一種基于lc諧振和ptc電阻帶的蓄電裝置加熱方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于LC諧振和PTC電阻帶的蓄電裝置加熱方法，該方法實現(xiàn)能量在所述直流電源、所述LC諧振單元、PTC電阻帶和蓄電裝置之間往復(fù)流動，產(chǎn)生正弦交流電流；所述正弦交流電流經(jīng)所述蓄電裝置的所述交流阻抗實部產(chǎn)生熱量實現(xiàn)內(nèi)部加熱，并且可選擇地經(jīng)PTC電阻帶產(chǎn)生熱量實現(xiàn)外部加熱；并且通過控制半橋工作頻率接近、或偏離LC諧振頻率或者調(diào)節(jié)所述PTC電阻帶阻值，調(diào)節(jié)LC諧振電路中正弦交流電流的工作電流幅值。所述正弦交流電流經(jīng)所述蓄電裝置的所述交流阻抗實部產(chǎn)生熱量實現(xiàn)內(nèi)部加熱，并且經(jīng)PTC電阻帶產(chǎn)生熱量實現(xiàn)外部加熱。利用電源系統(tǒng)在正弦交流電激勵下的阻抗特性，從電池內(nèi)部和/或外部實現(xiàn)快速、高效加熱。
【專利說明】一種基于LC諧振和PTC電阻帶的蓄電裝置加熱方法 技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種電源加熱方法，具體地，涉及一種基于LC諧振和PTC電阻帶的蓄電 裝置加熱方法。 【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電動汽車的逐步推廣，車用動力電池的低溫性能愈來愈受到人們的關(guān)注。在 冬天氣溫較低的環(huán)境下，鋰離子電池的內(nèi)阻急劇升高，放電容量明顯衰減，大電流充電和放 電能力降低，導(dǎo)致電動汽車產(chǎn)生續(xù)駛里程縮短、動力性變差和充電難等問題，而且大部分電 池在低于o°c時無法對其充電，若強行充電，容易引發(fā)內(nèi)部短路，造成安全隱患。為了解決這 一問題，比較行之有效的方法是對動力電池進行加熱，目前有很多基于鋰離子電池的低溫 使用問題的解決方案。
[0003] 當前，主要解決方法是給電池組進行加熱。其中專利CN102074769A提出采用電路 板充電方式對電池側(cè)面進行加熱，專利CN103051026A提出通過電池組放電和外部加熱裝置 同時工作的方式對電池組進行加熱，專利CN201797350U提出在電池箱進風口采用電阻絲加 熱方式將熱風傳遞到電池箱內(nèi)部進行加熱。然而上述方案存在加熱供電困難，加熱效率低、 并容易引發(fā)電池溫度不均勻等缺陷，尤其是在電動汽車有限的空間上，額外的供電裝置不 僅會增加整個電池組的占用空間，影響整車的布局，還增加了高壓電氣裝置的潛在安全隱 患。
[0004] 上述現(xiàn)有技術(shù)采用的是外部加熱法，即通過外部的生熱裝置產(chǎn)生熱量來給電池加 熱，這種方法簡單易行，但是由于熱量需要從外部慢慢傳遞給電池內(nèi)部，因此耗時長，而且 很可能只是在短時間內(nèi)加熱了電池的表層，對于電池的內(nèi)部則無法確定是否真的在短時間 內(nèi)實現(xiàn)了加熱。
[0005] 在電池組內(nèi)部加熱的現(xiàn)有技術(shù)中，日本專利公開公報特開2003-272712號提出若 二次電池的溫度成為規(guī)定溫度以下，則通過發(fā)動機對發(fā)電機的驅(qū)動或行駛中的再生制動對 二次電池充電，反復(fù)進行二次電池的充放電，使二次電池的溫度上升，由此，能夠抑制可輸 入輸出的電力的降低。但是，在上述專利文獻1所記載的裝置中，為了對二次電池充電，始終 需要行駛中的再生制動或發(fā)動機對發(fā)電機的驅(qū)動。換句話說，在停車中，為了使二次電池的 溫度上升，需要驅(qū)動發(fā)動機。
[0006] 此外CN102074756A公開了一種電池內(nèi)部加熱電路，儲能電路和電池串聯(lián)，能量在 電池和儲能電路之間往復(fù)流動實現(xiàn)電池加熱。但是在上述加熱過程中，當電流從儲能電路 流回電池 E時，電荷存儲元件C1中的能量不會完全流回電池 E，而是會有一些能量余留在電 荷存儲元件C1中，最終使得電荷存儲元件C1電壓接近或等于電池電壓，從而使得從電池 E 向電荷存儲元件C1的能量流動不能進行，不利于加熱電路的循環(huán)工作?；诖嗽撾娐沸枰?設(shè)置能量疊加單元實現(xiàn)電荷存儲元件與電池中的能量進行疊加。使得該電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電 流波形非標準正弦波，對電池壽命有影響。
[0007] 因此本發(fā)明為克服上述技術(shù)缺陷，提出一種在停車低溫環(huán)境下，基于LC諧振和PTC 電阻帶進行加熱的方法，通過LC諧振電路產(chǎn)生標準的、高低頻都滿足的正弦交流電流，作用 于整個電源系統(tǒng);利用電源系統(tǒng)在正弦交流電激勵下的阻抗特性，從電池內(nèi)部實現(xiàn)快速、高 效加熱，同時諧振電路串聯(lián)PTC電阻帶，可通過改變電阻帶阻值調(diào)節(jié)正弦交流電幅值，交流 電經(jīng)PTC電阻帶產(chǎn)生熱量實現(xiàn)外部加熱。本發(fā)明提高了電池低溫環(huán)境下使用性能，且加熱過 程中以電源系統(tǒng)對象，施加的電流為標準的正弦的交流電，且交流電幅值調(diào)節(jié)容易，有利于 提高電池一致性和保障電池使用壽命。
[0008]
【發(fā)明內(nèi)容】
加熱方法，通過LC諧振電路產(chǎn)生標準的、高低頻都滿足的正弦交流電流， 作用于整個電源系統(tǒng);利用電源系統(tǒng)在正弦交流電激勵下的阻抗特性，從電池內(nèi)部實現(xiàn)快 速、高效加熱，同時諧振電路串聯(lián)PTC電阻帶，交流電經(jīng)PTC電阻帶產(chǎn)生熱量實現(xiàn)外部加熱。 保障了電池低溫環(huán)境下使用性能，且加熱過程中以電源系統(tǒng)對象，施加的電流為標準的正 弦的交流電，有利于提尚電池一致性和使用壽命。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的方案具體為一種基于LC諧振和PTC電阻帶的蓄電裝置加熱方法，蓄電裝 置包括直流電源、LC諧振單元、半橋、PTC電阻帶和蓄電裝置；
[0010] 所述蓄電裝置具有交流阻抗實部；
[0011]所述LC諧振單元包括電容和電感；
[0012] 所述PTC電阻帶阻值可調(diào)；
[0013]所述加熱方法為半橋?qū)崿F(xiàn)能量在所述直流電源、所述LC諧振單元、PTC電阻帶和蓄 電裝置之間往復(fù)流動，產(chǎn)生正弦交流電流;所述正弦交流電流經(jīng)所述蓄電裝置的所述交流 阻抗實部產(chǎn)生熱量實現(xiàn)自加熱，并且可選擇地經(jīng)PTC電阻帶產(chǎn)生熱量實現(xiàn)外部加熱。
[0014] 通過使所述半橋工作頻率接近、或偏離LC諧振頻率或者調(diào)節(jié)所述PTC電阻帶阻值， 調(diào)節(jié)LC諧振電路中正弦交流電流的工作電流幅值。
[0015] 包括步驟：
[0016] a)若蓄電裝置需要加熱，則使LC諧振單元和PTC電阻帶工作；
[0017] b)當確定的LC諧振電路中正弦交流電流的工作電流幅值小于此時蓄電裝置可承 受的電流限值時，控制PTC電阻帶使其阻值為零，控制所述半橋的開關(guān)頻率盡可能接近LC諧 振單元的諧振頻率，以最大工作電流幅值實現(xiàn)快速加熱；
[0018] c)當確定的LC諧振電路中正弦交流電流的工作電流幅值大于此時蓄電裝置可承 受的電流限值時，調(diào)節(jié)所述工作電流幅值。
[0019] 更進一步地，調(diào)節(jié)所述工作電流幅值通過如下方式：
[0020] d)當蓄電裝置溫度低于某一門限值，設(shè)置PTC電阻帶阻值為零，根據(jù)蓄電裝置當前 溫度的交流阻抗，所述半橋工作頻率以LC諧振頻率為中心，沿增大或減小方向變化，實現(xiàn)所 述工作電流幅值小于所述電流限值；
[0021] e)當蓄電裝置溫度高于某一門限值，設(shè)置PTC電阻帶阻值逐漸增大，以維持回路中 總交流阻抗穩(wěn)定，保證所述工作電流幅值小于所述電流限值的前提下，控制開關(guān)裝置的開 關(guān)頻率盡可能接近LC諧振單元的諧振頻率。
[0022] 采集蓄電裝置中溫度、端電壓和S0C信息，判斷是否需要進行加熱。
[0023] 更進一步地，步驟e)中，當PTC電阻帶阻值最大時，若所述工作電流幅值大于所述 電流限值，控制半橋開關(guān)頻率以LC諧振頻率為中心，沿增大或減小方向變化，直到所述工作 電流幅值小于所述電流限值，繼續(xù)進行加熱。
[0024] 所述半橋是具有上下橋臂的半橋，所述上下橋臂分時通斷，通過控制所述其開關(guān) 頻率，控制能量的所述往復(fù)流動時的所述工作電流幅值。
[0025] 所述能量的所述往復(fù)流動通過兩個工作回路分時工作，通過半橋中的上下橋臂控 制所述兩個工作回路交替導(dǎo)通和關(guān)斷，所述工作回路一由直流電源、半橋的上橋臂、LC諧振 單元、蓄電裝置和PTC電阻帶串聯(lián)組成;所述工作回路二由蓄電裝置、LC諧振單元、半橋的下 橋臂和PTC電阻帶串聯(lián)組成。
[0026]更進一步地，所述蓄電裝置替換為動力電池組。
[0027] 更進一步地，還包括功率電子開關(guān)，所述功率電子開關(guān)并聯(lián)在LC諧振單元和PTC電 阻帶的兩端，若功率電子開關(guān)關(guān)斷，LC諧振單元和PTC電阻帶無法工作，若功率電子開關(guān)關(guān) 斷，LC諧振單元和PTC電阻帶參與工作。
[0028] 更進一步地，還包括加熱控制系統(tǒng)，所述加熱控制系統(tǒng)收集蓄電裝置電流、電壓和 S0C信息，判斷是否需要進行加熱，控制半橋和功率電子開關(guān)狀態(tài)。
[0029] 更進一步地，選配L和C參數(shù)值使LC諧振單元的振蕩頻率盡可能的低，以提高加熱 效果。
[0030] 更進一步地，所述步驟d)中所述交流電幅值以蓄電裝置端電壓、S0C和溫度為判斷 依據(jù)。
[0031] 更進一步地，所述蓄電裝置為車用動力電池組。
[0032] 優(yōu)選地，使用本發(fā)明方法的電源系統(tǒng)為：
[0033] 一種基于LC諧振和PTC電阻帶進行加熱的電源系統(tǒng)，包括直流電源、LC諧振單元、 半橋、PTC電阻帶和蓄電裝置；
[0034] 所述半橋包括上橋臂S1和下橋臂S2;所述上橋臂和下橋臂分別與直流電源兩端連 接；
[0035] 所述蓄電裝置具有交流阻抗實部；
[0036] 所述PTC電阻帶阻值可調(diào)；
[0037] 所述LC諧振單元包括電容和電感;所述LC諧振單元與PTC電阻帶串聯(lián)，LC諧振單元 一端和PTC電阻帶的一端連接，LC諧振單元另一端連接在所述上橋臂S1和下橋臂S2之間， PTC電阻帶另一端與接蓄電裝置正極連接，蓄電裝置負極與直流電源負極連接；
[0038]所述半橋?qū)崿F(xiàn)能量在所述直流電源、所述LC諧振單元和所需蓄電裝置之間往復(fù)流 動，產(chǎn)生正弦交流電流;所述正弦交流電流經(jīng)所述蓄電裝置的所述交流阻抗實部產(chǎn)生熱量 實現(xiàn)自加熱，并且經(jīng)PTC電阻帶產(chǎn)生熱量實現(xiàn)外部加熱。
[0039]優(yōu)選地，使用本發(fā)明方法的電源系統(tǒng)還可為:一種基于LC諧振和PTC電阻帶進行加 熱的電源系統(tǒng)，包括直流電源、LC諧振單元、半橋、PTC電阻帶和蓄電裝置；
[0040]所述半橋包括上橋臂S1和下橋臂S2;
[0041 ]所述蓄電裝置具有交流阻抗實部；
[0042] 所述PTC電阻帶阻值可調(diào)；
[0043]所述LC諧振單元包括電容和電感，
[0044]所述加熱電源系統(tǒng)具有兩個工作回路分時工作，通過半橋的上橋臂S1和下橋臂S2 控制所述兩個工作回路交替導(dǎo)通和關(guān)斷，
[0045] 所述工作回路一由直流電源、半橋的上橋臂S1、LC諧振單元、PTC電阻帶、蓄電裝置 串聯(lián)組成；所述工作回路二由蓄電裝置、PTC電阻帶、LC諧振單元、半橋的下橋臂S2串聯(lián)組 成；
[0046] 所述半橋?qū)崿F(xiàn)能量在所述直流電源、所述LC諧振單元和所述的蓄電裝置之間往復(fù) 流動，產(chǎn)生正弦交流電流;所述正弦交流電流經(jīng)所述蓄電裝置的所述交流阻抗實部產(chǎn)生熱 量實現(xiàn)自加熱，并且經(jīng)PTC電阻帶產(chǎn)生熱量實現(xiàn)外部加熱。
[0047] 進一步地、還包括功率電子開關(guān)，所述功率電子開關(guān)并聯(lián)在LC諧振單元和PTC電阻 帶的兩端，控制LC諧振單元和PTC電阻帶是否工作。
[0048]進一步地、還包括加熱控制系統(tǒng)，所述加熱控制系統(tǒng)收集蓄電裝置電流、電壓和 S0C信息，判斷是否需要進行加熱，并控制半橋和功率電子開關(guān)狀態(tài)。
[0049] 進一步地、通過使所述半橋工作頻率盡量接近LC諧振頻率，同時PTC電阻帶阻值為 零，使得LC諧振電路中正弦交流電流幅值較大，實現(xiàn)蓄電裝置內(nèi)部快速加熱；
[0050] 進一步地、當確定的LC諧振電路中正弦交流電流的工作電流幅值大于此時蓄電裝 置可承受的電流限值，且蓄電裝置溫度低于某一門限值時，設(shè)置PTC電阻帶阻值為零，根據(jù) 蓄電裝置當前溫度的交流阻抗，所述開關(guān)裝置工作頻率以LC諧振頻率為中心，沿增大或減 小方向變化，實現(xiàn)所述工作電流幅值小于所述電流限值，實現(xiàn)蓄電裝置內(nèi)部加熱；
[0051 ]進一步地、當確定的LC諧振電路中正弦交流電流的工作電流幅值大于此時蓄電 裝置可承受的電流限值，且蓄電裝置溫度高于某一門限值時，設(shè)置PTC電阻帶阻值逐漸增 大，以維持回路中總交流阻抗穩(wěn)定，保證所述工作電流幅值小于所述電流限值的前提下，控 制開關(guān)裝置的開關(guān)頻率盡可能接近LC諧振單元的諧振頻率，從蓄電裝置內(nèi)部和外部同時加 熱。
[0052]進一步地、當PTC電阻帶阻值最大時，若所述工作電流幅值大于所述蓄電裝置電流 限值，控制半橋開關(guān)頻率以LC諧振頻率為中心，沿增大或減小方向變化，直到所述工作電流 幅值小于所述電流限值，繼續(xù)進行加熱。
[0053]進一步地、所述的半橋為單獨半橋，或者共享電機控制器的一組橋臂，或者共享車 載DC-DC橋臂；
[0054]本發(fā)明還涉及一種車輛，其特征在于:包含權(quán)利要求1-9任一項所述的電源系統(tǒng)， 且蓄電裝置是動力電池。
[0055]本發(fā)明中由于PTC電阻帶的加入，既可以避免蓄電裝置的電壓全部加在交流阻抗 實部上，造成回路電流過大的情況，又可以通過PTC電阻帶對動力電池組進行外部加熱，加 快了升溫過程。 【附圖說明】
[0056]圖1，加熱電源系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。
[0057]圖2(a)，加熱電源系統(tǒng)電路原理圖。
[0058] 圖2(b)，諧振加熱回路一和二工作狀態(tài)示意圖。
[0059] 圖3(a)，加熱電源系統(tǒng)諧振工作時流經(jīng)蓄電裝置電流變化示意圖
[0060] 圖3(b)，一個周期內(nèi)蓄電裝置電流和電壓變化示意圖
[0061 ]圖4，PTC電阻帶阻值隨溫度變化特性
[0062]圖5(a)，某鋰電池某一環(huán)境溫度不同頻率的正弦交流電對應(yīng)的交流阻抗實部變化 特性。
[0063]圖5(b)，某鋰電池在某一頻率下不同溫度對應(yīng)的交流阻抗實部的變化特性 [0064]圖5(c)，某鋰電池在某一低溫環(huán)境下相同頻率、不同電流幅值的正弦交流電加熱 的溫升特性。
[0065] 圖6,為不同頻率下的正弦交流電作用某鋰電池的電流幅值變化特性。
[0066] 圖7，為加熱電源系統(tǒng)的控制流程 【具體實施方式】
[0067] 如圖1所示，本發(fā)明的基于LC諧振和PTC電阻帶進行加熱的電源系統(tǒng)，由直流電源 4、加熱控制系統(tǒng)6、功率電子開關(guān)5、半橋3、LC諧振單元2、蓄電裝置1、PTC電阻帶7組成;所述 的直流電源4與半橋3相連;所述的加熱控制系統(tǒng)6獲取蓄電裝置1狀態(tài)信息，控制功率電子 開關(guān)5通斷，調(diào)節(jié)PTC電阻帶7的阻值，以及確定半橋3的開關(guān)頻率;如圖2(a)所示，所述半橋 3包括上橋臂301和下橋臂302,上下橋臂可采用IGBT或者M0SFET功率電子管，所述蓄電裝置 1的負極與下橋臂301連接，正極與PTC電阻帶7連接，所述LC諧振單元2與PTC電阻帶串聯(lián)，LC 諧振單元一端與PTC電阻帶相連，另一端與上橋臂301和下橋臂302之間連接，所述的功率電 子開關(guān)5并聯(lián)在串聯(lián)后的LC諧振單元和PTC電阻帶之間。
[0068] 直流電源4可以是外部提供的直流電源，也可以是超級電容，也可以是車載發(fā)動 機-發(fā)電機組。
[0069] 蓄電裝置1是能進行充放電的直流電源，例如，由鎳氫電池、鋰離子電池等二次電 池構(gòu)成，本發(fā)明具體實施例以新能源車輛動力電池為例進行說明。
[0070] 蓄電裝置1是由一定數(shù)量單體電池串、并聯(lián)組成的直流電源，在這里示出的等效電 路圖中，由表征能量狀態(tài)的電動勢101和交流阻抗實部102組成。
[0071] LC諧振單元包括電池外部電感202和電容201。
[0072] PTC電阻帶阻值可調(diào)。
[0073]加熱控制系統(tǒng)采集蓄電裝置的電流值、電壓值和溫度、計算蓄電裝置荷電狀態(tài) (S0C)，其中S0C的計算方法可以使用各種公知的計算方案，加熱控制系統(tǒng)優(yōu)選是電池管理 系統(tǒng)，根據(jù)上述信息確定LC諧振加熱回路工作方式、PTC電阻值、和半橋上下橋臂的開關(guān)頻 率，工作方式包括是否啟動、啟動后如何工作以及如何停止工作。
[0074]功率電子開關(guān)5受加熱控制系統(tǒng)控制，只有在停車低溫環(huán)境下動力電池需要加熱 時才斷開，其他時候都閉合。
[0075]加熱工作過程:加熱控制系統(tǒng)根據(jù)蓄電裝置中溫度、電壓值和S0C等信息，判斷此 時是否需要進行加熱，當達到加熱條件時，加熱控制系統(tǒng)控制加熱回路開始工作，對蓄電裝 置進行加熱，當達到停止加熱條件時，控制加熱回路停止工作。例：當加熱控制系統(tǒng)檢測到 電池溫度低于正常工作溫度范圍，啟動加熱回路。
[0076]當加熱控制系統(tǒng)判斷需要進行加熱時，加熱控制系統(tǒng)使功率電子開關(guān)5斷開，使加 熱回路接通，確定半橋上下橋臂的開關(guān)頻率，使上下橋臂按照給定開關(guān)頻率交替開關(guān)工作， 加熱系統(tǒng)產(chǎn)生標準的正弦交流電。
[0077] 上下橋臂可以是單獨功率電子器件，也可以共享電機控制器一組橋臂或者復(fù)合電 源DC-DC橋臂。
[0078] 如圖2(b)所示，諧振加熱回路包括回路一和回路二，通過半橋的上下橋臂控制回 路一和回路二的導(dǎo)通和關(guān)斷?；芈芬挥芍绷麟娫?、半橋3的上橋臂S1、LC諧振單元(包含電 池外部電感202和電容201)、PTC電阻帶7、蓄電裝置1(包含電動勢101和交流阻抗實部102) 串聯(lián)組成；回路二由蓄電裝置1(包含101和102)、PTC電阻帶、LC諧振單元和半橋的下橋臂S2 串聯(lián)組成。
[0079]串聯(lián)R、L、C諧振電路中，電感和電容吸收的功率分別為：
[0080] PL(t) =_QUIsin(2 ω 〇t);
[0081 ] Pc(t) = _PL(t) = QUIsin(2 ω 〇t) ·
[0082] 由于u(t) =UL(t)+uc(t) =0(相當于虛短路），任何時刻進入電感和電容的總瞬時 功率為零，g卩PL(t)+Pc(t)=0。電感和電容與電壓源和電阻之間沒有能量交換。自加熱回路 中電流流經(jīng)蓄電裝置內(nèi)交流阻抗實部17產(chǎn)生熱量，電壓源發(fā)出的功率全部由電阻吸收。但 是，電感和電容之間相互交換能量，當電流減小時，電感中釋放的磁場能量Wl = 0.5Li2減小， 且全部被電容吸收，并轉(zhuǎn)換為電場能。當電流增加時，電容電壓減小，電容釋放的電場能Wc = 0.5Cu2減小，且全部被電感吸收，并轉(zhuǎn)換為磁場能量。能量在電感和電容之間的往復(fù)交 換，形成電壓和電流的正弦振蕩，振蕩頻率由L和C來決定，
諧振時電感202和 電容201中總能量保持常量，并等于電感中的最大磁場能量，或等于電容中的最大電場能 量，即沙?. + % =(兄卜人
[0083] 圖3(a)示出了 LC諧振單元諧振時，蓄電裝置的端電壓和流經(jīng)電流的變化特性，其 中電流呈標準正弦波，端電壓為蓄電裝置的電動勢基礎(chǔ)上疊加一個呈正弦波變化的電壓， 該正弦波電壓是蓄電裝置交流阻抗實部與流經(jīng)正弦交流電作用的結(jié)果，且端電壓的變化范 圍應(yīng)滿足蓄電裝置電壓允許范圍。
[0084]如圖3(b)所示，在tl時間內(nèi)，半橋的上橋臂S1導(dǎo)通，半橋的下橋臂S2關(guān)斷，回路一 工作，直流電源給蓄電裝置充電，充電能量由PTC電阻帶15和交流阻抗實部102消耗，實現(xiàn)從 電池內(nèi)部和外部進行加熱，同時電感202和電容201之間進行如前所述的能量交換，且由于 諧振作用電感202和電容201能量和保持不變。在t2時間內(nèi)，半橋的上橋臂S1關(guān)斷，半橋的下 橋臂S2導(dǎo)通，蓄電裝置放電，能量由自身的交流阻抗實部102和PTC電阻帶共同消耗，實現(xiàn)從 電池內(nèi)部和外部進行加熱，同時電感202和電容210之間進行能量交換，且由于諧振作用電 感202和電容201能量和保持不變。
[0085]圖4示出了 PTC電阻帶在不同溫度下的電阻特性，說明在低溫環(huán)境下，PTC電阻帶的 電阻較小，回路產(chǎn)生的電流較大，有助于快速加熱；隨著溫度的升高，PTC電阻帶的電阻增 大，回路中的電流減小，能夠防止動力電池組溫升過快。
[0086] 所述PTC電阻帶具有最小工作溫度和最大工作溫度，且阻值通過開關(guān)器件可調(diào)節(jié)， 且充電后產(chǎn)生的熱量從電池外部給電池加熱，其方法可采用已知公開的加熱方法，例如卷 起于電池單體之間、或者布置在電池箱進風口等；
[0087] 在t2時間內(nèi)，當半橋上下橋臂開關(guān)頻率等于LC諧振的振蕩頻率時，由LC諧振的特 性可知，此時電感202和電容201上的電壓和為零，在回路二中根據(jù)KVL原理，可知蓄電裝置 電動勢101全部加在了PTC電阻帶和蓄電裝置交流阻抗實部102上。由于PTC電阻帶的加入， 既可以避免蓄電裝置的電動勢101全部加在交流阻抗實部101上，造成回路電流過大超出蓄 電裝置允許的電壓范圍，又可以通過PTC電阻帶對動力電池組進行外部加熱，加快了升溫過 程。
[0088] 正弦交流電作用下蓄電裝置的生熱率公式如下
[0089] 式中ZRe為蓄電裝置的交流阻抗實部值，主要與蓄電裝置環(huán)境溫度、交流電作用的 頻率有關(guān)，A為交流電的電流幅值。上述公式表明生熱率與交流阻抗實部值成正比，與交流 電電流幅值的平方成正比，且交流電電流幅值變化的影響大于交流阻抗實部值變化的影 響。
[0090] 以蓄電裝置是電池為例，圖5(a)示出電池組某低溫環(huán)境下不同交流電頻率對應(yīng)的 交流阻抗實部變化特性，可見交流阻抗實部值隨著交流電頻率的增加而減小，而LC諧振加 熱回路的振蕩頻率完全由L和C來決定，當L和C參數(shù)選定后，交流電的頻率被確定，即交流阻 抗實部值被確定，所以為了在低溫下達到更好的加熱效果，優(yōu)先從低頻角度選配L和C參數(shù) 值，即本領(lǐng)域技術(shù)人員確定在允許條件下，盡可能低頻地選配L和C參數(shù)值;圖5(b)為電池組 在某一頻率下不同溫度對應(yīng)的交流阻抗實部的變化特性，可見交流阻抗實部值隨著溫度降 低而增加。圖5(c)為電池組在某一低溫環(huán)境下相同頻率、不同電流幅值的動力電池溫升特 性，所謀電池組在低溫條件通過改變交流電電流幅值可獲得不同的加熱效果，交流電電流 幅值越大，加熱效果越好。
[0091] 因此，基于圖5(a)至圖5(c)的分析，加熱回路半橋開關(guān)頻率優(yōu)選采用較低頻率提 高交流電幅值，進而實現(xiàn)蓄電裝置快速加熱和電池快速升溫。
[0092] 圖6示出半橋開關(guān)頻率fs與諧振加熱回路電流幅值的關(guān)系，其中fo為LC諧振頻率， 可見半橋開關(guān)頻率fs等于LC諧振頻率fo時，加熱回路電流幅值最大。
[0093]圖7給出了基于LC諧振和PTC電阻帶的蓄電裝置加熱的控制流程，具體方法如下： [0094] S1，加熱控制系統(tǒng)根據(jù)蓄電裝置狀態(tài)判斷是否需要進行加熱。所述蓄電裝置狀態(tài) 包括溫度、S0C中的一個或幾個。
[0095] S2,若進行加熱，加熱控制系統(tǒng)斷開功率電子開關(guān)，則使LC諧振單元投入工作。 [0096] S3,通過直流電源、LC諧振單元電容和電感、蓄電裝置電動勢和內(nèi)部交流阻抗實 部，結(jié)合諧振頻率采用本領(lǐng)域已知方法確定此時諧振頻率下的回路中最大電流io,根據(jù)當 前電動車輛動力電池的溫度、電壓和S0C等信息，結(jié)合電池特性和本領(lǐng)域技術(shù)人員的參數(shù)匹 配要求計算此時動力電池可承受的LC諧振電路中工作電流限值iu
[0097] S4，如前所述，半橋開關(guān)頻率f s影響工作電流幅值，當確定的所述工作電流幅值io 大于此時動力電池可承受的工作電流限值，執(zhí)行步驟S5，否則執(zhí)行步驟S41。
[0098] S41，若，此時設(shè)置PTC電阻帶阻值為0,以減少回路中總交流阻抗大小，半橋開 關(guān)頻率與LC諧振單元諧振頻率一致，此時工作回路正弦交流電幅值最大，蓄電裝置僅進行 內(nèi)部熱，實現(xiàn)快速加熱。
[0099] S5,若電池溫度低于某一門限值Tmin，執(zhí)行步驟S61，若電池溫度高于某一門限值， 執(zhí)行步驟S62
[0100] S61，當電池溫度低于某一門限值，由前述圖5(b)可知此時蓄電裝置交流阻抗較 大，設(shè)置PTC電阻帶阻值為零，根據(jù)電池當前溫度的交流阻抗，控制半橋開關(guān)頻率以LC諧振 頻率為中心，沿增大或減小方向變化，保證所述工作電流幅值小于所述電流限值，使得回路 中交流電路幅值滿足蓄電裝置要求，此時電池僅進行內(nèi)部熱。
[0101] 步驟S61通過使半橋工作頻率偏離LC諧振頻率fo,調(diào)節(jié)LC諧振電路中工作電流幅 值。
[0102] S62當電池溫度高于某一門限值，由前述圖5(b)可知蓄電裝置交流阻抗相比步驟 S3所對應(yīng)的阻抗有較大減小，設(shè)置PTC電阻帶阻值逐漸增大，以維持回路中總交流阻抗穩(wěn) 定，保證所述工作電流幅值小于所述電流限值的前提下，控制開關(guān)裝置的開關(guān)頻率盡可能 接近LC諧振單元的諧振頻率。
[0103] 當PTC電阻帶完全投入，即PTC電阻帶阻值調(diào)制最大后，若LC諧振回路中工作電流 幅值大于所述電流限值，執(zhí)行控制半橋開關(guān)頻率以LC諧振頻率為中心，沿增大或減小方向 變化，直到工作電流幅值io小于此時動力電池可承受的電流限值il·。
[0104] 步驟S62通過并入PTC電阻帶，調(diào)節(jié)所述PTC電阻帶阻值來調(diào)節(jié)LC諧振電路中工作 電流幅值。
[0105] S7,若電池組溫度達到加熱所期望的溫度時，執(zhí)行步驟S8,加熱控制系統(tǒng)閉合功率 電子開關(guān)3,停止加熱。若電池組溫度未達到加熱所期望的溫度時，返回步驟S2或S3,繼續(xù)加 熱。
[0106] S8,閉合功率電子開關(guān)，停止加熱。
[0107] 對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在 不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論 從哪一點來看，均應(yīng)將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán) 利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有 變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
【主權(quán)項】
1. 一種基于LC諧振和PTC電阻帶的蓄電裝置加熱方法，蓄電裝置包括直流電源、LC諧振 單元、半橋、PTC電阻帶和蓄電裝置； 所述蓄電裝置具有交流阻抗實部和電動勢； 所述LC諧振單元包括電容和電感； 所述PTC電阻帶阻值可調(diào)，也可以阻值不可調(diào)的普通電阻帶； 能量在所述直流電源、所述LC諧振單元、PTC電阻帶和蓄電裝置之間往復(fù)流動，產(chǎn)生正 弦交流電流;所述正弦交流電流經(jīng)所述蓄電裝置的所述交流阻抗實部產(chǎn)生熱量實現(xiàn)自加 熱，并且可選擇地經(jīng)PTC電阻帶產(chǎn)生熱量實現(xiàn)外部加熱。2. 如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于： 通過使所述半橋工作頻率接近、或偏離LC諧振頻率或者調(diào)節(jié)所述PTC電阻帶阻值，調(diào)節(jié) LC諧振電路中正弦交流電流的工作電流幅值。3. 如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于:包括步驟： a) 若蓄電裝置需要加熱，則使LC諧振單元和PTC電阻帶工作； b) 當確定的LC諧振電路中正弦交流電流的工作電流幅值小于此時蓄電裝置可承受的 電流限值時，控制PTC電阻帶使其阻值為零，控制所述半橋的開關(guān)頻率盡可能接近LC諧振單 元的諧振頻率，以最大工作電流幅值實現(xiàn)快速加熱； c) 當確定的LC諧振電路中正弦交流電流的工作電流幅值大于此時蓄電裝置可承受的 電流限值時，調(diào)節(jié)所述工作電流幅值。4. 如權(quán)利要求2或3所述方法，其特征在于:調(diào)節(jié)所述工作電流幅值通過如下方式： d) 當蓄電裝置溫度低于某一門限值，設(shè)置PTC電阻帶阻值為零，根據(jù)蓄電裝置當前溫度 的交流阻抗，設(shè)置所述半橋工作頻率以LC諧振頻率為中心，沿增大或減小方向變化，實現(xiàn)所 述工作電流幅值小于所述電流限值； e) 當蓄電裝置溫度高于某一門限值，設(shè)置PTC電阻帶阻值逐漸增大，以維持回路中總交 流阻抗穩(wěn)定，保證所述工作電流幅值小于所述電流限值的前提下，控制開關(guān)裝置的開關(guān)頻 率盡可能接近LC諧振單元的諧振頻率。5. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:采集蓄電裝置中溫度、端電壓和SOC信息，判 斷是否需要進行加熱。6. 如權(quán)利要求4所述方法，其特征在于：步驟e)中，當PTC電阻帶阻值最大時，若所述工 作電流幅值大于所述電流限值，控制半橋開關(guān)頻率以LC諧振頻率為中心，沿增大或減小方 向變化，直到所述工作電流幅值小于所述電流限值，繼續(xù)進行加熱。7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:所述半橋是具有上下橋臂的半橋，所述上下 橋臂分時通斷，通過控制所述半橋的開關(guān)頻率，控制能量的所述往復(fù)流動時的所述工作電 流幅值。8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述能量的所述往復(fù)流動通過兩個工作回路 分時工作，通過半橋中的上下橋臂控制所述兩個工作回路交替導(dǎo)通和關(guān)斷，所述工作回路 一由直流電源、半橋的上橋臂、LC諧振單元、蓄電裝置和PTC電阻帶串聯(lián)組成;所述工作回路 二由蓄電裝置、LC諧振單元、半橋的下橋臂和PTC電阻帶串聯(lián)組成。9. 如權(quán)利要求1-8任一項所述的方法，其特征在于，所述蓄電裝置替換為動力電池組。
【文檔編號】H01M10/637GK106025445SQ201610592678
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月25日
【發(fā)明人】李軍求, 孫逢春, 張承寧, 金鑫, 房林林
【申請人】北京理工大學