车辆的电池交流加热电路的制作方法

1.本技术涉及电池加热技术领域，具体涉及一种车辆的电池交流加热电路。


背景技术：

2.电动车在低温环境下会由于动力电池内部材料性能发生变化，导致充电或放电功率受限。因此，为了能够正常使用电池，需要对电动车的动力电池进行加热。相关技术中，存在一种电池交流电加热技术，其对动力电池进行加热时，是采用由逆变电路和电机组成的电机控制电路接入动力电池进行充电、放电循环，来激发母线交流电流，从而实现对动力电池的加热。然而，为了产生足够的电流加热电池，需要电机绕组内存在很大幅值的振荡电流，这些电流会引起电机控制电路严重发热，因而限制电池加热功率。同时，当前电池交流电加热技术一般只能在车辆静止停车的场景下使用，很难用于车辆行驶工况。


技术实现要素：

3.本技术旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本技术提出一种车辆的电池交流加热电路，能够在动力电池加热时，减少电机控制电路的发热量。
4.本技术还提出一种电动车。
5.根据本技术第一方面实施例的车辆的电池交流加热电路，包括：
6.变压器、通断开关、动力电池和电机控制电路；
7.所述变压器副边的一端与所述动力电池的正极连接，所述变压器副边的另一端与所述电机控制电路的高压母线正极连接，所述变压器原边与所述变压器副边的匝数比值大于1；
8.所述动力电池的负极与所述电机控制电路的高压母线负极连接；
9.所述变压器原边的一端与所述通断开关的一端连接，所述通断开关的另一端以及所述变压器原边的另一端接入所述电机控制电路的输出端；
10.所述电机控制电路包括三相逆变电路和三相驱动电机，所述三相驱动电机中各相绕组的一端相互连接，另一端与所述三相逆变电路连接。
11.通过在动力电池和电机控制电路之间接入带有通断开关的原边与副边的匝数比值大于1的变压器，使得在对动力电池进行加热时，原边只需较小电流便能满足加热功率需求，因此在加热状态下，电机控制电路额外增加的电流减小，不会显著增加电机控制电路的发热，从而能够在动力电池加热时，减少电机控制电路的发热量，避免影响电机控制电路的正常工作。
12.根据本技术的一个实施例，所述通断开关的另一端连接所述三相驱动电机的中性点，或连接所述三相驱动电机的任一电机绕组与所述三相逆变电路连接的端子，所述变压器原边的另一端通过隔直电容接入电机控制电路的高压母线负极。
13.根据本技术的一个实施例，所述通断开关的另一端连接所述三相驱动电机的第一绕组与所述三相逆变电路连接的端子，所述变压器原边的另一端连接所述三相驱动电机的
第二绕组与所述三相逆变电路连接的端子。
14.根据本技术的一个实施例，所述通断开关的另一端连接所述三相驱动电机的任一绕组与所述三相逆变电路连接的端子，所述变压器原边的另一端连接所述三相驱动电机的中性点。
15.根据本技术的一个实施例，还包括隔直电容；
16.所述隔直电容连接在所述变压器原边的另一端与所述电机控制电路的输出端之间。
17.根据本技术第二方面实施例的车辆的电池交流加热电路，包括：
18.变压器、通断开关、动力电池和电机控制电路；
19.所述变压器副边的一端与所述动力电池的正极连接，所述变压器副边的另一端与所述电机控制电路的高压母线正极连接，所述变压器原边与所述变压器副边的匝数比值大于1；
20.所述动力电池的负极与所述电机控制电路的高压母线负极连接；
21.所述变压器原边的一端与所述通断开关的一端连接，所述变压器原边的另一端以及所述通断开关的另一端接入所述电机控制电路的输出端；
22.所述电机控制电路包括逆变电路。
23.根据本技术的一个实施例，所述逆变电路包括第一半桥和第二半桥；
24.所述第一半桥包括第一上桥臂和第一下桥臂，所述第一上桥臂的一端接入所述高压母线正极，所述第一上桥臂的另一端与所述通断开关的另一端以及所述第一下桥臂的一端连接，所述第一下桥臂的另一端接入所述高压母线负极；
25.所述第二半桥包括第二上桥臂和第二下桥臂，所述第二上桥臂的一端接入所述高压母线正极，所述第二下桥臂的一端与所述变压器原边的另一端以及所述第二下桥臂的一端连接，所述第二下桥臂的另一端接入所述高压母线负极。
26.根据本技术的一个实施例，所述第二上桥臂包括第一电容，所述第二下桥臂包括第二电容。
27.根据本技术的一个实施例，还包括隔直电容；
28.所述隔直电容设于所述变压器原边的另一端与所述逆变电路之间
29.根据本技术第二方面实施例的电动车，包括上述任一实施例所述的车辆的电池交流加热电路。
30.本技术实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
31.通过在动力电池和电机控制电路之间接入带有通断开关的原边与副边的匝数比值大于1的变压器，使得在对动力电池进行加热时，原边电流可以比较小便能满足加热功率需求，因此在加热状态下，电机控制电路额外增加的电流减小，不会影响电机控制电路的发热，从而能够在动力电池加热时，减少电机控制电路的发热量，避免影响电机控制电路的正常工作。同时，驱动变压器的高频交流电压来源于逆变器逆变桥工作时候的pwm电压(高频交流电压的基波频率和pwm频率相等)，而且无论车辆驻车还是行驶逆变器都能提供该高频pwm波，因此该方案可以在车辆驻车和行驶的时候都能实现电池加热功能。
附图说明
32.为了更清楚地说明本技术或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，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的附图。
33.图1是相关技术中车辆的电池交流加热电路的结构示意图；
34.图2是本技术实施例提供的车辆的电池交流加热电路的结构示意图；
35.图3是本技术实施例提供的电池交流加热电路的等效电路结构示意图；
36.图4是本技术又一实施例提供的电池交流加热电路的结构示意图；
37.图5是本技术再一实施例提供的电池交流加热电路的结构示意图；
38.图6是本技术还一实施例提供的电池交流加热电路的结构示意图；
39.图7是本技术另一实施例提供的电池交流加热电路的结构示意图；
40.图8是本技术再一实施例提供的电池交流加热电路的结构示意图；
41.图9是本技术又一实施例提供的电池交流加热电路的结构示意图；
42.图10是本技术还一实施例提供的电池交流加热电路的结构示意图；
43.图11是本技术另一实施例提供的电池交流加热电路的结构示意图；
44.图12是本技术再一实施例提供的电池交流加热电路的结构示意图。
具体实施方式
45.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
46.下面，将通过几个具体的实施例对本技术实施例提供的车辆的电池交流加热电路进行详细介绍和说明。
47.电动车在低温环境下会由于动力电池内部材料性能发生变化，导致充电放电功率受限。因此，若要实现低温环境下的快速充电或者正常行驶，需要对电动车的动力电池进行加热。现有的加热方式，通常使用多个ptc汽车加热器来加热冷却液，实现对动力电池的加热。然而，这种间接加热方式在进行电池加热时，热量需要通过冷区液、电池外部结构等输入电池，大量的热量无法有效传递给电池，电池温升很慢，加热能量的利用率也很低。为此，相关技术中，如图1所示，其采用由逆变电路和电机组成的电机控制电路接入动力电池进行充电、放电循环，从而实现对动力电池的加热。然而，这种加热方式为了有效激发母线电压波动，从而激发电池内的交流电流，需要电机绕组内存在很大幅值的振荡电流，这些电流会引起电机控制电路严重发热，导致加热功率收到限制；另一方面该技术很难用于行车工况，因为行车工况下电机电流很难实现大幅度的高频振荡。
48.为此，在一实施例中，如图2所示，提供了一种车辆的电池交流加热电路，包括：
49.变压器tx、通断开关k、动力电池u1和电机控制电路1；
50.所述变压器tx副边的一端与所述动力电池u1的正极连接，所述变压器tx副边的另一端与所述电机控制电路1的高压母线正极连接，所述变压器tx原边与所述变压器tx副边
的匝数比值大于1；
51.所述动力电池u1的负极与所述电机控制电路1的高压母线负极连接；
52.所述变压器tx原边的一端与所述通断开关k的一端连接，所述通断开关k的另一端以及所述变压器tx原边的另一端接入所述电机控制电路1的输出端；
53.所述电机控制电路1包括三相逆变电路11和三相驱动电机12，所述三相驱动电机12中各相绕组的一端相互连接，另一端与所述三相逆变电路11连接。
54.其中，电机控制电路1的高压母线负极即为三相逆变电路的高压母线负极。
55.在一实施例中，三相逆变电路1包括多个半桥以及电容cdc，每个半桥均包括一个上桥臂和下桥臂。电容cdc的一端接入各半桥的上桥臂，以与三相逆变电路1的直流母线正极连接，另一端接入各半桥的下桥臂，以与三相逆变电路1的直流母线负极连接。每个上桥臂和每个下桥臂均包括一个开关。
56.示例性的，如图2所示，第一上桥开关q1，第二上桥开关q3和第三上桥开关q5组成三个上桥臂，第一上桥开关q1，第二上桥开关q3和第三上桥开关q5的一端与动力电池u1中各动力电池的正极连接。第一下桥开关q2，第二下桥开关q4和第三下桥开关q6组成三个下桥臂，第一下桥开关q2的一端与第一上桥开关q1的另一端连接，第二下桥开关q4的一端与第二上桥开关q3的另一端连接，第三下桥开关q6的一端与第三上桥开关q5的另一端连接。第一下桥开关q2，第二下桥开关q4和第三下桥开关q6的另一端与动力电池u1中的各动力电池的负极连接。
57.在一实施例中，上述电路结构可以等效成如图3所示的等效电路。由于车辆的高压直流母线上其他设备的电容一般都比较小可忽略，因此电机控制电路可以等效为高压直流母线上的总并联电容cdc,bus，以及接入变压器tx的原边的交流电压源uac，从而实现在直流母线和动力电池u1之间串联如一个变压器tx，并在变压器tx原边用交流电流驱动变压器，如此就能在cdc,bus和动力电池u1之间产生一个交变电压，从而让电池产生1很大的交流电流，最终实现动力电池u1的加热。
58.当需要加热电池时，闭合通断开关k，将电机控制电路的三相逆变电路11调节开关频率到fr，并按照正常的svpwm等调制模式控制三相驱动电机。此时会有交流共模电流流出电机控制电路，并通过原边引起变压器tx副边产生很大的交变电流，从而利用这些交变电流流过动力电池然后加热电池。
59.而当需要调节加热功率的时候，则可以调节三相逆变电路11的开关频率远离fr，从而可以逐渐离开共振频率，变压器tx原边阻抗逐渐增大，电流逐渐减小，发热功率下降。而当完全不需要加热的时候，可以断开通断开关k。
60.由于变压器tx原边与变压器tx副边的匝数比值k大于1，根据变压器变比关系，原边电流：副边电流＝1:k，因此当副边存在较大的振荡电流的时候，原边对应的电流会很小，此时原边只需要流过较小的电流就能满足加热功率需求，这就意味着只有很少的电流流过电机控制电路。而由于加热的时候原边电流比较小，因此在加热状态下，电机控制电路中的三相驱动电机和三相逆变电路的开关管在驱动电机的时候，额外增加的电流很小，因此几乎不影响三相驱动电机和三相逆变电路开关的发热，对电驱系统功率输出影响很小，从而能够在动力电池加热时，减少电机控制电路的发热量。
61.通过在动力电池和电机控制电路之间接入带有通断开关的原边与副边的匝数比
值大于1的变压器，使得在对动力电池进行加热时，原边电流可以比较小便能满足加热功率需求，因此在加热状态下，电机控制电路额外增加的电流减小，不会影响电机控制电路的发热，从而能够在动力电池加热时，减少电机控制电路的发热量，避免影响电机控制电路的正常工作。
62.在一实施例中，如图4或图5所示，所述通断开关k的另一端接入所述三相驱动电机12的中性点，或连接所述三相驱动电机12的任一电机绕组与所述三相逆变电路11连接的端子，所述变压器tx原边的另一端通过电容cr连接电机控制电路1的高压母线负极。
63.在一实施例中，如图4所示，通断开关k的另一端与三相驱动电机12的中性点连接，变压变压器tx原边的另一端通过电容cr连接三相逆变电路11的高压母线负极。
64.当三相逆变电路11驱动三相驱动电机12运行时，无论三相驱动电机12静止还是运转，其中性点电压均存在高频电压波动，波动电压的频率和三相逆变电路11开关频率一致，波动电压的幅值随着工况变化有所不同，但是和动力电池电压处于同一量级。当需要加热动力电池时，闭合开关k，三相逆变电路11调节开关频率到fr，并按照正常的svpwm等调制模式控制三相驱动电机12。此时会有交流共模电流流出中性点，并通过原边引起变压器副边产生很大的交变电流，这些交变电流流过动力电池然后加热动力电池。
65.在一实施例中，如图5所示，除将通断开关k的另一端与三相驱动电机12的中性点连接外，还可以将通断开关k的另一端与三相驱动电机12中的任一电机绕组连接，以复用三相逆变电路11中的一相半桥。示例性的，通断开关k的另一端与三相驱动电机12中接入三相逆变电路11的开关q5和开关q6的电机绕组连接。当需要加热动力电池时，闭合开关k，三相逆变电路11调节开关频率到fr，并按照正常的svpwm等调制模式控制三相驱动电机12。此时会有交流共模电流流出与开关k的另一端连接的电机绕组，并通过原边引起变压器副边产生很大的交变电流，这些交变电流流过动力电池然后加热动力电池。
66.在一实施例中，如图6所示，所述通断开关k的另一端连接所述三相驱动电机12的第一绕组与所述三相逆变电路11连接的端子，所述变压器原边的另一端接入所述三相驱动电机12的第二绕组与所述三相逆变电路11连接的端子；
67.所述第一绕组与所述第二绕组为不同电机绕组。
68.示例性的，如图6所示，通断开关k的另一端与三相驱动电机12中接入三相逆变电路11的开关q3和开关q4的第一电机绕组连接，变压器原边的另一端与三相驱动电机12中接入三相逆变电路11的开关q5和开关q6的第一电机绕组连接，从而复用三相逆变电路11的两相半桥。
69.考虑到当通断开关k的另一端接入三相驱动电机12的第一绕组，变压器原边的另一端接入三相驱动电机12的第二绕组时，在三相驱动电机12静止不转，或者低速的时候，如果采用普通的svpwm调制，则由于此时各相之间电压相差很小，变压器tx原边受到的激励电压也就很小。因此，当通断开关k的另一端接入三相驱动电机12的第一绕组，变压器原边的另一端接入三相驱动电机12的第二绕组时，可以采用高低电平位置调换的三相pwm调制方法来增大原边交流电压，此时只需要被复用的两个半桥中的任意一个的高低电平位置调换即可。
70.示例性的，如图6所示，通断开关k的另一端接入了q3和q4组成的第一半桥，变压器原边的另一端接入了q5和q6组成的第二半桥，此时虽然平均电压还是按照svpwm或其他pwm
调制方法计算，但是其中一个半桥，比如q5和q6，在开关导通的时段，pwm高电平所在的相对位置进行交换。即在未进行时序异位前，q1、q3和q5三个高压侧开关的开通时段中心都对齐在一个时刻，q2、q4和q6三个低压侧开关管的开通时段中心对齐在相差半个pwm周期的时刻；而在q5和q6时序异位之后，q1、q3以及q6，分别与q2、q4和q5开通时段中心对齐，此时，三相驱动电机的第一绕组和第二绕组之间的电压差显著增，从而有效驱动变压器tx的原边。
71.在一实施例中，如图7所示，通断开关k的另一端接入所述三相驱动电机12的任一绕组与所述三相逆变电路11连接的端子，所述变压器tx原边的另一端接入所述三相驱动电机12的中性点。
72.示例性的，如图7所示，通断开关k的另一端与三相驱动电机12中接入三相逆变电路11的开关q5和开关q6的电机绕组连接，变压器原边的另一端与三相驱动电机12的中性点连接，从而复用三相逆变电路11的一相半桥和三相驱动电机12的中性点。
73.考虑到当通断开关k的另一端接入三相驱动电机12的电机绕组，变压器原边的另一端接入三相驱动电机12的中性点时，在车辆静止或者低速运动的时候，同样存在原边激励电压不足的问题。因此，当通断开关k的另一端接入三相驱动电机12的电机绕组，变压器原边的另一端接入三相驱动电机12的中性点时，可采用高低电平位置调换的三相pwm调制方法来增大原边交流电压，此时只需要对三相逆变电路11中任意一相进行高低电平位置调换即可。
74.而为防止变压器tx偏磁饱和，在一实施例中，如图6-图7所示，该电池交流加热电路还包括隔直电容cr；
75.所述隔直电容cr连接在所述变压器tx原边的另一端与所述电机控制电路1的输出端之间。
76.通过在变压器tx原边与电机控制电路1之间加入隔直电容cr，使其隔直原边两端电压里面的直流分量，从而防止变压器偏磁饱和。
77.此外，图4-图7中的隔直电容cr、变压器tx的漏感、三相驱动电机12的共模电感可构成lc谐振电路，此时谐振电路的谐振频率fr可以通过选择隔直电容cr的容值来设计，即其可设计设计得很高。该谐振电路在谐振频率fr处，cr、变压器漏感、电机共模电感的阻抗互相抵消，原边呈现纯阻性，原边阻抗达到极小值，相应原边电流达到极大值，副边的电池加热电流也达到极大值。此时，三相逆变电路的开关频率最高可以调节至谐振频率fr，使加热电流达到最大。
78.而由于设计的振荡电流频率可以很高，比如10khz，或者20khz，人耳对如此高频的频率不敏感，因此可以减少电池加热时产生的声学噪声。
79.同时，由于副边的高频振荡交流电流只会在动力电池和直流母线支撑电容cdc之间来回流动，因为频率很高，而电容电压波动反比于电流频率，所以电容cdc上面的电压波动相对较小。
80.示例性的，以电池内阻为0.03ω，电池电压为400v，变压器漏感+电机共模电感为20uh，电池加热需求为10kw的某个电动车车型为例，计算可得变压器tx变比为10.4，副边电流有效值为577a，原边电流仅有55a，三相驱动电机平均每相电流增加18.51a，而新能源车驱动电机每相的额定电流可达到200a以上，额外增加的电流仅占电机额定电流不到10％。若电容cdc＝500uf，开关频率15khz，可得此时母线电压波动幅值为17.3v，即母线电压存在
约4.3％的波动，对于高压母线上的用电器来说，这是完全可以耐受的。
81.在一实施例中，如图8所示，还提供了一种车辆的电池交流加热电路，包括：
82.变压器tx、通断开关k、动力电池u1和电机控制电路；
83.所述变压器tx副边的一端与所述动力电池u1的正极连接，所述变压器tx副边的另一端与所述电机控制电路的高压母线正极连接，所述变压器原边与所述变压器副边的匝数比值大于1；
84.所述动力电池u1的负极与所述电机控制电路的高压母线负极连接；
85.所述变压器tx原边的一端与所述通断开关k的一端连接，所述变压器tx原边的另一端以及所述通断开关k的另一端接入所述电机控制电路的输出端；
86.所述电机控制电路包括逆变电路11，电机控制电路的高压母线负极即为逆变电路11的高压母线负极，电机控制电路的输出端即为逆变电路11的输出端。
87.在一实施例中，逆变电路11可以为全桥逆变电路或者半桥逆变电路。此时变压器tx原边的交流电流可以由逆变电路11产生。
88.由于变压器tx原边与变压器tx副边的匝数比值k大于1，根据变压器变比关系，原边电流：副边电流＝1:k，因此当副边存在较大的振荡电流的时候，原边对应的电流会很小，此时原边只需要流过较小的电流就能满足加热功率需求。由于此时车辆的电机及其逆变电路不参与加热，因此电机的驱动功能不会受到任何影响。
89.通过在动力电池和电机控制电路之间接入带有通断开关的原边与副边的匝数比值大于1的变压器，使得在对动力电池进行加热时，原边电流可以比较小便能满足加热功率需求，因此在加热状态下，电机控制电路额外增加的电流减小，不会影响电机控制电路的发热，从而能够在动力电池加热时，减少电机控制电路的发热量，避免影响电机控制电路的正常工作。
90.在一实施例中，如图9所示，所述逆变电路11包括第一半桥和第二半桥；
91.所述第一半桥包括第一上桥臂和第一下桥臂，所述第一上桥臂的一端接入所述高压母线正极，所述第一上桥臂的另一端与所述通断开关的另一端以及所述第一下桥臂的一端连接，所述第一下桥臂的另一端接入所述高压母线负极；
92.所述第二半桥包括第二上桥臂和第二下桥臂，所述第二上桥臂的一端接入所述高压母线正极，所述第二下桥臂的一端与所述变压器tx原边的另一端以及所述第二下桥臂的一端连接，所述第二下桥臂的另一端接入所述高压母线负极。
93.如图9所示，第一上桥臂包括第一上桥开关q1，第一下桥臂包括第一下桥开关q2，第一上桥开关q1的一端与逆变电路的高压母线正极连接，第一上桥开关q1的另一端与第一下桥开关q2的一端连接，组成第一半桥；第一下桥开关q2的另一端与逆变电路的高压母线负极连接。第二上桥臂包括第二上桥开关q3，第二下桥臂包括第二下桥开关q4，第二上桥开关q3的一端与逆变电路的高压母线正极连接，第二上桥开关q3的另一端与第二下桥开关q4的一端连接，组成第二半桥；第二下桥开关q4的另一端与逆变电路的高压母线负极连接。此时逆变电路11即为全桥电路。
94.通断开关k的另一端接入第一上桥开关q1与第一下桥开关q2之间，变压器原边的另一端接入第二桥开关q3与第二下桥开关q4之间。
95.为了防止变压器偏磁饱和，在一实施例中，如图10所示，还包括隔直电容cr，隔直
电容cr设于变压器tx原边的另一端与逆变电路11之间，即隔直电容cr的一端与变压器tx原边的另一端连接，隔直电容cr的另一端接入第二上桥开关q3和第二下桥开关q4之间。
96.在一实施例中，如图11所示，第二上桥臂可以是第一电容cdc1，第二下桥臂可以是第二电容cdc2，即通断开关k的另一端接入第一上桥开关q1与第一下桥开关q2之间，变压器原边的另一端接入第一电容cdc1与第二电容cdc2之间。此时逆变电路11即为半桥逆变电路。
97.为了防止变压器偏磁饱和，在一实施例中，如图12所示，还包括隔直电容cr，隔直电容cr设于变压器tx原边的另一端与逆变电路11之间，即隔直电容cr的一端与变压器tx原边的另一端连接，隔直电容cr的另一端接入第一电容cdc1与第二电容cdc2之间。此时，第一电容cdc1、第二电容cdc2以及隔直电容cr可以等效为一个电容cr。同时，电容cr的另一端还可以等效为接入电池的正极，或等效为接入电池中的串联点，或者等效为接入逆变电路的直流母线正极等。
98.在一实施例中，还提供一种电动车，该电动车包括如上述任一实施例所述的车辆的电池交流加热电路。
99.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。