CN111048860B - 一种动力电池直流和交流叠加激励加热方法 - Google Patents

一种动力电池直流和交流叠加激励加热方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种动力电池直流和交流叠加激励加热方法，该方法在保证电池健康状态的前提下，自动调节交流激励电压、电流幅值和频率，使动力电池始终处于峰值安全电流/电压范围，以确保电池安全和温升速率。解决了低温环境下，动力电池在高SOC段施加交流电时易超压且加热速率慢等问题。本发明还涉及电池管理系统、计算机可读介质和车辆。

Description

一种动力电池直流和交流叠加激励加热方法
技术领域
本发明涉及动力电池热管理领域，具体涉及一种动力电池交流电加热方法，尤其是针对高电量区间，本发明还涉及一种电池管理系统和车辆。
背景技术
在低温环境下，电动汽车用动力电池的启动困难，最大可用能降低，故需低温预热电池。目前低温预热方法的一大热点是正弦交流电加热方法，参见图1，然而交流加热方法对高SOC适用性不强，动力电池高SOC段施加交流激励易超电压许用上限，无法有效保证动力电池工作在安全用电范围内，因此，易造成加热后电池容量降低，寿命衰减，甚至是热失控。
因此，本发明为克服上述技术缺陷，提出了一种降电压平台的动力电池高SOC交流加热方法。
发明内容
本发明的一种动力电池直流和交流叠加激励加热方法，包括如下步骤：
1)获得当前电池温度和电池环境温度；判断是否需要加热；
2)若需要加热，则获取各参数值；
其特征在于：
3)判断动力电池端电压是否高于预设值，是，则执行直流和交流叠加激励加热；
所述直流和交流叠加激励是对动力电池进行直流和交流叠加放电，其中直流放电以Ucv值恒压放电使得交流放电的动力电池电压的正弦波的基线对应的电压值降低至电压平台U1,Ut为端电压，U1＝Ut-Ucv，
所述电压平台U1的值在所述动力电池的电压许用上限和电压许用下限之间；
4)计算交流激励的最优激励电流和最优激励频率，以最优激励电流和最优激励频率施加在动力电池两端；
所述最优激励频率计算方法为：基于电池电路模型和电池加热过程的数学方程求解任意时刻任意温度下的最优激励频率；
所述激励电流计算方法为：基于电池电路模型，结合激励频率与激励阻抗及激励电流的对应关系，利用上述求解的最优激励频率和所述电压许用上限求解任意时刻任意温度下的最优激励电流值；
5)每特定的时间间隔判断动力电池温度是否达到设定终止温度，若是，停止激励加热，电池正常工作；若否，更新最优激励电流和最优激励频率，并施加在所述动力电池两端。
其中，所述获取各参数值具体为：
动力电池端电压由传感器测得；开路电压值根据当前电池的SOC值，结合电池温度,根据控制器内预存的开路电压值与SOC值和电池温度关系获取；欧姆内阻Ri、常相位元件Qsei和Qct、常相位元件值指数nsei和nct以及动力电池总阻抗实部值Rre均由离线参数辨识得来。
其中，所述电池电路模型为：由并联后的SEI电阻与第一纯电容元件、并联后的极化阻抗与第二纯电容元件、欧姆内阻和电池开路电压串联组成。
其中，所述电池加热过程的数学方程为：
qTotal＝qAC+qDC (1)
式中：qTotal为动力电池总的生热率；qAC为动力电池AC加热部分的生热率；qDC为动力电池DC加热部分的生热率。
其中，所述离线参数辨识方法为：
首先开展动力电池不同SOC点的HPPC工况测试，然后利用测试数据根据所述的电路模型和所述数学方程进行所述电路模型的参数辨识，获得开路电压值与SOC值和电池温度关系、欧姆内阻Ri、常相位元件Qsei和Qct、和常相位元件值指数nsei和nct，辨识结果存储于BMS系统中，用于后续的最优激励电流和最优激励频率的求解。
其中，激励频率的描述方程为：
Figure GDA0002772918560000021
式中：Ri为欧姆内阻,Rct为极化阻抗,Rsei为SEI阻抗,Qct为极化部分常相位元件，Qsei为SEI部分常相位元件，nct为极化部分常相位元件指数，nSEI为SEI部分常相位元件指数，f为激励频率。
其中，最优激励电流的描述方程为：
Figure GDA0002772918560000031
激励电流为流经欧姆内阻的电流，Ut为端电压，Ut,max为许用端电压上限值，Uoc为开路电压，将电池加热前的端电压作为开路电压值初始值；fotp为最优激励频率，U1等于电压许用上限和电压许用下限的均值。
本发明还涉及一种电池管理系统，使用前述方法。
本发明还涉及一种计算机可读介质，执行程序，所述程序用于实现前述方法。
本发明还涉及一种车辆，包括动力电池，所述动力电池使用前述方法。
本发明的加热方法可以在低温环境下，动力电池高SOC段施加交流电激励过程中，确保电池端电压始终在许用的电压限值内，实现动力电池温度快速升高，提升动力电池低温环境适用性，同时保障了动力电池低温环境安全应用。
实验结果表明，本发明的加热方法可以短时将电池温度提升至安全工作温度范围且对电池寿命无明显损伤。
附图说明
图1为本发明和现有技术的激励加热对比图；
图2为本发明所述的自动调节激励电流计算方法；
图3为本发明所述的电池电路模型；
图4为本发明所述的降电压平台的高SOC交流加热方法；
图5为基于本发明所述方法温升曲线；
具体实施方式：
本发明所涉及的电池包括车用单体电池、车用动力电池包、或者车用电池组。
本发明使用OCV代表开路电压，i代表动力电池的输入的交流激励电流，T为所述动力电池温度，Tamb为环境温度。
本领域中，离线复合脉冲测试数据，简称为HPPC测试数据。
本领域中，电池管理系统，简称为BMS系统。
参见图1，本发明的激励加热是对动力电池进行直流(DC)和交流(AC)叠加放电，其中直流(DC)放电加热部分以恒压(CV)放电的形式，将动力电池交流放电部分的正弦波的基线对应的电压值降低至电压平台U1,以达到动力电池激励加热过程中电压不超电压许用上限，确保电池安全的目的。
所述电压平台U1的值在电压许用上限和电压许用下限之间，由本领域技术人员根据实际情况选取，优选地U1等于电压许用上限和电压许用下限的均值。
Ut为端电压，直流(DC)放电加热部分以Ucv恒压放电，则U1＝Ut-Ucv。
如图2所示，本发明的一种动力电池直流和交流叠加激励加热方法，需要做如下离线参数辨识以用于计算交流激励的最优激励频率和最优激励电流，如图2所示：
(a)建立分数阶电路模型：对锂离子动力电池的低温加热过程建立电路模型；
所述锂离子动力电池的电路模型，如图3所示，由并联后的SEI电阻与第一纯电容元件、并联后的极化阻抗与第二纯电容元件、欧姆内阻和电池开路电压串联组成。
(b)建立系统状态方程：基于所述电路模型，建立电池加热过程的数学方程：
qTotal＝qAC+qDC
(c)离线参数辨识：根据离线复合脉冲(HPPC)测试数据，结合遗传算法对所述电路模型进行参数辨识，并存储在BMS系统中；
所述的离线参数辨识具体为：首先开展动力电池不同SOC点的HPPC工况测试，然后利用测试数据根据所述的电路模型和所述数学方程进行所述电路模型的参数辨识，获得开路电压值与SOC值和电池温度关系、欧姆内阻Ri、常相位元件Qsei和Qct、和常相位元件值指数nsei和nct，辨识结果存储于BMS系统中，用于后续的最优激励电流和最优激励频率的求解。
根据预存的动力电池阻抗实部与电池温度的关系获取当前电池温度下的动力电池总阻抗实部。根据预存的动力电池总阻抗与电池温度的关系获取当前电池温度下的动力电池总阻抗。本发明的一种动力电池直流和交流叠加激励加热方法，如图4所示，具体包括如下步骤：
1)获得当前电池温度和电池环境温度；判断是否需要加热；
2)若需要加热，则获取电池端电压、当前电池的SOC值、电池开路电压、欧姆内阻Ri、常相位元件Qsei和Qct、常相位元件值指数nsei和nct以及动力电池总阻抗实部值Rre；
其中，动力电池端电压由传感器测得，SOC由内部BMS系统计算，开路电压值根据当前电池的SOC值，结合电池温度,根据控制器内预存的开路电压值与SOC值和电池温度关系获取，欧姆内阻Ri、常相位元件Qsei和Qct、常相位元件值指数nsei和nct以及动力电池总阻抗实部值Rre均由上述离线参数辨识得来。
3)判断是否动力电池端电压是否高于预设值，是，则执行交流电加热，否，则执行现有技术的加热方法，优选地，利用专利ZL201710439480.5提及的梯次加热方法。
4)计算交流激励加热部分的最优激励电流和最优激励频率，并将最优激励电流和最优激励频率施加给动力电池，进而执行交流电加热；
5)每特定的时间间隔判断动力电池温度是否达到设定终止温度，若是，停止交流电加热，电池正常工作；若否，执行步骤4，更新最优激励电流和最优激励频率，并施加在电池两端。
交流电最优激励电流值和最优频率值施加在动力电池两端，每特定的时间间隔更新交流电加热的最优激励电流和最优激励频率，直至达到加热终止温度。在确保动力电池不超压、容量损失不明显的前提下，该交流电激励参数可以保证电池生热率在每个时刻都能达到最大值，以实现电池短时高效加热和提升动力电池低温环境适用性。
所述最优激励频率计算方法为：基于所述电路模型，利用方程(2)求解并获得任意时刻任意温度下的最优激励频率，优选地对方程(2)获得的激励频率进行数学求导，导数最大值下的激励频率作为最优频率
由于正弦交流电加热过程中，生热率越大加热速率越快，但有可能致使动力电池端电压Ut超过允许限值，造成BMS报警，电池老化，寿命衰减等不良影响，因此，需要计算最优激励频率。
激励频率的描述方程为：
Figure GDA0002772918560000061
式中：Ri为欧姆内阻,Rct为极化阻抗,Rsei为SEI阻抗,Qct为极化部分常相位元件，Qsei为SEI部分常相位元件，nct为极化部分常相位元件指数，nSEI为SEI部分常相位元件指数，f为激励频率。
所述激励电流计算方法为：基于所述的电池电路模型，结合激励频率与激励阻抗及激励电流的对应关系计算，具体为利用数值计算方法对方程(3)求解并获得任意时刻任意温度下的最优激励电流值。为防止电池出现过充现象，最优激励电流值结合动力电池许用电压上限值Ut,max和最优频率值计算。
最优激励电流的描述方程为：
Figure GDA0002772918560000062
激励电流为流经欧姆内阻的电流，Ut为端电压，Ut,max为许用端电压上限值，Uoc为开路电压，将电池加热前的端电压作为开路电压值初始值；fopt为最优激励频率。
下面通过实验结果进一步阐明本发明优点。
选用18650型三元锂离子电池为研究对象，其额定容量为2.4Ah，充放电截止电压分别为4.2V和3V。环境温度和电池的初始温度均为-20℃，用四串电池组的温升曲线与等效电路模型的实验结果对比来验证该方法的可靠性与实用性，实验结果如图5。
根据实验结果，本发明所提出的一种降电压平台的加热方法与传统方法相比具有以下优势：
(1)该方法温度速率相对较快，570s可将单体电池温度从-20℃升高到10℃，而等效电路模型需要830s。
(2)该方法同样适用于电池组的低温加热，并进一步降低电池组的温升不一致性，380s可将四串电池组的温度从-20℃升高到10℃，最大温差为2.2℃，等效电路模型从-18.83℃升高到10℃需要820s，最大温差为4.5℃。
(3)正弦交流电加热过程中，开展了激励频率和电流优选，避免动力电池出现过充、过放、超压等现象。

Claims (10)

1.一种动力电池直流和交流叠加激励加热方法，包括如下步骤：
1)获得当前电池温度和电池环境温度；判断是否需要加热；
2)若需要加热，则获取各参数值；
其特征在于：
3)判断动力电池端电压是否高于预设值，是，则执行直流和交流叠加激励加热；
所述直流和交流叠加激励是对动力电池进行直流和交流叠加放电，其中直流放电以Ucv值恒压放电使得交流放电的动力电池电压的正弦波的基线对应的电压值降低至电压平台U1,Ut为端电压，U1＝Ut-Ucv，
所述电压平台U1的值在所述动力电池的电压许用上限和电压许用下限之间；
4)计算交流激励的最优激励电流和最优激励频率，以最优激励电流和最优激励频率施加在动力电池两端；
所述最优激励频率计算方法为：基于电池电路模型和电池加热过程的数学方程求解任意时刻任意温度下的最优激励频率；
所述激励电流计算方法为：基于电池电路模型，结合激励频率与激励阻抗及激励电流的对应关系，利用上述求解的最优激励频率和所述电压许用上限求解任意时刻任意温度下的最优激励电流值；
5)每特定的时间间隔判断动力电池温度是否达到设定终止温度，若是，停止激励加热，电池正常工作；若否，更新最优激励电流和最优激励频率，并施加在所述动力电池两端。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述获取各参数值具体为：
动力电池端电压由传感器测得；开路电压值根据当前电池的SOC值，结合电池温度,根据控制器内预存的开路电压值与SOC值和电池温度关系获取；欧姆内阻Ri、常相位元件Qsei和Qct、常相位元件值指数nsei和nct以及动力电池总阻抗实部值Rre均由离线参数辨识得来。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电池电路模型为：由并联后的SEI电阻与第一纯电容元件、并联后的极化阻抗与第二纯电容元件、欧姆内阻和电池开路电压串联组成。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电池加热过程的数学方程为：
qTotal＝qAC+qDC (1)
式中：qTotal为动力电池总的生热率；qAC为动力电池AC加热部分的生热率；qDC为动力电池DC加热部分的生热率。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述离线参数辨识方法为：
首先开展动力电池不同SOC点的HPPC工况测试，然后利用测试数据根据所述的电路模型和所述数学方程进行所述电路模型的参数辨识，获得开路电压值与SOC值和电池温度关系、欧姆内阻Ri、常相位元件Qsei和Qct、和常相位元件值指数nsei和nct，辨识结果存储于BMS系统中，用于后续的最优激励电流和最优激励频率的求解。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于：
激励频率的描述方程为：
Figure FDA0002772918550000021
式中：Ri为欧姆内阻,Rct为极化阻抗,Rsei为SEI阻抗,Qct为极化部分常相位元件，Qsei为SEI部分常相位元件，nct为极化部分常相位元件指数，nSEI为SEI部分常相位元件指数，f为激励频率。
7.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于：
最优激励电流的描述方程为：
Figure FDA0002772918550000022
激励电流为流经欧姆内阻的电流，Ut为端电压，Ut,max为许用端电压上限值，Uoc为开路电压，将电池加热前的端电压作为开路电压值初始值；fotp为最优激励频率。
8.一种电池管理系统，其特征在于，使用如权利要求1-7任意一项所述的方法，所述电压平台U1等于电压许用上限和电压许用下限的均值。
9.一种计算机可读介质，其特征在于执行程序，所述程序用于实现如权利要求1至7任一项所述的方法。
10.一种车辆，包括动力电池，其特征在于所述动力电池使用如权利要求1-7任一项所述的方法。
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