单相绕组连接至电池，这样在驻车模式下可以利用三个单机绕组来预加热电池。
[0049]
在一示例中，本公开实施例提供的具有电池预加热功能的车用电机系统包括第二逆变全桥。该第二逆变全桥用于区别车用电机系统中原先设置的第一逆变全桥。第二逆变全桥可以和第一逆变全桥可以设置在同一个逆变设备之上，并且第一逆变全桥和第二逆变全桥配合可以实现上述两个发明构思，即：
[0050]
在驻车模式下，第一逆变全桥和第二逆变全桥用于将车用电机的三相绕组分成三个单相绕组(也称之为a相绕组、b相绕组和c相绕组)，并且第一逆变全桥、第二逆变全桥、各个单相绕组和电池形成用于预加热电池的电流回路。
[0051]
在行车模式下，第一逆变全桥、电池和车用电机形成用于使车用电机输出动力的电流回路。
[0052]
图1示出了具有电池预加热功能的车用电机系统的一种实现方式，参见图1，第一逆变全桥包括第一开关器件s1、第二开关器件s2、第三开关器件s3、第四开关器件s4、第五开关器件s5和第六开关器件s6；并且，第一开关器件s1、第二开关器件s2和第三开关器件s3作为第一逆变全桥的第一组开关器件，第四开关器件s4、第五开关器件s5和第六开关器件s6作为第一逆变全桥的第二组开关器件。
[0053]
继续参见图1，第二逆变全桥包括第七开关器件s7、第八开关器件s8、第九开关器件s9、第十开关器件s10、第十一开关器件s11和第十二开关器件s12；第七开关器件s7、第八
开关器件s8和第九开关器件s9作为第二逆变全桥的第三组开关器件，第十开关器件s10、第十一开关器件s11和第十二开关器件s12作为第二逆变全桥的第四组开关器件。
[0054]
继续参见图1，第一开关器件s1和第四开关器件s4串接在电池1的正极(采用“+”号表示)和负极(采用
“‑”
号表示)之间；第二开关器件s2和第五开关器件s5串接在电池1的正极和负极之间；第三开关器件s3和第六开关器件s6串接在电池1的正极和负极之间；第七开关器件s7和第十开关器件s10串接在电池1的正极和负极之间；第八开关器件s8和第十一开关器件s11串接在电池1的正极和负极之间；第九开关器件s9和第十二开关器件s12串接在电池1的正极和负极之间。其中，
[0055]
车用电机7的三个单相绕组的a相绕组4的第一端(图1中左侧的一端)连接至第一开关器件s1和第四开关器件s4之间的串接点pa1，第二端(图1中右侧的一端)连接至第七开关器件s7和第十开关器件s10之间的串接点pa2；
[0056]
车用电机7的三个单相绕组的b相绕组5的第一端(图1中左侧的一端)连接至第二开关器件s2和第五开关器件s5之间的串接点pb1，第二端(图1中右侧的一端)连接至第八开关器件s8和第十一开关器件s11之间的串接点pb2；
[0057]
车用电机7的三个单相绕组的c相绕组6的第一端(图1中左侧的一端)连接至第三开关器件s3和第六开关器件s6之间的串接点pc1，第二端(图1中右侧的一端)连接至第九开关器件s9和第十二开关器件s12之间的串接点pc2。
[0058]
需要说明的是，车用电机7是通过正母线1和负母线3与电池1实现电连接的，为方便描述，本公开的部分实施例中直接描述为车用电机与电池连接，此时可以理解为电连接。
[0059]
本实施例中，具有电池预加热功能的车用电机系统还包括控制器(图中未示出)。该控制器分别与第一逆变全桥和第二逆变全桥连接，具体的，控制器与第一逆变全桥和第二逆变全桥中各个开关器件sn(n取1～12范围内的整数)的控制端连接。控制器可以向各个开关器件sn输出控制信号，以用于在驻车模式下控制第一逆变全桥中第一组开关和第二逆变全桥中第四组开关器件开启，此时车用电机的各个单相绕组两端可以施加一个+udc的电压，等效电路如图2所示；或者控制第一逆变全桥中第二组开关和第二逆变全桥中第三组开关器件开启，此时车用电机的各个单相绕组两端可以施加一个-udc的电压，等效电路如图3所示；以及还用于在行车模式下控制第一逆变全桥和第二逆变器共同工作将电池的直流电逆变成三相交流电以为车用电机供电，电路如图1所示。
[0060]
需要说明的是，三个单相绕组所连接的开关器件需要保持动作一致，即第一组开关器件中第一开关器件s1、第二开关器件s2和第三开关器件s3保持同时开启或者断开；第二组开关器件中第四开关器件s4、第五开关器件s5和第六开关器件s6保持同时开启或者断开；第三组开关器件中第七开关器件s7、第八开关器件s8和第九开关器件s9保持同时开启或者断开；第四组开关器件中第十开关器件s10、第十一开关器件s11和第十二开关器件s12保持同时开启或者断开，这样控制器可以控制a相绕组、b相绕组和c相绕组这三个单相绕组的相序相同，从而在这三个单相绕组的两端产生位差为零的零序电流。或者说，本实施例中通过控制单相的相序相同，可以使三个单相绕组产生最大的反电动势，从而使电池中的电流最大，缩短预加热时间。
[0061]
下面结合图1～图3所示的具有电池预加热功能的车用电机系统描述具有电池预加热功能的车用电机系统的工作过程：
[0062]
驻车模式
[0063]
当检测到电动汽车在驻车模式下，例如电动汽车启动时电池的温度低于第一预设温度(如-10～30摄氏度)时，可以切换到驻车模式。在驻车模式下，控制器可以控制车用电机连接到电池，对该电池进行预加热处理。
[0064]
在一示例中，控制器可控制第一逆变全桥和第二逆变全桥切换到第一状态，以使车用电机中各相绕组的第一端连接至电池的正极。其中第一状态是指第一逆变全桥中第一组开关和第二逆变全桥中第四组开关器件处于开启状态并且第一逆变全桥中第二组开关和第二逆变全桥中第三组开关器件处于断开状态，此时电流回路如图2所示的等效电路。
[0065]
在另一示例中，控制器控制第一逆变全桥和第二逆变全桥切换到第二状态，以使车用电机中各相绕组的第一端连接至电池的负极。其中第二状态是指第一逆变全桥中第二组开关和第二逆变全桥中第三组开关器件处于开启状态并且第一逆变全桥中第一组开关和第二逆变全桥中第四组开关器件处于断开状态，此时电流回路如图3所示的等效电路。
[0066]
在又一示例中，控制器可以按照预设频率控制第一逆变全桥和第二逆变全桥在第一状态和第二状态之间切换，以使车用电机中各相绕组的第一端连接至电池的正极或者负极之间切换，此时电流电路在图2和图3所示等效电路之间切换。也就是说，本示例中采用双极性控制，使四组开关器件仅有2种工作状态(即第一状态和第二状态)，从而使电流回路中产生较大的母线电流。其中第一状态和第二状态可以参考上述实施例的内容，在此不再赘述。
[0067]
本实施例中可以选择按照预设频率在第一状态和第二状态之间切换的方式控制两个逆变全桥。其中，预设频率的范围是0～1000hz。此时，车用电机各相绕组的两端达到施加一个高频正负变化的电压，达到各相绕组中产生高频交变电流的效果。其中，各相绕组两端电压可以为预设频率的正弦波或者预设频率的方波。
[0068]
以正弦波为例，参见图4，该预设频率的正弦波可以采用以下表达式表示：
[0069]va
＝vb＝vc＝u
dc
×k×
sin(2
×
π
×f×
t)；
[0070]
式中，va,vb,vc分别表示a、b和c相绕组两端的电压；u
dc
表示电池的电压；k为调制系数，且0《k《1。
[0071]
继续参见图4，以预设频率为f＝500hz为例，第一状态下(即状态1)第一组开关器件和第四组开关器件在每个开关周期内的导通时间为：
[0072][0073]
第二状态下(即状态2)第二组开关器件和第三组开关器件在每个开关周期内的导通时间为：
[0074][0075]
并且，duty1+duty2＝duty3+duty4＝t。
[0076]
式中，duty1、duty2、duty3、duty4分别表示第一组开关器件、第二组开关器件、第三组开关器件和第四组开关器件在每个开关周期内的导通时间，t表示每个开关周期，
[0077]
以方波为例，该预设频率的方波可以采用以下表达式表示：
[0078][0079]
式中，va,vb,vc分别表示a、b和c相绕组两端的电压；u
dc
表示电池的电压；k为调制系数，且0《k《1。
[0080]
行车模式
[0081]
当检测到电池的温度超过第二预设温度(如20-30摄氏度)后，电动汽车可以从驻车模式切换到行车模式，此时，控制器可以按照预先设置的控制策略控制第一逆变全桥和第二逆变器的各个开关器件开启或者断开，从而将电池的直流电逆变成三相三相交流电为车用电机供电，效果如图5所示，此时车用电机可以输出动力，驾驶人员可以驾驶电动汽车行驶。
[0082]
至此，本公开实施例提供的方案可以分时复用车用电机，即在驻车模式下车用电机可以参与预加热电池以及在行车模式下车用电机可以输出动力，可以提升车用电机的使用率；并且，本实施例的方案无需在电池外部单独增加感抗线圈和开关控制器件等器件，可以降低车用电机系统的体积和生产成本。
[0083]
在本公开实施例提供的一种具有电池预加热功能的车用电机系统的基础上，本公开实施例还提供了一种车用电机控制方法，包括：
[0084]
在驻车模式下，控制车用电机连接到电池对所述电池进行预加热。
[0085]
在一实施例中，控制车用电机连接到电池对所述电池进行预加热，包括：
[0086]
控制所述第一逆变全桥和所述第二逆变全桥切换到第一状态，以使所述车用电机中各相绕组的第一端连接至所述电池的正极；所述第一状态是指所述第一逆变全桥中第一组开关和所述第二逆变全桥中第四组开关器件处于开启状态并且所述第一逆变全桥中第二组开关和所述第二逆变全桥中第三组开关器件处于断开状态；
[0087]
控制所述第一逆变全桥和所述第二逆变全桥切换到第二状态，以使所述车用电机中各相绕组的第一端连接至所述电池的负极；所述第二状态是指所述第一逆变全桥中第二组开关和所述第二逆变全桥中第三组开关器件处于开启状态并且所述第一逆变全桥中第一组开关和所述第二逆变全桥中第四组开关器件处于断开状态。
[0088]
在一实施例中，控制车用电机连接到电池对所述电池进行预加热，包括：
[0089]
按照预设频率控制所述第一逆变全桥和所述第二逆变全桥在第一状态和第二状态之间切换，以使所述车用电机中各相绕组的第一端连接至所述电池的正极或者负极之间切换；所述第一状态是指所述第一逆变全桥中第一组开关和所述第二逆变全桥中第四组开关器件处于开启状态并且所述第一逆变全桥中第二组开关和所述第二逆变全桥中第三组开关器件处于断开状态；所述第二状态是指所述第一逆变全桥中第二组开关和所述第二逆变全桥中第三组开关器件处于开启状态并且所述第一逆变全桥中第一组开关和所述第二逆变全桥中第四组开关器件处于断开状态。
[0090]
在一实施例中，所述预设频率的范围是0～1000hz。
[0091]
在一实施例中，所述各相绕组两端电压为预设频率的正弦波。
[0092]
在一实施例中，所述预设频率的正弦波采用以下表达式表示：
[0093]va
＝vb＝vc＝u
dc
×k×
sin(2
×
π
×f×
t)；
[0094]
式中，va,vb,vc分别表示a、b和c相绕组两端的电压；u
dc
表示电池的电压；k为调制系数，且0《k《1。
[0095]
在一实施例中，所述各相绕组两端电压为预设频率的方波。
[0096]
在一实施例中，所述预设频率的方波采用以下表达式表示：
[0097][0098]
式中，va,vb,vc分别表示a、b和c相绕组两端的电压；u
dc
表示电池的电压；k为调制系数，且0《k《1。
[0099]
在一实施例中，所述第一组开关器件和所述第四组开关器件在每个开关周期内的导通时间为：
[0100][0101]
所述第二组开关器件和所述第三组开关器件在每个开关周期内的导通时间为：
[0102][0103]
式中，duty1、duty2、duty3、duty4分别表示第一组开关器件、第二组开关器件、第三组开关器件和第四组开关器件在每个开关周期内的导通时间，t表示每个开关周期，
[0104]
需要说明的是，本实施例中示出的控制方法与系统实施例的内容相匹配，可以参考上述系统实施例的内容，在此不再赘述。
[0105]
本公开实施例还提供了一种电动汽车，参见图6，包括图1～图5所示实施例所述的具有电池预加热功能的车用电机系统；所述具有电池预加热功能的车用电机系统包括至少一个控制器61和至少一个存储器62；
[0106]
所述至少一个存储器62用于存储所述至少一个控制器61可执行的计算机程序；
[0107]
所述至少一个控制器61用于执行所述至少一个存储器62中的计算机程序，以实现上述的一种车用电机控制方法。
[0108]
在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，例如包括指令的存储器，上述可执行的计算机程序可由至少一个控制器71执行。其中，可读存储介质可以是rom、随机存取存储器(ram)、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储设备等。
[0109]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
[0110]
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并
且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。