CN107290680B - 一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法 - Google Patents

一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法 Download PDF

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Abstract

一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法，属于电池加热技术领域。解决了低温下电池放电加热时电流的幅值选取没有依据，以及因没有考虑加热过程对电池容量衰减的影响而导致加快电池衰老的问题。本发明利用电池低温放电时内阻产生的热量对电池进行内部加热，权衡电池容量衰减和加热时间这两个相互矛盾的方面，通过标准化处理，构建以这两个方面为对象的目标函数。将电池每上升1℃的过程记为一个阶段，采用局部最优算法，从第一个阶段逐个向后计算，得到每一个阶段的最优放电电流，从而获取整个加热过程的最优放电电流。本发明适用于电池加热。

Description

一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法
技术领域
本发明涉及一种电池最优放电加热电流的获取方法，具体涉及一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法，属于电动汽车电池低温加热技术领域。
背景技术
锂离子电池以其比功率高、能量密度大、自放电率低和贮藏时间长等优点，正逐步取代其他电池成为主要的动力电池。虽然锂离子电池有很多优点，但是在低温下，锂离子电池的充放电性能仍存在较大问题，例如：各种活性物质活跃性降低，电芯电极的反应率低，石墨负极锂离子电池内部各类阻抗大幅增加，电池可用容量减少，输出功率明显下降，这对电动汽车的使用性能影响较大。
目前针对电池的低温使用问题，相关技术的一种做法是：利用正弦交流电对电池进行充放电，利用电池低温时内阻产生的热量对电池进行内部加热，但是电池低温充电是导致锂枝晶的主要原因，交流电中的充电电流会加速电池的老化。相关技术的另一种做法是对电池进行一段时间的放电，将能量储存在储能装置中，利用电池放电时内阻产生的热量对电池进行内部加热，但是忽略了加热过程对电池容量衰减的影响，并且没有确定放电电流的取值依据。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明是为了解决低温下利用电池放电内阻产生的热量对电池进行加热时，放电电流的幅值选取没有依据，以及因没有考虑加热过程对电池容量衰减的影响而导致加速电池衰老的问题，提出了一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法。
本发明所采取的方案为：一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法，具体步骤为：
步骤一，获取电池初始温度和荷电状态（SOC）及其对应的电池内阻，执行步骤二；
步骤二，设定电池的温度范围，即电池初始温度和目标温度，电池每上升1℃的过程记为一个阶段，执行步骤三；
步骤三，确定第i个电池温度时对应的加热电流范围，执行步骤四；
步骤四，在第i个电池温度时对应的加热电流范围内，每隔ΔI取一个电流值，计算不同加热电流对应的容量衰减Qloss和加热时间t，执行步骤五；
步骤五，将第i个阶段内不同加热电流对应的容量衰减Qloss和加热时间t进行标准化处理，执行步骤六；
步骤六，设定目标函数Target=w1*Qloss+w2*t，求出第i个阶段内不同加热电流值对应的目标函数值，执行步骤七；
步骤七，根据步骤六的结果，找到第i个阶段内的目标函数值的最小值min(Target)及其对应的优化电流Iopt(i),容量衰减量Qloss(i),及加热时间time(i)，执行步骤八；
步骤八，根据第i个阶段内的Iopt(i)和time(i)计算此阶段内的SOC消耗，执行步骤九；
步骤九，判断电池温度Tbat是否到达目标温度Tgoal，若是，执行步骤十三，否则执行十；
步骤十，计算电池当前的荷电状态，执行步骤十一；
步骤十一，令i=i+1，执行步骤十二；
步骤十二，获取电池当前温度和荷电状态对应的电阻R，执行步骤三；
步骤十三，电池加热实验结束，获取每一阶段内的优化电流Iopt(i)，进而得到这个加热过程的最优放电加热电流。
进一步地，步骤三中i的初始值为1，确定第i个电池温度对应的加热电流范围的具体方法为：加热电流的最小值应满足
Figure 477388DEST_PATH_IMAGE001
，其中I为放电电流，R为电池内阻，h为等效散热系数，S为电池表面积，
Figure 519294DEST_PATH_IMAGE002
为环境温度，
Figure 675468DEST_PATH_IMAGE003
为电池的生热功率，
Figure 472523DEST_PATH_IMAGE004
为电池与外界环境的散热功率。加热电流的最大值为电池手册上规定的最大放电电流。
进一步地，步骤四中ΔI的取值范围为0.1～0.5A。
进一步地，步骤四中容量衰减的计算公式为
Figure 81359DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 192534DEST_PATH_IMAGE006
为电池容量衰减量，
Figure 203216DEST_PATH_IMAGE007
为活化能，
Figure 171172DEST_PATH_IMAGE008
为电池倍率修正系数，
Figure 706452DEST_PATH_IMAGE009
为电池倍率，
Figure 152477DEST_PATH_IMAGE010
为指数前系数，
Figure 283244DEST_PATH_IMAGE011
为电池安时吞吐量，
Figure 359784DEST_PATH_IMAGE012
为幂次定律参数。
进一步地，步骤四中加热时间的计算公式为
Figure 943212DEST_PATH_IMAGE013
其中，m为电池质量，c为电池比热容，R为电池内阻，
Figure 192928DEST_PATH_IMAGE014
为电池温度变化量，在本发明中令
Figure 115884DEST_PATH_IMAGE014
=1.
进一步地，步骤五中标准化处理的目的是为了将容量衰减和加热时间转化为同一等量级的值，具体方法为min-max标准化，转换函数如下：
Figure 425643DEST_PATH_IMAGE015
其中，max为样本数据的最大值，min为样本数据的最小值，此处所指的样本数据为：在第i个阶段内不同放电电流加热电池时得到的目标函数值。
进一步地，步骤六中目标函数中的w1，w2为权值系数，w1，w2∈（0,1）且w1+w2=1，本方法可根据实际需求自由设定w1，w2的值。
本发明所达到的效果为：
本发明通过以不同放电电流对电池进行低温加热实验，电池每升高1℃的过程记为1个阶段，以容量衰减和加热时间两个因素设定目标函数，确定每一阶段内的最优放电电流值，进而获取整个放电过程中基于锂电池容量衰减和加热时间的最优放电加热电流。该放电电流能够权衡容量衰减和加热时间这一对矛盾的因素，既能减小加热时间，又能尽量抑制加热过程对电池容量衰减的影响。
附图说明
图1为本发明的一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法的流程图。
具体实施方式
为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在申请文件中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法，该方法的具体步骤为：
步骤一，获取电池初始温度和荷电状态（SOC）及其对应的电池内阻，执行步骤二；
步骤二，设定电池的温度范围，即电池初始温度和目标温度，电池每上升1℃的过程记为一个阶段，执行步骤三；
步骤三，确定第i个电池温度时对应的加热电流范围，执行步骤四；
步骤四，在第i个电池温度时对应的加热电流范围内，每隔ΔI取一个电流值，计算不同加热电流对应的容量衰减Qloss和加热时间t，执行步骤五；
步骤五，将第i个阶段内不同加热电流对应的容量衰减Qloss和加热时间t进行标准化处理，执行步骤六；
步骤六，设定目标函数Target=w1*Qloss+w2*t，求出第i个阶段内不同加热电流值对应的目标函数值，执行步骤七；
步骤七，根据步骤六的结果，找到第i个阶段内的目标函数值的最小值min(Target)及其对应的优化电流Iopt(i),容量衰减Qloss(i),及加热时间time(i)，执行步骤八；
步骤八，根据第i个阶段内的Iopt(i)和time(i)计算此阶段内的SOC消耗，执行步骤九；
步骤九，判断电池温度Tbat是否到达目标温度Tgoal，若是，执行步骤十三，否则执行十；
步骤十，计算电池当前的荷电状态，执行步骤十一；
步骤十一，令i=i+1，执行步骤十二；
步骤十二，获取电池当前温度和荷电状态对应的电阻R，执行步骤三；
步骤十三，电池加热实验结束，获取每一阶段内的优化电流Iopt(i)，进而得到这个加热过程的最优放电加热电流。
具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于电动汽车的电池低温可变电流加热方法的进一步说明，它还包括将步骤三中确定第i个电池温度对应的加热电流范围的具体方法为：加热电流的最小值应满足
Figure 496367DEST_PATH_IMAGE016
，其中I为加热电流，R为电池内阻，h为散热系数，S为电池表面积，
Figure 549774DEST_PATH_IMAGE002
为环境温度，
Figure 327237DEST_PATH_IMAGE017
为电池的生热功率，
Figure 807897DEST_PATH_IMAGE018
为电池与外界环境的散热功率。加热电流的最大值为电池手册上规定的最大放电电流。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于电动汽车的电池低温可变电流加热方法的进一步说明，它还包括将步骤四中ΔI的取值范围为0.1～0.5A，容量衰减的计算公式为
Figure 100338DEST_PATH_IMAGE019
其中，
Figure 393654DEST_PATH_IMAGE020
为电池容量衰减量，
Figure 87940DEST_PATH_IMAGE021
为活化能，
Figure 739502DEST_PATH_IMAGE008
为电池倍率修正系数，
Figure 784818DEST_PATH_IMAGE022
为电池倍率，
Figure 117710DEST_PATH_IMAGE010
为指数前系数，
Figure 666503DEST_PATH_IMAGE023
为电池安时吞吐量，
Figure 754545DEST_PATH_IMAGE012
为幂次定律参数。加热时间的计算公式为
Figure 959261DEST_PATH_IMAGE024
其中，m为电池质量，c为电池比热容，R为电池内阻，
Figure 892582DEST_PATH_IMAGE014
为电池温度变化量，在本发明中令
Figure 561461DEST_PATH_IMAGE014
=1.
具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于电动汽车的电池低温可变电流加热方法的进一步说明，它还包括将步骤五中标准化处理的目的是为了将容量衰减和加热时间转化为同一等量级的值，具体方法为min-max标准化，转换函数如下：
Figure 820404DEST_PATH_IMAGE025
其中，max为样本数据的最大值，min为样本数据的最小值，此处所指的样本数据为：在第i个阶段内不同放电电流加热电池时得到的目标函数值。
具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种用于电动汽车的电池低温可变电流加热方法的进一步说明，它还包括将步骤六中目标函数中的w1，w2为权值系数，w1，w2∈（0,1）且w1+w2=1，本方法可根据实际需求自由设定w1，w2的值。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤一，获取电池初始温度和荷电状态(SOC)及其对应的电池内阻，执行步骤二；
步骤二，设定电池的温度范围，即电池初始温度和目标温度，电池每上升1℃的过程记为一个阶段，执行步骤三；
步骤三，确定第i个电池温度时对应的加热电流范围，执行步骤四；
步骤四，在第i个电池温度时对应的加热电流范围内，每隔ΔI取一个电流值，计算不同加热电流对应的容量衰减Qloss和加热时间t，执行步骤五；
步骤五，将第i个阶段内不同加热电流对应的容量衰减Qloss和加热时间t进行标准化处理，执行步骤六；
步骤六，设定目标函数Target＝w1*Qloss+w2*t，求出第i个阶段内不同加热电流值对应的目标函数值，执行步骤七；
步骤七，根据步骤六的结果，找到第i个阶段内的目标函数值的最小值min(Target)及其对应的优化电流Iopt(i),容量衰减量Qloss(i),及加热时间time(i)，执行步骤八；
步骤八，根据第i个阶段内的Iopt(i)和time(i)计算此阶段内的SOC消耗，执行步骤九；
步骤九，判断电池温度Tbat是否到达目标温度Tgoal，若是，执行步骤十三，否则执行十；
步骤十，计算电池当前的荷电状态，执行步骤十一；
步骤十一，令i＝i+1，执行步骤十二；
步骤十二，获取电池当前温度和荷电状态对应的电阻R，执行步骤三；
步骤十三，电池加热实验结束，获取每一阶段内的优化电流Iopt(i)，进而得到这个加热过程的最优放电加热电流。
2.根据权利要求1所述的一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法，其特征在于，所述步骤三中i的初始值为1，确定第i个电池温度时对应的加热电流范围的具体方法为：加热电流的最小值应满足I2R-hS(Tbat-T∞)＞0，其中I为放电电流，R为电池内阻，h为等效散热系数，S为电池表面积，T∞为环境温度，I2R为电池的生热功率，hS(Tbat-T∞)为电池与外界环境的散热功率，加热电流的最大值为电池手册上规定的最大放电电流。
3.根据权利要求1所述的一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法，其特征在于，所述步骤四中ΔI的取值范围为0.1～0.5A。
4.根据权利要求1所述的一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法，其特征在于，所述步骤四中容量衰减的计算公式为
Figure FDA0002598555530000021
其中，Qloss为电池容量衰减量，Ea为活化能，B为电池倍率修正系数，Rate为电池倍率，k为指数前系数，Ak为电池安时吞吐量，z为幂次定律参数。
5.根据权利要求1所述的一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法，其特征在于，所述步骤四中加热时间的计算公式为
Figure FDA0002598555530000031
其中，m为电池质量，c为电池比热容，R为电池内阻，ΔT为电池在一个阶段内的温度变化量，在本发明中令ΔT＝1。
6.根据权利要求1所述的一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法，其特征在于，所述步骤五中标准化处理的目的是为了将容量衰减和加热时间转化为同一等量级的值，具体方法为min-max标准化，转换函数如下：
Figure FDA0002598555530000032
其中，max为样本数据的最大值，min为样本数据的最小值，此处所指的样本数据为：在第i个阶段内不同放电电流加热电池时得到的目标函数值。
7.根据权利要求1所述的一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法，其特征在于，所述步骤六中目标函数中的w1，w2为权值系数，w1，w2∈(0,1)且w1+w2＝1，本方法可根据实际需求自由设定w1，w2的值。
8.根据权利要求1所述的一种基于容量衰减和加热时间的锂电池加热电流获取方法，其特征在于，所述步骤八中计算第i阶段内的SOC消耗的方法是
Figure FDA0002598555530000041
其中，C是电池额定容量。
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