基于三相四桥臂电机系统架构的车载锂电池自加热系统

陈宇轩,但志敏,柯栋梁,黄孝键,汪凤翔

(1.福建农林大学 机电工程学院,福州 350100;2.中国科学院海西研究院泉州装备制造研究中心,泉州 362216;3.宁德时代新能源科技股份有限公司,宁德 352100)

0 引 言

锂电池因其能量密度高、使用寿命长等特点,被广泛应用于电动汽车作为动力能源[1]。然而,锂电池在低温环境下,内部的电化学反应速率与电荷转移速度降低,严重影响锂电池的输出功率[2]。此外,锂电池在低温环境中工作,极易发生析锂,导致锂电池放电容量衰减,甚至诱发锂电池热失控,威胁驾驶员与乘客安全[3]。针对上述问题,业界主流解决方案是通过加热锂电池,使其脱离低温状态[4]。

电池加热法根据热源位置,可以分为外部加热法与内部加热法。外部加热法一般通过加热电池外部导热介质,再将热量传导至电池表面加热电池。该方法易实现、成本低,是现阶段车企使用的主要方案[5]。常见的外部加热法有空气加热[6-7]、液体加热[8]、热管加热[9]、加热膜加热[10]等。然而,外部加热法受到外部导热介质限制,电池温升速率基本不超过1 ℃/min[11]。内部加热法则是对电池施加电流,利用电池产生的欧姆热加热电池。由于热量来自电池内部,热量传导不再受导热介质限制[12],能够实现更高的电池温升速率,成为现阶段研究热点。

内部加热法又可分为3类:三电极加热法、直流加热法与交流加热法。三电极加热法是向电池内部嵌入金属箔作为第三极,并通过对第三极施加电流来加热电池[13]。该方法加热速度极快,但相关制造工艺不成熟,现仅停留在实验阶段。直流加热法是利用电池放电电流使电池产热,实现电池自加热功能[14]。使用直流加热法,电池将持续放电,电池能量损耗较大[15]。交流加热法则是对电池施加交流电流,实现电池自加热。使用交流加热法,电池将交替充放电流,能有效降低电池自加热过程中的电池能量损耗,故交流加热法的能量利用率优于直流加热法[16]。多数研究者在研究交流加热法时,都直接使用外部电源对电池施加交流电。在工程环境下,电动汽车内添加额外电源会减少车体空间利用率,提高车内电路集成难度,增加整车制造成本。如何不借助外部电源对电池施加交流电成为了交流加热法实际工程应用的关键技术难题。

针对上述问题,有研究者提出利用外部储能元件代替外部电源,储存电池放电能量再释放,以对电池施加交流电,实现电池自加热功能。文献[17]提出了一种将放电电流叠加在交流电流上进行电池自加热的方法,并设计一种软开关电路用于实现车载锂电池加热。文献[18]设计了一种交错并联加热器,该方案通过将两组加热器交错并联组合,大幅缩短了锂电池加热时间。文献[19]在文献[18]的基础上进一步,降低特性阻抗L/C或提高加热频率,可有效减少加热时间,为交流加热器的参数优化提供指导。

在上述研究基础上,相关研究者提出,车载驱动电机绕组具备电感特性,可代替外部储能元件实现电池自加热功能,减少额外硬件成本。文献[20]提出了一种分源自加热器,将电池组分解为两个电源,并通过车载驱动电机绕组进行交互充放电,实现电池自加热功能。文献[21]提出了一种三模块分离逆变器(TMSI)模式,通过逆变器产生的脉冲电流,同时加热三组电池,不但提高了电池的温升速率,也突破了电池自加热运行时的停车限制。文献[22]则将电池包分为两组,并改变电池组与逆变器之间的连接,构成一种类似Buck-Boost电路的新型电路拓扑结构,该方案可以实现两组电池之间交互充放电,实现电池自加热功能。上述方案有效利用车载驱动电机实现电池自加热功能,但都需要将电池包结构重构为多组电池并联结构。在实际工程中,电池组之间因为工艺或使用环境存在一定差异,且这种差异会随着电池充放电次数增加进一步加剧,致使电池工作性能下降,使用寿命缩短。此外,在电池组间施加交替充放电流,会在一定程度上加剧这一现象。

为克服上述方案缺陷,本文在逆变器中引入第四桥臂,并与车载驱动电机三相星型绕组中性点连接,形成三相四桥臂电机系统架构的车载锂电池自加热系统(简称电池自加热系统)。电池自加热系统利用车载驱动电机绕组的电感特性,通过切换开关状态对电池施加交流电流,实现电池自加热功能。该系统复用逆变器和电机本体,且无需重构电池包,减少了额外的硬件成本,也降低了电池自加热对于电池使用寿命的影响。通过引入第四桥臂,电池自加热系统仅需使用零序电压矢量控制电池自加热过程,即UVW三相逆变器的控制信号相同,第四桥臂逆变器与三相逆变器控制信号相反,保证电机系统在电池自加热过程中保持静止。本文将结合上述电机系统架构,建立电池、电机系统及电池自加热系统等效数学模型,分析电池产热机理及开关频率对电池温升速率的影响,结合零序电压矢量设计高频电流滞环控制策略,实现电池在低温环境下的快速自加热功能。

1 数学模型

1.1 系统架构

电池自加热系统架构包含动力电池、逆变器、电机等部件,具体拓扑如图1所示。

图1 电池自加热系统拓扑

1.2 电池等效模型

锂电池在充放电过程中,电池内部会发生一系列复杂化学反应,对外表现出高度的非线性特性。为简化相关分析,建立电池等效电路模型来描述锂电池工作特性,常见的电池等效电路模型有Rint模型、Thevenin模型等[23]。其中,双极化模型准确性较高、计算复杂度较低,在学术界与工业界广泛应用,双极化模型如图2所示。

图2 双极化模型

图1中,Voc表示电池开路电压,R0表示电池等效欧姆内阻,R1,C1并联电路与R2,C2并联电路表示电池等效极化内阻。设Z为电池等效阻抗,则:

(1)

式中:j表示虚数单位,ω为频率。由式(1)可得,当频率ω越大,电池阻抗Z越接近电阻R0。当电池外部施加高频交流电流的情况下,双极化模型可进一步简化为Rint模型,如图3所示。其中,Rb为电池等效内阻。

图3 Rint模型

1.3 电机系统等效模型

三相四桥臂电机系统拓扑如图4所示。

图4 三相四桥臂电机系统拓扑

设母线电压为Udc,电机三相绕组的电阻分别为RU、RV、RW,电感分别为LU、LV、LW,电机三相电流分别为IU、IV、IW,中性线电流为IN,可得:

(2)

在电池自加热过程中仅使用零序电压矢量控制,UVW三相逆变器的控制信号相同,故式(2)可变形为:

(3)

式中:Rm为电机等效内阻;Lm为电机等效电感。

由式(3)可得,电机定子绕组部分可简化为一个RL串联电路,如图5所示。

图5 三相四桥臂电机系统简化拓扑

1.4 电池自加热系统数学模型

经过1.2节与1.3节的推导,将电池自加热系统电路拓扑进一步简化为图6形式。

图6 电池自加热系统简化拓扑

电池自加热过程中,存在两种开关状态。用变量S表述开关状态,当S=1时,表示开关S0、S3闭合且S1、S2断开;当S=-1时,表示开关S0、S3断开且S1、S2闭合。设C为母线电容,Im、Ib与IC分别为电机电流、电池电流与电容电流,设开关状态切换时刻的电机电流(简称切换电流)为I′m,开关状态切换时刻的母线电压(简称切换电压)为U′dc,t为切换至当前开关状态后所经过的时间:

(4)

求解式(4),可得:

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:

2 电池自加热控制策略研究

2.1 电池发热机理

电池在正常工作过程中的发热公式[24]如下:

(9)

2.2 电池电流分析

将两次开关切换间隔时间定义为一个开关周期。设开关周期为T,与开关频率f满足关系T=1/(2f)。假设电池加热系统经过n个开关周期后,系统进入稳态,则电池自加热过程中,电池电流有效值Ib(RMS)可近似为:

(10)

为计算系统进入稳态后的切换电压电流,将式(5)、式(6)变形可得:

(11)

式中:

将t=2T代入式(11),变形可得:

(12)

式中:

A11=A02-A1B0

A12=(A0-B1)B0

A13=(A0-1)C0-B0C1

A21=A1(B1-A0)

A22=B12-A1B0

A23=(B1+1)C1-A1C0

已知电池自加热系统进入稳态后,Im(2T)=I′m,Udc(2T)=U′dc,代入式(13),变形得:

(13)

将系统参数代入式(13),计算可得任意开关周期T所对应的切换电压电流。将计算所得的切换电压、电流代入式(10),可计算任意开关周期T所对应的电池电流有效值。计算可知,当开关周期T越大,电池电流有效值Ib(RMS)越大。

2.3 电池自加热控制策略设计

电池自加热系统利用电机定子绕组的电感特性,通过切换开关状态,周期性地将电池放出的能量再送回电池,对电池施加交流电流,实现电池自加热功能。同时,为保证电池自加热过程中电机系统处于静止状态,需采用零序电压矢量进行控制。电池自加热过程中,系统瞬态流程如图7所示,箭头表示外部施加电流方向。

图7 电池自加热系统瞬态流程图

为提高电池温升速率,需要降低开关频率f以增大电池电流。然而电机过流能力存在上限,限制了开关频率f的降低。为尽可能提高电池温升速率,本文提出一种高频电流滞环控制策略。该控制策略将实时检测电机电流,当电机电流超出预设电流阈值时,切换开关状态,保证电机电流不超出电机过流上限,并尽可能地降低开关频率f,高频电流滞环控制策略如图8所示。

图8 高频电流滞环控制策略

3 仿真及实验验证

3.1 MATLAB仿真

为分析锂电池电流动态过程,在MATLAB/ Simulink中构建锂电池数学模型并仿真分析。锂电池开路电压Voc=400 V,电池等效内阻Rb=0.25 Ω,母线电容C=500 μF,电机电感Lm=0.1 mH。电流阈值设定为±600 A,仿真波形如图9所示。

图9 电池自加热仿真电流波形

将系统参数代入式(5)与式(7)中,计算结果与图9基本吻合。将系统参数代入式(13),可计算出系统进入稳态后的切换电压电流,如图10所示。

图10 切换时刻电压电流变化波形

由图10可知,开关周期越长,系统进入稳态后,切换电流绝对值越大,切换电压越小。将计算所得切换电压电流与其对应开关周期代入式(10),可得到电池电流有效值与开关周期T对应关系,如图11所示。

图11 电池电流有效值变化波形

由图11可得,开关周期越长,电池电流有效值越大。

3.2 实验平台

为进一步验证本文电池自加热系统的有效性,搭建电池自加热实验平台,如图12所示。

图12 电池自加热实验平台

实验平台包含三相四桥臂电机、电机控制盒、50 Ah三元锂电池包等部件。实验平台具体参数如表1所示。

表1 电池自加热实验平台参数

3.3 常温电池自加热实验

为验证高频电流滞环控制策略的稳定性与有效性,在常温环境下进行电池自加热实验,电流阈值分别设定为400 A与600 A,电流波形如图13所示。

图13 常温电池自加热实验电流波形

当电流判断阈值设定为400 A时,电机电流有效值约为218 A,电池电流有效值约为55 A。当电流判断阈值设定为600 A,电机电流有效值约为325 A,电池电流有效值约为170 A。实验结果证明,提高电流判断阈值可以有效增大电池电流,符合控制策略设计预期结果。

3.4 低温电池自加热实验

将电机、电控盒与电池包放入温箱冷却至-30 ℃后,开启电池自加热直至电池包温度提升至0 ℃后停止实验。用多路测温仪测量锂电池平均温升,具体温度变化情况如图14所示。

当电池电流有效值为55 A时,电池平均温升约为1.2 ℃/min;当电池电流有效值为170 A时,电池平均温升约为2.5 ℃/min。电池电流有效值越大,电池平均温升速率越高,实验结果符合分析预期结果。

4 结 语

为解决锂电池在低温环境下,输出功率降低与放电容量衰减的问题,本文提出一种新型车载锂电池自加热系统。该系统在逆变器中引入第四桥臂,并与车载驱动电机三相星型绕组中性点连接,形成三相四桥臂电机系统架构。

1)该系统可兼容现有汽车驱动电路,且无需重构电池包结构,有效降低了整车添加自加热功能的硬件成本并减少了电池自加热功能对于电池使用寿命的影响。

2)本文结合上述电机系统架构,建立电池、电机系统及自加热等效数学模型,分析电池产热机理及开关频率对电池温升速率的影响,设计高频电流滞环控制策略。

3)实验结果验证了本文锂电池自加热系统的有效性,能实现电池低温工况下的自加热功能并有效提高电池温升速率。

本文重点研究如何提高电池自加热的温升速率,未深入分析电池自加热过程中电池能量损耗,后续研究将进一步关注电池自加热过程中的能量损耗,提高电池自加热效率。