CN109950660B - 三元锂离子动力电池利用自身储能激励预热的方法 - Google Patents
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Abstract
三元锂离子动力电池利用自身储能激励预热的方法，涉及三元锂离子动力电池低温预热技术领域。解决了低温环境中三元锂离子动力电池性能差，单独的电池加热系统存在能源浪费，加热效果差的问题，且容易造成损坏电池的问题。本发明在低温条件下，三元锂离子动力电池通过双向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变换器给三元锂离子动力电池充电。双向DC/DC变换器通过切换充放电频率，匹配三元锂离子动力电池的最佳交变频率，可实现三元锂离子动力电池的低损耗、快速低温自加热。本发明适用于低温环境中动力电池预热使用。
Description
技术领域
本发明涉及三元锂离动力电池低温交变激励预热技术领域。
背景技术
三元锂离子动力电池以其功率性能好、能量密度高、自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。虽然三元锂离子动力电池具有诸多优点，但是在低温条件下，三元锂离子动力电池的可用容量和功率大幅下降，并且充电困难，这极大的限制了新能源汽车在东北地区的发展。对电池进行低温预预热是改善电池性能的有效途径，但是现有的预热方法多数为在电池的外围设置预热保温装置，这样不仅造成能源的浪费，且带来的效果并不好。
发明内容
本发明是为了解决低温环境中三元锂离子动力电池性能差，单独的电池预热系统存在能源浪费，预热效果差的问题。本发明提出了一种三元锂离子动力电池利用自身储能激励预热的方法。
本发明所述的三元锂离子动力电池利用自身储能激励预热的方法，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用于采集三元锂离子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的的一侧信号输入输出端连接三元锂离子动力电池3充放电信号端，另一侧信号输入输出端连接超级电容5的充放电信号端；双向DC/DC变换器4正向传输时，三元锂离子动力电池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对三元锂离子动力电池3充电；
该方法包括：
步骤一：采用温度传感器采集三元锂离子动力电池的表面温度，判断三元锂离子动力电池的表面温度是否低于设定温度值Tmin，若是，建立三元锂离子动力电池内部一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：利用三元锂离子动力电池内部一阶交流阻抗等效电路模型，求取三元锂离子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，实现控制三元锂离子动力电池充放电控制；实现三元锂离子动力电池低温交变激励预热。
本发明所述方法在低温条件下，三元锂离子动力电池通过双向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变换器给三元锂离子动力电池充电。双向DC/DC变换器通过切换充放电频率，匹配三元锂离子动力电池的最佳交变频率，可实现三元锂离子动力电池的低损耗、快速低温自预热。
附图说明
图1是具体实施方式一所述自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三元锂动力电池内部一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，本实施方式所述三元锂离子动力电池利用自身储能激励预热的方法，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用于采集三元锂离子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的的一侧信号输入输出端连接三元锂离子动力电池3充放电信号端，另一侧信号输入输出端连接超级电容5的充放电信号端；双向DC/DC变换器4正向传输时，三元锂离子动力电池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对三元锂离子动力电池3充电；
该方法包括：
步骤一：采用温度传感器采集三元锂离子动力电池的表面温度，判断三元锂离子动力电池的表面温度是否低于设定温度值Tmin，若是，建立三元锂离子动力电池内部一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：利用三元锂离子动力电池内部一阶交流阻抗等效电路模型，求取三元锂离子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，控制三元锂离子动力电池充放电；对三元锂离子动力电池低温交变激励预热；
步骤四、判断温度传感器采集三元锂离子动力电池的表面温度是否大于Tmin，若是，控制双向DC/DC变换器停止电流转换，返回执行步骤一，否则，返回执行步骤三。
本实施方式所述的三元锂离子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三元锂离子动力电池利用自身储能激励预热的方法作进一步说明，三元锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型包括直流等效内阻R0、电荷转移等效电阻R1、交流等效电容C1、阳极等效电感L和开路等效电压源UOCV；
直流等效内阻R0的一端连接充电电源正极，直流等效内阻R0的另一端同时连接交流等效电容C1的一端和电荷转移等效电阻R1的一端；交流等效电容C1的另一端同时与电荷转移等效电阻R1的另一端和阳极等效电感L的一端连接，阳极等效电感L的另一端连接开路等效电压源UOCV的正极，开路等效电压源UOCV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一所述的三元锂离子动力电池利用自身储能激励预热的方法作进一步说明，本实时方式中，步骤二所述的求取三元锂离子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，列写三元锂离子动力电池内部一阶交流阻抗等效电路模型的电压回路方程：
其中，UOCV是三元锂离子电池的开路电压，I是三元锂离子电池的充电电流，L是阳极电感，R1是极化内阻，C1是极化电容，R0是直流欧姆电阻，U是三元锂离子电池的端电压，s代表频域；
步骤二二：对三元锂离子动力电池内部一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
x(k)为k个充电阶段三元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)，则所述电压回路方程转化为：
其中，K1＝R1C1L，K2＝L+R0R1C1，K3＝R0+R1，K4＝R1C1，Uocv(k)是第k个充电阶段三元锂离子电池的开路电压，U(k)第k个充电阶段的三元锂离子电池的端电压，I(k)是第k个充电阶段的充电电流；
步骤二三：利用最小二乘法对步骤二二中的K1、K2、K3和K4进行求取，实现对参数R0，R1，C1和L的辨识；
步骤二四、利用三元锂离子动力电池内部一阶交流阻抗方程和步骤二三辨识的参数R0，R1，C1和L的辨识；获得三元锂离子动力电池内部一阶交流阻抗和角频率关系函数：
其中，ωs＝2πfs，fs为三元锂离子动力电池的充放电频率，Zbattery(ωs)为三元锂离子动力电池内部一阶交流总阻抗；
步骤二五、利用角频率与频率关系，将三元锂离子动力电池内部一阶交流阻抗和充放电角频率关系函数转化为三元锂离子动力电池的内部一阶交流阻抗与充放电频率关系函数，根据当前三元锂离子动力电池的内部一阶交流阻抗值，获得三元锂离子动力电池的预热的最佳充放电频率。
本实施方式所述的三元锂离子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变换器先将三元锂离子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三元锂离子动力电池充放电频率进行控制。
三元锂离子动力电池内部一阶交流总阻抗的最大值为Zbatterymax时的频率
其中，
其中，fmax为双向DC/DC变换器匹配三元锂离子动力电池的最佳交变频率，同时在该频率下三元锂离子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三元锂离子动力电池利用自身储能激励预热的方法作进一步说明，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三元锂离子动力电池的低温交变激励自预热方法，三元锂离子动力电池结合双向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自预热，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，根据三元锂离子动力电池的电池特性，建立一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。
根据Bernardi方程，动力电池产热主要由两部分构成，不可逆热和可逆热，而不可逆热主要由动力电池内部阻抗产生。本发明提出的一种动力电池(三元锂离子电池)利用自身储存能量实现低温交变激励预热的装置及方法，在低温条件下，三元锂离子动力电池通过双向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变换器给三元锂离子动力电池充电。双向DC/DC变换器通过切换充放电频率，匹配三元锂离子动力电池的最佳交变频率，可实现三元锂离子动力电池的低损耗、快速低温预热。
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 (3)
1.三元锂离子动力电池利用自身储能激励预热的方法，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)用于采集三元锂离子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)的的一侧信号输入输出端连接三元锂离子动力电池(3)充放电信号端，另一侧信号输入输出端连接超级电容(5)的充放电信号端；双向DC/DC变换器(4)正向传输时，三元锂离子动力电池(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)对三元锂离子动力电池(3)充电；
该方法包括：
步骤一：采用温度传感器采集三元锂离子动力电池的表面温度，判断三元锂离子动力电池的表面温度是否低于设定温度值Tmin，若是，建立三元锂离子动力电池内部一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：根据三元锂离子动力电池内部一阶交流阻抗等效电路模型，获取取三元锂离子动力电池预热的最佳充放电频率；
求取三元锂离子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，列写三元锂离子动力电池内部一阶交流阻抗等效电路模型的电压回路方程：
其中，UOCV是三元锂离子电池的开路电压，I是三元锂离子电池的充电电流，L是阳极电感，R1是极化内阻，C1是极化电容，R0是直流欧姆电阻，U是三元锂离子电池的端电压，s代表频域量；
步骤二二：对三元锂离子动力电池内部一阶交流阻抗等效电路模型的电压回路方程进行时域分析，则所述电压回路方程转化为：
其中，K1＝R1C1L，K2＝L+R0R1C1，K3＝R0+R1，K4＝R1C1，Uocv(k)是第k个充电阶段三元锂离子电池的开路电压，U(k)第k个充电阶段的三元锂离子电池的端电压，I(k)是第k个充电阶段的充电电流；
步骤二三：利用最小二乘法对步骤二二中的K1、K2、K3和K4进行求取，实现对参数R0，R1，C1和L的辨识；
步骤二四、利用三元锂离子动力电池内部一阶交流阻抗方程和步骤二三辨识的参数R0，R1，C1和L的辨识；获得三元锂离子动力电池内部一阶交流阻抗和角频率关系函数：
其中，ωs＝2πfs，fs为三元锂离子动力电池的充放电频率，Zbattery(ωs)为三元锂离子动力电池内部一阶交流总阻抗；
步骤二五、利用角频率与频率关系，将三元锂离子动力电池内部一阶交流阻抗和充放电角频率关系函数转化为三元锂离子动力电池的内部一阶交流阻抗与充放电频率关系函数，根据当前三元锂离子动力电池的内部一阶交流阻抗值，获得三元锂离子动力电池的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，控制三元锂离子动力电池充放电；实现对三元锂离子动力电池低温交变激励预热；
步骤四、判断温度传感器采集三元锂离子动力电池的表面温度是否大于Tmin，若是，控制双向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所述三元锂离子动力电池利用自身储能激励预热的方法，其特征在于，三元锂离子电池内部一阶交流阻抗等效电路模型包括直流等效内阻R0、电荷转移等效电阻R1、交流等效电容C1、阳极等效电感L和开路等效电压源UOCV；
直流等效内阻R0的一端连接充电电源正极，直流等效内阻R0的另一端同时连接交流等效电容C1的一端和电荷转移等效电阻R1的一端；交流等效电容C1的另一端同时与电荷转移等效电阻R1的另一端和阳极等效电感L的一端连接，阳极等效电感L的另一端连接开路等效电压源UOCV的正极，开路等效电压源UOCV的负极连接充电电源负极。
3.根据权利要求1所述三元锂离子动力电池利用自身储能激励预热的方法，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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