CN109841926A - 一种动力电池低温快速自加热方法和装置 - Google Patents

一种动力电池低温快速自加热方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种动力电池低温快速自加热方法和装置，利用一种主动可控的大电流无损短路自加热配合外部加热器实施快速复合加热，使电池在低温环境下快速加热并控制在最优工作温度区间，提高电池能量利用率、增强电池系统耐久性。启动之前先判断电池温度，当温度低于阈值时首先主动触发外短路，产生大电流实施电池内部自加热，公开了一种大电流无损短路时间阈值的确定方法，根据短路临界时间与电流二次峰值构建电池外部短路的无损时间阈值，确保在短路快速加热过程中，电池安全性与寿命不会受到影响，进而依据模型预估电池无损短路自加热的温升，如果温升达不到目标温度，则启用外部加热器协同工作，使电池系统升温并维持在最优工作温度区间。该方法简单、易于实现、且安全可靠，可有效解决电动汽车在低温严寒工况下容量衰退大、工作性能差的问题。

Description

一种动力电池低温快速自加热方法和装置
技术领域
本发明涉及电动汽车动力电池热管理技术领域，特别涉及动力电池低温自加热技术。
背景技术
动力电池低温性能差，低温阻抗大幅增加，电池的功率能力显著下降，此外，低温充电极易引发析锂、形成枝晶，造成短路，引发热失控等具有严重危害性的安全事故。低温应用性能已经成为阻碍电动汽车全气候全工况推广普及的制约因素。因此，建立动力电池低温环境下的快速加热方法和装置，对于提升动力电池系统以及电动汽车全气候、全工况环境的应用性能至关重要。
然而，现有的加热方法，如专利文献CN101931111B公开的短路升温的停止加热的条件为以下中的一者：电池的荷电态(SOC，state of charge)不低于一SOC设定值，且电池的放电电流达到电池额定电流或加热时间达到第一最大加热时间；电池的SOC低于所述SOC设定值，且电池的放电电流保持不变的时间达一设定时长、或放电电流减小、或加热时间达到第二最大加热时间。这种方法将电池电流限制在电池额定电流以下，未能实现大电流加热，电池升温和加热效果有限，不能够实现快速加热，而且电池存在安全隐患。
触发外部短路可以使电池快速升温，但是外部短路会对电池性能带来损坏，影响电池的寿命与安全性，专利文献CN101931111B未充分考虑电池短路加热中的安全性问题及对电池耐久性的影响。本发明根据电池短路前状态，动态调整初设无损短路时间阈值，并在出现电流第二峰值时根据电流第二峰值出现的时间动态修正无损短路时间阈值，实现动力电池的大电流短路快速加热，并与外部加热进行配合，在加热时避免其对电池寿命及安全性的影响。
发明内容
本发明基于一种可控的无损短路加热方式与外部加热方式形成的新型复合式快速自加热方法和装置。其中，无损短路加热基于一种准确可控的短时间短路加热形式，采用离线与在线相结合的方式，即根据短路临界时间与电流二次峰值构建电池外部短路的无损时间阈值，确保在外部短路加热过程中，动态调整短路加热时间，使电池安全性与耐久性不会受到影响，基于产热模型预估电池温升，作为与外部加热器的协同依据；进而，外部加热器作为无损短路加热方式的必要补充，根据目标温度与外部短路预期加热温度的差值来建立加热控制逻辑，当无损短路预期温升低于目标温度时，开启外部加热方法。
本发明的一种动力电池低温快速自加热方法，加热系统的控制方法具体包含如下步骤：
触发大电流外部短路进行电池快速加热，电池外部短路时记录短路持续时间与短路电流，如果短路持续时间满足如下三个条件中的任意一个，则终止外部短路：
条件1：短路持续时间达到初设无损短路时间阈值；所述初设无损短路时间阈值与初始电池荷电状态(SOC)有关；
条件2：电流出现第二峰值，且短路持续时间达到修正无损短路时间阈值；所述修正无损短路时间阈值是使用动力电池短路电流第二峰值出现时间，对初设无损短路时间阈值进行在线修正得到；
条件3：电池温度大于等于目标温度；
预估电池在所述电池外部短路情况下的预测温升，如果初始温度+预测温升大于等于目标温度，则加热结束，启动动力电池系统；
如果初始温度+预测温升小于目标温度，则利用电池外部短路和外部加热器共同对动力电池进行外部加热，直至电池温度大于等于目标温度之后，则加热结束，启动动力电池系统。
更进一步的，所述修正无损短路时间阈值是电流第二峰值出现时间与初设无损短路时间阈值的均值；
更进一步的，所述的初设无损短路时间阈值确定的方法为：在实验室环境下-进行电池外短路测试，逐步增加短路持续时间，在任一短路持续时间下重复多次短路，测试短路前后的电池容量，以短路前后电池容量无明显变化的最大短路持续时间作为临界短路时间阈值，电池容量变化的百分比低于特定阈值则认定为无明显变化；
记录不同SOC情况下的临界短路时间阈值，以临界短路时间阈值为基准，向下偏移一个安全区域，进而得到所述初设无损短路时间阈值。
更进一步的，所述电池外短路测试在不同的环境温度和老化状态的情况下进行。
更进一步的，触发大电流外部短路进行电池快速加热的条件为：如果电池温度低于临界温度阈值，且需要快速加热。
更进一步的，包括低温加热控制单元、短路触发装置、主控制开关K1、外部加热控制开关K2、外部加热器；
更进一步的，低温加热控制单元与短路触发装置的控制端相连，同时低温加热控制单元控制主控制开关K1与外部加热控制开关K2；主控制开关K1连接在电池正极与DC/DC之间；
更进一步的，外部加热器布置在电池表层，一端连接电池正极、另一端连接外部加热控制开关K2；
更进一步的，外部加热控制开关K2一端连接电池的负极，另一端与外部加热器连接；
更进一步的，短路触发装置的两端分别与电池正极、负极相连，并于外部加热器形成并联关系。
更进一步的，还包括霍尔传感器H1和霍尔传感器H2，设置霍尔传感器H1来采集动力电池短路电流，根据短路电流来预测短路产热与电池温升，并监测是否出现短路电流第二峰值；霍尔传感器H2用来监测电池系统的输出电流。
更进一步的，通过短路触发装置实现电池外部短路的触发和终止，短路触发装置为一种接触内阻低的可控式开关，由低温加热控制单元远程控制所述短路触发装置闭合或断开。
更进一步的，主控制开关K1与外部加热控制开关K2均处于断开状态，控制短路触发装置产生电池外部短路。
更进一步的，闭合外部加热控制开关K2，利用外部加热器进行外部自加热；
更进一步的，加热结束，闭合主控制开关K1，启动动力电池系统。
附图说明
图1动力电池复合式低温加热装置结构图；
图2复合式低温加热方法流程图；
图3初设无损短路时间阈值曲线；
图4第一次加热电池温度变化曲线；
图5第一次加热电池短路电流变化曲线；
图6第二次加热电池温度变化曲线；
图7第二次加热电池短路电流变化曲线；
图8低温加热前后的容量测试对比结果；
具体实施方式
本发明的一种可控、无损的短时外部短路自加热与外部加热相结合的一种动力电池复合式低温自加热装置及方法。结合附图对本发明内容进行进一步详细说明。
动力电池优选是锂离子电池。
一种动力电池低温加热装置如图1所示。该装置包括低温加热控制单元、短路触发装置、电池管理系统、电压采集单元、电流采集单元、温度采集单元、霍尔传感器H1、霍尔传感器H2、主控制开关K1、外部加热控制开关K2、外部加热器组成。
其中，低温加热控制单元与短路触发装置的控制端相连，同时低温加热控制单元控制主控制开关K1与外部加热控制开关K2；主控制开关K1和霍尔传感器H2串联后连接在电池正极与DC/DC之间；
外部加热器布置在电池表层，一端连接电池正极、另一端连接外部加热控制开关K2；外部加热控制开关K2一端连接电池的负极，另一端与外部加热器连接；短路触发装置的两端分别与电池正极、负极相连，并于外部加热器形成并联关系；电池表面贴有温度传感器S1，电池管理系统配有电压采集单元、电流采集单元和温度采集单元，实时监测电池状态。还包括霍尔传感器H1和霍尔传感器H2，设置霍尔传感器H1来采集电池组短路电流，根据短路电流来预测短路产热与电池温升，并监测是否出现电流第二峰值；霍尔传感器H2用来监测电池系统的输出电流。
本发明通过短路触发装置连接电池正极与电池负极，短路触发装置为一种接触内阻低的可控式开关，可以是电磁开关、也可以是其它控制形式的开关，它由低温加热控制单元远程控制所述短路触发装置的闭合或断开，短路触发装置闭合时触发电池外部短路，短路触发装置断开时终止电池外部短路。
短路时间受控制低温加热控制单元，首先需要确定外部短路的临界短路时间阈值，当短路持续时间低于此阈值时，电池不会受到损伤。确定的方法为：采用离线与在线相结合的方法，具体分为两步：
1)首先在实验室环境下下进行系统的电池外短路测试，逐步增加短路持续时间，在任一短路持续时间下重复多次短路，测试短路前后的电池容量变化，以短路前后电池容量无明显变化的最大短路持续时间作为临界短路时间阈值，记录不同SOC情况下的临界短路时间阈值，以临界短路时间阈值为基准，向下偏移一个安全区域，进而形成初设无损短路时间阈值；
其中电池容量变化的百分比低于特定阈值为“无明显变化”，且无明显变化的程度由本领域技术人员根据电池的种类、型号特性和电池安全性要求高度来确定，也就是说所述特定阈值由本领域技术人员根据电池的种类、型号特性和电池安全性要求高度来确定。优选地，重复大电流短路加热20次，特定阈值为5％。
临界短路时间阈值是一个与初始电池荷电状态(SOC)、的值，因而初设无损短路时间阈值也是与初始电池荷电状态(SOC)的值，优选地，如附图3所示不同电池初始SOC下临界短路时间阈值和初设无损短路时间阈值。在不同环境温度与电池老化状态下，将上述过程重复进行，可得到更为详细的无损短路时间阈值。
2)基于上一步获得的初设无损短路时间阈值，低温加热装置在线运行时，由电池管理系统实时记录电池短路电流，电池发生短路时瞬间产生大电流，大电流会引起内部极化内阻上升，电流逐步下降，但是其内部温度升高导致会引发欧姆电阻减，引发电池电流出现第二个放电峰值，即出现电流第二峰值，如果外部短路进一步持续，则有可能引发电解液及钝化膜分解，因此使用电流第二峰值出现的时间对第一步初设无损短路时间阈值进行在线修正，优选地修正方式如式1所示：
其中tS为修正无损短路时间阈值，tS_INI为初设无损短路时间阈值，tC为电流第二峰值出现的时间，SOC为短路前的电池初始荷电状态。
由于初设无损短路时间阈值和修正无损短路时间阈值非常短暂，仅仅通过外部短路进行加热并不一定能满足加热的温度需求，但是如果继续延长短路持续时间又会引发电池安全性与耐久性问题，因此，通过外部加热器与无损短路进行协同工作，形成复合式加热方法，根据无损短路的持续时间，短路产生的大电流将会产生欧姆热，对电池进行内部加热，其产热速率如下式进行估计：
其中m为电池质量，Cp为电池比热容，IE为电池短路电流，UE为电池开路电压，UBatt为电池端电压，ΔT为预测温升，T0为初始温度，TL为目标温度。
如果T0+ΔT≥TL，则不启动外部加热器，待无损短路结束之后，等待温升上升至最优温度区间内即可启动动力电池系统；
如果T0+ΔT＜TL，则启动外部加热器，与无损短路共同完成加热任务，其中外部加热器可以采用高电阻率、高导热率的镍铝合金材料，制作成网片状，布置于电池组表面，也可以采用其他加热形式，当外部加热控制开关K2闭合时，电池组电流从电池组正极经过加热器流到电池组负极，由于加热器的高电阻率，分流到加热器上的电流将会生热，如下式所示
其中IBatt为电池组输出电流，ID为负载电流，ρ为电阻率，L为加热器电阻丝的总长度，S为电阻丝截面积。
该复合式低温加热装置在工作时具体包含如下步骤：
S1.启动之前由电池管理系统监测电池温度，判断是否需要低温加热，如果电池温度高于低温阈值TL，则正常启动动力电池系统，如果电池温度低于临界温度阈值，则进入步骤S2；
S2.主控制开关K1与外部加热控制开关K2均处于断开状态，控制短路触发装置产生电池外部短路；
S3.记录短路持续时间与短路电流，如果短路持续时间满足如下三个条件中的任意一个，则进入步骤S4：
条件1：短路持续时间达到初设无损短路时间阈值；
条件2：电流出现第二峰值，且短路持续时间达到前述的修正无损短路时间阈值，优选地，短路持续时间达到电流第二峰值出现时间与初设无损短路时间阈值的均值；
条件3：电池温度大于等于目标温度；S4.控制短路触发装置断开，终止外部短路；
S5.结合电池产热模型预估电池在无损短路情况下的温升，如果初始温度+预测温升大于等于目标温度，则进入步骤S7，加热结束；否则进入步骤S6；
S6.闭合外部加热控制开关K2，利用外部加热器进行外部自加热，记录电池温度，当电池温度达到目标温度之后，进入S7。
S7.加热结束，闭合主控制开关K1，启动动力电池系统。
加热方法和装置通过下述具体实施过程对本发明进行进一步描述：
在本实施例中，采用18650HZ型NMC锂离子动力电池为例，电池组标称容量为2.5Ah，电池所处的环境温度为-15℃～-20℃范围内，在该温度范围的实测容量为0.48Ah，仅为标称容量的19％，由于低温环境带来的影响，电池组容量衰退极为明显，因此必须进行低温加热，电池管理系统采用MOTOHAWK控制器作为处理单元，电磁继电器采用SSR-25DA型号，温度传感器采用贴片型K热电偶，主控制开关与副控制开关采用带有安全保护功能的RA890F1478电子开关。具体流程如附图2所示。
本实施例中共进行了两次低温加热，实施过程如下：
第一步，首先进行第一次低温加热，电池初始SOC为50％，电池环境温度为-20℃(±1℃)初始化低温阈值TL＝5℃，当电池低于此温度时进行低温快速加热；
第二步，由BMS监测电池环境温度判断是否需要低温加热，进行低温加热操作流程，由于所测温度明显低于5℃，因此低温加热控制单元发送指令，启用电池低温自加热装置；
第三步，定义20次短路加热的前后容量变化低于5％为“无明显变化”，按说明书中步骤在实验室环境下确定无损短路时间阈值，结果如附图3所示，在本实施例中，当前动力电池的SOC状态下的初设无损短路时间阈值为20秒；
第四步，通过低温加热控制单元，控制短路触发装置闭合，启用低温加热装置，同时采用霍尔传感器H1监测电池短路电流，未出现电流第二峰值；
第五步，根据式2估算无损短路加热温升约为30℃，因此不需要开启外部加热器，短路持续时间到达初设无损短路时间阈值之后，低温加热控制单元控制短路触发装置断开，加热结束；
第六步，记录加热后的电池温度，第一次加热电池温度变化曲线如图4所示，耗时25秒从-20℃升温到了5℃；第一次加热中，短路电流的持续时间为20秒，电池短路电流变化曲线如图5所示。
第七步，进行第二次低温加热，更换实验条件为：电池的初始SOC为80％，环境温度约为15℃(±1℃)，初始化低温阈值TL＝5℃，当电池低于此温度时进行低温快速加热；
第八步，由BMS监测电池环境温度判断是否需要低温加热，进行低温加热操作流程，由于所测温度明显低于5℃，因此低温加热控制单元发送指令，启用电池低温自加热装置；
第九步，提取无损短路时间阈值，由于电池SOC较高，当前动力电池的SOC状态下的初设无损短路时间阈值为15秒；
第十步，通过低温加热控制单元，控制短路触发装置闭合，启用低温加热装置，同时采用霍尔传感器H1监测电池短路电流，在第5秒出现电流第二峰值，因此对低温加热阈值进行在线修正，根据式1，修正为10秒；
第十一步，根据式2估算无损短路加热温升约为15℃，因此开启外部加热器共同进行加热，当温度超过5℃之后，加热结束；第二次加热电池温度变化曲线如图6所示，第二次加热耗时26秒从-15℃升温到了5℃；第二次加热电池短路电流变化曲线如图7所示。第十二步，加热结束之后，正常启动动力电池系统；
第十三步，对加热后的电池进行容量测试，结果如图8所示。
在本实施例中，通过低温加热，电池容量比加热之前提高了1.5Ah左右，加热过程中，第一次加热耗时25秒从-20℃加热到了5℃，第二次加热耗时26秒从-15℃加热到了5℃，加热效果理想，加热速度快。

Claims (10)

1.一种动力电池低温快速自加热方法，其特征在于，加热系统的控制方法具体包含如下步骤：
触发大电流外部短路进行电池快速加热，电池外部短路时记录短路持续时间与短路电流，如果短路持续时间满足如下三个条件中的任意一个，则终止外部短路：
条件1：短路持续时间达到初设无损短路时间阈值；所述初设无损短路时间阈值与初始电池荷电状态(SOC)有关；
条件2：电流出现第二峰值，且短路持续时间达到修正无损短路时间阈值；所述修正无损短路时间阈值是使用动力电池短路电流第二峰值出现时间，对初设无损短路时间阈值进行在线修正得到；
条件3：电池温度大于等于目标温度；
预估电池在所述电池外部短路情况下的预测温升，如果初始温度+预测温升大于等于目标温度，则加热结束，启动动力电池系统；
如果初始温度+预测温升小于目标温度，则利用电池外部短路和外部加热器共同对动力电池进行外部加热，直至电池温度大于等于目标温度之后，则加热结束，启动动力电池系统。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述修正无损短路时间阈值是电流第二峰值出现时间与初设无损短路时间阈值的均值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的初设无损短路时间阈值确定的方法为：在实验室环境下-进行电池外短路测试，逐步增加短路持续时间，在任一短路持续时间下重复多次短路，测试短路前后的电池容量，以短路前后电池容量无明显变化的最大短路持续时间作为临界短路时间阈值，电池容量变化的百分比低于特定阈值则认定为无明显变化；
记录不同SOC情况下的临界短路时间阈值，以临界短路时间阈值为基准，向下偏移一个安全区域，进而得到所述初设无损短路时间阈值。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述电池外短路测试在不同的环境温度和老化状态的情况下进行。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：触发大电流外部短路进行电池快速加热的条件为：如果电池温度低于临界温度阈值，且需要快速加热。
6.一种使用如权利要求1--5所述的加热方法的装置，其特征在于：包括低温加热控制单元、短路触发装置、主控制开关K1、外部加热控制开关K2、外部加热器；
低温加热控制单元与短路触发装置的控制端相连，同时低温加热控制单元控制主控制开关K1与外部加热控制开关K2；主控制开关K1连接在电池正极与DC/DC之间；
外部加热器布置在电池表层，一端连接电池正极、另一端连接外部加热控制开关K2；
外部加热控制开关K2一端连接电池的负极，另一端与外部加热器连接；
短路触发装置的两端分别与电池正极、负极相连，并于外部加热器形成并联关系。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：还包括霍尔传感器H1和霍尔传感器H2，设置霍尔传感器H1来采集动力电池短路电流，根据短路电流来预测短路产热与电池温升，并监测是否出现短路电流第二峰值；霍尔传感器H2用来监测电池系统的输出电流。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于：通过短路触发装置实现电池外部短路的触发和终止，短路触发装置为一种接触内阻低的可控式开关，由低温加热控制单元远程控制所述短路触发装置闭合或断开。
9.如权利要求5-9所述的装置，其特征在于：主控制开关K1与外部加热控制开关K2均处于断开状态，控制短路触发装置产生电池外部短路。
10.如权利要求10所述的装置，其特征在于：闭合外部加热控制开关K2，利用外部加热器进行外部自加热；
加热结束，闭合主控制开关K1，启动动力电池系统。
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