电池自加热装置和车辆的制作方法

[0001]
本实用新型涉及电动汽车技术领域，尤其涉及一种电池自加热装置和具有该电池自加热装置的车辆。


背景技术：

[0002]
动力电池作为动力来源，在纯电动系列和混合动力系列车型的能源系统上得到大范围使用。然而，动力电池的外特性会受到低温环境温度的影响，续航里程下降，并在直流充电过程中会产生析锂，对电池造成永久性伤害，降低电池的寿命和容量。因此低温环境下，在使用电池前，尤其是在低温充电前，需要对动力电池进行加热升温处理，使电池电芯温度上升，使其充电能力恢复正常。
[0003]
相关技术中，通常采用ptc(positive temperature coefficient，正温度系数)加热方案，即通过ptc加热水路，再通过水路循环对动力电池进行热量传递，使得电池模组从外壳至内心，由外及内温度上升，ptc加热方案示意图如图1所示。但是，通过上述ptc加热水路间接加热电池，其升温时间较久，导致热交换效率低。


技术实现要素：

[0004]
本实用新型的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
[0005]
第一方面，本实用新型实施例提出了一种电池自加热装置，包括：
[0006]
动力电池组，所述动力电池组包括第一子电池组及与其串联的第二子电池组；
[0007]
双向dc-dc变换器，所述双向dc-dc变换器的输入端与所述第一子电池组连接，所述双向dc-dc变换器的输出端与所述第二子电池组连接；
[0008]
控制模块，所述控制模块分别与所述第一子电池组、所述第二子电池组和所述双向dc-dc变换器连接，所述控制模块控制所述双向dc-dc变换器工作以对所述第一子电池组和所述第二子电池组进行循环往复的相互充放电，产生的交流电流使所述第一子电池组的内阻和所述第二子电池组的内阻产生热量。
[0009]
本实用新型实施例的电池自加热装置，通过将动力电池组拆分成两部分，即第一子电池组和第二子电池组，通过外接双向dc-dc变换器，实现分隔的两部分电池组进行循环往复的相互充放电，在此过程中产生交流电流，电流通过电池内阻，使得动力电池组由于内部电池内阻产生热量的原因而使得电池迅速升温，达到电池自加热的效果，可以大大缩短寒冷环境下电池升温时间，使电池可以在较短时间内恢复充电能力。
[0010]
另外，根据本实用新型上述实施例的电池自加热装置还可以具有如下附加的技术特征：
[0011]
在本实用新型中，所述双向dc-dc变换器为隔离式双向dc-dc变换器。
[0012]
在本实用新型中，所述隔离式双向dc-dc变换器包括：第一开关管t1和第二开关管t2串联组成的第一桥臂，第三开关管t3和第四开关管t4串联组成的第二桥臂，第五开关管t5和第六开关管t6串联组成的第三桥臂，第七开关管t7和第八开关管t8串联组成的第四桥
臂，以及第一电感l1、第二电感l2、第一电容c1、第二电容c2与变压器t，其中，
[0013]
所述第一桥臂的两端分别连接在所述第一子电池组的正、负两端，所述第一桥臂的半桥中点连接至所述第一电感l1的一端；所述第一电感l1的另一端连接至所述变压器t原边的一端；所述第二桥臂的两端分别连接在所述第一子电池组的正、负两端，所述第二桥臂的半桥中点通过所述第一电容c1连接至所述变压器t原边的另一端；所述变压器t副边的一端通过所述第二电容c2连接至所述第四桥臂的半桥中点；所述变压器t副边的另一端通过所述第二电感l2连接至所述第三桥臂的半桥中点；所述第三桥臂的两端分别连接在所述第二子电池组的正、负两端，所述第四桥臂的两端分别连接在所述第二子电池组的正、负两端。
[0014]
在本实用新型中，所述电池自加热装置还包括：
[0015]
温度传感器，所述温度传感器分别与所述动力电池组和所述控制模块连接，所述温度传感器用于测量所述动力电池组的温度，并将测量的所述动力电池组的温度发送给所述控制模块；
[0016]
其中，所述控制模块根据所述温度传感器测量的所述动力电池组的温度，控制所述双向dc-dc变换器工作。
[0017]
在本实用新型中，所述控制模块在所述温度传感器测量的所述动力电池组的温度小于第一阈值时，基于目标脉冲宽度调制控制信号，控制所述双向dc-dc变换器中的开关管通断工作，以使所述双向dc-dc变换器在正向工作状态和反向工作状态之间进行切换，并在所述温度传感器测量的动力电池组的温度大于第二阈值时，控制所述双向dc-dc变换器停止工作；其中，所述第二阈值大于所述第一阈值。
[0018]
在本实用新型中，所述双向dc-dc变换器每次处于所述正向工作状态的第一时长、以及每次处于所述反向工作状态的第二时长相同，且所述第一时长和所述第二时长是由所述动力电池组最大能够承受的交流电频率决定的。
[0019]
在本实用新型中，所述第一子电池组与所述第二子电池组的电压之和，与所述动力电池组的总电压保持一致。
[0020]
在本实用新型中，所述第一子电池组的总电压与所述第二子电池组的总电压保持一致。
[0021]
在本实用新型中，所述第一子电池组的总电压与所述第二子电池组的总电压的差值小于目标值；其中，所述目标值是由所述双向dc-dc变换器的增益范围决定的。
[0022]
第二方面，本实用新型实施例还提出了一种车辆，该车辆包括上述第一方面实施例所述的电池自加热装置。
[0023]
本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
[0024]
本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0025]
图1是现有技术中通过ptc及水路循环给电池包加热的示例图。
[0026]
图2是根据本实用新型实施例的电池自加热装置的结构示意图一。
[0027]
图3为本实用新型实施例的电池自加热装置的电路示意图。
[0028]
图4是根据本实用新型实施例的电池自加热装置的结构示意图二。
[0029]
图5是根据本实用新型实施例的隔离式双向dc-dc变换器处于正向工作状态时电流流动的示例图。
[0030]
图6为本实用新型实施例的开关管t1～t8的控制波形的示例图一。
[0031]
图7是根据本实用新型实施例的隔离式双向dc-dc变换器处于反向工作状态时电流流动的示例图。
[0032]
图8为本实用新型实施例的开关管t1～t8的控制波形的示例图二。
[0033]
图9是根据本实用新型实施例的车辆的结构示意图。
具体实施方式
[0034]
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
[0035]
下面参考附图描述本实用新型实施例的电池自加热装置和具有该电池自加热装置的车辆。
[0036]
图2是根据本实用新型实施例的电池自加热装置的结构示意图。如图2所示，该电池自加热装置100可以包括：动力电池组10、双向dc-dc变换器20和控制模块30。其中，动力电池组10包括第一子电池组11和第二子电池组12，第一子电池组11与第二子电池组12串联。双向dc-dc变换器20的输入端与第一子电池组11连接，双向dc-dc变换器20的输出端与第二子电池组12连接。控制模块30分别与第一子电池组11、第二子电池组12和双向dc-dc变换器20连接。
[0037]
在本实用新型中，控制模块30可用于控制双向dc-dc变换器20工作以对第一子电池组11和第二子电池组12进行循环往复的相互充放电，产生的交流电流可以使第一子电池组11和第二子电池组12的内阻产生热量。例如，可将双向dc-dc变换器20的输入端并联在第一子电池组11的正、负两端，并将双向dc-dc变换器20的输出端并联在第二子电池组12的正、负两端，通过控制模块30控制该双向dc-dc变换器20工作，以对第一子电池组11和第二子电池组12进行循环往复的相互充放电，在此过程中会产生交流电流，而所产生的交流电流流经第一子电池组11和第二子电池组12内的电池内阻时，第一子电池组11和第二子电池组12内的电池内阻会产生热量，从而可以使得第一子电池组11和第二子电池组12内的单体电池迅速升温。
[0038]
需要说明的是，在本实用新型中，第一子电池组11和第二子电池组12可以分别是由多个单体电池组成。例如，第一子电池组11可由多节单体电池串联组成；第二子电池组12也可以是由多节单体电池串联组成。也就是说，本实用新型是将动力电池组拆分成两个子电池组，即第一子电池组11和第二子电池组12，第一子电池组11和第二子电池组12串联构成动力电池组10。其中，第一子电池组11与第二子电池组12的电压之和，与动力电池组10的总电压保持一致，也就是说，动力电池组10的总电压v0与第一子电池组11的电压v1、第二子电池组12的电压v2之间满足以下关系：v0＝v1+v2。
[0039]
也就是说，本实用新型的动力电池组10可由多节电池单元串联而成，本实用新型是将该由多节电池单元组成的动力电池组10拆分为两部分，分为第一子电池组11和第二子电池组12，将双向dc-dc变换器20并联到第一子电池组11和第二子电池组12之间，这样，在低温环境下，控制模块30可启动双向dc-dc变换器20工作，使得第一子电池组11和第二子电池组12之间进行循环往复的相互充放电，放电子电池组电流为直流电流(低温放电对电池组无性能影响)，充电子电池组电流为三角波或正弦波，这样，动力电池组10内部有循环往复且可控的交流电流流过，使其内电阻迅速发热，功率p＝i
2
r其中，i取交流有效值，r为动力电池组的电池内阻。
[0040]
为了能够保证能量流动时获得的电流一致，可选地，在本实用新型中，第一子电池组11的总电压与第二子电池组12的总电压保持一致。也就是说，第一子电池组11的容量与第二子电池组12的容量基本保持一致，且第一子电池组11的总电压与第二子电池组12的电压等级相同，第一子电池组11的总电压与第二子电池组12的电池内阻基本一致，这样，在利用双向dc-dc变换器对第一子电池组和所述第二子电池组进行循环往复的相互充放电时，能够保证能量流动时获得的电流一致，从而可以保障动力电池组的性能。
[0041]
由于双向dc-dc变换器的输入、输出电压与变换器的增益特性存在映射关系，所以为了能够保证能量流动时获得的电流一致，可选地，在本实用新型中，第一子电池组11的总电压与第二子电池组12的总电压的差值可小于目标值，其中，该目标值的大小是由双向dc-dc变换器的增益范围来决定的。也就是说，由于双向dc-dc变换器的增益特性，使得双向dc-dc变换器的输入电压和输出电压存在一定差异，为了能够保证能量流动时获得的电流一致，可设计第一子电池组11的电压与第二子电池组12的电压存在一定的差异，而这两子电池组的电压差异值由双向dc-dc变换器的增益范围来决定的。
[0042]
为了节约成本，实现利用动力电池组内部分隔的两部分电池组相互充放电，在本实用新型中，双向dc-dc变换器20可为隔离式双向dc-dc变换器。也就是说，可将动力电池组拆分为第一子电池组和第二子电池组，通过外接隔离式双向dc-dc变换器，实现分隔的两部分电池组相互充放电，通过电池内阻加热的自加热技术。
[0043]
如图3所示，为本实用新型实施例的电池自加热装置的电路示意图。其中，隔离式双向dc-dc变换器21可包括：第一开关管t1和第二开关管t2串联组成的第一桥臂，第三开关管t3和第四开关管t4串联组成的第二桥臂，第五开关管t5和第六开关管t6串联组成的第三桥臂，第七开关管t7和第八开关管t8串联组成的第四桥臂，以及第一电感l1、第二电感l2、第一电容c1、第二电容c2与变压器t。其中，第一桥臂的两端分别连接在第一子电池组11的正、负两端，第一桥臂的半桥中点连接至第一电感l1的一端；第一电感l1的另一端连接至变压器t原边的一端；第二桥臂的两端分别连接在第一子电池组11的正、负两端，第二桥臂的半桥中点通过第一电容c1连接至变压器t原边的另一端；变压器t副边的一端通过第二电容c2连接至第四桥臂的半桥中点；变压器t副边的另一端通过第二电感l2连接至第三桥臂的半桥中点；第三桥臂的两端分别连接在第二子电池组12的正、负两端，第四桥臂的两端分别连接在第二子电池组12的正、负两端。
[0044]
在本实用新型中，如图4所示，该电池自加热装置100还可包括：温度传感器40。其中，温度传感器40可分别与动力电池组10和控制模块30连接，温度传感器40可用于测量动力电池组10的温度，并将测量的动力电池组10的温度发送给控制模块30。控制模块30在接
收到温度传感器40发送的动力电池组10的温度时，可根据温度传感器40测量的动力电池组10的温度，控制双向dc-dc变换器20工作。其中，温度传感器40所测量的动力电池组10的温度，可为动力电池组10的平均温度，该平均温度可由动力电池组10中所有电池单元的温度求平均而得到的。
[0045]
举例而言，控制模块30在接收到温度传感器40发送的动力电池组10的温度时，可根据动力电池组10的当前温度，来判断当前是否需要对动力电池组10进行自加热，比如，在判断动力电池组10的当前温度小于第一阈值时，可认为动力电池组当前处于低温环境下，此时可基于目标脉冲宽度调制控制信号，控制双向dc-dc变换器20中的开关管通断工作，以使双向dc-dc变换器20在正向工作状态和反向工作状态之间进行切换。
[0046]
在通过控制模块30控制双向dc-dc变换器20在正向工作状态和反向工作状态之间进行切换的过程中，温度传感器40可实时测量动力电池组10的温度，并将实时测量到的温度发送给控制模块30，当控制模块30在判断动力电池组10的当前温度大于第二阈值(其中，该第二阈值大于上述第一阈值)时，可控制双向dc-dc变换器20停止工作，即说明此时动力电池组10已升温，动力电池组内芯温度能满足使用要求，使得动力电池组的充电能力随温度上升恢复正常。也就是说，当动力电池组的温度t达到第二阈值，即预设温度t1时，控制模块30可控制双向dc-dc变换器20停止工作，第一子电池组和第二子电池组的充放电过程终止。在不需要加热时，由于双向dc-dc变换器是处于关闭状态的，所以电池系统不受影响。
[0047]
在本实用新型中，以双向dc-dc变换器为隔离式双向dc-dc变换器为例，隔离式双向dc-dc变换器处于正向工作状态时电流流动可如图5所示。其中，控制模块可控制隔离式双向dc-dc变换器中的第一开关管t1、第二开关管t2、第三开关管t3和第四开关管t4接通，第五开关管t5、第六开关管t6、第七开关管t7和第八开关管t8断开，开关管t1～t8的控制波形可如图6所示，其中，开关管t1和t4同相，开关管t2和t3同相。控制模块可基于如图6所示的脉冲宽度调制控制信号，来控制隔离式双向dc-dc变换器中的开关管通断工作，从而调节变换器的增益，通过控制电路中的电压来控制电流。隔离式双向dc-dc变换器正向工作过程中，此时系统能量经变压器t从初级流向次级，此时，第一子电池组11通过正向工作的隔离式双向dc-dc变换器21，向第二子电池组12充电。设定每次针对第二子电池组12的充电时长δt1，当充电时长t＝δt1时，控制模块控制隔离式双向dc-dc变换器停止正向工作，切换到反向工作。
[0048]
隔离式双向dc-dc变换器处于反向工作状态时电流流动可如图7所示。其中，控制模块可控制隔离式双向dc-dc变换器中的第一开关管t1、第二开关管t2、第三开关管t3和第四开关管t4断开，第五开关管t5、第六开关管t6、第七开关管t7和第八开关管t8接通，开关管t1～t8的控制波形可如图8所示，其中，开关管t5和t8同相，开关管t6和t7同相。控制模块可基于如图8所示的脉冲宽度调制控制信号，来控制隔离式双向dc-dc变换器中的开关管通断工作，从而调节变换器的增益，通过控制电路中的电压来控制电流。隔离式双向dc-dc变换器反向工作过程中，此时系统能量经变压器t从次级流向初级，此时第二子电池组12通过反向工作的隔离式双向dc-dc变换器21，向第一子电池组11充电。设定每次针对第一子电池组11的充电时长δt2，当充电时长t＝δt2时，控制模块控制隔离式双向dc-dc变换器停止反向工作。之后，循环往复控制隔离式双向dc-dc变换器在正向工作状态和反向工作状态之间进行切换，此时在第一子电池组和第二子电池组上产生正反向流动的交流电流，交流电
流流经动力电池组内阻，使得内阻功耗可使动力电池组的温度上升。
[0049]
值得注意的是，在本实用新型中，双向dc-dc变换器每次处于正向工作状态的第一时长、以及每次处于反向工作状态的第二时长相同，且第一时长和第二时长是由动力电池组最大能够承受的交流电频率来决定的。也就是说，假设每次利用第一子电池组向第二子电池组充电(即每当双向dc-dc变换器处于正向工作状态)时，充电时长(即上述第一时长)为δt1，每次利用第二子电池组向第一子电池组充电(即每当双向dc-dc变换器处于反向工作状态)时，充电时长(即上述第二时长)为δt2，δt1与δt2应满足：δt1＝δt2。其中，第一时长δt1和第二时长δt2可分别是由动力电池组最大能够承受的交流电频率来决定的，其中，动力电池组最大能够承受的交流电频率比如可为100赫兹。可以理解，低温环境下充电会对电池有极大损耗，会产生析锂使电池寿命降低。针对于车用锂离子电池充放电，频率较高时，电流增大不会对电池造成任何损伤，频率越高越不容易产生析锂现象。因此，基于该特性，为了能够使得在第一子电池组和第二子电池组上产生正反向流动的交流电流，通过产生的交流电流使得电池组内阻产生热量，从而是电池温度上升，本实用新型中，该交流电流频率可为100赫兹。
[0050]
根据本实用新型实施例的电池自加热装置，通过将动力电池组拆分成两部分，即第一子电池组和第二子电池组，通过外接双向dc-dc变换器，实现分隔的两部分电池组进行循环往复的相互充放电，在此过程中产生交流电流，电流通过电池内阻，使得动力电池组由于内部电池内阻产生热量的原因而使得电池迅速升温，达到电池自加热的效果，可以大大缩短寒冷环境下电池升温时间，使电池可以在较短时间内恢复充电能力。
[0051]
需要说明的是，在本实用新型的一个实施例中，可将动力电池组拆分成多个部分，即拆分成两个以上子电池组，并通过外接多个双向dc-dc变换器，实现分隔的两个以上子电池组进行循环往复的相互充放电。例如，可将动力电池组拆分成2n个子电池组，n为正整数，每两个子电池组之间并联一个双向dc-dc变换器，这样，可通过双向dc-dc变换器对与其并联的两个子电池组进行循环往复的相互充放电，在此过程中产生交流电流，电流通过电池内阻，使得每两个子电池组内阻产生热量，达到电池自加热的效果。
[0052]
为了实现上述实施例，本实用新型还提出了一种车辆。
[0053]
图9是根据本实用新型实施例的车辆的结构示意图。如图9所示，该车辆90可包括：电池自加热装置100。其中，该电池自加热装置100的结构以及功能描述可参见上述本实用新型任一实施例所述的电池自加热装置的结构和功能描述，在此不再赘述。需要说明的是，上述车辆可为纯电动汽车，还可以是混合动力汽车。
[0054]
根据本实用新型的车辆，通过将动力电池组拆分成两部分，即第一子电池组和第二子电池组，通过外接双向dc-dc变换器，实现分隔的两部分电池组进行循环往复的相互充放电，在此过程中产生交流电流，电流通过电池内阻，使得动力电池组由于内部电池内阻产生热量的原因而使得电池迅速升温，达到电池自加热的效果，可以大大缩短寒冷环境下电池升温时间，使电池可以在较短时间内恢复充电能力。
[0055]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”、“第八”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”、“第八”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的
描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0056]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0057]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0058]
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

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