CN109449541A - 锂离子电池变频变幅交流低温自加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池变频变幅交流低温自加热方法，包括：确定对锂离子电池寿命无影响的极化电压幅值范围，并根据此范围选取正弦交流极化电压幅值，根据正弦交流极化电压幅值与当前温度下电池内阻确定正弦交流电流幅值；在已选定的正弦交流极化电压幅值下，根据电池阻抗与频率的关系，通过产热功率与频率的关系计算得到当前温度下产热功率最大的频率；根据确定的幅值和频率，利用正弦交流电流信号对电池进行低温自加热；每隔一定温度，在保证恒定的极化电压幅值下，实时补偿正弦交流电流幅值，找到当前温度下的最佳加热频率，改变所施加的正弦交流电流信号的幅值与频率。本发明自加热速率快、对电池使用寿命无影响和加热温度均匀性好。

Description

锂离子电池变频变幅交流低温自加热方法

技术领域

本发明涉及电池自加热技术领域，具体说是一种锂离子电池在变频变幅交流工况下的低温自加热方法。尤指锂离子电池在变频变幅交流工况下的对锂离子电池寿命无影响的低温自加热方法。

背景技术

能源危机和环境保护的双重压力助推了电动汽车的快速发展。锂离子电池因能量密度高、使用寿命长、节能环保等优点而成为电动汽车动力电池的首选。但由于参数随条件的变化，锂离子电池在实际应用中仍然存在一些挑战。在低温环境下，锂离子电池的可用容量急剧下降，直接影响电动汽车的续航里程，而且电池充电变得更加困难，输出功率大幅下降，严重时难以达到正常的工况要求。锂离子电池的使用寿命与众多因素相关，在低温下按常规策略充电容易出现析锂现象，这将严重影响电池的寿命。因此，对锂离子电池进行低温加热，改善低温充电性能和使用性能就变得十分必要。

目前对电池进行加热的方式主要分为两种：外部加热和内部加热。外部加热的方法主要是通过热传导或者热对流的途径实现，通过PTC材料或者加热膜等在外部对电池进行加热。但该方式容易出现受热不均匀现象并且加热效率较低。内部加热由于热量是直接在电池内部产生，故其能量效率更高，受热更加均匀。通过对各种加热方式进行比较发现：交流自加热电池温度均匀性好，而且电池无能量损失；而直流自加热虽然成本低，不需要其他的电路元件，但造成电池较大的能量损失。并且过大的直流会对电池寿命造成一定的影响。由此可知交流自加热相比于外部加热方式和直流自加热方式，实现起来较为容易，并且加热速度较快，加热均匀性好，不改变电池的荷电状态(State of Charge,SOC)。

由于极化电压与电池的电化学反应存在一定的关系，故为了避免电池产生不良的反应，有必要控制电池的极化电压大小。同时交流信号的频率对交流自加热效果存在一定的影响，并且在恒定电流幅值的交流加热下，交流电流的频率过低，半波周期过程接近于直流充放电过程，无法体现交流加热的优势。故需要找到电池在交流信号激励下，其产热率与频率之间的关系。同时在恒定极化电压交流加热的情况下，为在交流加热过程中能保持最大的产热率，交流信号的频率需实时调整。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种锂离子电池变频变幅交流低温自加热方法，改善现有技术中外部加热锂离子电池的方法效率低、对电池使用寿命影响大、产热速率低和电池温度分布不均匀等问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

锂离子电池变频变幅交流低温自加热方法，包括如下步骤：

S1、确定对锂离子电池寿命无影响和安全使用的极化电压幅值范围，并根据此极化电压幅值范围选取正弦交流极化电压幅值，根据此正弦交流极化电压幅值与当前温度下电池内阻确定正弦交流电流幅值；

S2、在已选定的正弦交流极化电压幅值下，根据电池阻抗与频率的关系，通过产热功率与频率的关系计算得到当前温度下产热功率最大时的频率，即最佳加热频率；

S3、根据步骤S1确定的正弦交流电流幅值和步骤S2确定的最佳加热频率，利用正弦交流电流信号对电池进行低温自加热；

S4、随着电池温度的变化，每隔一定温度，在保证恒定的正弦交流极化电压幅值下，实时补偿正弦交流电流幅值，并且找到当前温度下的最佳加热频率，改变所施加的正弦交流电流信号的幅值与频率，对电池进行寿命无损耗加热；即重复S1-S3步骤。

在上述技术方案的基础上，由于电池内阻随着电池温度的上升而变小，为了保证恒定正弦交流极化电压和产热功率最大，在电池自加热过程中，逐渐增大正弦交流电流的幅值，实现变幅过程。

在上述技术方案的基础上，步骤S1的具体步骤为：

S11、根据锂离子电池产品规格书，确定电池电压的安全使用范围；

S12、依据电力电子设备的电压控制精度，在加热设备输出电压误差范围内保证电池电压在安全使用范围内，从而确定对锂离子电池寿命无影响和安全使用的极化电压幅值范围。

在上述技术方案的基础上，步骤S2中所述通过产热功率与频率的关系计算得到当前温度下产热功率最大时的频率的具体步骤为：

S21、在交流激励下，电池产生的可逆热近似认为正负抵消，故电池的产热项主要为不可逆热；

S22、利用公式计算电池产热功率，其中Q为电池产热功率，ΔV为正弦交流极化电压幅值，I为正弦交流电流幅值，Re为电池阻抗实部，Z为电池总阻抗；

S23、保持电池的正弦交流极化电压幅值恒定时，电池的产热功率与Re/|Z|²成正比，当Re/|Z|²最大，则电池产热功率为最大值；

S24、由电化学阻抗谱可知，在固定温度下，电池的阻抗是关于频率的函数，故Re/|Z|²最大值所对应的频率就是电池的最佳加热频率；

S25、对电池进行电化学阻抗谱在线分析，找到Re/|Z|²最大值并得到产热功率最大时的频率f₀，即最佳加热频率。

在上述技术方案的基础上，随着电池温度的变化，步骤S25中的最佳加热频率会发生变化，为了保证产热功率最大，实时改变正弦交流电流的频率，实现变频过程。

在上述技术方案的基础上，所述锂离子电池包括锰酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池和三元材料动力电池。

本发明所述的锂离子电池变频变幅交流低温自加热方法，具有以下有益效果：

1、具有自加热速率快、加热温度均匀性好、不改变电池荷电状态(SOC)等效果；

2、始终保持最佳加热频率，产热速率最快，自加热时间明显缩短；

3、选择并设置适当的恒定正弦交流极化电压后，在变频变幅的交流激励下电池最快可以在700s内将锂离子电池从-28℃自加热到20℃；

4、自加热后锂离子电池的内阻大幅减小，充放电性能大幅提升；

5、该方法以不影响锂离子电池使用寿命的极化电压作为限制条件，选择最佳产热频率，从而在快速地加热锂离子电池的基础上，实现最大限度地减少对锂离子电池使用寿命影响的目标。

附图说明

本发明有如下附图：

图1是锂离子电池在不同温度下的产热率与频率的关系曲线；

图2是锂离子电池在加热过程中的正弦交流极化电压幅值与电流幅值变化曲线；

图3是锂离子电池在自加热过程中的温度变化曲线；

图4是锂离子电池自加热过程中最佳加热频率与温度的关系曲线；

图5是本发明实施自加热方法的示意图；

图6是自加热过程中锂离子电池的内部阻抗随着加热时间变化的曲线；

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图5所示，本发明所述的锂离子电池变频变幅低温自加热方法，基于正弦交流极化电压幅值恒定的、最佳加热频率的正弦交流信号对锂离子电池进行自加热，具体步骤为：

S1、确定对锂离子电池寿命无影响和安全使用的极化电压幅值范围，并根据此极化电压幅值范围选取正弦交流极化电压幅值，根据此正弦交流极化电压幅值与当前温度下电池内阻确定正弦交流电流幅值；

S2、在已选定的正弦交流极化电压幅值下，根据电池阻抗与频率的关系，通过产热功率与频率的关系计算得到当前温度下产热功率最大时的频率，即最佳加热频率；

所述产热功率先随着频率的增大逐渐增大，达到最大值后，随着频率的增大逐渐减小，本发明所述自加热方法存在产热功率最大的最佳加热频率，该频率较高；在自加热的最佳加热频率下，法拉第电流较小，发生负极析锂的可能性很低；

S3、根据步骤S1确定的正弦交流电流幅值和步骤S2确定的最佳加热频率，利用正弦交流电流信号对电池进行低温自加热；

S4、随着电池温度的变化，每隔一定温度，在保证恒定的正弦交流极化电压幅值下，实时补偿正弦交流电流幅值，并且找到当前温度下的最佳加热频率，改变所施加的正弦交流电流信号的幅值与频率，对电池进行寿命无损耗加热；即重复S1-S3步骤。

由于电池内阻随着电池温度的上升而变小，为了保证恒定正弦交流极化电压和产热功率最大，在电池自加热过程中，逐渐增大正弦交流电流的幅值，实现变幅过程。

在上述技术方案的基础上，步骤S1的具体步骤为：

S11、根据锂离子电池产品规格书，确定电池电压的安全使用范围；

S12、依据电力电子设备的电压控制精度，在加热设备输出电压误差范围内保证电池电压在安全使用范围内，从而确定对锂离子电池寿命无影响和安全使用的极化电压幅值范围。

在上述技术方案的基础上，步骤S2中所述通过产热功率与频率的关系计算得到当前温度下产热功率最大时的频率的具体步骤为：

S21、在交流激励下，电池产生的可逆热近似认为正负抵消，故电池的产热项主要为不可逆热；

S22、利用公式计算电池产热功率，其中Q为电池产热功率，ΔV为正弦交流极化电压幅值，I为正弦交流电流幅值，Re为电池阻抗实部，Z为电池总阻抗；

S23、保持电池的正弦交流极化电压幅值恒定时，电池的产热功率与Re/|Z|²成正比，当Re/|Z|²最大，则电池产热功率为最大值；

S24、由电化学阻抗谱可知，在固定温度下，电池的阻抗是关于频率的函数，故Re/|Z|²最大值所对应的频率就是电池的最佳加热频率；

S25、对电池进行电化学阻抗谱在线分析，找到Re/|Z|²最大值并得到产热功率最大时的频率f₀，即最佳加热频率。

在上述技术方案的基础上，随着电池温度的变化，步骤S25中的最佳加热频率会发生变化，为了保证产热功率最大，实时改变正弦交流电流的频率，实现变频过程。

本发明所述的锂离子电池的低温快速自加热方法，所述锂离子电池在电动车辆中使用，可以是锰酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池或三元材料动力电池等。

不同类型的锂离子电池的内阻不同，最佳加热频率也会存在差异，产热速率也会存在差异，但是针对某一个电池，本发明所述的自加热方法可以快速地加热电池。

以下具体实施例以某公司的三元材料动力电池为例进行说明。

将电池的荷电状态(SOC)控制在50％的条件下，忽略由SOC对加热效果造成的影响。

极化电压用于描述电池中的物理和化学过程，是由电解液中和电极材料固相中的物质运输限制、固相间的接触阻碍和迟滞的电化学反应引起的。电池中极化电压包括：活化过电势、扩散极化电压和欧姆压降，从电池外部看来，总的极化电压，即总的过电势，可表述为

△V＝U_O-U_OCV (1)

(1)式中，U_o为端电压，U_ocv为电池开路电压。

过大的极化电压可能导致不利情形，如电池端电压超出安全电压阈值会引发电池副反应，造成锂离子在负极表面沉积形成锂枝晶或者活性材料损失，这将会加速电池寿命的衰退。

因此，极化电压保持在合适的范围是十分必要的，根据给定的极化电压可计算最大的可接受电流

(2)式中，ΔV_max为最大的正弦交流极化电压幅值，Z，Re，I_m分别为电池的总阻抗、阻抗实部和阻抗虚部。

根据(2)式，通过正弦交流极化电压幅值与电池内阻计算出正弦交流电流幅值的大小。

为了低温下快速加热电池，总是期望较大的过电势和电流。但是，过电势和电流的幅值必须限制以确保对电池无损伤。因此，恒定的正弦交流极化电压是实现快速加热的优选方案，可有效地防止端电压超过安全电压阈值，进而可根据电池阻抗相应地实时计算最大的交流电流幅值。

当电池施加正弦交流电流时，电池产生的可逆热近似认为正负抵消，只有不可逆热需要考虑，包括欧姆极化热、电化学极化热和扩散极化热，不可逆热可表示为

(3)式中，ΔV为正弦交流极化电压幅值。通过电池模型仿真得到的在不同温度下，电池的产热率(产热功率)与频率的关系图如图1所示。由图1可以看出，电池的产热率随着频率的上升是先上升再下降的趋势，并且产热率的最大值随着温度的不同而发生变化，这体现出变频过程的必要性。

由于电池在SOC＝50％时，开路电压为3.712V，为了避免对电池产生不良影响并且能够有更高的产热率，选取极化电压幅值为0.45V。在加热实验开始前，需找到电池初始温度下的最佳加热频率。通过电化学工作站对电池进行电化学阻抗谱的测试，经过上位机对阻抗谱的分析处理，找到Re/|Z|²的最大值及其所对应的频率。在电池进行自加热前，电池温度为-28℃，此时，所对应的最佳加热频率为1MHz。通过正弦交流极化电压幅值与电池此时的阻抗大小，由I＝ΔV/|Z|计算得到正弦交流电流幅值为7.5A。

在电池上施加一个幅值为7.5A，频率为1MHz的正弦交流电流信号，对电池进行交流自加热实验。本次实验采用每隔1℃改变一次正弦交流电流的幅值与频率来保证产热率最大。

加热过程中，正弦交流极化电压幅值与电流幅值如图2所示，由图2可看出，可以发现加热过程前期的正弦交流极化电压幅值变化较大，但变化幅度不超过10mV，后期变化幅值仅为几mV，可以认为保证了正弦交流极化电压幅值恒定，说明整个加热过程中，电池的端电压保持在安全电压的范围内。图2显示，在保证恒定正弦交流极化电压幅值的情况下，电流幅值逐渐上升，实现了变幅过程。

电池在加热过程中温度变化曲线如图3所示，其中，1700Hz与3500Hz分别为电池在-20℃和10℃下的最佳加热频率。实验结果显示，在变频变幅交流自加热方法下，电池700s的温升为47.67℃，而在1700Hz和3500Hz的恒频变幅交流自加热方法下，电池700s的温升分别为40.83℃和44.01℃，说明了变频变幅的交流自加热方法要优于固定最佳加热频率下的恒频变幅交流自加热方法。

所施加的电流频率与温度的关系曲线如图4所示。可以看出施加在电池上的正弦交流电流信号频率随着电池温度的上升而逐渐变小，实现了变频过程。

图6为自加热过程中电池的内部阻抗随着加热时间变化的曲线。可以看出，电池的内部阻抗随着温度的上升而下降，说明该方法能提高电池在低温环境下的充放电性能。

综上所述，变频变幅交流低温自加热方法可实现在700s将电池从-28℃加热到20℃，表明该自加热方法可以快速地自加热电池到适宜工作的温度，能够满足电池在低温下的加热需求。

本发明公开了一种锂离子电池变频变幅交流低温自加热方法，其特征在于采用基于极化电压幅值恒定的、时变的电流幅值和频率的正弦交流自加热方法，该方法包括确定对锂离子电池寿命无影响和安全使用的极化电压幅值范围，并根据此范围选取正弦交流极化电压幅值；在已选定的正弦交流极化电压幅值下，根据电池阻抗与频率的关系，找到产热功率最大时的频率；利用确定频率和幅值的正弦交流信号对待加热电池进行无寿命损耗加热；自加热过程中随着温度的升高，电池内阻逐渐减小，在恒定正弦交流极化电压控制下正弦交流电流随之逐渐增大，同时计算出当前温度下的最佳加热频率，以免产热速率下降，保证电池温度均匀上升；自加热后电池的内阻大幅减小，充放电性能大幅提升。本发明所述技术方案具有自加热快、低温性能改善明显和对电池使用寿命无影响的效果。

显然，本发明的上述实施案例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种锂离子电池变频变幅交流低温自加热方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、确定对锂离子电池寿命无影响和安全使用的极化电压幅值范围，并根据此极化电压幅值范围选取正弦交流极化电压幅值，根据此正弦交流极化电压幅值与当前温度下电池内阻确定正弦交流电流幅值；

S2、在已选定的正弦交流极化电压幅值下，根据电池阻抗与频率的关系，通过产热功率与频率的关系计算得到当前温度下产热功率最大时的频率，确定为最佳加热频率；

S3、根据步骤S1确定的正弦交流电流幅值和步骤S2确定的最佳加热频率，利用正弦交流电流信号对电池进行低温自加热；

S4、随着电池温度的变化，每隔一定温度，在保证恒定的正弦交流极化电压幅值下，实时补偿正弦交流电流幅值，并且找到当前温度下的最佳加热频率，改变所施加的正弦交流电流信号的幅值与频率，对电池进行寿命无损耗加热。

2.如权利要求1所述的锂离子电池变频变幅交流低温自加热方法，其特征在于：步骤S1的具体步骤为：

S11、根据锂离子电池产品规格书，确定电池电压的安全使用范围；

S12、依据电力电子设备的电压控制精度，在加热设备输出电压误差范围内保证电池电压在安全使用范围内，从而确定对锂离子电池寿命无影响和安全使用的极化电压幅值范围。

3.如权利要求1所述的锂离子电池变频变幅交流低温自加热方法，其特征在于：步骤S2中所述通过产热功率与频率的关系计算得到当前温度下产热功率最大时的频率的具体步骤为：

S21、在交流激励下，电池产生的可逆热正负抵消，电池的产热项为不可逆热；

S22、利用公式计算电池产热功率，其中Q为电池产热功率，ΔV为正弦交流极化电压幅值，I为正弦交流电流幅值，Re为电池阻抗实部，Z为电池总阻抗；

S23、保持电池的正弦交流极化电压幅值恒定时，电池的产热功率与Re/|Z|²成正比，当Re/|Z|²最大，则电池产热功率为最大值；

S24、由电化学阻抗谱可知，在固定温度下，电池的阻抗是关于频率的函数，故Re/|Z|²最大值所对应的频率就是电池的最佳加热频率；

S25、对电池进行电化学阻抗谱在线分析，找到Re/|Z|²最大值并得到产热功率最大时的频率f₀，所述f₀为最佳加热频率。

4.如权利要求1所述的锂离子电池变频变幅交流低温自加热方法，其特征在于：所述锂离子电池包括锰酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池和三元材料动力电池。

5.如权利要求3所述的锂离子电池变频变幅交流低温自加热方法，其特征在于：随着电池温度的变化，由步骤S25得到的最佳加热频率也会变化，为了保证产热功率最大，需实时改变正弦交流电流的频率，实现变频过程。

6.如权利要求1所述的锂离子电池变频变幅交流低温自加热方法，其特征在于：由于电池内阻随着电池温度的上升而变小，为了保证恒定正弦交流极化电压和产热功率最大，在电池自加热过程中，逐渐增大正弦交流电流的幅值，实现变幅过程。