CN109904540B - 一种用于磷酸铁锂动力电池的低温交变激励预热方法 - Google Patents

一种用于磷酸铁锂动力电池的低温交变激励预热方法 Download PDF

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Abstract

一种用于磷酸铁锂动力电池的低温交变激励预热方法，涉及磷酸铁锂电池低温交变激励低温预热技术领域。解决了低温环境中磷酸铁锂动力电池性能差，单独的电池加热系统存在能源浪费，加热效果差，且容易造成损坏电池的问题。本发明在低温条件下，磷酸铁锂动力电池通过双向DC/DC变换器向超级电容放电，超级电容吸收电能后，反向通过双向DC/DC变换器给磷酸铁锂动力电池充电。双向DC/DC变换器通过切换充放电频率，匹配磷酸铁锂动力电池的最佳交变频率，实现磷酸铁锂动力电池的低损耗、快速低温自加热。本发明适合在低温环境磷酸铁锂动力电池预热使用。

Description

一种用于磷酸铁锂动力电池的低温交变激励预热方法
技术领域
本发明涉及磷酸铁锂电池低温交变激励预热技术领域。
背景技术
磷酸铁锂电池以其功率性能好、能量密度高、放电率低和贮藏时间长等优点，已成为新能源汽车主要的动力电池。虽然磷酸铁锂电池具有诸多优点，但是在低温条件下，磷酸铁锂电池的可用容量和功率大幅下降，并且充电困难，这极大限制了新能源汽车在温度较低地区的发展。对电池进行低温预预热是改善电池性能的有效途径，但目前锂电池低温预热主要有两种方式，一种是可变式电阻预热，包括PTC预热板和碳膜预热板；一种是恒定电阻预热，包含硅胶预热板、PI预热膜、环氧板预热膜。上述方式均采用外部贴膜预热的方式对锂电池进行预热，虽有一定的预热效果，但会产生预热不均匀的结果，往往会产生锂电池表面预热效果很好，但是电芯预热效果不佳的问题，如果电芯没有预热好就进行工作的话，将会导致锂电池不可逆的永久损害，增加经济成本。
发明内容
本发明是为了解决低温环境中磷酸铁锂动力电池性能差，单独的电池预热系统存在能源浪费，预热效果差，且容易造成损坏电池的问题。提出了一种用于磷酸铁锂动力电池的低温交变激励预热方法。
本发明所述的一种用于磷酸铁锂动力电池的低温交变激励预热方法，该方法基于预热激励装置实现，所述预热激励装置包括温度传感器1、控制器2、双向DC/DC变换器4和超级电容5；
温度传感器1用于采集磷酸铁锂动力电池表面温度信号；温度传感器1的信号输出端连接控制器2的电池温度信号输入端，控制器2的交变切换控制信号输出端连接双向DC/DC变换器4的交变切换控制信号输入端；
双向DC/DC变换器4的一侧信号输入输出端连接磷酸铁锂动力电池3充放电信号端，另一侧信号输入输出端连接超级电容的充放电信号端；双向DC/DC变换器4正向传输时，磷酸铁锂动力电池3经过双向DC/DC变换器4向超级电容5放电，双向DC/DC变换器4反向传输时，超级电容5经过双向DC/DC变换器4对磷酸铁锂动力电池3充电；
该方法包括：
步骤一：采用温度传感器采集磷酸铁锂动力电池的表面温度，判断磷酸铁锂动力电池的表面温度是否低于设定温度值Tmin，若是，建立磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗等效电路模型；执行步骤二，否则，继续执行步骤一；
步骤二：根据磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗等效电路模型，获取取磷酸铁锂动力电池预热的最佳充放电频率；
步骤三：将步骤二获得的最佳充放电频率作为双向DC/DC变换器4的最佳交变切换频率，控制磷酸铁锂动力电池充放电；实现对磷酸铁锂动力电池低温交变激励预热；
步骤四、判断温度传感器采集磷酸铁锂动力电池的表面温度是否大于Tmin，若是，控制DC/DC变换器4停止电流转换，返回执行步骤一，否则，返回执行步骤二。
本发明提出的利用电池自身储存能量实现低温交变激励预热的方法，在低温条件下，磷酸铁锂动力电池通过双向DC/DC变换器向超级电容放电，超级电容吸收电能后，反向通过双向DC/DC变换器给磷酸铁锂动力电池充电。双向DC/DC变换器通过切换充放电频率，匹配磷酸铁锂动力电池的最佳交变频率，实现磷酸铁锂动力电池的低损耗、快速低温预热。
附图说明
图1是具体实施方式一所述激励预热装置的原理框图；
图2是本发明所述方法的流程图；
图3是具体实施方式二所述的磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗等效电路模型图。
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和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种用于磷酸铁锂动力电池的低温交变激励预热方法，该方法基于预热激励装置实现，所述预热激励装置包括温度传感器1、控制器2、双向DC/DC变换器4和超级电容5；
温度传感器1用于采集磷酸铁锂动力电池表面温度信号；温度传感器1的信号输出端连接控制器2的电池温度信号输入端，控制器2的交变切换控制信号输出端连接双向DC/DC变换器4的交变切换控制信号输入端；
双向DC/DC变换器4的一侧信号输入输出端连接磷酸铁锂动力电池3充放电信号端，另一侧信号输入输出端连接超级电容的充放电信号端；双向DC/DC变换器4正向传输时，磷酸铁锂动力电池3经过双向DC/DC变换器4向超级电容5放电，双向DC/DC变换器4反向传输时，超级电容5经过双向DC/DC变换器4对磷酸铁锂动力电池3充电；
该方法包括：
步骤一：采用温度传感器采集磷酸铁锂动力电池的表面温度，判断磷酸铁锂动力电池的表面温度是否低于设定温度值Tmin，若是，建立磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗等效电路模型；执行步骤二，否则，继续执行步骤一；
步骤二：根据磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗等效电路模型，获取取磷酸铁锂动力电池预热的最佳充放电频率；
步骤三：将步骤二获得的最佳充放电频率作为双向DC/DC变换器4的最佳交变切换频率，控制磷酸铁锂动力电池充放电；实现对磷酸铁锂动力电池低温交变激励预热；
步骤四、判断温度传感器采集磷酸铁锂动力电池的表面温度是否大于Tmin，若是，控制DC/DC变换器(4)停止电流转换，返回执行步骤一，否则，返回执行步骤二。
本实施方式所述的磷酸铁锂动力电池预热的最佳充放电频率，为在该频率条件下，电池的内阻最大，有效的实现了对电池内部能量的激发，实现快速从电池内部对自身进行预热。同时采用超级电容与电池配合，实现电池利用自身能量对自身进行激励预热，无需外加激励源，不仅实现了能源的节约，同时，实现对装置的简化，别避免了在对电池预热过程中出现温度过高损坏电池的问题。由于电池在正常放电过程中自身产生热量，因此，随时检测电池的温度，当温度大于设定温度值Tmin时，停止预热，只要电池在使用过程中，温度传感器一直对电池的温度进行检测，当电池的表面温度低于设定温度值Tmin时，控制器控制DC/DC转换器进行电流转换，并按照本发明所述方法求出的频率进行切换电流转换的方向，并根据电池的参数，实时调整转换频率，保持转换频率为最佳频率，实现快速实现电池预热，也避免了采用预热装置对电池造成损害的问题。
具体实施方式二：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种用于磷酸铁锂动力电池的低温交变激励预热方法作进一步说明，步骤一中所述的磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗等效电路模型包括直流等效内阻R0、电化学极化内阻R1、浓差极化内阻R2、电化学极化分数阶电容C1、浓差极化分数阶电容C2、阳极等效电感L和开路电压源UOCV；
直流等效内阻R0的一端为充电电源正极，直流等效内阻R0的另一端同时连接电化学极化分数阶电容C1的一端和电化学极化内阻R1的一端，电化学极化分数阶电容C1的另一端同时连接电化学极化内阻R1的另一端、浓差极化分数阶电容C2的一端和浓差极化内阻R2的一端，浓差极化分数阶电容C2的另一端同时连接浓差极化内阻R2的另一端和阳极等效电感L的一端，阳极等效电感L的另一端连接开路电压源UOCV的正极，开路电压源UOCV的负极为充电电源负极。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式二所述的一种用于磷酸铁锂动力电池的低温交变激励预热方法作进一步说明，步骤二所述的求取磷酸铁锂动力电池预热的最佳充放电频率的具体方法为：
步骤二一：根据基尔霍夫第二定律，列写磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗等效电路模型的电压回路方程：
Figure BDA0002006057840000041
其中，UOCV是锂离子电池的开路电压，I是锂离子电池的充电电流，L是阳极电感，R1是电化学极化内阻，C1是电化学极化分数阶电容，R2是浓差极化内阻，R0是直流等效内阻，C2是浓差极化分数阶电容，R0是直流欧姆电阻，U是锂离子电池的端电压，s代表频域变量；
步骤二二：将对所述二阶交流阻抗等效电路模型的电压回路方程进行时域分析：
令
Figure BDA0002006057840000042
x(k)为k个充电阶段锂离子电池的得到的物理量值，所述物理量分别为U(k)、Uocv(k)或I(k)，带入所述二阶交流阻抗等效电路模型的电压回路方程，获得：
Figure BDA0002006057840000043
其中，Uocv(k)是第k个充电阶段锂离子电池的开路电压，U(k)第k个充电阶段的锂离子电池的端电压，I(k)是第k个充电阶段的充电电流；
a0＝R1C1R2C2L；a1＝(R1C1+R2C2)L+R1C1R2C2R0，a2＝L+(R1C1+R2C2)R0+R1R2C2+R1C1R2，a3＝R1C1R2C2，a4＝R1C1+R2C2，a5＝R0+R1+R2；
步骤二三：利用最小二乘法求出a0、a1、a2、a3、a4和a5的值，实现对参数R0，R1，C1，R2，C2和L的辨识；
步骤二四：利用步骤三三辨识的参数R0，R1，C1，R2，C2和L与二阶交流阻抗等效电路模型的电压回路方程，获得磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗和角频率关系函数：
Figure BDA0002006057840000051
其中，Zbattery(ωs)为磷酸铁锂动力电池内部二阶交流总阻抗，ωs＝2πfs，fs为磷酸铁锂动力电池的充放电频率；
步骤二五：利用角频率与频率关系，将磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗和充放电角频率关系函数转化为磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗与充放电频率关系函数，再根据当前磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗值，获得磷酸铁锂动力电池预热的最佳充放电频率。
本实施方式所述的磷酸铁锂动力电池预热的最佳充放电频率求取，并将求取的最佳充放电频率作为双向DC/DC变换器的切换频率，实现对电池向超级电容放电和从超级电容接收电量的转换，进而达到对自身激励预热。可以在使用电池之前就控制温度传感器进行温度采集，当温度低于设定温度时，控制器控制双向DC/DC变换器先将磷酸铁锂动力电池放电电流进行转换，对超级电容充电，再根据计算获得的最佳切换频率对磷酸铁锂动力电池充放电频率进行控制。
利用Matlab中的cftool工具对磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗方程进行拟合，得到最大值Zbatterymax，利用磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗和角频率关系函数，获得角频率函数：ωmax＝F(R1,C1,R2,C2,L)
又由于
Figure BDA0002006057840000052
因此，最佳交变频率
Figure BDA0002006057840000053
其中，F(R1,C1,R2,C2,L)为以R1,C1,R2,C2和L为变量的函数，fmax为双向DC/DC变换器匹配磷酸铁锂动力电池的最佳交变频率，在所最佳交变频率下磷酸铁锂动力电池内部交流阻抗最大。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式一所述的一种用于磷酸铁锂动力电池的低温交变激励预热方法作进一步说明，步骤一所述的设定温度值Tmin的范围：0＜Tmin＜25。
本实施方式所述的温度设定值，在实际应用中根据需求在0到25之间设定。
本发明提出的一种用于磷酸铁锂动力电池的低温交变激励预热方法，磷酸铁锂电池结合双向DC/DC变换器和超级电容等装置利用自身储存的的能量真正实现低温交变激励预热，不仅节省能源而且是从电池内部向外的预热方式，预热效果好，成本低，具有很大的潜在经济效益。另一方面，根据磷酸铁锂的电池特性，建立二阶交流阻抗模型可以更精确的反应电池的内部特性，可以得到更加准确的低温交变预热频率，达到最佳的预热效果。
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 (2)

1.一种用于磷酸铁锂动力电池的低温交变激励预热方法，其特征在于，该方法基于预热激励装置实现，所述预热激励装置包括温度传感器(1)、控制器(2)、双向DC/DC变换器(4)和超级电容(5)；
温度传感器(1)用于采集磷酸铁锂动力电池表面温度信号；温度传感器(1)的信号输出端连接控制器(2)的电池温度信号输入端，控制器(2)的交变切换控制信号输出端连接双向DC/DC变换器(4)的交变切换控制信号输入端；
双向DC/DC变换器(4)的一侧信号输入输出端连接磷酸铁锂动力电池(3)充放电信号端，另一侧信号输入输出端连接超级电容的充放电信号端；双向DC/DC变换器(4)正向传输时，磷酸铁锂动力电池(3)经过双向DC/DC变换器(4)向超级电容(5)放电，双向DC/DC变换器(4)反向传输时，超级电容(5)经过双向DC/DC变换器(4)对磷酸铁锂动力电池(3)充电；
该方法包括：
步骤一：采用温度传感器采集磷酸铁锂动力电池的表面温度，判断磷酸铁锂动力电池的表面温度是否低于设定温度值Tmin，若是，建立磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗等效电路模型；执行步骤二，否则，继续执行步骤一；
所述的磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗等效电路模型包括：直流等效内阻R0、电化学极化内阻R1、浓差极化内阻R2、电化学极化分数阶电容C1、浓差极化分数阶电容C2、阳极等效电感L和开路电压源UOCV；
直流等效内阻R0的一端为充电电源正极，直流等效内阻R0的另一端同时连接电化学极化分数阶电容C1的一端和电化学极化内阻R1的一端，电化学极化分数阶电容C1的另一端同时连接电化学极化内阻R1的另一端、浓差极化分数阶电容C2的一端和浓差极化内阻R2的一端，浓差极化分数阶电容C2的另一端同时连接浓差极化内阻R2的另一端和阳极等效电感L的一端，阳极等效电感L的另一端连接开路电压源UOCV的正极，开路电压源UOCV的负极为充电电源负极；
步骤二：根据磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗等效电路模型，获取磷酸铁锂动力电池预热的最佳充放电频率；
获取磷酸铁锂动力电池预热的最佳充放电频率的具体方法为：
步骤二一：根据基尔霍夫第二定律，列写磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗等效电路模型的电压回路方程：
Figure FDA0003312906630000021
其中，UOCV是锂离子电池的开路电压，I是锂离子电池的充电电流，L是阳极电感，R1是电化学极化内阻，C1是电化学极化分数阶电容，R2是浓差极化内阻，R0是直流等效内阻，C2是浓差极化分数阶电容，R0是直流欧姆电阻，U是锂离子电池的端电压，s代表频域变量；
步骤二二：将对所述二阶交流阻抗等效电路模型的电压回路方程进行时域分析，获得：
Figure FDA0003312906630000022
其中，Uocv(k)是第k个充电阶段锂离子电池的开路电压，U(k)第k个充电阶段的锂离子电池的端电压，I(k)是第k个充电阶段的充电电流，a0＝R1C1R2C2L；
a1＝(R1C1+R2C2)L+R1C1R2C2R0，a2＝L+(R1C1+R2C2)R0+R1R2C2+R1C1R2，a3＝R1C1R2C2，a4＝R1C1+R2C2，a5＝R0+R1+R2；
步骤二三：利用最小二乘法求出a0、a1、a2、a3、a4和a5的值，实现对参数R0，R1，C1，R2，C2和L的辨识；
步骤二四：利用步骤二三辨识的参数R0，R1，C1，R2，C2和L与二阶交流阻抗等效电路模型的电压回路方程，获得磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗和角频率关系函数：
Figure FDA0003312906630000023
其中，Zbattery(ωs)为磷酸铁锂动力电池内部二阶交流总阻抗，ωs＝2πfs，fs为磷酸铁锂动力电池的充放电频率；
步骤二五：利用角频率与频率关系，将磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗和充放电角频率关系函数转化为磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗与充放电频率关系函数，再根据当前磷酸铁锂动力电池内部二阶交流阻抗值，获得磷酸铁锂动力电池预热的最佳充放电频率；
步骤三：将步骤二获得的最佳充放电频率作为双向DC/DC变换器(4)的最佳交变切换频率，控制磷酸铁锂动力电池充放电；实现对磷酸铁锂动力电池低温交变激励预热；
步骤四：判断温度传感器采集磷酸铁锂动力电池的表面温度是否大于设定温度值Tmin，若是，控制DC/DC变换器(4)停止电流转换，返回执行步骤一，否则，返回执行步骤二。
2.根据权利要求1所述一种用于磷酸铁锂动力电池的低温交变激励预热方法，其特征在于，步骤一所述的设定温度值Tmin的范围：0＜Tmin＜25。
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GR01 Patent grant
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