CN109659637A - 交直流叠加的锂离子电池低温充电方法 - Google Patents

交直流叠加的锂离子电池低温充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明为交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，S1、根据安全极化电压范围选取正弦交流极化电压；S2、在S1的基础上，根据电池交流阻抗与频率的关系，计算产热功率与频率的关系，通过产热功率与频率的关系计算得到当前温度电池产热功率最大时的频率，为最优产热频率；S3、根据正弦交流极化电压幅值与当前温度下电池最优产热频率对应的交流总阻抗确定最大正弦交流电流幅值，利用对称正弦交流电流信号对电池进行低温自加热；S4、当电池温度达到预设的截止温度时，在锂离子电池两端施加一个交直流叠加激励，同时对电池进行充电与再加热；S5、当S4的电池端电压达到充电截止电压时，即刻将交直流叠加激励转换为三段降电流直流激励继续对电池充电。

Description

交直流叠加的锂离子电池低温充电方法
技术领域
本发明涉及电池充电技术领域，具体说是一种锂离子电池在交直流叠加工况下的低温充电方法，其中包括了锂离子电池交流自加热、交直流叠加的充电过程以及三段降电流直流充电过程。
背景技术
不断恶化的能源和环境问题在全球范围内推动了电动汽车迅猛发展。锂离子动力电池成为电动汽车上最常用的储能设备，其性能和工作状态决定整车的性能。
目前主要的充电方法有恒流-恒压，脉冲电流充电，脉冲电压充电，涓流充电，恒流充电。其中涓流充电最简单，由于充电倍率小充电时间很长；恒流充电倍率一般较大，能有效缩短充电时间，但是极化效应严重；脉冲充电方法中存在很短的静置或者是通过放电阶段来消除极化效应；而恒流-恒压是目前被广泛应用的充电方式，尽管充电速度和使用寿命方面还不能满足用户的需求。因此出现许多充电技术，例如模糊控制，神经网络，遗传算法，进一步获得更好的电池充电性能。但大多数的充电方法针对常温，对低温情况锂离子电池充电研究甚少。
通常由于参数随条件的变化，低温下锂离子电池由于电解质、导电材料的导电率明显下降，化学反应动力学、扩散动力学明显迟滞缓慢，相比于室温内阻成十倍地增大，电池充电变得更加困难。寒冷环境中，锂离子电池能量转换效率严重下降，电动汽车的续驶里程和脉冲输出功率大幅下降。目前对低温下锂离子电池充电研究主要有：基于电池模型，以抑制析锂为边界条件改进充电电流；以快速加热电池为前提的“预热-充电”模式。基于电池模型的方法将电池外电路特征与内部化学反应机理紧密联系，可以预测充电电流，但是模型参数准确估计和实时更新困难。“预热-充电”过程将电池加热与充电过程分开，恒流恒压充电前电池表面温度达到零摄氏度以上，但随后充电过程中由于散热大于产热，电池表面温度转而逐渐下降，甚至可能降回到环境温度导致充电在零摄氏度下进行。
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交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，改善现有技术中电池低温充电过程处于零摄氏度以下而带来的由于副反应导致负极形成锂金属沉积(析锂)而不是锂离子嵌入负极。析锂会加速电池衰退，锂金属还有可能刺破隔膜引起锂离子电池内部短路造成安全危害，如热失控等问题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，包括如下步骤：
S1、确定对锂离子电池寿命无影响且安全使用的极化电压幅值范围，并根据极化电压幅值范围选取正弦交流极化电压幅值；
S2、在正弦交流极化电压幅值下，根据锂离子电池交流阻抗与频率的关系，计算产热功率与频率的关系，通过产热功率与频率的关系计算得到当前温度锂离子电池产热功率最大时的频率，确定为最优产热频率，锂离子电池在最优产热频率处的阻抗为交流总阻抗；
S3、根据正弦交流极化电压幅值与当前温度下锂离子电池最优产热频率对应的交流总阻抗确定最大正弦交流电流幅值，然后利用对称正弦交流电流信号对锂离子电池进行低温自加热；
S4、当锂离子电池温度达到预设的截止温度时，在锂离子电池两端施加一个交直流叠加激励，同时对锂离子电池进行充电与再加热，即“边充电边加热”模式；
S5、当步骤S4的锂离子电池端电压达到锂离子电池的充电截止电压时，即刻将交直流叠加激励转换为三段降电流直流激励继续对锂离子电池充电。
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，确定锂离子电池充电截止电压Vupper和锂离子电池放电截止电压Vlower；
S12、根据公式(1)确定对锂离子电池寿命无影响和安全使用的正弦交流极化电压幅值ΔV，
ΔV＝min{Vupper-OCV,OCV-Vlower} (1)
其中，OCV为锂离子电池开路电压，Vupper为锂离子电池充电截止电压，Vlower为锂离子电池放电截止电压。
在上述技术方案的基础上，步骤S2的具体步骤为：
S21、在正弦交流工况下，锂离子电池可逆热为时间的三角函数形式，在较长一段时间(包含若干交流电流周期)内的积分值可认为是0；对锂离子电池起预热作用的产热功率(不可逆热)只包括锂离子电池的阻抗实部在交流电流激励下的焦耳热；
S22、利用公式计算锂离子电池的产热功率Q，其中Q为锂离子电池的产热功率，ΔV为正弦交流极化电压幅值，Re＝f(w)表示阻抗实部与频率的函数关系，Z＝g(w)表示锂离子电池总阻抗与频率的函数关系，w为角频率，I为正弦交流电流幅值；
S23、在正弦交流极化电压幅值ΔV恒定时，锂离子电池的产热功率Q与Re/|Z|2成正比，当Re/|Z|2最大，则锂离子电池的产热功率Q为最大值；
S24、由电化学阻抗谱可知，在固定温度下，锂离子电池的阻抗是关于频率的函数，故Re/|Z|2的最大值所对应的频率就是锂离子电池的最优产热频率；
S25、对锂离子电池进行电化学阻抗谱在线分析，找到Re/|Z|2的最大值，得到产热功率最大时的频率f0，所述f0为最优产热频率，锂离子电池在最优产热频率处对应的交流总阻抗为
在上述技术方案的基础上，步骤S3的具体步骤为：
S31、根据步骤S12中的正弦交流极化电压幅值ΔV，以及步骤S25中确定的最优产热频率对应的锂离子电池交流总阻抗计算得到最大正弦交流电流幅值Ilimit，计算公式如下所示：
式(5)中，ΔV为正弦交流极化电压幅值，Re，Jm分别为锂离子电池在最优产热频率处对应的交流总阻抗、锂离子电池的阻抗实部和锂离子电池的阻抗虚部；
S32、利用步骤S25得到的最优产热频率f0，步骤S31得到的最大正弦交流电流幅值Ilimit的对称正弦交流电流信号对锂离子电池进行低温自加热。
在上述技术方案的基础上，步骤S4的具体步骤为：
S41、当步骤S32中锂离子电池被加热到预设的截止温度时，立即施加步骤S42中的交直流叠加激励；
S42、保持正弦交流电流的频率不变，降低正弦交流电流幅值，与此同时增加电流倍率为C1的直流作为输入，实现交直流叠加的“边充电边加热”充电模式。
上述技术方案的基础上，步骤S5中采用三段降电流直流激励继续对锂离子电池充电的具体步骤为：
S51、以C1电流倍率对锂离子电池充电，直至达到锂离子电池的充电截止电压，执行步骤S52；
S52、以C2电流倍率对锂离子电池充电，其中C2<C1，直至达到锂离子电池的充电截止电压，执行步骤S53；
S53、以C3电流倍率对锂离子电池充电，其中C3<C2，直至达到锂离子电池的充电截止电压，此时，锂离子电池的一次充电过程完成。
在上述技术方案的基础上，所述锂离子电池是锰酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池或三元材料动力电池。
在上述方案的基础上，步骤S42中需保证锂离子电池在充电过程中产热率大于散热率，保持温度持续上升。
在上述方案的基础上，步骤S32中锂离子电池被加热到一定温度，此时锂离子电池的内部阻抗由于温度的上升而变小，正弦交流极化电压幅值相应变小，一定程度上降低了锂离子电池析锂的风险。
依据电池初始状态与环境初始温度所确定的正弦交流电流频率在整个充电过程当中保持不变。
步骤S5采用三段降电流直流进行充电，通过减小充电电流倍率，削弱极化效应，提高充电容量。
每一个倍率的充电截止条件都是电池端电压达到充电截止电压。
电池预热阶段、交直流叠加的“边充电边加热”阶段和三段降电流直流充电阶段，三个阶段的切换是无延迟的，即当前阶段达到预设的截止条件时立即切换到下一个充电阶段继续充电。
本发明所述的交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，具有以下有益效果：
1、对称的正弦交流激励，具有自加热速率快、不改变电池荷电状态(SOC)等效果；
2、在-20℃下交直流叠加工况可以在7.3min内将电池加热到0℃，在9.3min内电池表面温度可以达到3℃，该工况结束时电池可以被加热到22.18℃；
3、与低温直接充电相比，电池充电容量可以提高6.46％，充电时间缩短3.41％；自加热后锂离子电池的内阻大幅减小，充电性能大幅提升；
4、有效减小了低温大倍率充电析锂的风险，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是本发明实施交直流叠加低温充电方法的示意图；
图2是本发明在整个充电过程中锂离子电池不同位置的温度变化曲线；
图3是低温直接三段降电流充电锂离子电池不同位置的温度变化曲线。
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1所示，本发明所述的交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，主要分为三个阶段，电池预热阶段、交直流叠加的“边充电边加热”阶段和三段降电流直流充电阶段，具体步骤为：
S1、确定对锂离子电池寿命无影响且安全使用的极化电压幅值范围，并根据极化电压幅值范围选取正弦交流极化电压幅值；
S2、在正弦交流极化电压幅值下，根据锂离子电池交流阻抗与频率的关系，计算产热功率与频率的关系，通过产热功率与频率的关系计算得到当前温度锂离子电池产热功率最大时的频率，确定为最优产热频率，锂离子电池在最优产热频率处的阻抗为交流总阻抗；
S3、根据正弦交流极化电压幅值与当前温度下锂离子电池最优产热频率对应的交流总阻抗确定最大正弦交流电流幅值，然后利用对称正弦交流电流信号对锂离子电池进行低温自加热；
S4、当锂离子电池温度达到预设的截止温度时，在锂离子电池两端施加一个交直流叠加激励，同时对锂离子电池进行充电与再加热，即“边充电边加热”模式；
S5、当步骤S4的锂离子电池端电压达到充电截止电压时，即刻将交直流叠加激励转换为三段降电流直流激励继续对锂离子电池充电。
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，确定锂离子电池充电截止电压Vupper和锂离子电池放电截止电压Vlower；
S12、根据公式(1)确定对锂离子电池寿命无影响和安全使用的正弦交流极化电压幅值ΔV，
ΔV＝min{Vupper-OCV,OCV-Vlower} (1)
其中，OCV为锂离子电池开路电压，Vupper为锂离子电池充电截止电压，Vlower为锂离子电池放电截止电压。
在上述技术方案的基础上，步骤S2的具体步骤为：
S21、在正弦交流工况下，锂离子电池可逆热为时间的三角函数形式，在较长一段时间(包含若干交流电流周期)内的积分值可认为是0；对锂离子电池起预热作用的产热功率只包括锂离子电池的阻抗实部在交流电流激励下的焦耳热；
S22、利用公式计算锂离子电池产热功率Q，其中Q为锂离子电池的产热功率，ΔV为正弦交流极化电压幅值，Re＝f(w)表示阻抗实部与频率的函数关系，Z＝g(w)表示锂离子电池总阻抗与频率的函数关系，w为角频率，I为正弦交流电流幅值；
S23、在正弦交流极化电压幅值ΔV恒定时，锂离子电池的产热功率Q与Re/|Z|2成正比，当Re/|Z|2最大，则锂离子电池的产热功率Q为最大值；
S24、由电化学阻抗谱可知，在固定温度下，锂离子电池的阻抗是关于频率的函数，故Re/|Z|2的最大值所对应的频率就是锂离子电池的最优产热频率；
S25、对锂离子电池进行电化学阻抗谱在线分析，找到Re/|Z|2的最大值，得到产热功率最大时的频率f0，所述f0为最优产热频率，锂离子电池在最优产热频率处对应的交流总阻抗为
在上述技术方案的基础上，步骤S3的具体步骤为：
S31、根据步骤S12中的正弦交流极化电压幅值ΔV，以及步骤S25中确定的最优产热频率对应的锂离子电池交流总阻抗计算得到最大正弦交流电流幅值Ilimit，计算公式如下所示：
式(5)中，ΔV为正弦交流极化电压幅值，Re，Jm分别为锂离子电池在最优产热频率处对应的交流总阻抗、锂离子电池的阻抗实部和锂离子电池的阻抗虚部；
S32、利用步骤S25得到的最优产热频率f0，步骤S31得到的最大正弦交流电流幅值Ilimit的对称正弦交流电流信号对锂离子电池进行低温自加热。
在上述技术方案的基础上，步骤S4的具体步骤为：
S41、当步骤S32中锂离子电池被加热到预设的截止温度时，立即施加步骤S42中的交直流叠加激励；
S42、保持正弦交流电流的频率不变，降低正弦交流电流幅值，与此同时增加电流倍率为C1的直流作为输入，实现交直流叠加的“边充电边加热”充电模式。
在上述技术方案的基础上，步骤S5中采用三段降电流直流激励继续对锂离子电池充电的具体步骤为：
S51、以C1电流倍率对锂离子电池充电，直至达到锂离子电池的充电截止电压，执行步骤S52；
S52、以C2电流倍率对锂离子电池充电，其中C2<C1，直至达到锂离子电池的充电截止电压，执行步骤S53；
S53、以C3电流倍率对锂离子电池充电，其中C3<C2，直至达到锂离子电池的充电截止电压，此时，锂离子电池的一次充电过程就此完成。
在上述方案的基础上，步骤S42中需保证锂离子电池在充电过程中产热率大于散热率，保持温度持续上升。
在上述方案的基础上，步骤S32中锂离子电池被加热到一定温度，此时锂离子电池的内部阻抗由于温度的上升而变小，正弦交流极化电压幅值相应变小，一定程度上降低了锂离子电池析锂的风险。
依据电池初始状态与环境初始温度所确定的正弦交流电流频率在整个充电过程当中保持不变。
步骤S5采用三段降电流的直流进行充电，通过减小充电电流倍率，削弱极化效应，提高充电容量。
每一个倍率的充电截止条件都是电池端电压达到充电截止电压。
电池预热阶段、交直流叠加的“边充电边加热”阶段和三段降电流直流充电阶段，三个阶段的切换是无延迟的，即当前阶段达到预设的截止条件时即刻切换到下一个充电阶段继续充电。
本发明所述的交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，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，同种类型电池不同的充电初始状态，以及环境温度的差异，最优产热频率也会存在差异，产热速率也会存在差异，都直接影响了充电参数的选取，但是针对某一个电池，本发明所述的交直流叠加方法可以有效的改善锂离子电池低温充电性能差的问题，提高充电容量，缩短充电时间。
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。
将一空电态的锂离子电池放在-20℃环境中充分静置大于8小时以上得到开路电压。并在-20℃、100％放电深度(DOD)时测量电化学阻抗谱。
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：
ΔV极＝UO-OCV (2)
式(2)中，U0为锂离子电池端电压，OCV为锂离子电池开路电压。为了得到更大的产热效率，同时在保证锂离子电池安全使用的范围内根据式(1)选取正弦交流极化电压幅值(对应于步骤S12)。
锂离子电池的产热功率可由简化的Bernardi产热方程描述，式(3)中，Q为锂离子电池的产热功率，I为锂离子电池的电流，OCV为锂离子电池的开路电压，U0为锂离子电池端电压，T为锂离子电池的温度，代表电池的熵热系数。式(3)中等式右边第一项表示不可逆热，第二项表示可逆热。
当锂离子电池施加正弦交流电流时，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，在一个正弦交流电流周期内，可逆热几乎为0，可忽略不计，故产热功率可表示为：
式(4)中，Q为电池的产热功率，ΔV为正弦交流极化电压的幅值，w为角频率，Re＝f(w)表示阻抗实部与频率的函数关系，Z＝g(w)表示电池总阻抗与频率的函数关系，I为正弦交流电流幅值。在正弦交流极化电压幅值ΔV恒定时，电池产热功率Q与Re/|Z|2成正比，当Re/|Z|2最大，则电池产热功率为最大值。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优加热频率。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为最优产热频率点(对应于步骤S25)。
根据正弦交流极化电压和最优产热频率对应电池总阻抗可计算最大正弦交流电流幅值Ilimit(对应于步骤S31)：
式(5)中，ΔV为保证电池安全使用范围内的正弦交流极化电压幅值，Re，Jm分别为锂离子电池在最优频率处对应的交流总阻抗、阻抗实部和阻抗虚部。
利用步骤S25得到的最优产热频率f0，步骤S31最大正弦交流电流幅值Ilimit的对称正弦交流电流信号对对电池内部进行加热，当加热到预设的截止温度时，在加热过程中正弦交流的频率和幅值保持不变，电池内部温度持续上升，电池总阻抗逐渐减小，同样正弦交流极化电压幅值逐渐减小，一定程度上降低锂离子电池析锂的风险。
加热到预设的截止温度后，在电池两端施加交直流叠加的电流激励，具体的保持交流频率不变，降低交流幅值，同时输入一个直流激励。由于单一的恒流充电产热率小于散热率，电池温度会从加热的截止温度降到零摄氏度以下，此时恒流大倍率仍有较高的析锂风险，丧失了电池自加热的优势。但是交直流叠加工况可以很好的解决这个问题，恒倍率直流充电可以满足电池获得一定的可用容量；对称正弦交流不会改变电池荷电状态(SOC)，其主要作用依然是电池内部自加热，因此降低交流幅值时仍要保证充电过程中产热率大于散热率，提高电池温度。
交直流叠加工况中，交流幅值有所降低，但仍是直流倍率的几倍，所以电池存在较大的交流过电势，导致了提前达到充电截止电压，结束交直流叠加工况。此时电池温度可以达到正常工作范围，故撤去交流输入，改为三段降电流充电，进一步提高电池可充入容量。
电池在空电态(100％DOD)时开路电压为3.429V，为了避免对电池产生不良影响并且能够有更高的产热效率，选取正弦交流极化电压幅值为0.771V。在充电实验开始前，需要找到电池初始状态、初始温度下的最优产热频率。通过电化学工作站对电池进行阻抗谱测试，经过上位机对阻抗谱的分析，找到Re/|Z|2的最大值及其对应的频率。在电池进行充电前，电池及环境温度为-20℃，此时，所对应的最优加热频率为3980Hz。通过正弦交流极化电压幅值和最优产热频率对应的电池总阻抗大小，由计算得到最大正弦交流电流幅值为16A。
本发明所述的交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，正如流程图1所示主要分为三个阶段，电池预热阶段、交直流叠加的“边充电边加热”阶段和三段降电流直流充电阶段。
在电池两端施加频率为f0，幅值为Ilimit的对称正弦交流电流对电池进行内部自加热，直到电池表面最高温度达到预设的加热截止温度3℃。如表3所示，电池在199s内被加热到3℃，温升为23℃。加热前期电池端电压保持在安全使用范围内，并且随着电池内部温度逐渐提高，电池内阻逐渐减小，正弦交流极化电压逐渐减小，所以在加热过程中，电池两端电压始终在充放电截止电压范围内，从而保证对锂离子电池寿命无影响和安全使用。
表3是交直流叠加的低温充电的电池表面温度结果
充电方式 预热 交直流叠加 C/2 C/5 C/10
交直流叠加充电方法 3℃ 22.18℃ -0.68℃ -8.34℃ -12.23℃
低温直接充电 -20℃ -20℃ -8.05℃ -13.56℃ -16.22℃
即刻进入充电第二阶段，即交直流叠加的“边充电边加热”阶段。该阶段保持交流频率不变，仍为3980Hz，交流幅值从16A降低到10A，直流激励为1.375A(C/2)。交直流叠加工况中，电池两端的交流激励幅值减小为10A，约为3.6C。是直流倍率C/2的7.2倍。所以电池存在较大的交流过电势，导致了提前达到充电截止电压，结束交直流叠加工况。表1、2中，该工况的充电时间为3589s，充电容量为1.371Ah。如图2所示，该充电阶段的起始温度为3℃，且电池表面温度持续增加，C/2恒流充电不会发生析锂副反应，可以保证电池有正常的充电表现。
表1是交直流叠加的低温充电的时间结果
充电方式 预热 交直流叠加 C/2 C/5 C/10 充电总时间
交直流叠加充电方法 199s 3589 1601 1157 1092 7639s
低温直接充电 0 0 4503 1643 1763 7909s
表2是交直流叠加的低温充电的容量结果
充电方式 预热 交直流叠加 C/2 C/5 C/10 充电总容量
交直流叠加充电方法 0 1.371Ah 0.610Ah 0.176Ah 0.083Ah 2.240Ah
低温直接充电 0 0 1.719Ah 0.251Ah 0.135Ah 2.104Ah
交直流叠加充电阶段结束时电池表面温度最高值可以达到22.18℃，此时电池温度可以达到正常工作范围。为了获得最大化的电池容量，利用温度优势，撤去交流输入，改为三段降电流充电。
三段降电流包括：C/2、C/5和C/10三个倍率，依次降低的恒流倍率能够有效地削弱极化效应现象。具体为：C/2充电至电池上限截止电压4.2V，降低电流倍率为C/5继续充电至4.2V，再降低为C/10，当电池端电压再一次达到充电截止电压4.2V时停止充电，倍率之间的切换没有延迟。完成一次完整的充电过程。由于撤去交流激励，电池的直流产热率小于散热率，不足以维持电池温度优势，从图2容易知道，恒流充电阶段电池表面温度持续降低，但可以保证以C/2充电期间电池温度基本在0℃以上完成，仅在C/2充电末期的178s电池温度降至零摄氏度以下，且最终温度为-0.68℃。C/2充电时间为1601s，充电容量为0.610Ah。考虑交直流叠加工况中同样以C/2充电，故整个充电过程中C/2的充电时间和充电容量分别为5190s，1.981Ah。是额定容量的72.04％。
而直接从-20℃恒流C/2开始充电，低温电池动力学性能衰退严重，C/2倍率很容易导致锂金属的析出。电池表面最高温度只有-7.66℃，该倍率充电至4.2V时电池表面温度为-8.05℃，如图3。且C/2充电时间和充电容量分别为4503s，1.719Ah。
至此，本发明交直流叠加的锂离子电池低温充电方法已经展示出了优越性能，电池可充入容量明显提高0.262Ah，电池工作温度基本在0℃以上完成，避免了更多副反应的发生，有利于延长电池的使用寿命。为了更进一步提高电池容量，降低恒流倍率为C/5继续充电至4.2V。此时电池温度已经降低至零摄氏度以下，C/5充电时间和充电容量分别为1158s，0.176Ah。该倍率充电截止时电池表明温度为-8.34℃，温度降低了7.66℃。直接在-20℃下C/2充电后同样的以C/5充电，充电时间与充电容量为1643s，0.251Ah，当电池端电压达到4.2V时电池表面温度为-13.56℃，温度从C/2结束时的-8.05℃下降到-13.56℃，温度降低5.51℃。
第三个降倍率为C/10，充电时间和充电容量分别为1092s，0.083Ah。该倍率充电截止时电池表面温度为-12.23℃，温度降低了3.89℃。直接-20℃低温充电C/5充电后同样的以C/10充电，充电时间与充电容量为1763s，0.135Ah，当电池端电压达到4.2V时电池表面温度为-16.22℃，温度从C/5结束时的-13.56℃下降到-16.22℃，温度降低2.66℃。
C/5和C/10总共用时2250s获得0.259Ah，温度从-0.68℃下降至-12.23℃。低温直接充电中C/5和C/10总共用时3406s获得0.386Ah，温度从-8.05℃下降至-16.22℃。本发明的方法，减小了电池在低温充电经历的时间，相比于低温直接充电，本发明中C/2充电阶段电池获得了更多的容量、更高的电势，因此C/5和C/10阶段充电容量小于低温直接充电。
经过上述分析，本发明的交直流叠加的锂离子电池低温充电方法充电容量为2.240Ah，充电时间为7639s。低温直接充电的容量和时间分别为2.104Ah，7909s。
综上本发明的交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，与低温直接充电相比，电池充电容量可以提高6.46％，充电时间缩短3.41％；自加热后锂离子电池的内阻大幅减小，充电性能大幅提升；有效减小了低温大倍率充电析锂的风险，实现最大限度地减少对锂离子电池使用寿命影响的目标。
显然，本发明的上述实施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 (9)

1.一种交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，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且安全使用的极化电压幅值范围，并根据极化电压幅值范围选取正弦交流极化电压幅值；
S2、在正弦交流极化电压幅值下，根据锂离子电池交流阻抗与频率的关系，计算产热功率与频率的关系，通过产热功率与频率的关系计算得到当前温度锂离子电池产热功率最大时的频率，确定为最优产热频率，锂离子电池在最优产热频率处的阻抗为交流总阻抗；
S3、根据正弦交流极化电压幅值与当前温度下锂离子电池最优产热频率对应的交流总阻抗确定最大正弦交流电流幅值，然后利用对称正弦交流电流信号对锂离子电池进行低温自加热；
S4、当锂离子电池温度达到预设的截止温度时，在锂离子电池两端施加一个交直流叠加激励，同时对锂离子电池进行充电与再加热，即“边充电边加热”模式；
S5、当步骤S4的锂离子电池端电压达到锂离子电池的充电截止电压时，即刻将交直流叠加激励转换为三段降电流直流激励继续对锂离子电池充电。
2.如权利要求1所述的交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，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，确定锂离子电池充电截止电压Vupper和锂离子电池放电截止电压Vlower；
S12、根据公式(1)确定对锂离子电池寿命无影响和安全使用的正弦交流极化电压幅值ΔV，
ΔV＝min{Vupper-OCV,OCV-Vlower} (1)
其中，OCV为锂离子电池开路电压，Vupper为锂离子电池充电截止电压，Vlower为锂离子电池放电截止电压。
3.如权利要求2所述的交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，其特征在于，步骤S2的具体步骤为：
S21、在正弦交流工况下，锂离子电池可逆热为时间的三角函数形式，在较长一段时间内的积分值可认为是0；对锂离子电池起预热作用的产热功率只包括锂离子电池的阻抗实部在交流电流激励下的焦耳热；
S22、利用公式计算锂离子电池的产热功率Q，其中Q为锂离子电池的产热功率，ΔV为正弦交流极化电压幅值，Re＝f(w)表示阻抗实部与频率的函数关系，Z＝g(w)表示锂离子电池总阻抗与频率的函数关系，w为角频率，I为正弦交流电流幅值；
S23、在正弦交流极化电压幅值ΔV恒定时，锂离子电池的产热功率Q与Re/|Z|2成正比，当Re/|Z|2最大，则锂离子电池的产热功率Q为最大值；
S24、由电化学阻抗谱可知，在固定温度下，锂离子电池的阻抗是关于频率的函数，故Re/|Z|2的最大值所对应的频率就是锂离子电池的最优产热频率；
S25、对锂离子电池进行电化学阻抗谱在线分析，找到Re/|Z|2的最大值，得到产热功率最大时的频率f0，所述f0为最优产热频率，锂离子电池在最优产热频率处对应的交流总阻抗为
4.如权利要求3所述的交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，其特征在于，步骤S3的具体步骤为：
S31、根据步骤S12中的正弦交流极化电压幅值ΔV，以及步骤S25中确定的最优产热频率对应的锂离子电池交流总阻抗计算得到最大正弦交流电流幅值Ilimit，计算公式如下所示：
式(5)中，ΔV为正弦交流极化电压幅值，Re，Jm分别为锂离子电池在最优产热频率处对应的交流总阻抗、锂离子电池的阻抗实部和锂离子电池的阻抗虚部；
S32、利用步骤S25得到的最优产热频率f0，步骤S31得到的最大正弦交流电流幅值Ilimit的对称正弦交流电流信号对锂离子电池进行低温自加热。
5.如权利要求4所述的交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，其特征在于，步骤S32中锂离子电池被加热到一定温度，此时锂离子电池的内部阻抗由于温度的上升而变小，正弦交流极化电压幅值相应变小，一定程度上降低了锂离子电池析锂的风险。
6.如权利要求4所述的交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，其特征在于，步骤S4的具体步骤为：
S41、当步骤S32中锂离子电池被加热到预设的截止温度时，立即施加步骤S42中的交直流叠加激励；
S42、保持正弦交流电流的频率不变，降低正弦交流电流幅值，与此同时增加电流倍率为C1的直流作为输入，实现交直流叠加的“边充电边加热”充电模式。
7.如权利要求6所述的交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，其特征在于，步骤S42中需保证锂离子电池在充电过程中产热率大于散热率，保持温度持续上升。
8.如权利要求6所述的交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，其特征在于，步骤S5中采用三段降电流直流激励继续对锂离子电池充电的具体步骤为：
S51、以C1电流倍率对锂离子电池充电，直至达到锂离子电池的充电截止电压，执行步骤S52；
S52、以C2电流倍率对锂离子电池充电，其中C2<C1，直至达到锂离子电池的充电截止电压，执行步骤S53；
S53、以C3电流倍率对锂离子电池充电，其中C3<C2，直至达到锂离子电池的充电截止电压，此时，锂离子电池的一次充电过程完成。
9.如权利要求1-8任一权利要求所述的交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，其特征在于，所述锂离子电池是锰酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池或三元材料动力电池。
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