逆变集成装置及其使用控制方法

技术领域

本发明涉及动力电池加热及快充技术领域，具体涉及一种逆变集成装置及其使用控制方法。

背景技术

近年来，环境问题日趋严峻，电动汽车(EV)得到快速发展。锂电池由于能量密度高、环境友好和无记忆效应等优点，成为电车首选电源，然而在低温环境下，电池容量下降很多，电池的内阻也增大了很多，另一方面，电池充电又容易易发生析锂现象，时间长了之后会形成锂枝晶，严重的时候会导致热失控引发安全危害，对于寒冷地区用户例如我国东北地区用户而言，相比于电动汽车，他们更加愿意去选择油车，保护地球环境，缓解环境危机和能源危机，必须全面推广电动汽车和其他新能源汽车，为了保证用户安全和保障用户体验，让电动汽车在寒冷地区也能推广，目前对电动汽车采用的方法是先对锂电池进行预热之后再充电。

对于锂电池低温加热的研究已经有了很多，现有的对锂离子电池预热的方式有内部加热方式和外部加热方式，常见的外部加热方法有电热膜加热，空气加热，水加热等，但是这些加热方式需要经过接触传导，空气对流、液体传热等途径加热电池，通过热传导加热效率低下，电池受热不均匀时间长了之后，造成电池寿命衰减严重；应用较多的内部加热方式有高频脉冲、高频交流加热等，通过软开关和电力电子技术设计加热电路让电池包自身产生高频脉冲或者高频交流对其自身加热，但是由于其预热速率的局限性，必须等待较长时间待预热完成之后才能对电池充电，这样的话就在充电之前额外添加了一个预热阶段，且这个预热阶段对比于快充和常规油车加油时间而言时间还比较长，十分影响充电时间和用户的使用体验。

为了提升低温环境下锂离子电池包快充速度，适用于所有电动汽车，且直流充电桩和交流充电桩均可实现快充，让电动汽车在寒冷天气和寒冷地区也可以方便的使用设计了一种让电车能够同时加热和充电的集成装置。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种逆变集成装置及其使用控制方法，实现了低温环境下锂电池包同时加热和充电的功能，提升了低温环境下锂电池包的快充速度。

为实现上述目的，本发明所涉及的逆变集成装置，包括与直流充电桩连接的直流充电接口和设在电动汽车上的锂电池包，所述直流充电接口的正极通过模式切换开关与所述锂电池包的正极连接，所述锂电池包的负极与所述直流充电接口的负极连接，所述锂电池包上并联有三组逆变器组，每组所述逆变器组包括串联的两个互补开关管，所述直流充电接口的正极连有电机定子绕组，所述电机定子绕组的每相分别与一个所述逆变器组的中点连接，所述模式切换开关、互补开关管与直流充电桩均与控制单元连接，所述控制单元连有检测单元，所述检测单元与所述锂电池包和电机定子绕组连接。

优选地，所述直流充电接口连有车载充电机，所述车载充电机与所述控制单元连接，所述车载充电机连有交流充电接口，所述交流充电接口与交流充电桩连接。

一种所述逆变集成装置的使用控制方法，所述电动汽车准备充电时，所述检测单元检测所述锂电池包的电池实时温度并传递给所述控制单元，所述控制单元将电池实时温度与预设温度阈值进行比较，若电池实时温度高于预设温度阈值，则进入常规快冲模式，所述控制单元通过CAN低压总线与所述直流充电桩通讯，使所述直流充电桩切换为正常快充状态，所述控制单元控制所述模式切换开关闭合，并关断三组逆变器组中的互补开关管；

若电池实时温度低于预设温度阈值，则进入低温充电模式，所述控制单元与所述直流充电桩通过CAN总线低压通信交互，使所述直流充电桩切换为恒压模式，并控制所述模式切换开关断开，同时控制三组逆变器组中互补开关管的通断产生高频脉冲电流，对所述锂电池包进行加热和充电，直至所述锂电池包加热至预设温度阈值，进入常规快冲模式。

优选地，所述直流充电接口连有车载充电机，所述车载充电机与所述控制单元连接，所述车载充电机连有交流充电接口，所述交流充电接口与交流充电桩连接，所述电动汽车准备充电时，所述检测单元检测所述锂电池包的电池实时温度并传递给所述控制单元，所述控制单元将电池实时温度与预设温度阈值进行比较，若电池实时温度高于预设温度阈值，则进入常规快冲模式，所述控制单元控制所述车载充电机为恒压充电模式，所述模式切换开关闭合，并关断三组逆变器组中的互补开关管；

若电池实时温度低于预设温度阈值，则进入低温充电模式，所述控制单元控制所述车载充电机为恒压充电模式，并控制所述模式切换开关断开，同时控制三组逆变器组中互补开关管的通断产生高频脉冲电流，对所述锂电池包进行加热和充电，直至所述锂电池包加热至预设温度阈值，进入常规快冲模式。

优选地，进入低温充电模式时，所述控制单元控制所述模式切换开关断开，所述逆变器组中与所述直流充电接口正极相连的互补开关管断开，与所述直流充电接口负极相连的互补开关管闭合，电流由所述直流充电接口正极流经所述电机定子绕组和与所述直流充电接口负极相连的互补开关管，回到所述直流充电接口负极，此时所述电机定子绕组的电感电流值逐渐上升，此状态为电感储能状态，所述检测单元持续检测所述电机定子绕组的电感电流值并传递给所述控制单元，当所述电机定子绕组的电感电流值上升至幅值参数上限I

优选地，高频脉冲电流的脉冲幅值和频率由所述电机定子绕组的电感电流值幅值参数上限I

优选地，高频脉冲电流的脉冲幅值和频率的计算方法包括如下步骤：

A)输入在不同温度、不同SOC和不同SOH情况下的脉冲电流幅值边界I

B)获取所述电机定子绕组的电感电流值的幅值参数上限I

C)将幅值参数上限I

D)计算取得频率边界：

式中，R为电路总阻抗，L为所述电机定子绕组的电感，U是所述锂电池包的电压；

E)若

F)查找析锂边界及高频脉冲温升特性表中对应f(I

G)所述检测单元持续检测所述锂电池包的电池实时温度,温升ΔT小于t时，持续维持低温充电模式，每当温升ΔT达到t时，返回步骤B)，直至电池实时温度大于等于温度阈值Y，进入常规快冲模式；

H)查找析锂边界及高频脉冲温升特性表中对应f(I

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、采用的低温快充方法为高频脉冲充电，高频脉冲下电池的内阻小，造成的极化电压小，从而可以在避免析锂的情况下以较大电流充电，缩短了低温环境下的整体充电时间；

2、加热方法为内部预热，利用锂电池包内部阻抗生热，对比外部加热方法，提高了热电转换效率和温升速率，从而可以使锂电池包产生较快的温升的同时充电；

3、可以根据锂电池包温度及时切换充电方法，在不损害电池寿命的前提下实现超快速充电；

4、高频直流脉冲电流的大小和频率可以根据电池温度和电池荷电状态实时调整，可以节省低温充电时间，也可以减少锂电池包低温充电的析锂衰退风险；

5、无需添加额外硬件，成本低且易于实现，且适用于各种充电桩，包括交流充电桩、400V直流充电桩、800V直流充电桩。

附图说明

图1为本发明逆变集成装置适用于直流充电桩的电路图；

图2为本发明逆变集成装置适用于交流充电桩的电路图；

图3为本发明逆变集成装置适用于直流充电桩和交流充电桩在电动汽车上的结构示意图；

图4为本发明实施例在常规快冲模式下的能量流动图；

图5为本发明实施例在低温充电模式下的能量流动图；

图6为本发明在低温充电模式下的电流波形示意图；

图7为本发明中高频脉冲电流的脉冲幅值和频率的计算方法的流程图。

图中各部件标号如下：

充电桩1、直流充电接口2、电动汽车3、逆变器组4、控制单元5、检测单元6、车载充电机7、交流充电接口8、锂电池包9、逆变集成装置10、模式切换开关S1、电机定子绕组M、互补开关管(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1及图3所示，一种逆变集成装置10，包括与直流充电桩连接的直流充电接口2和设在电动汽车3上的锂电池包9，直流充电接口2的正极通过模式切换开关S1与锂电池包9的正极连接，锂电池包9的负极与直流充电接口2的负极连接，锂电池包9上并联有三组逆变器组4，每组逆变器组4包括串联的两个互补开关管，具体地，在本实施例中，互补开关管Q1与互补开关管Q4为一组，互补开关管Q2与互补开关管Q5为一组，互补开关管Q3与互补开关管Q6为一组，直流充电接口2的正极连有电机定子绕组M，电机定子绕组M的每相分别与一个逆变器组4的中点连接，其中，A相与互补开关管Q1和互补开关管Q4的中点连接，B相与互补开关管Q2和互补开关管Q5的中点连接，C相与互补开关管Q3和互补开关管Q6的中点连接，模式切换开关S1、互补开关管与直流充电桩均与控制单元5连接，控制单元5连有检测单元6，检测单元6与锂电池包9和电机定子绕组M连接。

本实施例使用时，电动汽车3准备充电时，检测单元6检测锂电池包9的电池实时温度并传递给控制单元5，控制单元5将电池实时温度与预设温度阈值进行比较，若电池实时温度高于预设温度阈值，则进入常规快冲模式，控制单元5通过CAN低压总线与直流充电桩通讯，使直流充电桩切换为正常快充状态，如图4所示，控制单元5控制模式切换开关S1闭合，并关断三组逆变器组4中的互补开关管；

若电池实时温度低于预设温度阈值，则进入低温充电模式，控制单元5与直流充电桩通过CAN总线低压通信交互，使直流充电桩切换为恒压模式，如图5所示，并控制模式切换开关S1断开，同时控制三组逆变器组4中互补开关管的通断产生高频脉冲电流，对锂电池包9进行加热和充电，直至锂电池包9加热至预设温度阈值，进入常规快冲模式。

如图2所示，在另一个实施例中，直流充电接口2连有车载充电机7，车载充电机7与控制单元5连接，车载充电机7连有交流充电接口8，交流充电接口8与交流充电桩连接。

另外，如图3所示，还提供了一个实施例，其中包括充电桩1，充电桩1可以为交流充电桩，也可以为直流充电桩，当为交流充电桩时，通过交流充电接口8与其连接，当为直流充电桩时，通过直流充电接口2与其连接。

本实施例使用时，电动汽车3准备充电时，检测单元6检测锂电池包9的电池实时温度并传递给控制单元5，控制单元将电池实时温度与预设温度阈值进行比较，若电池实时温度高于预设温度阈值，则进入常规快冲模式，控制单元5控制车载充电机7为恒压充电模式，模式切换开关S1闭合，并关断三组逆变器组4中的互补开关管；

若电池实时温度低于预设温度阈值，则进入低温充电模式，控制单元5控制车载充电机7为恒压充电模式，并控制模式切换开关S1断开，同时控制三组逆变器组4中互补开关管的通断产生高频脉冲电流，对锂电池包9进行加热和充电，直至锂电池包9加热至预设温度阈值，进入常规快冲模式。

在上述实施例中，进入低温充电模式时，如图5所示，控制单元5控制模式切换开关S1断开，互补开关管Q1、互补开关管Q2、互补开关管Q3断开，互补开关管Q4、互补开关管Q5、互补开关管Q6闭合，电流由直流充电接口2正极流经电机定子绕组M和互补开关管Q1、互补开关管Q2、互补开关管Q3，回到直流充电接口2负极，此时电机定子绕组M的电感电流值逐渐上升，此状态为电感储能状态，检测单元6持续检测电机定子绕组M的电感电流值并传递给控制单元5，当电机定子绕组M的电感电流值上升至幅值参数上限I

其中，高频脉冲电流的脉冲幅值和频率由电机定子绕组M的电感电流值幅值参数上限I

如图7所示，高频脉冲电流的脉冲幅值和频率的计算方法包括如下步骤：

A)输入在不同温度、不同SOC和不同SOH情况下的脉冲电流幅值边界I

B)获取电机定子绕组M的电感电流值的幅值参数上限I

C)将幅值参数上限I

D)计算取得频率边界：

式中，R为电路总阻抗，L为电机定子绕组M的电感，U是锂电池包9的电压；

E)若

F)查找析锂边界及高频脉冲温升特性表中对应f(I

G)检测单元持续检测锂电池包9的电池实时温度，温升ΔT小于t时，持续维持低温充电模式，每当温升ΔT达到t时，返回步骤B)，直至电池实时温度大于等于温度阈值Y，进入常规快冲模式；

H)查找析锂边界及高频脉冲温升特性表中对应f(I

本发明逆变集成装置及其使用控制方法，采用的低温快充方法为高频脉冲充电，高频脉冲下电池的内阻小，造成的极化电压小，从而可以在避免析锂的情况下以较大电流充电，缩短了低温环境下的整体充电时间；且加热方法为内部预热，利用锂电池包9内部阻抗生热，对比外部加热方法，提高了热电转换效率和温升速率，从而可以使锂电池包产生较快的温升的同时充电；另外，可以根据锂电池包9温度及时切换充电方法，在不损害电池寿命的前提下实现超快速充电；高频直流脉冲电流的大小和频率可以根据电池温度和电池荷电状态实时调整，可以节省低温充电时间，也可以减少锂电池包低温9充电的析锂衰退风险；最后，利用现有硬件结构实现，无需添加额外硬件，成本低且易于实现，且适用于各种充电桩，包括交流充电桩、400V直流充电桩、800V直流充电桩。