一种基于lc谐振进行加热的电源系统及车辆的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种在停车低温环境下，一种基于LC谐振进行加热的电源系统及具备该电源系统的车辆，包括直流电源、半桥电路、LC谐振单元和蓄电装置；所述电源系统具有两个工作回路分时工作，通过半桥电路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、半桥电路的上桥臂、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、半桥电路的下桥臂串联组成。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。
【专利说明】
一种基于LC谐振进行加热的电源系统及车辆
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电源加热系统，具体地，涉及一种基于LC谐振进行加热的电源系 统，以及具有其的车辆。
【背景技术】
[0002] 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o°c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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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 加热的电源系统和具备该电源系统的车辆，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】
[0008] 本发明的一种基于LC谐振进行加热的电源系统，包括直流电源、半桥电路、LC谐振 单元和蓄电装置；
[0009] 所述半桥电路包括上桥臂和下桥臂;所述上桥臂一端与直流电源正极连接，下桥 臂一端与直流电源负极连接；
[0010] 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；
[0011] 所述蓄电装置包括电动势和交流阻抗实部；
[0012]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。
[0013 ]本发明的一种基于LC谐振进行加热的电源系统，包括直流电源、半桥电路、LC谐振 单元和蓄电装置；
[0014] 所述半桥电路包括上桥臂和下桥臂；
[0015] 所述蓄电装置包括电动势和交流阻抗实部；
[0016] 所述LC谐振单元包括电容和电感，
[0017]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，
[0018] 所述工作回路一由直流电源、半桥电路的上桥臂、LC谐振单元和蓄电装置串联组 成；
[0019] 所述工作回路二由蓄电装置、LC谐振单元、半桥电路的下桥臂串联组成；
[0020] 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。
[0021 ]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，控制 LC谐振单元是否工作。
[0022] 进一步地，所述的半桥电路，可为单独半桥，或者共享电机控制器的一组桥臂，或 者共享车载DC-DC桥臂；
[0023] 进一步地，所述的直流电源为超级电容、车载发动机-发电机组、或者外部充电接 口导入的直流电中的一种或几种。
[0024] 进一步地，直流电源为超级电容，闭合所述功率电子开关，控制半桥电路实现蓄电 装置给超级电容充电，满足电源系统加热时直流电源所需的能量。
[0025] 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 S0C信息，判断是否需要进行加热，控制半桥电路和功率电子开关状态。
[0026] 进一步地，选配L和C参数值确定LC谐振单元的振荡频率，使蓄电装置在该频率附 近具有仅可能大的交流阻抗实部，以提高加热效果。
[0027] 进一步地，当蓄电装置的S0C和端电压在允许范围内，控制半桥电路开关频率等于 LC谐振频率。
[0028] 本发明还涉及一种车辆，包括如上所述的电源系统。
【附图说明】
[0029] 图1，加热电源系统整体结构图。
[0030] 图2(a)，加热电源系统电路原理图。
[0031] 图2(b)，加热电源系统工作回路一和工作回路二。
[0032]图2 (c )，加热电源系统另一实施例的电路原理图。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035]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。
[0036]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。
[0037]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。
[0038]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。
[0039]图6为加热电源系统的控制流程。
【具体实施方式】
[0040] 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Mosf it，上桥臂301-端 与直流电源4的正极连接，下桥臂302-端与直流电源4的负极连接。
[0041] 当电源系统加热工作时，功率电子开关5断开。
[0042] 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-端连接在上桥臂301和下桥臂302之间，电容201-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。
[0043]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。
[0044] 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。
[0045] 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。
[0046] 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。
[0047] 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。
[0048]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；
[0049]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(S0C)，其中计算S0C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。
[0050]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。
[0051]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501闭合；
[0052]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S0C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。
[0053] 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。
[0054] 串联R、L、C谐振电路中，电感和电容吸收的功率分别为：
[0055] PL(t)=_QUI sin(2c〇〇t);
[0056] Pc(t)=_PL(t)=QUI sin(2c〇〇t).
[0057] 由于U(t) =UL(t)+UC(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，g卩PL(t)+Pc(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，
[0058]如图2(b)所示，在tl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。
[0059] 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。
[0060] 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。
[0061] 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：
[0063]式中ZRe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。
[0064]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。
[0065] 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fQ，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。
[0066] 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fo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fo时，谐振加热回路电流幅值最 大。
[0067] 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S0C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fo,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。
[0068] 如果动力电池组S0C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fo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、S0C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。
[0069] 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S0C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。
[0070] 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。
【主权项】
1. 一种基于LC谐振进行加热的电源系统，包括直流电源、半桥电路、LC谐振单元和蓄电 装置； 所述半桥电路包括上桥臂和下桥臂;所述上桥臂一端与直流电源正极连接，下桥臂一 端与直流电源负极连接； 所述IX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； 所述蓄电装置包括电动势和交流阻抗实部； 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。2. -种基于LC谐振进行加热的电源系统，包括直流电源、半桥电路、LC谐振单元和蓄电 装置； 所述半桥电路包括上桥臂和下桥臂； 所述蓄电装置包括电动势和交流阻抗实部； 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、半桥电路的上桥臂、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、半桥电路的下桥臂串联组成； 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。3. 如权利要求1或2所述的电源系统，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，控制LC谐振单元是否工作。4. 如权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于:所述的半桥电路，可为单独半桥，或 者共享电机控制器的一组桥臂，或者共享车载DC-DC桥臂。5. 如权利要求1或2所述的电源系统，其特征在于:所述的直流电源为超级电容、车载发 动机-发电机组、或者外部充电接口导入的直流电中的一种或几种。6. 如权利要求3所述的电源系统，直流电源为超级电容，闭合所述功率电子开关，控制 半桥电路实现蓄电装置给超级电容充电，满足电源系统加热时直流电源所需的能量。7. 如权利要求3任一项所述的电源系统，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，控制半桥电路和功 率电子开关状态。8. 如权利要求1或2任一项所述的电源系统，其特征在于:选配L和C参数值确定LC谐振 单元的振荡频率，使蓄电装置在该频率附近具有仅可能大的交流阻抗实部，以提高加热效 果。9. 如权利要求1或2任一项所述的电源系统，其特征在于：当蓄电装置的SOC和端电压在 允许范围内，控制半桥电路开关频率等于LC谐振频率。10. -种车辆，其特征在于:包括权利要求1-9任一项所述的电源系统。
【文档编号】H01M10/657GK106025443SQ201610591582
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月25日
【发明人】李军求, 孙逢春, 张承宁, 董玉刚, 金鑫
【申请人】北京理工大学