电池加热系统的制作方法

1.本公开涉及对诸如电动车辆中存在的诸如锂化学推进电池这样的高压电池进行加热。


背景技术：

2.锂电池由于其高能量密度而在许多应用(包括推进系统)中可能是优选的。锂电池在低温下的放电性能通常比铅酸或镍金属氢化物电池好得多，但在低温下的放电性能仍然显著低于在较高温度下的电池性能能力。低温充电受到阳极电镀情况的限制，这可能导致性能下降、容量损失、内部短路和不可逆损坏。因此，在锂电池达到一定温度之前，锂电池的充电仍然非常有限，并且放电性能降低。在零下温度下尤其如此。已经提出了各种预热锂电池的方法，包括使用内部电阻的放电电流自加热、加热/冷却板和ptc装置等并入电池结构中。


技术实现要素：

3.在一个示范性实施例中，一种用于电池的加热设备可包含具有相应第一端子和第二端子的第一固态开关及具有相应第一端子和第二端子的第二固态开关，其中所述第一固态开关的所述第二端子可在第一节点处联接到所述第二固态开关的所述第一端子。所述设备可进一步包含所述电池的正极端子与所述第一节点之间的联接路径，其中所述第一节点与所述电池之间具有电感，所述电池的负极端子在第二节点处联接到所述第二固态开关的所述第二端子，所述第二节点与所述第一固态开关的在第三节点处的所述第一端子之间的电容，以及控制器，其反复进行以下操作：闭合所述第二开关并断开所述第一开关并经过第一持续时间，随后断开所述第二开关并闭合所述第一开关并经过第二持续时间。
4.除了本文描述的一个或多个特征之外，电感可以包括电池的固有电感。
5.除了本文描述的一个或多个特征之外，所述第一固态开关和所述第二固态开关可以使逆变器的一个支路联接在正dc干线与负dc干线之间。
6.除了本文描述的一个或多个特征之外，电容可以包括联接在正dc干线和负dc干线之间的电容器。
7.除了本文描述的一个或多个特征之外，逆变器可以是半桥逆变器。
8.除了本文描述的一个或多个特征之外，逆变器可以是h桥逆变器。
9.除了本文描述的一个或多个特征之外，逆变器可以是多相逆变器。
10.除了本文描述的一个或多个特征之外，控制器可以是逆变器控制器。
11.除了本文描述的一个或多个特征之外，闭合开关发生在零电压条件下。
12.在另一示例性实施例中，用于电池的加热设备可以包括具有正端子和负端子的电池、具有多相电机和多相功率逆变器的电推进系统，逆变器包括联接在正dc干线和负dc干线之间的多个相支路，每个相支路具有相应的上开关和下开关以及它们之间的相应相极。每个相极可以联接到多相电机的相应相绕组。加热设备还包括联接在正dc干线和负dc干线
之间的电容器，以及电池的正端子和相支路中的一个的对应相极之间的联接路径，其中对应相极和电池之间具有电感。电池的负极端子可以联接到负dc干线，并且电池的正极端子可以与正dc干线断开联接。所述装置还包括控制器，其操作所述多个相支路中的所述一个的下开关，该下开关与所述多个相支路中的所述一个的上开关互补，其中当所述上开关在第一持续时间内处于断开状态时，所述下开关处于闭合状态，并且当所述上开关在第二持续时间内处于闭合状态时，所述下开关处于断开状态。
13.除了本文描述的一个或多个特征之外，电感可以包括电池的固有电感。
14.除了本文描述的一个或多个特征之外，加热设备还可以包括电池的正极端子与对应的多个相支路的相应相极之间的多个联接路径，其中相应的相极与电池之间具有相应的电感，并且控制器操作与所述多个相支路的所述多个下开关，所述多个下开关与所述多个相支路的所述多个上开关互补。其中当所述多个上开关在所述第一持续时间内处于断开状态时，所述多个下开关处于闭合状态，并且当所述多个上开关在所述第二持续时间内处于闭合状态时，所述多个下开关处于断开状态。
15.除了本文描述的一个或多个特征之外，闭合上开关和下开关可以在零电压条件下发生。
16.除了本文描述的一个或多个特征之外，闭合上开关和下开关发生在零电压条件下。
17.除了本文描述的一个或多个特征之外，加热设备可以包括用于感测通过电池的电流的电流传感器，并且控制器可以响应于通过电池的电流和电流设定点来控制第一持续时间。
18.除了本文描述的一个或多个特征之外，电流传感器可以是与相支路中的一个相对应的相绕组电流传感器。
19.除了本文描述的一个或多个特征之外，控制器可以是逆变器控制器。
20.在又一示例性实施例中，用于电池的加热装置可以包括具有电感、电容和固态半桥的准谐振电路，以及使电路在第一配置与第二配置之间交替的控制器，在第一配置中，电感直接联接在电池两端，在第二配置中，电感和电容串联联接在电池两端。
21.除了本文描述的一个或多个特征之外，固态半桥可以是逆变器的一个支路。
22.除了本文描述的一个或多个特征之外，电感可以包括电池的固有电感。
23.当结合附图时，根据以下详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。
附图说明
24.其他特征、优点和细节仅通过示例的方式出现在以下详细描述中，详细描述参考附图，其中：
25.图1示出了根据一个或多个实施例的实现通过电池的ac电流的准谐振电路；
26.图2图示了根据一个或多个实施例的准谐振电路的操作；
27.图3示出了根据一个或多个实施例的包括多相逆变器的汽车推进系统；
28.图4示出了根据一个或多个实施例的包括多相逆变器的汽车推进系统；以及
29.图5示出了根据一个或多个实施例的实现通过电池的ac电流的准谐振电路。
具体实施方式
30.以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。如本文所使用的，控制模块、模块、控制、控制器、控制单元、电子控制单元、处理器和类似术语意指专用集成电路(asic)、电子电路、中央处理单元(优选微处理器)和相关联的存储器和存储装置(只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、电可编程只读存储器(eprom)、硬盘驱动器等)或执行一个或多个软件或固件程序或例程的微控制器中的一个或多个中的任何一个或各种组合。输入/输出电路和设备(i/o)以及适当的信号调节和缓冲电路、高速时钟、模数(a/d)和数模(d/a)电路以及提供所描述的功能的其他部件。控制模块可以包括各种通信接口，包括点对点或离散线以及到网络的有线或无线接口，所述网络包括广域网和局域网、车辆控制器局域网以及工厂内和服务相关网络。如本公开中阐述的控制模块的功能可以在若干联网控制模块之间的分布式控制架构中执行。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语意指包括校准、数据结构和查找表的任何控制器可执行指令集。控制模块具有被执行以提供所描述的功能的一组控制例程。例程例如由中央处理单元执行，并且可操作以监测来自感测设备和其他网络控制模块的输入，并执行控制和诊断例程以控制致动器的操作。在正在进行的发动机和车辆操作期间，可以以规则的间隔执行例程。可替代地，可以响应于事件的发生、软件调用或根据经由用户界面输入或请求的需求来执行例程。
31.图1示出了准谐振电路101的一个实施例，该准谐振电路101实现通过电池103的ac电流，从而导致电池103的均匀加热。电池可以指单个电池、多个电池、电池模块或由多个电池或电池模块组成的电池组。第一固态开关(solid state switch)s1 105及第二固态开关s2 107经联接以形成半桥129且限定第一节点127。每个开关s1和s2具有相应的第一端子131和相应的第二端子133。通过在第一节点127处将第一开关s1的第二端子133联接到第二开关s2的第一端子131来形成半桥129。每个开关s1和s2包括用于在相应的第一端子131和第二端子133之间建立断开或闭合状态的控制端子135。可以采用任何合适的固态器件作为开关s1和s2，包括例如固态继电器和晶体管，诸如si igbt、si mosfet、sic mosfet、gan hemt、sic jfet、金刚石、氧化镓和其他基于宽带隙(wbg)半导体的功率开关器件。每个开关s1和s2还可以包括在相应的第一端子131和第二端子133之间的相应反并联二极管，其作为分立部件或与每个开关s1、s2集成。电容c 111联接在第二节点128处的第一开关s1的第一端子131和第三节点130处的第二开关s2的第二端子133之间。第二开关s2的第二端子133联接到电池103的负极端子143。节点127通过电感和开关联接到电池103的正极端子141。电感l109由此联接在节点127和电池103的正极端子141之间。电感l可以包括分量电感器(component inductor)、固有内部电池电感和联接路径(例如，电缆和/或汇流排)中的固有电感中的任何一种或多种。在一个实施例中，开关113可以实现节点127与电池103的选择性联接和断开联接；然而，当节点127联接到电池时，准谐振电路101可以仅操作为实现通过电池103的ac电流。在一个实施例中，电容器预充电电路119可以通过在准谐振电路101操作为实现通过电池103的ac电流之前联接到电池来实现对电容c 111的选择性充电，该电容c 111跨经由s1和s2组成的半桥的节点128和节点130进行连接；然而，准谐振电路101仅在电容c 111通过预充电电路119与电池断开联接时才可操作为实现通过电池103的ac电流。在一个实施例中，预充电电路可以包括与可控开关串联的限流电阻器。因此，应当理解，在准
谐振电路101操作为实现通过电池103的ac电流期间，节点127通过电感l109联接到电池103的正极端子141，并且第二节点128不直接联接到电池103。
32.准谐振电路101通过将开关s2置于导通状态并且将开关s1置于断开状态一段时间来操作，以允许使电池103通过电感l109获得电流。此后，开关s2被置于断开状态，开关s1被置于导通状态，从而串联联接电感l109和电容c111，并将串联lc组合置于电池103两端。开关s2保持在关断状态并且开关s1保持在导通状态足够长的时间以使电路振荡，其中通过串联lc组合的电流相位(即，方向)反转至少一次。
33.在一个实施例中，电流控制器151可提供用于开关s2的控制信号121，从所述控制信号导出互补控制信号121’。控制端子135处的高信号“1”(其代表使开关完全导通的电压(例如，igbt或mosfet栅极端子135处相对于源极133端子为15v)将开关s1、s2置于导通状态，而控制端子135处的低信号“0”(其代表使开关完全关断的电压(例如，igbt或mosfet栅极端子135处相对于源极133端子为0至-5v)将开关s1、s2置于关断状态。电流控制器151可以被提供参考电流(i
ref
)117和感测到的电池电流(i
bat
)115，并且提供pwm信号，该pwm信号具有预设或可调节的周期以及通过将电池电流(i
bat
)115与参考电流(i
ref
)117进行比较而建立的控制信号的脉冲宽度。当电池电流(i
bat
)115超过参考电流(i
ref
)117时，电流控制器151在pwm周期的剩余时间内建立控制信号121低(0)(开关s2到关断状态)和控制信号121’高(1)(开关s1到导通状态)，之后电流控制器151建立控制信号121高(1)(开关s2到导通状态)和控制信号121’低(0)(开关s1到关断状态)。可以在开关s1、s2中的任一个关断的时刻与开关s1、s2中的另一个导通的时刻之间引入称为死区时间(dead time)的短延迟，以防止电容c111由于s1和s2同时导通而短路。在这样的死区时间期间，开关s1和s2都断开。在一个实施例中，死区时间可以是0.5μs至2μs的量级，这取决于开关的额定电压和电流。
34.另外参考图2，其以图形方式示出了准谐振电路(例如，如图1所示的准谐振电路101)的一个实施例的操作。四个曲线图201-207沿着共用水平时间线209示出，并且表示准谐振电路101的操作期间的控制和响应。曲线图201表示对应于图1的开关s2的控制信号121的pwm控制信号202。pwm控制信号202具有周期(p)，其包含第一脉冲宽度持续时间(pw)及第二振铃(ringing)持续时间(r)。曲线图203表示在幅度和相位(+/-)方面变化的电池电流(i
bat
)115。曲线图205表示电池电压(v
bat
)。曲线图207表示电容c 111两端的电压(vc)。每个脉冲宽度相对于时间t0处的上升沿和时间t1处的下降沿示出。刚好在t0之前的相对时刻标记为t
0-，并且刚好在t0之后的相对时刻标记为t
0+
。类似地，刚好在t1之前的相对时刻被标记为t
1-，并且刚好在t1之后的相对时刻被标记为t
1+
。在时刻t
1-开关s2处于闭合状态，开关s1处于断开状态，并且电池电流(i
bat
)为正。通过开关s2的电池电流(i
bat
)方向在图1中标记为t
1-。在时刻t
1+
，开关s2处于断开状态，开关s1处于闭合状态，并且电池电流(i
bat
)为正。通过开关s1的电池电流(i
bat
)方向在图1中标记为t
1+
。开关瞬间的电池电流(i
bat
)可以流过开关s1的反并联二极管，因此开关可以被认为是s1的零电压开关事件。在振铃持续时间期间，电池电流(i
bat
)通过串联lc的组合而振荡，从而反转电池电流(i
bat
)的相位。在时刻t
0-，开关s2处于断开状态，开关s1处于闭合状态，并且电池电流(i
bat
)为负。通过开关s1的电池电流(i
bat
)方向在图1中标记为t
0-。在时刻t
0+
，开关s2处于闭合状态，开关s1处于断开状态，并且电池电流(i
bat
)为负。通过开关s2的电池电流(i
bat
)方向在图1中标记为t
0+
。开关瞬间的电池电流(i
bat
)可以流过开关s2的反并联二极管，因此开关可以被认为是s2的零电压开关事件。
35.图3示出了在汽车应用中实现通过电池的ac电流从而导致其均匀加热的准谐振电路的另一实施例。图3示出了示例性车辆301的实施例。车辆301可以是任何汽车、卡车、飞机、建筑设备、农场设备、工厂设备等，无论是用户操作的还是自主操作的。车辆301包括电推进系统302，该电推进系统302包括多相ac牵引电动机320。推进系统302可以包括控制系统308，该控制系统308包括一个或多个电子控制单元(ecu)，例如车辆控制器370、电池管理器371和逆变器控制器373。控制系统可以负责基于多个输入执行与推进子系统监测、控制和诊断相关的功能。车辆控制器370可以包括一个或多个ecus，并且可以作为监督者负责解释各种用户和环境输入、信息仲裁以及开发控制命令并向各种其他ecu(包括电池管理器371和逆变器控制器373)发出控制命令，如通信线路342和348所示。电池管理器可以接收与电池303相关的多个输入340，包括例如电池电压、电流和温度。逆变器控制器373可以接收在ac牵引电动机320和逆变器304的监测、控制和诊断中使用的各种输入352，包括来自相应电流传感器360、361和363的相电流ia、ib和ic以及来自编码器(未示出)的转子位置信息。逆变器控制器可以通过向逆变器开关s1 305、s2 307、s3 315、s4 317、s5 335和s6 337发出导通命令354来控制ac牵引电动机320。根据一个实施例，电池管理器371可以向逆变器控制器373提供电池加热模式请求344，并提供电池电流目标或设定点346。
36.逆变器304包括正dc干线(dc)318、负dc干线322和其间的多个相支路(phase leg)。示例性3相逆变器304中的相支路包括联接在节点327(相支路a)处的开关s1和s2、联接在节点328(相支路b)处的开关s3和s4、以及联接在节点329(相支路c)处的开关s5和s6。相支路a节点327经由线路350联接到ac牵引电动机320的相绕组。相支路b节点328经由线路351联接到ac牵引电动机320的相绕组。并且相支路c节点329经由线路353联接到ac牵引电动机320的相绕组。每条线路350、351和353可以分别具有用于感测相电流的相关联电流传感器360、361和363。高电流断开开关sw1 316可控制为联接和断开联接正dc干线318和正电池端子341。同样，高电流断开开关sw2 312是可控的，以联接和断开联接负dc干线322和负电池端子343。逆变器输入滤波电容器c311联接在正dc干线318和负dc干线322之间。开关314是可控的，以将相支路a的节点327与正电池端子联接和断开联接。逆变器的任何支路可以在本实施例中用作在所描述的准谐振电路中可操作的有源半桥。电容器预充电电路319可以通过在开关sw1闭合之前联接到电池303来实现电容器c 311的选择性充电。类似地，在本实施例中，电容器预充电电路319可以用于在准谐振电路中使用逆变器304的一个支路实现电池的ac电流加热之前对电容器c 311进行预充电。与图1的实施例一样，电容器c311在用准谐振电路进行ac电流加热期间从电池303断开联接。在一个实施例中，预充电电路319可以包括与可控开关串联的限流电阻器。
37.当通过ac电流引起电池303的加热时，开关sw1保持断开，sw2闭合。在电容器c311的任何预充电之后，预充电电路319也断开。开关314闭合以将相支路a的节点327联接到正电池端子341。电感l 309由此联接在节点327和电池303的正极端子341之间。电感l 309可以包括分量电感器、固有内部电池电感和联接中的固有电感中的任何一种或多种。如图1所示，还可以设想将电感放置在开关314和节点327之间。当节点327联接到电池、开关sw1和预充电电路319断开并且开关sw2闭合时，准谐振电路仅可操作为实现通过电池303的ac电流。在本实施例中，相支路a电流传感器360向逆变器控制器373提供电池电流(i
bat
)的测量。逆变器控制器373可以以与本文关于图1和图2描述的相同的方式控制开关s1和s2的状态。因
此，应当理解，可以在没有任何添加的部件的情况下实现电池303的准谐振操作和ac电流加热，替代地依赖于固有电感、现有的逆变器输入滤波电容器c311和相电流传感器360。然而，应当理解，如本领域普通技术人员所理解的，可以经由附加的反应部件(reactive component)和开关网络来实现准谐振电路调谐。
38.图4示出了在汽车应用中实现通过电池的ac电流从而导致其均匀加热的准谐振电路的另一实施例。图4没有像图3那样广泛地标记；然而，应当理解，除非特别指出，否则图3的实施例的特征由图4的实施例共享。图4示出了示例性车辆401的实施例。车辆401可以是任何汽车、卡车、飞机、建筑设备、农场设备、工厂设备等，无论是用户操作的还是自主操作的。车辆401包括电推进系统402。因此，电推进系统包括多相ac牵引电动机、包括例如车辆控制器的控制系统408、电池管理器和逆变器控制器，所有这些都如本文参考图3的实施例所述。控制系统可以负责基于多个输入来执行与推进子系统监测、控制和诊断相关的功能，所有这些都如参考图3的实施例所描述的。
39.逆变器404包括正dc干线、负dc干线以及它们之间的多个相支路a、b和c。示例性三相逆变器404中的相支路和相应的电流传感器。推进系统还可以包括可控高电流断开开关sw1，以联接和断开联接正dc干线和正电池端子。同样，可控高电流断开开关sw2可以联接和断开联接负dc干线和负电池端子。逆变器输入滤波电容器c联接在正dc干线和负dc干线之间。电容器预充电电路419可以通过在开关sw1闭合之前联接到电池来实现电容器c的选择性充电。开关414是可控的，以单独地和互斥地将相支路a、b和c的节点427、428和429与正电池端子联接和断开联接。逆变器的任何支路可以在本实施例中用作在所描述的准谐振电路中可操作的有源半桥。然而，在该实施例中，可以同时采用多个相支路以有效地增加ac谐振电路的电流容量。在该实施例中，电池电流(i
bat
)将等于每个有源半桥的测量相电流的总和。
40.图5示出了在汽车应用中实现通过电池的ac电流从而导致其均匀加热的准谐振电路的另一实施例。图5没有像图1那样广泛地标记；然而，应当理解，除非特别指出，否则图1的实施例的特征由图5的实施例共享。图5示出了包括通过将第一开关s1联接到第二开关s2而形成的半桥551的实施例。本实施例中的半桥被配置为包括一对等效串联联接的电容器c1和c2的半桥逆变器。负载570在一个端子处联接在电容器c1和c2之间，并且在另一端处，负载570通过开关571选择性地联接到半桥551。开关513选择性地将电池503的正极端子联接到半桥551。电感l由此联接在半桥551和电池503的正极端子之间。电感l可以包括分量电感器、固有内部电池电感和联接中的固有电感中的任何一种或多种。开关521选择性地将电池503的正极端子联接到半桥逆变器551的正dc干线。开关513使得能够选择性地将半桥逆变器551与电池503联接和断开联接；然而，准谐振电路仅在开关513闭合时操作为实现通过电池503的ac电流。在一个实施例中，电容器预充电电路519可以通过在准谐振电路操作为实现通过电池503的ac电流之前联接到电池，从而实现电容器c1和c2的选择性充电；然而，准谐振电路仅在预充电电路519和开关521断开时才可操作为实现通过电池503的ac电流。当半桥在逆变器模式下操作时，开关521闭合，开关513断开，并且开关571闭合。当半桥在准谐振ac电流加热模式下操作时，开关521断开，开关513闭合，并且开关571断开。
41.本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不是限制性的。如本文所使用的，单数形式“一”、和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解，
当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、实体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、实体、步骤、操作、元件部件和/或其组。
42.虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离其范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件。另外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，意图是本公开不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。