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Abstract

一种适用于动力电池组的内部加热方法，涉及锂离子动力电池加热技术领域。本发明解决了现有动力电池预热多采用的外部预热的方式存在的需要额外加入预热电路且预热不均匀的问题。本发明利用锂电池的低温下较大的自阻抗，通过双向DC/DC使得两组动力电池间产生频率可调的交变激励电流，使锂电池内部自加热至合适的工作温度。这样不仅无需外部加热装置，同时无需外加激励源，只需要在两组电池之间设置双向DC/DC变换器，通过控制双向DC/DC变换器的导通方向切换的频率，即交变激励频率，实现了对两个电池同时激励加热。并通过建立电池的等效电路模型对用于加热的最佳交变激励频率进行计算，用于控制双向DC/DC变换器的切换频率。本发明适用于锂离子动力电池的预热使用。

Description

一种适用于动力电池组的内部加热方法
技术领域
本发明涉及锂离子动力电池加热技术领域。
背景技术
随着能源问题的产生，国家对新能源产业的大力支持。锂离子电池由于其能量密度大，自放电率低和无记忆效应等优点，成为重要的储能元件。在新能源电站，电动汽车等领域得到了广泛应用。
由于锂电池内部的结构及电化学性质，在低温下锂电池的充放电性能存在较大问题。低温下活性物质的活性降低，内部的扩散速率减小。导致锂离子电池内部阻抗在低温下大幅增加，输出功率减小，同时可用的电池容量也相应的减小。同时在低温下使用锂电池存在负极析锂等问题，使得锂电池的低温加热成为必要。而采用外部预热的方式需要额外加入预热电路，且存在预热不均匀的问题。
发明内容
本发明是为了解决现有动力电池预热多数采用的外部预热的方式存在的需要额外加入预热电路且预热不均匀的问题，提出了一种适用于动力电池组的内部加热方法。
本发明所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法，该方法所述的动力电池组的内部包括偶数组动力电池，每两组动力电池为一个自加热单元，每个加热单元的一组动力电池的充放电信号端连接双向DC/DC变换器2一侧的信号输入输出端，另一组动力电池的充放电信号端连接双向DC/DC变换器2另一侧的信号输入输出端；
一号采样电路1和二号采样电路3分别用于采集同一个自加热单元中的两组动力电池的温度、端电压、动力电池的电流和动力电池的荷电状态；并将采集的两组动力电池的温度、端电压、动力电池的电流和动力电池的荷电状态发送给控制单元4，控制单元4的交变激励控制信号输出端连接双向DC/DC变换器2的交变切换频率控制信号输入端；
每个自加热单元的加热方法均相同，以一个自加热单元的加热方法为例进行说明，所述加热方法的具体步骤为：
步骤一、采集同一自加热单元中两组动力电池的荷电状态，将荷电状态数据较小值socmin与荷电状态阈值socset进行比较，若荷电状态数据较小值socmin大于荷电状态阈值socset，则执行步骤二；否则，继续执行步骤一；
步骤二、采集同一自加热单元中两组动力电池的温度，将温度数据较小值Tmin与温度阈值Tset进行比较，若温度数据较小值Tmin Tmin低于温度阈值Tset，则执行步骤三，否则，返回执行步骤一；其中，Tset为正数；
步骤三、对两组动力电池分别建立一阶戴维宁等效电路模型，根据采集的两组动力电池的温度、端电压和动力电池的电流，分别对两组动力电池进行参数辨识，辨识出两组动力电池的欧姆内阻，极化内阻及极化电容；
步骤四、根据步骤三辨识的两组动力电池的欧姆内阻，极化内阻及极化电容，获得两组动力电池内部总阻抗与交变激励频率函数；
步骤五、利用步骤四获得的电池内部总阻抗与交变激励频率函数和产热率公式，获得两组动力电池的最佳交变激励加热频率，并根据两组动力电池的最佳交变激励加热频率计算双向DC/DC变换器的最佳交变切换频率；
步骤六、利用步骤五获得的双向DC/DC变换器的最佳交变切换频率，对双向DC/DC变换器2进行控制，两组动力电池交变充/放电，实现两组动力电池相互激励加热，加热时间t1后，返回执行步骤一，其中，t1为正数。
本发明利用锂电池的低温下较大的自阻抗，通过双向DC/DC使得两组动力电池间产生频率可调的交变激励电流，使锂电池内部自加热至合适的工作温度。这样不仅无需外部加热装置，同时无需外加激励源，只需要在两组电池之间设置双向DC/DC变换器，通过控制双向DC/DC变换器的导通方向切换的频率，即交变激励频率，实现了对两个电池同时激励加热，也实现对电池组中每块或每组动力电池进行分别激励加热，实现了针对每个电池温度进行激励加热，实现均匀加热，也能够快速的使电池组的整体温度趋于相同。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的一个自加热单元的原理框图；
图2是本发明所述一种适用于动力电池组的内部加热方法的流程图；
图3是是具体实施方式二所述的一阶戴维宁等效电路模型图。
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，本实施方式所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法，该方法所述的动力电池组的内部包括偶数组动力电池，每两组动力电池为一个自加热单元，每个加热单元的一组动力电池的充放电信号端连接双向DC/DC变换器2一侧的信号输入输出端，另一组动力电池的充放电信号端连接双向DC/DC变换器2另一侧的信号输入输出端；
一号采样电路1和二号采样电路3分别用于采集同一个自加热单元中的两组动力电池的温度、端电压、动力电池的内部电流和动力电池的荷电状态；并将采集的两组动力电池的温度、端电压、动力电池的内部电流和动力电池的荷电状态发送给控制单元4，控制单元4的交变激励控制信号输出端连接双向DC/DC变换器2的交变切换频率控制信号输入端；
每个自加热单元的加热方法均相同，以一个自加热单元的加热方法为例进行说明，所述加热方法的具体步骤为：
步骤一、采集同一自加热单元中两组动力电池的荷电状态，将荷电状态数据较小值socmin与荷电状态阈值socset进行比较，若荷电状态数据较小值socmin大于荷电状态阈值socset，则执行步骤二；否则，继续执行步骤一；
步骤二、采集同一自加热单元中两组动力电池的温度，将温度数据较小值Tmin与温度阈值Tset进行比较，若温度数据较小值Tmin低于温度阈值Tset，则执行步骤三，否则，返回执行步骤一；其中，Tset为正数；
步骤三、对两组动力电池分别建立一阶戴维宁等效电路模型，根据采集的两组动力电池的温度、端电压和动力电池的电流，分别对两组动力电池进行参数辨识，辨识出两组动力电池的欧姆内阻，极化内阻及极化电容；
步骤四、根据步骤三辨识的两组动力电池的欧姆内阻，极化内阻及极化电容，获得两组动力电池内部总阻抗与交变激励频率函数；
步骤五、利用步骤四获得的电池内部总阻抗与交变激励频率函数和产热率公式，获得两组动力电池的最佳交变激励加热频率，并根据两组动力电池的最佳交变激励加热频率计算双向DC/DC变换器的最佳交变切换频率；
步骤六、利用步骤五获得的双向DC/DC变换器的最佳交变切换频率，对双向DC/DC变换器2进行控制，两组动力电池交变充/放电，实现两组动力电池相互激励加热，加热时间t1后，返回执行步骤一，其中，t1为正数。
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适用于动力电池组的内部加热方法作进一步说明，步骤三所述的一阶戴维宁等效电路模型包括欧姆内阻R0、极化电阻R1、极化电容C1和开路等效电压源UOC；
欧姆内阻R0的一端连接充电电源正极，欧姆内阻R0的另一端同时连接极化电容C1的一端和极化电阻R1的一端；极化电容C1的另一端同时与极化电阻R1的另一端和开路等效电压源UOC的正极，开路等效电压源UOC的负极连接充电电源负极。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式二所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法作进一步说明，步骤三所述的一阶戴维宁等效电路模型的公式为：
其中，R0为欧姆内阻，R1为极化内阻，C1为极化电容，UOC为锂离子电池开路电压,U是锂离子电池的端电压，s是复频率。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式三所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法作进一步说明，步骤三中辨识出两组动力电池的欧姆内阻，极化内阻及极化电容的具体过程相同，以其中一组动力电池的参数辨识过程为例进行说明，具体方法为：
步骤三一、令将等效电路模型的公式化为差分形式，其中，x(k)为第k次采样得到的物理量值，x(k-1)为第k-1次采样得到的物理量值，所述物理量为Uoc(k)、U(k)或I(k)；
UOC(k)-U(k)＝k1[UOC(k-1)-U(k-1)]+k2I(k)-k3I(k-1) (2)
其中，Uoc(k)是k次采样动力电池的开路电压，U(k)是k次采样动力电池的端电压，I(k)是k次采样动力电池的电流，k-1代表第k-1次采样，T为采样间隔，UOC(k-1)是k-1次采样动力电池的开路电压，U(k-1)是k-1次采样动力电池的端电压，I(k-1)是k-1次采样动力电池的电流；
步骤三二、由递推最小二乘法辨识出差分方程中的参数k1,k1,k3；则等效电路模型中的参数：
具体实施方式五：本实施方式对实施方式四所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法作进一步说明，步骤四中获得两组动力电池内部总阻抗与频率函数相同，具体为：
其中，ω＝2πf；f为锂离子动力电池的交变激励加热频率，j为虚数单位，R1(f)为电池的极化内阻随交变激励加热频率变化函数，C1(f)为电池的极化电容C1随交变激励加热频率变化函数，其中，C1(f)和R1(f)通过阻抗谱，进行拟合后获得。
具体实施方式六：本实施方式对实施方式五所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法作进一步说明，步骤五中获得两组动力电池的最佳交变激励加热频率的方法相同，以一组动力电池计算最佳交变激励加热频率的方法为例进行说明，具体为：
利用产热功率公式：
获得产热功率与交变激励频率函数，其中，Re(Z(f))是对复数Z(f)取实部，△U为端电压U与开路电压UOC差值；对产热功率展开获得：
对产热功率展开式求一阶导数和二阶导数，获得产热功率最大值，所述产热功率最大值对应的交变激励频率为动力电池的交变激励加热频率。
具体实施方式七：本实施方式对实施方式六所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法作进一步说明，步骤五中计算双向DC/DC变换器的最佳交变切换频率的具体方法为：利用公式：
f＝αf1+(1-α)f2 (6)
计算获得，其中α＝α0+c(T2-T1)，α0＝0.5为系数α的初始值，T1和T2分别为两组动力电池的当前时刻的温度，f1和f2分别为两组动力电池的最佳加热频率，c为灵敏度系数，用于改变两组电池加热过程温度不均时调节的速度，需根据所使用的电池实际情况而定。
具体实施方式八：本实施方式对实施方式六所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法作进一步说明，步骤一所述的荷电状态阈值socset的范围为0＜socset＜0.5。
具体实施方式九：本实施方式对实施方式六所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法作进一步说明，步骤二中所述的Tset的范围为5＜Tset＜10℃。
具体实施方式十：本实施方式对实施方式六所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法作进一步说明，步骤六所述的加热时间t1的范围为20s到40s。
本发明对锂离子动力电池组内电池进行分组，通过双向DC/DC变换器实现组内电池间的交流频率充放电，从而达到锂离子动力电池组自加热的目的。同时通过最佳加热频率的选择实现了加热时温度分布均匀的目的。
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 (8)

1.一种适用于动力电池组的内部加热方法，其特征在于，该方法所述的动力电池组的内部包括偶数组动力电池，每两组动力电池为一个自加热单元，每个加热单元的一组动力电池的充放电信号端连接双向DC/DC变换器(2)一侧的信号输入输出端，另一组动力电池的充放电信号端连接双向DC/DC变换器(2)另一侧的信号输入输出端；
一号采样电路(1)和二号采样电路(3)分别用于采集同一个自加热单元中的两组动力电池的温度、端电压、动力电池的电流和动力电池的荷电状态；并将采集的两组动力电池的温度、端电压、动力电池的电流和动力电池的荷电状态发送给控制单元(4)，控制单元(4)的交变激励控制信号输出端连接双向DC/DC变换器(2)的交变切换频率控制信号输入端；
每个自加热单元的加热方法均相同，以一个自加热单元的加热方法为例进行说明，所述加热方法的具体步骤为：
步骤一、采集同一自加热单元中两组动力电池的荷电状态，将荷电状态数据较小值socmin与荷电状态阈值socset进行比较，判断荷电状态数据较小值socmin是否大于荷电状态阈值socset，若是，则执行步骤二；否则，继续执行步骤一；socmin为正数；
步骤二、采集同一自加热单元中两组动力电池的温度，对温度数据较小值Tmin与温度阈值Tset进行比较，判断温度数据较小值Tmin是否低于温度阈值Tset，若是，则执行步骤三，否则，返回执行步骤一；其中，Tset为正数；
步骤三、对两组动力电池分别建立一阶戴维宁等效电路模型，根据采集的两组动力电池的温度、端电压和动力电池的电流，分别对两组动力电池进行参数辨识，辨识出两组动力电池的欧姆内阻，极化内阻及极化电容；
步骤四、根据步骤三辨识的两组动力电池的欧姆内阻，极化内阻及极化电容，获得两组动力电池内部总阻抗与交变激励频率函数；
步骤五、利用步骤四获得的电池内部总阻抗与交变激励频率函数和产热率公式，获得两组动力电池的最佳交变激励加热频率，并根据两组动力电池的最佳交变激励加热频率计算双向DC/DC变换器的最佳交变切换频率；
步骤六、利用步骤五获得的双向DC/DC变换器的最佳交变切换频率，对双向DC/DC变换器(2)进行控制，两组动力电池交变充/放电，实现两组动力电池相互激励加热，加热时间t1后，返回执行步骤一，其中，t1为正数。
2.根据权利要求1所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法，其特征在于，步骤三所述的一阶戴维宁等效电路模型包括欧姆内阻R0、极化电阻R1、极化电容C1和开路等效电压源UOC；
欧姆内阻R0的一端连接充电电源正极，欧姆内阻R0的另一端同时连接极化电容C1的一端和极化电阻R1的一端；极化电容C1的另一端同时与极化电阻R1的另一端和开路等效电压源UOC的正极，开路等效电压源UOC的负极连接充电电源负极。
3.根据权利要求2所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法，其特征在于，步骤三所述的一阶戴维宁等效电路模型的公式为：
其中，R0为欧姆内阻，R1为极化内阻，C1为极化电容，UOC为锂离子电池开路电压，U是锂离子电池的端电压，s是复频率。
4.根据权利要求3所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法，其特征在于，步骤三中辨识出两组动力电池的欧姆内阻，极化内阻及极化电容的具体过程相同，以其中一组动力电池的参数辨识过程为例进行说明，具体方法为：
步骤三一、将一阶戴维宁等效电路模型的公式化为差分形式，获得：
UOC(k)-U(k)＝k1[UOC(k-1)-U(k-1)]+k2I(k)-k3I(k-1) (2)
其中，Uoc(k)是k次采样动力电池的开路电压，U(k)是k次采样动力电池的端电压，I(k)是k次采样动力电池的电流，k-1代表第k-1次采样，T为采样间隔，UOC(k-1)是k-1次采样动力电池的开路电压，U(k-1)是k-1次采样动力电池的端电压，I(k-1)是k-1次采样动力电池的电流；
步骤三二、由递推最小二乘法辨识出差分方程中的参数k1，k1，k3；则等效电路模型中的参数：
5.根据权利要求4所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法，其特征在于，步骤四中获得两组动力电池内部总阻抗与频率函数相同，具体为：
其中，ω＝2πf；f为锂离子动力电池的交变激励加热频率，j为虚数单位，R1(f)为电池的极化内阻随交变激励加热频率变化函数，C1(f)为电池的极化电容C1随交变激励加热频率变化函数，其中，C1(f)和R1(f)通过阻抗谱，进行拟合后获得。
6.根据权利要求5所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法，其特征在于，步骤五中获得两组动力电池的最佳交变激励加热频率的方法相同，以一组动力电池计算最佳交变激励加热频率的方法为例进行说明，具体为：
利用产热功率公式：
获得产热功率与交变激励频率函数，其中，Re(Z(f))是对复数Z(f)取实部，△U为端电压U与开路电压UOC差值；对产热功率展开获得：
对产热功率展开式求一阶导数和二阶导数，获得产热功率最大值，所述产热功率最大值对应的交变激励频率为动力电池的交变激励加热频率。
7.根据权利要求6所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法，其特征在于，步骤五中计算双向DC/DC变换器的最佳交变切换频率的具体方法为：利用公式：
f＝αf1+(1-α)f2 (6)
计算获得，其中α＝α0+c(T2-T1)，α0＝0.5为系数α的初始值，T1和T2分别为两被两组动力电池的当前时刻的温度，f1和f2分别为两组动力电池的最佳加热频率，c为灵敏度系数。
8.根据权利要求1所述的一种适用于动力电池组的内部加热方法，其特征在于，步骤六所述的加热时间t1的范围为20s到40s。
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