CN109786898A - 一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法 - Google Patents

Abstract

一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法，属于锂离子动力电池充电技术领域。本发明解决了锂离子动力电池在低温的环境下活性物质活跃性降低导致的充放电性能下降的问题。本发明建立锂离子动力电池的二阶戴维南等效电路模型，利用拉普拉斯变换和递推最小二乘法对锂离子动力电池内部参数进行实时辨识；利用元件的参数与等效电路模型的阻抗方程，获得锂离子动力电池内部交流阻抗的最大值与脉冲电流频率关系函数；根据电池内部交流阻抗最大值对应的脉冲电流频率函数与当前时刻锂离子动力电池的内阻，实时调整通入锂离子动力电池的脉冲电流频率，实现对锂离子动力电池的交变激励加热。本发明适用于低温环境锂离子动力电池充电使用。

Description

一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法

技术领域

本发明属于电池充电技术领域。

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，导致充放电性能下降，输出功率明显下降。

发明内容

本发明目的是为了解决锂离子动力电池在低温的环境下活性物质活跃性降低导致的充放电性能下降的问题。本发明提出了一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法。

本发明所述一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法，该方法的具体步骤为：

步骤一：建立锂离子动力电池的二阶戴维南等效电路模型；

步骤二：利用拉普拉斯变换和递推最小二乘法对二阶戴维南等效电路模型中元件的参数进行实时辨识；

步骤三：利用步骤二辨识的元件的参数，列写步骤一所述的等效电路模型的阻抗方程，并对所述电池内部阻抗方程求一阶导函数和二阶导函数，获得锂离子动力电池内部交流阻抗的最大值与脉冲电流频率关系函数；

步骤四：根据电池内部交流阻抗最大值对应的脉冲电流频率函数与当前时刻锂离子动力电池的内阻，实时调整通入锂离子动力电池的脉冲电流频率，使锂离子动力电池的内阻增大，实现对锂离子动力电池的交变激励加热。

本发明的优点：对电池通入时刻变化频率的脉冲电流，使电池内阻通电生热，从而达到电池内部自加热的效果。本方法以二阶戴维南等效电路模型为基础，结合递推最小二乘法构建锂离子动力电池内部参数识别模型及方法，并建立以电池内部阻抗与脉冲电流频率的目标函数关系，通过实时计算得出在不同时刻下电池最大内阻所对应的脉冲电流频率，实时调整频率从而达到最佳的电池自加热效果。

附图说明

图1是本发明所述方法的流程图；

图2是锂离子动力电池的二阶戴维南等效电路模型图；

图3是锂离子动力电池的二阶戴维南等效电路正弦稳态分析电路图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法，该方法的具体步骤为：

步骤一：建立锂离子动力电池的二阶戴维南等效电路模型；

步骤二：利用拉普拉斯变换和递推最小二乘法对二阶戴维南等效电路模型中元件的参数进行实时辨识；

步骤三：利用步骤二辨识的元件的参数，列写步骤一所述的等效电路模型的阻抗方程，并对所述电池内部阻抗方程求一阶导函数和二阶导函数，获得锂离子动力电池内部交流阻抗的最大值与脉冲电流频率关系函数；

步骤四：根据电池内部交流阻抗最大值对应的脉冲电流频率函数与当前时刻锂离子动力电池的内阻，实时调整通入锂离子动力电池的脉冲电流频率，使锂离子动力电池的内阻增大，实现对锂离子动力电池的交变激励加热。

本实施方式采用非线性规划算法对目标函数进行优化，根据步骤二得出的电池内部参数，并结合目标函数计算得出当前时间点(k)可让电池内部交流阻抗达到最大值的频率f，再将每一时刻计算得出的最佳频率信号施加至脉冲激励源，实现脉冲电流频率的实时调整，保证电池内阻时刻处于最大值状态，实现产热量最大。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法作进一步说明，步骤一中所述的锂离子动力电池的二阶戴维南等效电路模型包括极化内阻R₁、极化电容C₁、等效内阻R₀、等效电感L和开路等效电压源U_oc；

极化内阻R₁的一端与极化电容C₁的一端相连，且所述极化内阻R₁的该端连接充电电源的正极；极化内阻R₁的另一端同时连接极化电容C₁的另一端和等效内阻R₀的一端，等效内阻R₀的另一端连接等效电感L的一端，等效电感L的另一端连接开路等效电压源U_oc的正极，开路等效电压源U_oc的负极连接充电电源的负极。

具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法作进一步说明，本实施方式中，

步骤一中所述的锂离子动力电池的二阶戴维南等效电路模型的公式为：

其中，R₀为锂离子动力电池的欧姆内阻，R₁为锂离子动力电池的极化内阻，C₁为锂离子动力电池的极化电容，U为锂离子动力电池的端电压，L为锂离子动力电池的等效电感，U_oc为锂离子动力电池的开路等效电压源，I为是锂离子电池的充电电流，s为频域变量。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式二所述的一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法作进一步说明，本实施方式中，

步骤二所述的对二阶戴维南等效电路模型中元件的参数进行实时辨识的过程为：

首先：利用拉普拉斯变换，将公式1转化为差分方程：

U_oc(k)-U(k)＝k₁·[U_oc(k-1)-U(k-1)]+k₂·I(k)-k₃·I(k-1)+k₄·I(k-2) (2)

其中，U_oc(k)为k时刻锂离子动力电池的开路电压值，U_oc(k-1)为k-1时刻锂离子动力电池的开路电压值，U(k)为k时刻锂离子动力电池的端电压，U(k-1)为k-1时刻锂离子动力电池的端电压，k表示当前时刻值，k-1表示前一时刻值，k-2表示前第二时刻值，T表示测量时间间隔，k1、k2、k3、k4表达式为：

再利用递推最小二乘法对电池元件参数进行辨识，得到：

具体实施方式五：本实施方式对实施方式四所述的一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法作进一步说明，本实施方式中，

步骤三中所述等效电路模型的阻抗方程为：

其中，Z为电池内部总阻抗，ω为脉冲电流角频率，j为虚数单位。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式五所述的一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法作进一步说明，本实施方式中，

步骤三所述获得锂离子动力电池内部交流阻抗的最大值与脉冲电流频率关系函数的具体步骤为：

步骤三一：对等效电路模型的阻抗方程求一阶导函数和二阶导函数，获得角频率与锂离子动力电池内部交流阻抗的最大值的关系函数：

步骤三二：利用角频率与频率的关系，对角频率与锂离子动力电池内部交流阻抗的最大值的关系函数进行转换，获得锂离子动力电池内部交流阻抗的最大值与脉冲电流频率关系函数：

其中，f_max为使电池产热量最大的脉冲电流频率。

本实施方式根据脉冲电流角频率与脉冲电流频率的关系式ω＝2πf实现对公式进行转换。

本发明所述的基于二阶戴维南等效电路模型，利用递推最小二乘法进行电池内部参数识别，对电池通入脉冲电流，使电池内部交流阻抗通电生热，并优化电流频率计算方法，得到在每一时刻可以让内阻达到最大的脉冲电流频率，实时调整频率进行加热，从而达到电池内部自加热的最佳效果。

所述锂离子动力电池模型为二阶戴维南等效电路模型，用于计算开路电压与电池内部元件的关系，计算电池内部交流阻抗与脉冲电流频率的关系。

所述拉普拉斯变换和递推最小二乘法，用于计算电池内部各元器件参数，达到电池内部参数识别的目的。

所述以锂离子动力电池内部交流阻抗与脉冲电流频率为对象的目标函数和一阶、二阶导函数，用于计算内阻最大时对应的脉冲电流频率。

此时，通过测量前两个时间点(k-1)、(k-2)的端电压U、通电电流I，即可计算得出当前时间点(k)可让电池内部交流阻抗达到最大值的频率f_max，进而获得最大产热量。在具体实施过程中，通过实时计算得出在不同时刻下电池最大内阻所对应的脉冲电流频率，实时调整频率从而达到最佳的电池自加热效果。在最佳脉冲频率电流下，电池在通电过程中内部交流阻抗最大，即可实现产热量最大，自加热通电时间最短。本发明所提一种基于二阶戴维南等效电路模型的锂离子电池交变激励加热方法可提升电池自加热效率。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。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露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

步骤一：建立锂离子动力电池的二阶戴维南等效电路模型；

步骤二：利用拉普拉斯变换和递推最小二乘法对二阶戴维南等效电路模型中元件的参数进行实时辨识；

步骤三：利用步骤二辨识的元件的参数，列写步骤一所述的等效电路模型的阻抗方程，并对所述电池内部阻抗方程求一阶导函数和二阶导函数，获得锂离子动力电池内部交流阻抗的最大值与脉冲电流频率关系函数；

步骤四：根据电池内部交流阻抗最大值对应的脉冲电流频率函数与当前时刻锂离子动力电池的内阻，实时调整通入锂离子动力电池的脉冲电流频率，使锂离子动力电池的内阻增大，实现对锂离子动力电池的交变激励加热。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法，其特征在于，步骤一中所述的锂离子动力电池的二阶戴维南等效电路模型包括极化内阻R₁、极化电容C₁、等效内阻R₀、等效电感L和开路等效电压源U_oc；

极化内阻R₁的一端与极化电容C₁的一端相连，且所述极化内阻R₁的该端连接充电电源的正极；极化内阻R₁的另一端同时连接极化电容C₁的另一端和等效内阻R₀的一端，等效内阻R₀的另一端连接等效电感L的一端，等效电感L的另一端连接开路等效电压源U_oc的正极，开路等效电压源U_oc的负极连接充电电源的负极。

3.根据权利要求2所述的一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法，其特征在于，步骤一中所述的锂离子动力电池的二阶戴维南等效电路模型的公式为：

其中，R₀为锂离子动力电池的欧姆内阻，R₁为锂离子动力电池的极化内阻，C₁为锂离子动力电池的极化电容，U为锂离子动力电池的端电压，L为锂离子动力电池的等效电感，U_oc为锂离子动力电池的开路等效电压源，I为是锂离子电池的充电电流，s为频域变量。

4.根据权利要求3所述的一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法，其特征在于，步骤二所述的对二阶戴维南等效电路模型中元件的参数进行实时辨识的过程为：

首先：利用拉普拉斯变换，将公式1转化为差分方程：

U_oc(k)-U(k)＝k₁·[U_oc(k-1)-U(k-1)]+k₂·I(k)-k₃·I(k-1)+k₄·I(k-2) (2)

其中，U_oc(k)为k时刻锂离子动力电池的开路电压值，U_oc(k-1)为k-1时刻锂离子动力电池的开路电压值，U(k)为k时刻锂离子动力电池的端电压，U(k-1)为k-1时刻锂离子动力电池的端电压，k表示当前时刻值，k-1表示前一时刻值，k-2表示前第二时刻值，T表示测量时间间隔，k1、k2、k3、k4表达式为：

再利用递推最小二乘法对电池元件参数进行辨识，得到：

5.根据权利要求4所述的一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法，其特征在于，步骤三中所述等效电路模型的阻抗方程为：

其中，Z为电池内部总阻抗，ω为脉冲电流角频率，j为虚数单位。

6.根据权利要求5所述的一种锂离子动力电池交变激励低温加热方法，其特征在于，步骤三所述获得锂离子动力电池内部交流阻抗的最大值与脉冲电流频率关系函数的具体步骤为：

步骤三一：对等效电路模型的阻抗方程求一阶导函数和二阶导函数，获得角频率与锂离子动力电池内部交流阻抗的最大值的关系函数：

步骤三二：利用角频率与频率的关系，对角频率与锂离子动力电池内部交流阻抗的最大值的关系函数进行转换，获得锂离子动力电池内部交流阻抗的最大值与脉冲电流频率关系函数：

其中，f_max为使电池产热量最大的脉冲电流频率。