CN107171041A - 一种动力电池交流电变电流梯次加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动力电池交流电变电流梯次加热方法，该方法能根据当前动力电池组的温度、外部环境温度、动力电池的端电压等检测信号，及时计算和更新交流电激励电流幅值并施加在电池两端，保证电池的端电压不超限，电流处于电池允许的承载电流范围内，以期提高动力电池低温工作性能。解决了低温环境下，现有电池加热方法存在加热速度慢、效果差、加热过程中电压超限，对电池寿命有影响等问题，且该加热方法效果好、鲁棒性高、安全性好。为动力电池的可靠运行提供保障。

Description

一种动力电池交流电变电流梯次加热方法

技术领域

本发明涉及动力电池热管理领域，具体涉及一种动力电池低温加热方法。

背景技术

在低温环境下，有必要对电池进行提前预热处理，提高动力电池冷启动温度，提高电池工作性能。

当前解决电池低温问题较为常见的是低温加热，主要有空气加热方式、液冷式、电加热等外部加热形式，但这些车用电池低温外部加热系统，能量利用率较低、加热效果较差，一定时间内将电池加热到指定温度后，又由于电池与外部环境热交换热辐射等原因造成较大的热损失，对于电池包周围的工作环境温度的控制不到位，无法有效持续保证动力电池的最佳工作温度。因此，为保证理想的加热效果，有必要采取内部加热方法。目前常见的内部加热方法主要有交流电加热方法，但是现有技术中，在交流电加热过程中，采用单一幅值和频率的交流电，未考虑电池的安全性能，无法有效限制电池在加热过程中的电压，在加热过程中，容易造成电池端电压超限现象，进而导致电池寿命缩短。

因此，本发明为克服上述技术缺陷，提出了一种变电流梯次加热系统及加热方法，这种加热策略可以在低温环境下，保证电池电压在正常的工作范围内和电池电流在最大可承载范围内，进而实现电池内部快速升温、高效加热，保障了电池在低温环境下的使用性能，且在加热过程中，已经过实验验证，施加的电流为标准的正弦波交流电，不会对电池寿命造成影响，有利于提高电池的一致性和使用寿命。

发明内容

本发明的一种动力电池交流电变电流梯次加热方法，该方法包括：

(a)更新当前温度下动力电池的开路电压值和电池阻抗值；

(b)根据所述开路电压值和电池阻抗值更新交流电激励电流幅值，所述交流电激励电流幅值为当前温度下动力电池最大的允许电流限值；以该交流电激励电流值施加在动力电池，进行动力电池内部加热；

(c)电池温度每升高目标温度幅值，重复进行步骤(a)和(b)，直到动力电池温度达到目标温度。

本发明的另一种动力电池交流电变电流梯次加热方法，该方法包括：

S1：获取当前温度下动力电池的开路电压值和电池阻抗值；

S2：根据所述开路电压值和电池阻抗值计算交流电激励电流幅值，所述交流电激励电流幅值为当前温度下动力电池最大的允许电流限值；

S3：以步骤S2中得到的所述交流电激励电流幅值，进行动力电池内部加热。

S4：判断动力电池温度是否升高目标温度幅值，若是，执行S5；若否，执行S3，继续以S2步骤计算得到的交流电激励电流幅值进行动力电池内部加热；

S5：判断动力电池是否达到目标温度，若是停止加热；若否，跳转执行步骤S1，更新动力电池的开路电压值和电池阻抗值。

优选地，根据动力电池的SOC值，结合当前动力电池温度,根据控制器内预存的开路电压值和温度关系获取所述开路电压值。

优选地，根据控制器内预存的电池阻抗值与电池温度的关系获取当前温度下的电池阻抗值。

优选地，将测量的动力电池加热前的端电压作为开路电压值初始值，

优选地，目标温度幅值是1度、0.5度、0.25度或2度。

本发明的加热方法还可用于电池管理系统。

附图说明

图1为本发明所述的变电流梯次加热流程图

图2为本发明所述的R-T等效电路模型图

具体实施方式：

本发明所涉及的动力电池包括动力电池单体、动力电池包、或者成组后的动力电池组。

本发明使用OCV代表开路电压，I代表动力电池的输入的交流激励电流，T为所述动力电池温度。

本发明所述的动力电池交流电变电流梯次加热方法如附图1所示。

本发明所述的动力电池交流电变电流梯次加热方法，该方法包括：OCV-T曲线的建立、R-T模型的建立、交流电激励电流幅值的计算。下面分别对上述各个部分进行详细叙述：

首先，OCV-T曲线的建立方法如下，动力电池的OCV与T，在荷电状态SOC和老化程度相对稳定的状态下，具有一一对应的映射关系。该映射关系是电池本身所固有的物化特性，与电池本身的材料有关，同类电池在相同SOC、相同老化寿命下的该映射关系无明显变化。根据该映射关系，可建立在一定SOC、一定老化寿命下相对稳定的OCV-T曲线，即开路电压随温度变化曲线。依据该曲线，即可在确定SOC情况下,由某时刻温度值估计该时刻的OCV值。该曲线的具体建立过程如下：

步骤①：在指定的温度下，用电池的额定电流，将电池充满电后进行电池的满充满放实验，取三次以上实验结果的充电量均值作为充电容量，取三次以上实验结果的放电量均值作为放电容量。

步骤②：在该温度下将电池充满电，静置两小时后测量电池的端电压，该测量值即可被认为是100％SOC状态下的OCV；逐次用额定电流放步骤①所测放电容量的指定百分比(如50％)，每次放电指定百分比(如50％)后均静置两小时后再测量端电压，该测量值即可被认为是该荷电状态下的OCV(车载动力电池管理系统BMS可以直接估算当前电池的SOC值)。

步骤③：在指定的电池荷电状态下，逐次调整电池环境温度(如20℃，18℃，16℃，14℃，12℃，…..-20℃)，并静置4小时以上，以便电池温度分布的一致性，再测量端电压，该测量值即可被认为是该温度下的OCV。

步骤④：将步骤③所测得的三次数据取均值，即可认为是指定荷电状态下的OCV-T的准确值；

步骤⑤：采用组合模型式(1)对OCV与T关系进行拟合，进而得到α₀,α₁,…,α₆的值，完成OCV-T曲线的建立。

U_OCV(T)＝α₀+α₁T+α₂T²+α₃T³+α₄/T+α₅ln(T)+α₆ln(1-T) 式(1)

α₀,α₁,…,α₆为组合模型的系数；

下面阐述本发明所述的R-T模型的建立方法，本发明以Thevenin动力电池等效电路模型为例，模型参见如图2，来阐述该动力电池阻抗随温度变化的关系和阻抗计算方法。本领域技术人员也可以使用领域熟知的其他模型来替换上述Thevenin动力电池等效电路模型。

其中，R₀(T)为欧姆阻抗随温度变化拟合曲线，R_SEI(T)为SEI膜随温度变化的拟合曲线，R_CT(T)为电化学阻抗随温度变化拟合曲线，C_SEI为SEI的电容，C_dl为电化学反应的电容。

所述的OCV-T曲线和R-T模型在交流加热前已经预先存入BMS系统中，并可以由BMS系统调用和控制。

动力电池系统中的电池管理系统(BMS)能够通过数据采集器或传感器实时采集动力电池单体和/或动力电池组的端电压的测量值U_t(k)和温度，以及环境温度等信息，并储存在相应的存储器，为交流电激励电流幅值计算提供可靠地实时信息输入。

本发明所述的交流电激励电流幅值的计算如下，

根据欧姆定律，k时刻T温度下电池能够承受的最大电流限值可由下式(3)、(4)得出：

I_{upper_limit}(k,T)＝(U_max-U_ocv(k,T))/R(k,T) 式(3)

I_{lower_limit}(k,T)＝(U_min-U_ocv(k,T))/R(k,T) 式(4)

其中k时刻T温度下的OCV可由式(1)，I_{upper_limit}(k,T)和I_{lower_limit}(k,T)为k时刻T温度下最大的允许电流限值，U_min为电池最低允许电压限值，U_max为电池允许的最高电压限值。

因此输入的交流电激励电流幅值i：

i≤I_{upper_limit}且i≤I_{lower_limit}

当I_{upper_limit}≥I_{lower_limit}，则i＝I_{lower_limit}； 式(5)

当I_{upper_limit}≤I_{lower_limit}，则i＝I_{upper_limit}； 式(6)

本发明所述的一种用于动力电池交流电变电流梯次加热方法，该方法具体步骤为：

S1：开展交流电加热前，BMS测量当前电池温度和环境温度；

S2:判断是否需要进行交流电加热，当电池温度高于设定阀值时，此时不需要进行低温预热，电动汽车正常启动或工作；当电池温度低于设定阀值时，使用交流电对动力电池加热。

S3：根据BMS系统给出的当前动力电池的SOC值，结合当前动力电池温度,根据BMS系统内已经预存的前述OCV-T曲线获取OCV值：

对于车辆启动预热，由于在开展交流电加热前，车辆一般经过至少6小时以上的泊车时间，此时动力电池的OCV值趋近于动力电池端电压值，因此优选地，将BMS测量的加热前的动力电池端电压作为OCV初始值，这会大大缩短获取OCV初始值所需的递推过程收敛时间。

根据BMS系统内已经预存的前述R-T模型获取当前温度下的电池阻抗值。

S4：根据式(5)、(6)，计算交流电激励电流幅值，以交流电激励电流值施加在动力电池，执行交流电加热。

S5：以步骤S4中得到的所述交流电激励电流幅值，进行动力电池内部加热。

S6：判断动力电池温度是否升高目标温度幅值，优选地目标幅值是1度或0.5度，若是，执行S7；若否，执行S5，继续以S4步骤计算得到的交流电激励电流幅值执行交流电加热。

S7：判断动力电池是否达到目标温度，若是停止加热，完成动力电池内部加热；若未达到目标温度，跳转执行步骤S3，更新OCV、R值，进而更新交流电激励电流幅值，以更新后的交流电激励电流幅值进行动力电池内部加热。

以此循环，动力电池温度每升高一次目标温度幅值，更新一次交流电激励电流幅值，完成变电流梯次加热。该加热方法保证动力电池在不同的温度区间内，都能够以最大交流电激励电流加热，且保证了电池安全和寿命，进而实现电池内部快速升温和高效加热。

下面通过实验数据进一步阐明本发明的实施方式。

选用18650型镍钴锰三元电池NMC为研究对象，其额定容量为3Ah，充放电截止电压分别为4.2V和3V。加热的初始温度为恒定-20℃，用电池的温升曲线和循环加热实验每10次加热循环后测试电池的容量，来验证该方法的可靠性与实用性。

根据实验结果，本发明所提出的梯次交流电加热方法与传统方法相比具有以下优势：

(1)比较快的温度升高，采用该方法能够将电池从-20℃升高到10℃，仅需要630秒；

(2)对电池寿命无损伤；经过40次循环加热实验对电池的容量无明显损伤。

(3)通过对电流幅值的限制，保证了电流未出现过充，过放等现象。

表1梯次加热每10次循环后的容量实验

循环数	充电容量(Ah)	放电容量(Ah)
			0	3.068	3.061
10	3.066	3.056
			20	2.972	2.974
30	3.052	3.051
			40	3.041	3.045

Claims (7)

1.一种动力电池交流电变电流梯次加热方法，该方法包括：

(a)更新当前温度下动力电池的开路电压值和电池阻抗值；

(b)根据所述开路电压值和电池阻抗值更新交流电激励电流幅值，所述交流电激励电流幅值为当前温度下动力电池最大的允许电流限值；以该交流电激励电流值施加在动力电池，进行动力电池内部加热；

(c)电池温度每升高目标温度幅值，重复进行步骤(a)和(b)，直到动力电池温度达到目标温度。

2.一种动力电池交流电变电流梯次加热方法，该方法包括：

S1：获取当前温度下动力电池的开路电压值和电池阻抗值；

S2：根据所述开路电压值和电池阻抗值计算交流电激励电流幅值，所述交流电激励电流幅值为当前温度下动力电池最大的允许电流限值；

S3：以步骤S2中得到的所述交流电激励电流幅值，进行动力电池内部加热。

S4：判断动力电池温度是否升高目标温度幅值，若是，执行S5；若否，执行S3，继续以S2步骤计算得到的交流电激励电流幅值进行动力电池内部加热；

S5：判断动力电池是否达到目标温度，若是停止加热；若否，跳转执行步骤S1，更新动力电池的开路电压值和电池阻抗值。

3.如权利要求1或2的所述方法，其特征在于：根据动力电池的SOC值，结合当前动力电池温度,根据控制器内预存的开路电压值和温度关系获取所述开路电压值。

4.如权利要求1或2的所述方法，其特征在于：根据控制器内预存的电池阻抗值与电池温度的关系获取当前温度下的电池阻抗值。

5.如权利要求1或2的所述方法，其特征在于：将测量的动力电池加热前的端电压作为开路电压值初始值。

6.如权利要求1或2的所述方法，其特征在于：目标温度幅值是1度、0.5度、0.25度或2度。

7.一种电池管理系统，其特征在于，使用如权利要求1-6任意一项所述的加热方法。