一种电动汽车电池脉冲自加热系统及控制方法与流程

本发明属于电动汽车电池加热，具体涉及一种电动汽车电池脉冲自加热系统及控制方法。

背景技术：

1、随着电动汽车的普及，动力电池在低温环境下的性能问题日益突出。锂离子电池在低温下活性下降、内阻增大，可用容量与充放电能力显著衰减，不仅影响整车的续驶里程与动力性，也使得低温环境下的充电时间明显延长，严重影响用户体验。为改善电池的低温性能，通常需要在使用或充电前对电池进行加热。电池的加热方式主要分为外部热源加热与电池自加热两类；与依靠外部热源对电池进行加热的方式相比，电池自加热通过在电池内部产生交变电流、借助电池自身内阻发热，具有加热速度快、温度分布均匀等优点。近年来，已有一些利用电驱动系统对动力电池进行脉冲自加热的方案被提出，在一定程度上改善了电池的低温性能、缩短了低温环境下的充电时间。

2、在一种相关技术中，通过在动力电池之外额外增设六个开关管和两个电感，与电池组成闭合回路以产生脉冲电流对电池进行加热。该方案虽能产生脉冲电流实现自加热，但需要额外增设由六个开关管和两个电感构成的外电路，硬件成本较高、体积与布置代价较大，不利于在整车上的商业化应用。

3、在另一种相关技术中，利用电驱动系统原有的拓扑结构，借助电机电感的储能作用在动力电池内部产生脉冲电流对电池加热，从而无需额外增加硬件成本。然而，由于该方案沿用电驱动系统的原有拓扑，其电池侧脉冲电流的频率与幅值无法同时独立调节，难以实现较低频率、较大幅值的脉冲电流，致使实际加热效果较差、加热效率偏低；同时，为获得足够的加热电流往往不得不采用较高频率的脉冲电流，而高频电流会在电机中产生较大的损耗，存在电机过热的风险。此外，由于脉冲电流流经电机绕组，若不对电机的电磁扭矩加以约束，自加热过程中电机可能输出非零的电磁扭矩，进而引起车辆窜动等问题，影响整车的平顺性与安全性。

4、由此可见，现有的电池脉冲自加热方案在硬件成本、加热效果与效率、电机损耗与过热风险，以及自加热过程中因电机扭矩而引起的整车平顺性等方面仍存在不足，有待进一步改进。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种电动汽车电池脉冲自加热系统及控制方法，仅需对电机控制器和电池进行适当改制，即可以较低的成本实现较好的电池脉冲自加热效果，改善低温环境下的用户体验。

2、本发明采用的技术方案是：一种电动汽车电池脉冲自加热系统，其特征在于，包括：动力电池组，所述动力电池组由内部串联的第一子电池模块和第二子电池模块构成，且在所述第一子电池模块和第二子电池模块的电气串联节点处引出有一条高压分支线束；电机控制器与驱动电机，所述电机控制器具有多个功率逆变桥臂，并经由所述功率逆变桥臂的三相交流输出端与所述驱动电机的三相定子绕组相耦合；多路路径选择开关模块，所述多路路径选择开关模块的输入端与所述高压分支线束物理电连接，其输出端被配置为能够选择性地将所述高压分支线束导通至所述三相定子绕组中的任意指定相回路；所述电机控制器通过调制其功率逆变桥臂的通断状态以及所述多路路径选择开关模块的接入路径，驱动所述第一子电池模块和第二子电池模块经由定子绕组电感进行能量交替往复的充放电操作。

3、上述技术方案中，所述多路路径选择开关模块为单刀三掷开关。

4、上述技术方案中，所述多路路径选择开关模块的输出端布置于驱动电机的三相引出线束处，或者集成布置于电机控制器的三相桥臂交流输出端处。

5、本发明提供了一种电动汽车电池脉冲自加热的控制方法,采用如上述技术方案中所述的电动汽车电池脉冲自加热系统,所述控制方法包括以下步骤:获取所述驱动电机的当前驻车转子电角度位置信息；基于所述当前驻车转子电角度位置信息,计算并判定用于使电机维持零电磁扭矩输出的最佳目标接入相；下发硬件控制指令,使得所述多路路径选择开关模块闭合至与所述最佳目标接入相相对应的电气分支；基于预设的发热量需求动态生成所述最佳目标接入相的电流参考值,且使所述电流参考值满足维持电机的交轴电流参考分量为零的零扭矩约束,并据此向所述电机控制器的各个功率逆变桥臂输出占空比调制信号,以控制所述第一子电池模块和第二子电池模块经由定子绕组电感反复多次地进行储能与释能,从而在所述第一子电池模块与第二子电池模块之间交替往复地传递能量。

6、上述技术方案中，所述反复多次的储能与释能过程在一个脉冲周期内包括依次进行的激磁放电阶段、换流转移阶段、续流充电阶段、反向放电阶段以及复位回充阶段；在所述激磁放电阶段，控制第一子电池模块经由未被选为最佳目标接入相的其余两相所对应的上桥臂向定子绕组放电进行储能；在所述换流转移阶段，控制所述第一子电池模块继续放电并对第二子电池模块进行充电；在所述续流充电阶段，控制所述定子绕组释放储能对所述第二子电池模块进行充电；在所述反向放电阶段，控制所述第二子电池模块通过所述定子绕组反向放电；在所述复位回充阶段，控制所述第二子电池模块放电并将能量回充至所述第一子电池模块。

7、上述技术方案中，计算并判定所述最佳目标接入相的步骤包括：在维持所述零扭矩约束的前提下，确定使得未被选为最佳目标接入相的其余两相回路中的预期电流有效值均不超过所述最佳目标接入相电流有效值的安全控制边界，并依据所述安全控制边界判定所述最佳目标接入相。

8、上述技术方案中，以所述三相定子绕组中第一相的绕组轴线方向为电角度零点，将所述安全控制边界划分为与所述三相一一对应的电角度逻辑判断区间，且每一相对应两个相差180度的判断子区间：当判断所述当前驻车转子电角度位置信息位于-30度至+30度、或+150度至+210度区间内时，将第一相设定为所述最佳目标接入相；当判断所述当前驻车转子电角度位置信息位于+90度至+150度、或-90度至-30度区间内时，将第二相设定为所述最佳目标接入相；当判断所述当前驻车转子电角度位置信息位于+30度至+90度、或-150度至-90度区间内时，将第三相设定为所述最佳目标接入相；其中，所述第一相、第二相、第三相为所述三相定子绕组中相位互差120度的三相。

9、上述技术方案中，在向所述电机控制器的各个功率逆变桥臂输出占空比调制信号的步骤中，对未被选为最佳目标接入相的其余两相所对应的两个桥臂施加交错并联的脉宽调制控制，使所述两个桥臂各自的载波信号之间维持一个预设的相位偏移角度。

10、上述技术方案中，将所述预设的相位偏移角度设定为180度。

11、上述技术方案中，以所述最佳目标接入相的绕组轴线方向为基准，所述未被选为最佳目标接入相的其余两相中，一相的电流参考值为，另一相的电流参考值为；其中，为所述最佳目标接入相的电流参考值，为相对于所述基准的当前驻车转子电角度位置信息。

12、上述技术方案中，还包括：监测所述动力电池组的温度，当所述动力电池组的温度达到设定阈值时，断开所述多路路径选择开关模块并结束电池脉冲自加热过程。

13、上述技术方案中，对所述未被选为最佳目标接入相的其余两相所对应的两个桥臂施加脉宽调制控制的步骤包括：分别确定所述其余两相为满足所述零扭矩约束所需的电流参考值；针对所述两个桥臂中的每一个，将其所对应相的所述电流参考值与该相的电流反馈值作差得到电流误差，将所述电流误差经由比例积分调节器运算得到该桥臂的占空比调制信号，将所述占空比调制信号与载波信号比较以生成该桥臂中下桥臂开关管的开关动作信号，并向该桥臂中上桥臂的开关管施加与之互补的开关动作信号。

14、本发明提供了一种车载控制器，包括存储芯片以及微处理器；所述存储芯片内固化有程序代码，当所述微处理器读取执行所述程序代码时，执行如上述技术方案所述的控制方法。

15、本发明的有益效果是：本发明实施例提供的电动汽车电池脉冲自加热系统，将动力电池组自中点剖分为相互串联的第一子电池模块与第二子电池模块并引出高压分支线束，再通过多路路径选择开关模块将该高压分支线束选择性地接通至驱动电机的任一相定子绕组，借助电机控制器原有的功率逆变桥臂和电机绕组电感，即可驱动第一、第二子电池模块经定子绕组电感交替往复地充放电，在动力电池内部形成脉冲电流并借助电池内阻发热以实现自加热。由于该系统仅在原有电驱动系统的基础上增设路径选择开关模块、而无需额外增加电感或大量开关管，因此对现有电路硬件的改动小、成本低，克服了现有技术中需额外增设六个开关管和两个电感所带来的高成本问题，具有良好的经济性与商业应用价值。

16、进一步地，当所述多路路径选择开关模块采用单刀三掷开关时，仅用一个开关器件即可实现高压分支线束在三相绕组之间的三选一通断，硬件结构简单、增设的器件数量最少，进一步降低了系统的硬件成本与布置代价；并且，该路径选择开关模块的输出端既可布置于驱动电机的三相引出线束处，也可集成布置于电机控制器三相桥臂的交流输出端处，从而为不同的整车与电驱动系统布置提供了灵活的集成方案，便于在既有平台上改制实施。

17、本发明实施例提供的控制方法，依据整车驻车时的转子电角度位置选定最佳目标接入相，将高压分支线束接通至该相，并在依据发热量需求动态生成接入相电流参考值的同时，使电机的交轴电流参考分量保持为零，据此向各功率逆变桥臂输出占空比调制信号，控制第一、第二子电池模块经定子绕组电感反复储能与释能。由此，本方法在动力电池内部形成脉冲电流实现自加热的同时，使电机维持零电磁扭矩输出，从而在自加热过程中不会产生使车辆窜动的电磁扭矩，最大程度地减小了脉冲自加热对整车平顺性与安全性的影响；并且，由于接入相电流参考值依据发热量需求动态生成，自加热的强度可控、可调。

18、进一步地，上述储能与释能过程在一个脉冲周期内依次包括激磁放电、换流转移、续流充电、反向放电与复位回充五个阶段，使能量在第一子电池模块、定子绕组电感与第二子电池模块之间往复转移，从而在电池内部稳定地建立起往复的脉冲电流，保证了自加热过程的连续进行与加热效果的可靠实现。

19、进一步地，在判定最佳目标接入相时，约束未被选为接入相的其余两相回路中的预期电流有效值均不超过接入相的电流有效值，使三相电流在自加热过程中不超过电机所能承受的最大相电流，从而避免过流并为零扭矩的实现提供了安全可行的判定依据；在此基础上，以第一相绕组轴线方向为电角度零点，将该安全控制边界划分为与三相一一对应、且每相各含两个相差180度的判断子区间，使三相各自可实现零扭矩的转子电角度区间恰好无缝覆盖0至360度的整个圆周，因此无论整车停驻于何种转子位置，都能选出相应的接入相实现零扭矩输出，彻底消除了零扭矩自加热对转子停驻位置的依赖；进而，以接入相绕组轴线方向为基准，将接入相电流参考值按设定关系分配为其余两相的电流参考值，给出了满足零扭矩约束的明确电流分配律，使两相电流参考值可随转子电角度实时、精确地计算，确保自加热全过程中电机始终维持零扭矩输出。

20、进一步地，对未被选为接入相的其余两相所对应的两个桥臂施加交错并联的脉宽调制控制、使二者载波信号之间保持预设的相位偏移，可有效降低脉冲电流的纹波，进而降低自加热过程中电机的铁耗、缓解电机发热，克服了现有技术因高频电流损耗大而导致电机过热的问题；其中，当将上述相位偏移角度设定为180度时，两相桥臂的交错并联效果最佳、纹波抑制最为充分，从而进一步降低电机铁耗与发热。在具体实现上，针对上述两相桥臂，将各相电流参考值与其电流反馈值作差、经比例积分调节后与载波比较生成下桥臂开关管的动作信号、并对上桥臂施加与之互补的动作信号，实现了对两相电流的闭环精确跟踪，保证实际电流准确跟随满足零扭矩约束的参考值，使加热电流得到精确控制。

21、进一步地，通过监测动力电池组的温度并在其达到设定阈值时断开路径选择开关、结束自加热，可避免电池被过度加热，实现自加热过程的自动闭环终止，提高了安全性与能量利用效率。此外，本发明实施例提供的车载控制器，通过在存储芯片中固化相应程序代码、由微处理器读取执行上述控制方法，可将本方案以软件形式部署于既有的电机控制器或整车控制器之中，配合上述硬件平台实现对动力电池的脉冲自加热控制，几乎无需额外增加硬件，有利于低成本的产品化实施。

22、综上，本发明通过自电池中点引出高压分支线束并仅增设一个路径选择开关，在硬件改动小、成本低的前提下，既能够对电池脉冲电流的频率与幅值进行解耦的独立调节、实现低频大幅值的脉冲电流以显著改善加热效果并缩短低温充电时间，又能够借助交错并联控制降低电机铁耗、避免电机过热，还能够依据驻车转子位置实现任意位置的零扭矩输出、避免车辆窜动，从而在整体上克服了现有技术成本高、加热效果差、电机损耗大以及自加热影响整车平顺性等不足，有效改善了电动汽车在低温环境下的使用体验。