车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路及其应用制造技术

本发明专利技术公开了车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路及其应用，包括第一电池组及第二电池组，两个相并联的Buck‑Boost变换电路并联至待加热的电池组上，所述Buck‑Boost变换电路分别由两对相角相差设定角度的PWM信号控制，当第一个Buck‑Boost变换电路对第一电池组的电池单体加热时，第二个Buck‑Boost变换电路对第一电池组的电池单体加热，实现全时间加热电池组。本发明专利技术在不会对电池组造成进一步损害的情况下，提出的交错并联加热拓扑可显著提高加热速度和效率。

Low temperature full time interleaved heating topology circuit for vehicle power battery and its application

The invention discloses a low temperature all time staggered parallel heating topology circuit of vehicle power battery and its application, including the first battery group and the two battery group, and two parallel Buck shunt circuits in parallel to the battery group to be heated, and the Buck Boost transform circuit is composed of two PWM signals of phase angle difference angle respectively. Control, when the first Buck Boost converter is heated to the cell monomer of the first battery group, second Buck Boost converter circuits are heated to the cell monomer of the first battery group to realize the full time heating of the battery pack. When the invention does not cause further damage to the battery pack, the interleaving heating topology proposed can significantly improve heating speed and efficiency.

【技术实现步骤摘要】
车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路及其应用
本专利技术涉及电池加热
，特别是涉及车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路。
技术介绍
电池低温加热是保障动力电池在低温环境下高效、安全运行的必要手段。目前，学者已经提出了很多加热方法，可分为外部加热和内部加热两大类，根据传热介质不同，外部加热方法又可分为气体、液体、相变材料和电加热丝等方法。外部加热方法具有加热慢、不均匀、效率低、体积大、成本高、可靠性低等缺点。内部加热方法是指在充放电过程中直接利用电池内阻的实部从电芯内部产热，避免了热量长距离的传导和扩散到环境中。因此，内部加热方法具有加热速度快、加热均匀、效率高、成本低、可靠性高等优点。内部加热又分为直流放电、直流充电和交流加热方法。其中，直流充、放加热对电池的要求苛刻，要求在一定的SOC范围内，且电流幅值不能过大和持续时间不能过长，否则会在电池负极产生锂枝晶，严重影响电池寿命，甚至造成电池内部短路。因此，直流加热方法产热率低、加热效果差。而交流加热方法通过对电池交流充放电实现对电池的加热，避免了电池SOC的持续变化和锂的析出。因此，交流加热方法不会对电池造成较大的损害，且不会影响电池电量，具有加热速度快、效率高和一致性好等优点。从以上分析可以看出，车载动力电池加热的最大挑战是能量源。一般来说，能量源可以是发动机、发电机、电池以及外部电源。很明显，只有混合动力电动汽车能够利用发动机和发电机的热量和电量来加热电池，但是加热速度较慢，效率较低。不过，对于电动汽车来说，只有电池的能量和外部电源可用来加热电池。现有文献中存在只使用电池能量的外部传导加热和内部直流加热方法。尽管这两种方法不需要外部电源，获得了较低的成本和较高的可靠性，但是这两种方法仍然具有较低的加热效率、较长的加热时间和较大的能量损耗等缺点。如上所述，内部交流加热方法具有很大发展前景，因为该方法展示出了优越的加热性能，即加热速度快、效率高、一致性好以及对电池无损伤。但是，现有的交流加热方法的交流激励通常由非车载的充放电设备产生，具有体积大和重量沉等缺点，是交流加热方法应用到电动汽车上的主要障碍。至今为止，仍然没有一个体积小、效率高、可靠性高、不需额外电源的车载交流加热器。在低温环境下，锂离子动力电池的充、放电性能会急剧变差，极大地降低了电动汽车的续驶里程，还会对电池造成永久性伤害，降低电池的有效容量和使用寿命。因此，应对车载锂离子动力电池进行预加热，使电池内芯达到正常工作温度范围内。在现有的电池加热方法中，内部加热方法具有加热速度快、均匀、效率高、成本低、可靠性高、易实现等优点。其中，内部加热又有直流加热和交流加热方法。其中，直流加热对电池的要求苛刻，要求在一定的SOC范围内，且电流幅值不能过大和持续时间不能过长，否则会在电池负极产生锂枝晶，严重影响电池寿命，甚至造成电池内部短路。现有文献中给出了低温环境下直流充电和交流充放电下电池电极反应机理示意图。如图1(a)所示，在直流充电过程中因锂在石墨负极活性材料颗粒中的固相扩散系数降低，导致电化学反应生成的锂不能及时向颗粒内部扩散而在负极活性材料颗粒表面积累，即产生析锂。如图1(b)所示，对电池加载交流电流时，锂离子在电极活性材料颗粒中的扩散过程交替进行，嵌锂和脱锂反应交替进行，不会产生析理，因此不会对电池的容量造成永久性损伤。总之，交流加热方法通过对电池交流充放电实现对电池的加热，避免了电池SOC的持续变化和锂的析出，不会对电池造成较大的损害，并且具有加热速度快、效率高和一致性好等优点，是一个极具发展前景的加热方法。但是，现有的交流加热方法的交流激励电流通常由非车载的充放电设备产生，其由电网供电，具有体积大和重量沉等缺点，是交流加热方法应用到电动汽车上的主要障碍。迄今为止，仍然没有一个高效的、体积小、可靠性高的车载交流加热器，特别是不需要外接电源。综上所述，现有技术中对于交流加热方法应用到电动汽车上的难题，尚缺乏有效的解决方案。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路，本专利技术通过引进另外一个与之状态互补的Buck-Boost变换，能够实现对动力电池的全时加热，在不会对电池造成进一步伤害的前提下获得了更高的加热速度和效率。车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路，包括第一电池组及第二电池组，两个相并联的Buck-Boost变换电路并联至待加热的电池组上，所述Buck-Boost变换电路分别由两对相角相差设定角度的PWM信号控制，当第一个Buck-Boost变换电路对第一电池组的电池单体加热时，第二个Buck-Boost变换电路对第二电池组的电池单体加热，实现全时间加热电池组。进一步的，所述Buck-Boost变换电路分别由两对相角相差180°的PWM信号控制，占空比为50％。进一步的，所述第一电池组及第二电池组为被分为数量相等的两组。进一步的，所述第一电池组及第二电池组为被分为数量不等的两组。进一步的，所述两个相并联的Buck-Boost变换电路结构相同，分别包括第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管，所述第一开关管及第三开关管分别与第一电池组并联，所述第二开关管及第四开关管分别与第二电池组并联，上述并联电路均连接至一电感上。进一步的，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管与第四开关管均为MOSFET开关管。车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路，包括：在一个PWM周期内，具有四个稳定的工作模态：工作模态一：第一开关管导通，第二开关管关断，第四开关管导通，第三开关管关断；第一电感给第一电池组充电，第一电感电流开始下降，第二电感给第二电池组充电，第二电感电流开始下降；工作模态二：第一开关管保持导通，第二开关管保持关断，第四开关管保持导通，第三开关管保持关断；当第一电感电流降为0时，模态二开始；第一电池组将能量传递到第一电感中，第一电感电流反向上升，第二电池组将能量传递到第二电感中，第二电感电流反向上升；工作模态三：第二开关管导通，第一开关管关断，能量从第一电感传递到第二电池组；第三开关管导通，第四开关管关断，能量第二电感传递到第一电池组；工作模态四：第二开关管保持导通，第一开关管保持关断，第三开关管保持导通，第四开关管保持关断，当电感电流降为0时，模态四开始；第二电池组给第一电感充电，能量存储在第一电感中，第一电池组给第二电感充电，能量存储在第二电感中。进一步的，本专利技术还公开了上述车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路的控制系统，包括控制器，所述控制器与两个相并联的Buck-Boost变换电路的第一开关管、第二开关管、第三开关管与第四开关管相连，所述控制器输出一对PWM信号驱动第一开关管与第二开关管，所述控制器输出另一对PWM信号驱动第三开关管与第四开关管。进一步的，所述控制器通过控制第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的开关频率，即可在线调整其加热速度。进一步的，上述车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路应用至电动汽车上。进一步的，所述车载动力电池为锂离子、镍氢或铅酸动力电池。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术体积小、成本低。对于基本的加热拓扑，只需两个MOSFET开关和一个电感就本文档来自技高网...

【技术保护点】
车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路，其特征是，包括第一电池组及第二电池组，两个相并联的Buck‑Boost变换电路并联至待加热的电池组上，所述Buck‑Boost变换电路分别由两对相角相差设定角度的PWM信号控制，当第一个Buck‑Boost变换电路对第一电池组的电池单体加热时，第二个Buck‑Boost变换电路对第二电池组的电池单体加热，实现全时间加热电池组。

【技术特征摘要】
1.车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路，其特征是，包括第一电池组及第二电池组，两个相并联的Buck-Boost变换电路并联至待加热的电池组上，所述Buck-Boost变换电路分别由两对相角相差设定角度的PWM信号控制，当第一个Buck-Boost变换电路对第一电池组的电池单体加热时，第二个Buck-Boost变换电路对第二电池组的电池单体加热，实现全时间加热电池组。2.如权利要求1所述的车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路，其特征是，所述Buck-Boost变换电路分别由两对相角相差180°的PWM信号控制，占空比为50％。3.如权利要求1所述的车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路，其特征是，所述第一电池组及第二电池组为被分为数量相等的两组。4.如权利要求1所述的车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路，其特征是，所述第一电池组及第二电池组为被分为数量不等的两组。5.如权利要求1所述的车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路，其特征是，所述两个相并联的Buck-Boost变换电路结构相同，分别包括第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管，所述第一开关管及第三开关管分别与第一电池组并联，所述第二开关管及第四开关管分别与第二电池组并联，上述并联电路均连接至一电感上。6.如权利要求5所述的车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路，其特征是，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管与第四开关管均为MOSFET开关管。7.如权利要求1所述的车载动力电池低温全时间交错并联加热拓扑电路，其特征是，包括：包括：在一个PWM周期内，具有四个稳定的工作模...

【专利技术属性】
技术研发人员：商云龙，张承慧，崔纳新，张奇，段彬，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37