一种动力电池加热系统及电动车辆的制作方法

1.本技术涉及电池加热技术领域，具体而言，涉及一种动力电池加热系统及电动车辆。


背景技术：

2.一方面，锂离子动力电池在低温下直接充电时，易产生析锂，造成车辆续驶里程降低、动力电池寿命衰减，甚至导致安全事故，因此在低温环境下，需先把动力电池加热到一定温度后，再进行充电；另一方面，随着动力电池充电倍率的增大，动力电池补能速度大幅提升，当下，在低温环境下充电时间的缩短主要受限于动力电池的加热时间。故当前市场急需一种能够大幅提升动力电池加热速度的加热系统。
3.现有技术中，动力电池加热系统主要有外部加热和内部自加热两种技术实现方式，其中内部自加热具有更高的加热效率，且电池受热更加均匀。外部加热多采用热敏电阻或热泵空调等部件，内部自加热采用反复的脉冲充放电利用动力电池内阻实现自加热，主要通过修改电路拓扑(如增加中间储能元件)或使用具备双向充放电能力的充电桩实现。但是它们要么加热效果有限，要么造价昂贵，且就充电场景而言，仅可用作充电前的电池预热。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种动力电池加热系统及电动车辆，可以实现充电过程中内部加热和外部加热同时作用，实现提高加热效率的技术效果。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种动力电池加热系统，包括电驱机构、动力电池、充电机构和热管理水路机构；
6.所述动力电池包括第一动力电池和第二动力电池；
7.所述电驱机构包括电机和三相桥臂组件，所述电机的三相分别连接所述三相桥臂组件的三相端点；
8.所述充电机构包括充电半导体开关组件和充电二极管，所述充电半导体开关组件包括第一充电半导体开关，所述第一动力电池和所述第二动力电池之间连接所述第一充电半导体开关，所述充电二极管与所述第一充电半导体开关并联，所述电机的星点连接在所述第二动力电池和所述第一充电半导体开关之间；
9.所述热管理水路机构分别连接所述电驱机构的冷却管路、所述动力电池的冷却管路。
10.在上述实现过程中，该动力电池加热系统设置充电机构，通过充电半导体开关组件和充电二极管、以及电驱机构的相互配合，使动力电池能够在脉冲加热过程中充电，通过热管理水路机构，可以进一步利用电驱系统中电机产生的热量，给动力电池加热，如此该动力电池加热系统可实现充电过程中内部加热和外部加热同时作用，实现提高加热效率的技术效果。
11.进一步地，所述系统还包括三通阀，所述三通阀分别连接所述热管理水路机构、所述电驱机构的冷却管路、所述动力电池的冷却管路。
12.在上述实现过程中，热管理水路机构流经电驱机构的冷却管路后，可以由三通阀选择直接流回，也可选择经过动力电池的冷却管路后再流回，从而实现动力电池的外部加热，增加加热运行模式的多样性。
13.进一步地，所述第一动力电池的负极与所述第一充电半导体开关的一端连接，所述第二动力电池的正极与所述第一充电半导体开关的另一端连接，所述电机的星点连接所述第二动力电池的正极。
14.进一步地，所述动力电池加热系统设置有充电口，所述充电半导体开关组件还包括第二充电半导体开关和第三充电半导体开关，所述充电口的一端通过所述第二充电半导体开关连接到所述第一动力电池的负极，所述充电口的一端通过所述第三充电半导体开关连接到第一动力电池的正极，所述充电口的另一端连接所述第二动力电池的负极。
15.进一步地，所述充电半导体开关组件还包括第四充电半导体开关，所述第二充电半导体开关通过所述第四充电半导体开关与所述充电口的另一端连接。
16.进一步地，所述系统还包括低压机构，所述低压机构并联于所述充电口的两端，所述低压机构用于给低压负载充电。
17.进一步地，所述三相桥臂组件包括多个电驱半导体开关和多个电驱二极管，所述电驱半导体开关与对应的所述电驱二极管并联。
18.进一步地，所述三相桥臂组件包括三组桥臂机构，每组所述桥臂机构包括两个所述电驱半导体开关，所述电机的三相分别连接所述三组桥臂机构的中点。
19.进一步地，所述电驱机构还包括母线电容，所述母线电容的两端分别与所述第一动力电池的正极、所述第二动力电池的负极连接。
20.第二方面，本技术实施例提供了一种电动车辆，包括第一方面任一项所述的动力电池加热系统。
21.本技术公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本技术公开的上述技术即可得知。
22.为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
24.图1为本技术实施例提供的动力电池加热系统的电路拓扑示意图；
25.图2为本技术实施例提供的动力电池加热系统的水路结构示意图；
26.图3为本技术实施例提供的动力电池热管理系统第一阶段的示意图；
27.图4为本技术实施例提供的动力电池热管理系统第二阶段的示意图；
28.图5为本技术实施例提供的动力电池热管理系统第三阶段的示意图；
29.图6为本技术实施例提供的动力电池热管理系统第四阶段的示意图；
30.图7为本技术实施例提供的第一动力电池充放电状态的示意图；
31.图8为本技术实施例提供的第二动力电池充放电状态的示意图；
32.图9为本技术实施例提供的充电机构充电功率的示意图；
33.图10为本技术实施例提供的动力电池热管理系统第二充电过程的示意图。
34.图标：电驱机构100；电机110；三相桥臂组件120；电驱半导体开关121；电驱二极管122；母线电容130；动力电池200；第一动力电池210；第二动力电池220；充电机构300；充电半导体开关组件310；第一充电半导体开关311；第二充电半导体开关312；第三充电半导体开关313；第四充电半导体开关314；充电二极管320；热管理水路机构400；三通阀500；充电口600；低压机构700。
具体实施方式
35.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
36.在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
37.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
38.此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或点连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的联通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
39.此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。
40.本技术实施例提供的动力电池加热系统及电动车辆，可以应用于动力电池的加热过程中；该动力电池加热系统设置充电机构，通过充电半导体开关组件和充电二极管、以及电驱机构的相互配合，使动力电池能够在脉冲加热过程中充电，通过热管理水路机构，可以进一步利用电驱系统中电机产生的热量，给动力电池加热，如此该动力电池加热系统可实现充电过程中内部加热和外部加热同时作用，实现提高加热效率的技术效果。
41.请参见图1和图2，图1为本技术实施例提供的动力电池加热系统的电路拓扑示意图，图2为本技术实施例提供的动力电池加热系统的水路结构示意图；该动力电池加热系统
包括电驱机构100、动力电池200、充电机构300和热管理水路机构400。
42.示例性地，动力电池200包括第一动力电池210和第二动力电池220。
43.示例性地，将动力电池分第一动力电池210和第二动力电池220两部分，并利用电驱机构100中的电机和电机控制器，进行第一动力电池210和第二动力电池220之间能量的运输和脉冲频率的控制，从而实现寒冷环境动力电池即时无损充电功能。
44.示例性地，电驱机构100包括电机110和三相桥臂组件120，电机110的三相分别连接三相桥臂组件120的三相端点。
45.示例性地，电机110和三相桥臂组件120的连接关系可以是常规的连接关系，此处不再赘述；其中，三相桥臂组件120可以用于进行电机110的电路控制。
46.示例性地，充电机构300包括充电半导体开关组件310和充电二极管320，充电半导体开关组件310包括第一充电半导体开关311，第一动力电池210和第二动力电池220之间连接第一充电半导体开关311，充电二极管320与第一充电半导体开关311并联，电机110的星点连接在第二动力电池220和第一充电半导体开关311之间。
47.示例性地，通过充电半导体开关组件310和充电二极管320、以及电驱机构100的相互配合，使动力电池200能够在脉冲加热过程中充电。
48.示例性地，热管理水路机构400分别连接电驱机构100的冷却管路、动力电池200的冷却管路。
49.示例性地，电驱机构100、动力电池200均设置有冷却管路，可以通过热管理水路机构400，实现对电驱机构100、动力电池200的温度调节，如进行加热或冷却。
50.示例性地，该动力电池加热系统还包括三通阀500，三通阀500分别连接热管理水路机构400、电驱机构100的冷却管路、动力电池200的冷却管路。
51.示例性地，热管理水路机构400流经电驱机构100的冷却管路后，可以由三通阀500选择直接流回，也可选择经过动力电池200的冷却管路后再流回，从而实现动力电池200的外部加热，增加加热运行模式的多样性。
52.示例性地，第一动力电池210的负极与第一充电半导体开关311的一端连接，第二动力电池220的正极与第一充电半导体开关311的另一端连接，电机110的星点连接第二动力电池220的正极。
53.示例性地，动力电池加热系统设置有充电口600，充电半导体开关组件310还包括第二充电半导体开关312和第三充电半导体开关313，充电口600的一端通过第二充电半导体开关312连接到第一动力电池210的负极，充电口600的一端通过第三充电半导体开关313连接到第一动力电池210的正极，充电口600的另一端连接第二动力电池220的负极。
54.示例性地，充电半导体开关组件310还包括第四充电半导体开关314，第二充电半导体开关312通过第四充电半导体开关314与充电口600的另一端连接。
55.示例性地，该动力电池热管理系统还包括低压机构700，低压机构700并联于充电口600的两端，低压机构700用于给低压负载充电。
56.示例性地，三相桥臂组件120包括多个电驱半导体开关121和多个电驱二极管122，电驱半导体开关121与对应的电驱二极管122并联。
57.示例性地，三相桥臂组件包括三组桥臂机构，每组桥臂机构包括两个电驱半导体开关121，电机110的三相分别连接三组桥臂机构的中点。
58.示例性地，电驱机构100还包括母线电容130，母线电容130的两端分别与第一动力电池210的正极、第二动力电池220的负极连接。
59.示例性地，母线电容130起滤波作用。
60.需要注意的是，本技术实施例中所述的充电半导体开关、电驱半导体开关，可以是各种类型的功率开关，如三极管、(绝缘栅双极型晶体管(igbt，insulated gate bipolar transistor)等，此处不作限定。
61.在一些实施方式中，结合图1和图2，当动力电池200充电时，插上充电枪的瞬间便获取动力电池200的初始温度，并和动力电池200的预设温度进行比较，若初始温度不小于预设温度，则电驱机构100不参与工作，充电机构300控制相应的充电半导体开关组件310对动力电池200直接进行充电；
62.否则，充电机构300以及电机110控制相应的电驱半导体开关121，使动力电池200边加热边充电，同时监测动力电池200的实时温度和电机实时温度。接着，将电机110的实时温度和其预设温度进行比较，若电机110实时温度小于预设温度，三通阀500仅导通电驱机构100的冷却回路；否则导通电驱机构100—动力电池200的冷却回路，利用电机110产生的热量给动力电池200加热。最后，比较动力电池200的实时温度和其预设温度，若动力电池200的实时温度小于预设温度，则继续边充电边加热模式，否则，进入直接充电模式，在动力电池200充满电或人为停止充电后，流程结束。
63.在一些实施方式中，本技术实施例提供的动力电池热管理系统，按充电过程的不同，本技术在具体实施中可分为两大过程，即第一充电过程和第二充电过程两大过程；
64.(1)第一充电过程：
65.第一充电过程即边加热边充电过程，在动力电池初始温度小于预设温度时进入，包括4个阶段：
66.1)第一阶段：第一动力电池放电；
67.如图3所示，图3为本技术实施例提供的动力电池热管理系统第一阶段的示意图；第一动力电池210的放电阶段仅第一充电半导体开关311和部分的电驱半导体开关121导通，第一动力电池210通过电机110和充电二极管320构成回路并对电机110放电，将电量储存在电机110中，同时，充电口600经低压机构700给低压负载供电；
68.2)第二阶段：
69.如图4所示，图4为本技术实施例提供的动力电池热管理系统第二阶段的示意图；一方面，第三充电半导体开关313、第四充电半导体开关314导通，充电口600直接给第一动力电池210充电；另一方面，充电口600经低压机构700给低压负载供电；同时，电机110通过部分的电驱二极管122续流，给第二动力电池220充电。
70.3)第三阶段：第二动力电池放电；
71.如图5所示，图5为本技术实施例提供的动力电池热管理系统第三阶段的示意图；第二动力电池220放电阶段仅部分的电驱半导体开关121导通，第二动力电池220通过电机110构成回路并对电机110放电，将电量储存在电机110中，同时，充电口600经低压机构700给低压负载供电。
72.4)第四阶段：电机给第一动力电池充电+充电机构给第二动力电池充电；
73.如图6所示，图6为本技术实施例提供的动力电池热管理系统第四阶段的示意图；
一方面，第二充电半导体开关312、部分的电驱半导体开关121导通，充电口600直接给第二动力电池220充电；另一方面，充电口600经低压机构700给低压负载供电；同时，电机110通过部分的电驱二极管122续流，给第一动力电池210充电。
74.示例性地，图3至图6所示的四个阶段中，第一动力电池210、第二动力电池220的充放电状态和充电机构300的充电功率如图7至图9所示，图7为本技术实施例提供的第一动力电池充放电状态的示意图，图8为本技术实施例提供的第二动力电池充放电状态的示意图，图9为本技术实施例提供的充电机构充电功率的示意图；
75.此外在动力电池的边加热、边充电过程中，如上述的工作流程中示例，若电机110实时温度小于预设温度，三通阀500仅导通电驱机构100的冷却回路；否则导通电驱机构100—动力电池200的冷却回路，利用电机110产生的热量给动力电池200加热。
76.(2)第二充电过程：
77.第二充电过程即直接充电过程，在动力电池200的温度(包括初始温度和实时温度)不小于预设温度时进入，如图10所示，图10为本技术实施例提供的动力电池热管理系统第二充电过程的示意图；此时，仅第一充电半导体开关311和第三充电半导体开关313导通，第一动力电池210、第一动力电池220串联，充电口600直接给整个动力电池200充电，同时，充电口600经低压机构700给低压负载供电。
78.示例性地，本技术实施例提供了一种电动车辆，包括图1至图10所示的动力电池加热系统。
79.示例性地，本技术实施例提供的动力电池加热系统及电动车辆，通过更改现有的热管理结构，通过添加数个半导体开关、二极管、以及三通阀和若干铜排，就可以实现动力电池边加热边充电的功能，与常规方案相比成本更低；而且，在充电过程中，通过合理控制电驱机构和充电机构的半导体开关导通频率，可实现仅利用欧姆内阻进行电池自加热，不损伤动力电池寿命，且在加热效率、温度一致性等方面比热敏电阻等外部加热方式更好。
80.在一些实施方式中，本技术实施例提供的动力电池加热系统，由于拓扑的改变，使得充电机构即使在高寒地区，也可实现动力电池的插枪即充，不需要先等电池加热到一定温度再充电，缩短充电时间；此外，通过充分利用电机产生的热量，将电池内部脉冲自加热和外部水循环加热相结合，可以进一步缩短加热时间。
81.示例性地，本技术实施例提供的动力电池加热系统在前期的脉冲加热过程中，即一个加热周期中，可对整包电池完成两次充电，相比常规方案，同一周期中充入电量更多。
82.示例性地，本技术公开的实施例，既可以适用于快充也可适用于慢充，对车辆充电插口没有具体要求，还可以适用于启车前动力电池的预热场景。
83.在本技术所有实施例中，“大”、“小”是相对而言的，“多”、“少”是相对而言的，“上”、“下”是相对而言的，对此类相对用语的表述方式，本技术实施例不再多加赘述。
84.应理解，说明书通篇中提到的“在本实施例中”、“本技术实施例中”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本实施例中”、“本技术实施例中”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。
85.在本技术的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
86.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应与权利要求的保护范围为准。