通过电机进行电池加热的方法、装置、电子设备和介质与流程

1.本技术涉及电机技术领域，具体而言，涉及一种通过电机进行电池加热的方法、装置、电子设备和存储介质。


背景技术：

2.电动车用锂离子动力电池在低温环境下能量和功率特性会出现严重衰减，为改善其低温使用性能，在低温工况下需要给动力电池进行加热处理。一种加热方法是通过电机控制器控制电机电感反复“储能-释能”，在直流母线上产生高频交流电，从而在动力电池内阻上产生发热功率。以这种方式加热动力电池，不需要增加额外的系统组件，成本较低。
3.动力电池与电机构成回路的自加热方案原理框图如图1所示，电机控制器通过igbt控制电机绕组电感反复“储能-释能”，在直流母线上产生高频交流电，从而在动力电池内阻上产生发热功率为其加热。
4.目前典型的电流给定方式(比如《cn110962631a电池加热系统及其控制方法》)如图2所示，为对称振荡电流。在该电流给定方式下，电机绕组处于充电-放电交替状态。传统方案存在的缺点如下：(1)在产生高频交变电流的同时，气隙磁场也在高频变化，其引起的转子涡流不可忽略。由于永磁体具有较高的电导率，而内置式转子结构散热条件较差，涡流损耗通过能量转换最终以热能的形式体现，容易引起永磁体局部温升过高，并导致永磁体不可逆退磁，影响电机使用寿命和可靠性，实用化程度不高。(2)无法产生足够大的加热电流。


技术实现要素：

5.本技术实施例的目的在于提供一种通过电机进行电池加热的方法、装置、电子设备和存储介质，能够产生强大的加热电流，同时能控制电机通过的电流，对电机的永磁体的温度进行控制，避免永磁体过温退磁。
6.第一方面，本技术实施例提供了一种通过电机进行电池加热的方法，包括：
7.在电机的直轴通入预设电流，所述预设电流由直流偏置电流和交流电流组成；
8.获取所述电机的转子永磁体的当前温度；
9.根据所述当前温度对所述预设电流进行调节。
10.在上述实现过程中，由于直轴正方向电流和交流电流的组合，可以产生强大的加热电流。通过获取转子永磁体的温度，根据温度对预设电流进行调节，可以进一步避免永磁体过温退磁。
11.进一步地，所述预设电流的由下式表示：
12.id(t)＝i
d0
+i
d,ac sin(2πft)；
13.i
d0
为直流偏置电流，i
d,ac
为交流电流振幅，f为电流频率。
14.在上述实现过程中，提供了预设电流的表达式，通过上述表达式，可以快速地确定预设电流的组成部分，对预设电流的各个组成部分进行分析，确定各个组成部分的值，从而
实现对电池进行高效加热。
15.进一步地，所述电流频率和直流供电环路lcr谐振电路的谐振频率相等；
16.所述lcr谐振电路由电池内阻、直流电缆杂散电感、逆变器直流母线支撑电容构成。
17.在上述实现过程中，电流振荡频率匹配直流侧环路谐振频率，可以利用电路谐振放大充放电电流，从而获得更大的电池加热功率。
18.进一步地，所述交流电流振幅使得直轴振荡电压和预设的最高可用电压相等。
19.在上述实现过程中，通过尽可能增大直轴震荡电压，可以尽可能增大直流侧的充放电电流，从而尽可能增大电池加热功率。
20.进一步地，根据逆变器的最大允许电流和所述交流电流振幅确定所述直流偏置电流。
21.在上述实现过程中，通过合理设置直流偏置电流使加热电流尽可能大，产生更大的电池加热电流，从而更快地加热电池，同时又避免逆变器发生过流保护。
22.进一步地，所述获取当前电机的转子永磁体的温度的步骤，包括：
23.获取所述直轴上所述直流偏置电流的偏置点的电感量；
24.根据所述电感量获取所述转子永磁体的温度。
25.进一步地，所述根据所述温度对所述预设电流进行调节的步骤，包括：
26.当所述转子永磁体的温度超过所述转子永磁体的允许最高温度，降低所述交流电的振幅。
27.在上述实现过程中，通过对交流电的振幅的调整，可以避免转子永磁体的温度过高，从而避免永磁体消磁。
28.第二方面，本技术实施例提供一种通过电机进行电池加热的装置，包括：
29.通电模块，用于在电机的直轴通入预设电流，所述预设电流由直流偏置电流和交流电流组成；
30.温度获取模块，用于获取所述电机的转子永磁体的当前温度；
31.调节模块，用于根据所述当前温度对所述预设电流进行调节。
32.第三方面，本技术实施例提供的一种电子设备，包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面任一项所述的方法的步骤。
33.第四方面，本技术实施例提供的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得所述计算机执行如第一方面任一项所述的方法。
34.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。
35.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
36.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。
37.图1为本技术实施例提供的动力电池与电机构成回路的示意图；
38.图2为本技术实施例提供的现有的通电电流的示意图；
39.图3为本技术实施例提供的通过电机进行电池加热的方法的流程示意图；
40.图4为本技术实施例提供的根据所述温度对所述预设电流进行调节的流程示意图；
41.图5为本技术实施例提供的永磁体温度和电感的关系示意图；
42.图6为本技术实施例提供的简化电路模型的结构示意图；
43.图7为本技术实施例提供的传递函数的示意图；
44.图8为本技术实施例提供的电池加热电流随着频率的变化的等高线图；
45.图9为本技术实施例提供的电机进行电池加热的装置的结构示意图；
46.图10为本技术实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
47.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描述。
48.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
49.动力电池与电机构成回路的自加热方案原理框图如图1所示，电机控制器通过igbt控制电机绕组电感反复“储能-释能”，在直流母线上产生高频交流电，从而在动力电池内阻上产生发热功率为其加热。
50.对于车载永磁同步电机motor，其输出电磁扭矩te与直轴、交轴电流id、iq的数学关系为：
[0051][0052]
其中：n
p
表示极对数，ld、lq分别表示直轴、交轴等效电感，ψf表示转子永磁体磁链。
[0053]
由上述公式可知，要在电池内阻上产生发热功率，同时避免电机振动，即输出扭矩接近0，可以令转矩电流分量iq＝0，励磁电流分量id高频变化，在直流母线上产生高频交流电。
[0054]
目前典型的电流给定方式如图2所示，为对称振荡电流。在该电流给定方式下，电机绕组处于充电-放电交替状态。
[0055]
传统方案存在的缺点如下：(1)在产生高频交变电流的同时，气隙磁场也在高频变化，其引起的转子涡流不可忽略。由于永磁体具有较高的电导率和负温度系数，而内置式转子结构散热条件较差，涡流损耗通过能量转换最终以热能的形式体现，容易引起永磁体局部温升过高，并导致永磁体不可逆退磁，影响电机使用寿命和可靠性，实用化程度不高。(2)无法产生足够大的加热电流。
[0056]
实施例1
[0057]
参见图3，本技术实施例提供了一种通过电机进行电池加热的方法，包括：
[0058]
s1：在电机的直轴通入预设电流，预设电流由直流偏置电流和交流电流组成；
[0059]
s2：获取电机的转子永磁体的当前温度；
[0060]
s3：根据当前温度对预设电流进行调节。
[0061]
在上述实现过程中，由于直轴正方向电流和交流电流配合，可以产生强大的加热电流。通过获取转子永磁体的温度，根据温度对预设电流进行调节，可以进一步避免永磁体过温退磁。
[0062]
进一步地的，预设电流的由下式表示：
[0063]
id(t)＝i
d0
+i
d,ac sin(2πft)；
[0064]id0
为直流偏置电流，i
d,ac
为交流电流振幅，f为电流频率。
[0065]
在上述实现过程中，提供了预设电流的表达式，通过上述表达式，可以快速地确定预设电流的组成部分，对预设电流的各个组成部分进行分析，确定各个组成部分的值，从而实现对电池进行高效加热。
[0066]
进一步地，参见图1，电流频率和直流侧环路lcr谐振的谐振频率相等；lcr谐振电路由电池内阻rb、直流电缆电感ls(可能包括为了调节谐振而额外串联的电感)、逆变器直流母线支撑电容c
dc
构成。
[0067]
在上述实现过程中，电流振荡频率匹配直流侧环路谐振频率，可以利用电路谐振放大充放电电流，从而获得更大的电池加热功率。
[0068]
进一步地，交流电流振幅使得电机的直轴振荡电压和预设的最高可用电压相等。
[0069]
需要说明的是，在实际的应用中可以存在一定的差值，示例性地，确定振荡频率f后，选择交流分量i
d，ac
的幅值，使得ud振荡的电压u
d，ac
尽可能地大，逼近系统最高可用电压。即：
[0070][0071]
其中u
dc
为平均直流母线电压，m
max
是最大可使用的电压利用系数。m
max
一般接近1.0，随着电机转角变化，在电机处于特定转角时可以接近2/sqrt(3)＝1.15。
[0072]
在上述实现过程中，通过尽可能增大直轴振荡电压，可以尽可能增大直流侧的充放电电流，从而尽可能增大电池加热功率。
[0073]
进一步地，根据逆变器的最大允许电流和交流电流振幅确定直流偏置电流。
[0074]
示例性地，i
d0
＝i
max-i
d,ac
。
[0075]
其中，i
d0
为直流偏置电流，i
max
为逆变器的最大允许电流，i
d,ac
为交流电振幅。
[0076]
在上述实现过程中，通过合理设置直流偏置电流使加热电流尽可能大，产生更大的电池加热电流，从而更快地加热电池，同时又避免逆变器发生过流保护。
[0077]
参见图4，在一种可能的实施方式中，s3，包括：
[0078]
s31：获取直轴上直流偏置电流的偏置点的电感量；
[0079]
s32：根据电感量获取转子永磁体的温度。
[0080]
示例性地，由于电机静止，可得此时直轴驱动电压为：
[0081][0082]
其中rm为电机内阻，ld为电机直轴电感量，id为电机直轴电流瞬时值，f为电流振荡频率。
[0083]
ud电压的交流分量幅值u
d,ac
为：
[0084]ud,ac
＝(2πfld)i
d,ac
；
[0085]
其中，i
d,ac
则通过检测电机三相电流计算得到。
[0086]ud,ac
和i
d,ac
就能实时监测电流振荡点的局部直轴电感：
[0087][0088]
利用局部ld电感量的变化就能间接推测永磁体的温度。
[0089]
由于永磁体磁场朝向直轴正向，因此当施加正向的i
d0
电流，直轴磁场增强。随着i
d0
电流的增大，硅钢片(或其他用于制作电机定转子的磁性材料)很容易就出现饱和，其饱和表现就是局部的ld电感快速下降。
[0090]
另一方面，永磁体产生的磁场强度，随着温度的上升而下降，温度每上升10℃，其产生的磁场强度下降约1％。因此随着永磁体温度的升高，相同的i
d0
电流偏置情况下，磁性材料的饱和程度降低，其局部的ld电感量就会随着温度的升高而升高，参见图5，为永磁体温度和ld电感的关系图。
[0091]
因此，通过事先确定给定i
d0
偏置情况下，利用ld局部电感量和永磁体温度的关系，就能利用在线实时测量得到的局部电感量，反推永磁体的温度。
[0092]
现结合电路图对本技术实施例的有益效果进行具体说明。参见图6，为图1的简化电路模型，其中，ub为电池等效的恒压源，rb为电池内阻，ls为电池到电机三相逆变器之间导线的杂散电感(也可以是为了调节谐振而故意额外串联电感)，c
dc
为电机三相逆变器直流母线支撑电容，i
ac
为三相逆变电路产生的交流振荡电流，ib为流入电池的交流加热电流。
[0093]
若i
ac
为单一频率f的交流，则可以计算得i
ac
到ib的传递函数如下：
[0094][0095]
其中，s为拉普拉斯变换对应的频域变量。
[0096]
参见图7，为传递函数的示意图，对于典型的电路参数来说，这个传递函数是一个欠阻尼的二阶传递函数，因此存在谐振峰。比如，典型的，rb＝0.046ω，ls＝4.2uh，c
dc
＝600uf。可见，相同的激励电流i
ac
，选择合适的振荡频率，可以利用lcr网络的谐振增强电池加热电流。
[0097]
而实际上，由于带有直流偏置，实际激励电流i
ac
并非单一频率，而是包含了i
d，ac
交流频率f的一倍和两倍频率的分量。假设c
dc
上面的母线电压u
dc
波动不大近似恒定值，且电机直轴电感量ld近似恒定值，可以计算得到带有直流偏置的时候，激励电流i
ac
为：
[0098][0099]
其中p
ac
为激励功率，em为电机储能，ω＝2πf。
[0100]
可见，带有直流偏置i
d0
的情况下，激励电流含有两个频率。
[0101]
从公式可见，频率ω越高，激励电流越大。但是，由于逆变器能提供的交流电压有限，可得受电压限制的情况：
[0102][0103]
其中系数α、i
d,ac,lmt
就是ud电压最大值受到限制的结果。
[0104]
分别求两个频率分量得到的ib分量，然后求均方值，可得最终的电池加热电流均方值为：
[0105][0106]
最终，利用典型的纯电汽车“电池—电驱”系统参数，绘制出电池加热电流i
b,rms
随着频率f、i
d0
的变化的等高线图，如图8所示。
[0107]
横轴上的点代表没有i
d0
直流偏置的时候，最大能获得的电池加热电流，可见最高也仅有200a左右。而本方案带有偏置的振荡方案，最高可产生加热电流约600a左右，远高于不带i
d0
直流偏置的纯粹id交流振荡方案。
[0108]
在一可能的实施方式中，s3包括：当转子永磁体的温度超过转子永磁体的允许最高温度，降低交流电的振幅。
[0109]
在上述实现过程中，通过对交流电的振幅的调整，可以避免转子永磁体的温度过高，从而避免永磁体消磁。
[0110]
实施例2
[0111]
参见图9，本技术实施例提供一种通过电机进行电池加热的装置，包括：
[0112]
通电模块1，用于在电机的直轴通入预设电流，预设电流由直流偏置电流和交流电流组成；
[0113]
温度获取模块2，用于获取电机的转子永磁体的当前温度；
[0114]
调节模块3，用于根据当前温度对预设电流进行调节。
[0115]
在一种可能的实施方式中，预设电流的由下式表示：
[0116]
id(t)＝i
d0
+i
d,ac sin(2πft)；
[0117]id0
为直流偏置电流，i
d,ac
为交流电流振幅，f为电流频率。
[0118]
在一种可能的实施方式中，电流频率和lcr谐振电路的谐振频率相等；
[0119]
lcr谐振电路由电池内阻、直流电缆杂散电感、以及可能为了调节谐振而额外串联的电感、逆变器直流母线支撑电容构成。
[0120]
在一种可能的实施方式中，交流电流振幅使得电机的直轴振荡电压和预设的最高可用电压相等。
[0121]
在一种可能的实施方式中，根据逆变器的最大允许电流和交流电流振幅确定直流偏置电流。
[0122]
在一种可能的实施方式中，温度获取模块2还用于获取直轴上直流偏置电流的偏置点的电感量；根据电感量获取转子永磁体的温度。
[0123]
在一种可能的实施方式中，调节模块3还用于当转子永磁体的温度超过转子永磁体的允许最高温度，降低交流电的振幅。
[0124]
本技术还提供一种电子设备，请参见图10，图10为本技术实施例提供的一种电子设备的结构框图。电子设备可以包括处理器101、通信接口102、存储器103和至少一个通信总线104。其中，通信总线104用于实现这些组件直接的连接通信。其中，本技术实施例中电子设备的通信接口102用于与其他节点设备进行信令或数据的通信。处理器101可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。
[0125]
上述的处理器101可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，cpu)、网络处理器(network processor，np)等；还可以是数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现成可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本技术实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器101也可以是任何常规的处理器等。
[0126]
存储器103可以是，但不限于，随机存取存储器(random access memory，ram)，只读存储器(read only memory，rom)，可编程只读存储器(programmable read-only memory，prom)，可擦除只读存储器(erasable programmable read-only memory，eprom)，电可擦除只读存储器(electric erasable programmable read-only memory，eeprom)等。存储器103中存储有计算机可读取指令，当计算机可读取指令由处理器101执行时，电子设备可以执行上述方法实施例涉及的各个步骤。
[0127]
可选地，电子设备还可以包括存储控制器、输入输出单元。
[0128]
存储器103、存储控制器、处理器101、外设接口、输入输出单元各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通信总线104实现电性连接。处理器101用于执行存储器103中存储的可执行模块，例如电子设备包括的软件功能模块或计算机程序。
[0129]
输入输出单元用于提供给用户创建任务以及为该任务创建启动可选时段或预设执行时间以实现用户与服务器的交互。输入输出单元可以是，但不限于，鼠标和键盘等。
[0130]
可以理解，图10所示的结构仅为示意，电子设备还可包括比图10中所示更多或者更少的组件，或者具有与图10所示不同的配置。图10中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
[0131]
本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有指令，当指令在计算机上运行时，计算机程序被处理器执行时实现方法实施例的方法，为避免重复，此处不再赘述。
[0132]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本技术的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0133]
另外，在本技术各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
[0134]
功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0135]
以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0136]
以上，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以权利要求的保护范围为准。
[0137]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。