CN112151914B - 动力电池交流加热方法、装置和电动交通工具 - Google Patents

动力电池交流加热方法、装置和电动交通工具 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动力电池交流加热方法、装置和电动车，涉及电池技术，所述方法包括以下步骤：获取电池电量；当所述电池电量大于第一阈值的情况下，获取偏置电流值；获取所述电池的阻抗模型；检测所述电池的温度，根据所述阻抗模型和所述电池的温度动态计算交流频率；根据所述偏置电流值配置流经所述电池的偏置电流以及根据所述交流频率动态配置流经所述电池的交流电流。本发明通过配置直流偏置，可以在快速加热的情况下有效防止析锂现象的发生。

Description

动力电池交流加热方法、装置和电动交通工具
技术领域
本发明涉及电池技术，尤其是一种动力电池交流加热方法、装置和电动交通工具。
背景技术
在高纬度地区的冬季，新能源汽车续航能力和充电速度都会下降。这是因为锂离子动力电池在低温下内阻很大，放电时的输出电压低，充电时容易析锂。当前一般的解决方案是在热管理系统中设计能给电池升温的方法。主要有两种技术类型，一种依靠外部加热片热传导，一种是依靠电池内阻从内部加热。
外置加热的方法依赖于电池包的PTC(Positive Thermal Coefficient)热敏电阻电热片。或者，利用电机线圈产热加液态介质，再利用管道将热的介质输送到电池表面给电池加温。这种方法加热效率低，成本高。
为此，相关技术提出利用单一频率的交流电，通过控制电流幅值来安全快速地加热电池。但是，电芯在加热过程中，内阻是温度和频率的函数。因此整个加热过程若只使用一个频率，就无法确保内阻始终在最小值，也就不能在安全电压区间内使加热速度最优。一些相关技术针对这一点进行了补充，利用理论加热功率最大的频率作为交流电的输出频率。
然而在实际应用中，利用上述交流的方案进行电池加热，电池会有一定程度上发生析锂的情况。
发明内容
有鉴于此，本发明为了克服上述的技术问题中的至少之一，本方案提供一种可以减少或者缓解析锂情况的动力电池交流加热方法、装置和电动交通工具，以延长电池寿命。
在一方面，提供了一种动力电池交流加热方法，包括以下步骤：
获取电池电量；
当所述电池电量大于第一阈值的情况下，获取偏置电流值；
获取所述电池的阻抗模型；
检测所述电池的温度，根据所述阻抗模型和所述电池的温度动态计算交流频率；
根据所述偏置电流值配置流经所述电池的偏置电流以及根据所述交流频率动态配置流经所述电池的交流电流，其中，所述偏置电流为所述电池的放电电流。
在部分实施例中，所述获取偏置电流值，包括：
获取预设耗电量和预设加热时长；
将所述预设耗电量除以所述预设加热时长得到所述偏置电流值。
在部分实施例中，所述阻抗模型为：
Figure BDA0002682962360000021
其中，Z是电池阻抗，f是正弦交流的频率，Re是电池的欧姆内阻，L是电池的电感，Rct是电池的电荷转移电阻，Qct是电荷转移过程对应的恒相位元件的电容系数，α是电荷转移的相位因子。
在部分实施例中，所述根据所述阻抗模型和所述电池的温度动态计算交流频率，包括：
根据所述电池的温度进行查表得到所述阻抗模型的参数；
确定令所述阻抗模型的虚部为0的f为交流频率。
在部分实施例中，还包括以下步骤：
确定所述交流电流的电流幅值；
所述根据所述交流频率动态配置流经所述电池的交流电流，包括：
结合所述交流电流的电流幅值以及所述交流频率动态配置流经所述电池的交流电流。
在部分实施例中，所述交流电流的电流幅值Ia通过以下公式确定：
Figure BDA0002682962360000022
其中，UOCV是锂离子电池的开路电压，U0是偏置电流对锂离子电池的极化电压，U0＝I0×DCR，DCR是电池的直流内阻，Imax为设备允许电流。
在部分实施例中，所述方法还包括以下步骤：
获取目标温度；
当所述电池的温度大于等于所述目标温度，则停止加热。
在部分实施例中，所述方法还包括以下步骤：
获取预设加热时长；
当所述电池的加热时间大于或者等于所述预设加热时长，则停止加热。
在另一方面，提供了一种动力电池交流加热装置，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载所述程序以执行上述的动力电池交流加热装置。
在另一方面，提供了一种电动交通工具，包括上述的动力电池交流加热装置。
可以理解的是，上述本发明实施例可以带来以下有益效果：可以以较快的速度加热电池，并且利用本发明实施例提供的方案进行加热后，电池在充电时无明显的析锂现象，相对于现有技术所有对析锂的问题有所改善。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的一种动力电池交流加热方法的流程图；
图2是根据本发明实施例提供的一种实施图1中方法的系统的模块框图；
图3是根据本发明实施例提供的实施交流加热方法的流程图；
图4是根据本发明实施例提供的电池阻抗模型的等效电路图；
图5是根据本发明实施例提供的偏置交流和普通交流自加热的温度/时间曲线图；
图6是根据本发明实施例提供的偏置交流和普通交流自加热后电池的放电曲线图；
图7是根据本发明实施例提供的偏置交流和普通交流自加热后放电的微分电压分析图；
图8是根据本发明实施例提供的偏置交流自加热500次后的电池的循环容量保持率图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例对本申请进行进一步的说明。所描述的实施例不应视为对本申请的限制，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解,“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
参照图1，本实施例提供了一种动力电池交流加热方法，本实施例的方法可以应用在如图2所示的系统中，该系统由电源管理系统(BMS)和锂电池组成，需要理解的是在该实施例中，电池应该看成一个整体，即可以表示一个电池，也可以表示一个电池组。该方案主要通过BMS控制流经电池的电流，即控制电池的加热电流，本实施例的方法包括以下步骤：
步骤110、获取电池电量。其中，电池电量可以通过读取最近测量测量或者估算的电量，也可以基于电池的开路电压，通过查表的方式进行估算。一般情况下锂电池出厂时会附带SOC(充电状态)表，该表用于记载电池容量和开路电压之间的关系。
步骤120、当所述电池电量大于第一阈值的情况下，获取偏置电流值。
在本步骤中，由于电池电量过小的时候，添加偏置电流值会导致电池的电量放干，同时在电池容量较低的情况下加热后发生析锂的情况一般不严重。因此，当电池的剩余电量大于第一阈值的情况下，才会添加偏置电流。而偏置电流值可以是固定的，也可以根据预设的耗电量和预设的加热时长来确定。需要理解的是，偏置电流值也是可以由用户配置的。
步骤130、获取所述电池的阻抗模型。
在本步骤中，阻抗模型根据理论的不同可以有所不同，例如在一些实施例中，阻抗模型可以是：
Figure BDA0002682962360000041
其中，Z是电池阻抗，f是正弦交流的频率，Re是电池的欧姆内阻，L是电池的电感，Rct是电池的电荷转移电阻，Qct是电荷转移过程对应的恒相位元件的电容系数，α是电荷转移的相位因子。
在另一些实施例中，阻抗模型可以是：
Figure BDA0002682962360000042
其中，Zdiff可以是扩散阻抗。
可见，本步骤所采用的模型根据模型构建的理论不同可以有多种不同的模型。
步骤140、检测所述电池的温度，根据所述阻抗模型和所述电池的温度动态计算交流频率。
一般情况下，可以通过安装温度传感器来获取电池表面的温度作为电池的温度，部分电池是自带温度传感器的，以可以通过电池自带的温度传感器来获取电池的温度。在本步骤中，基于阻抗模型和当前的温度，可以得到最合适的加热频率，从而提高加热效率。一般情况下，电池的阻抗模型由实部和虚部构成，当虚部为0的时候，加热效率最高。而一般情况下虚部是频率的函数，而构成电池的阻抗的参数一般是温度的函数，而模型中各参数在与温度之间的关系可以通过实验测定。实验测量方法为：将锂电池调节至不同电量，不同温度(-20℃到25℃)，进行电化学阻抗谱测试，通过拟合，可求得阻抗模型中各参数的具体数值。
步骤150、根据所述偏置电流值配置流经所述电池的偏置电流以及根据所述交流频率动态配置流经所述电池的交流电流，其中，所述偏置电流为所述电池的放电电流。
在本步骤中，加热电流由偏置电流和交流电流组成，其中，可以用下式表示：
Iheat＝I0+Ia sin(2πft)
其中，I0为偏置电流，Ia为正弦交流电流的幅度，f是频率，t是时间。
在加热过程中，可以实时检测电池温度，然后根据模型计算出最优的参数，从而调整流经电池的电流，直到电池到达预定温度，或者加热达到预定时间后解除加热。
为了说明本方案可以缓解析锂现象，提供以下实验方案以及实验结果。
以一款电动汽车使用的三元材料动力电池为例，本发明所述的锂离子电池的低温快速自加热方法的流程如图3所示。
根据电化学阻抗谱理论构建阻抗模型。锂离子电池的阻抗可以用等效电路模型拟合，常见的模型数学表达式为：
Figure BDA0002682962360000051
其中，Z是电池阻抗，f是正弦交流的频率，Re是电池的欧姆内阻，L是电池的电感，Rct是电池的电荷转移电阻，Qct是电荷转移过程对应的恒相位元件的电容系数，α是电荷转移的相位因子。模型中的参数可由锂离子电池生产厂家提供，或者实验测量。实验测量方法为：将锂电池调节至不同电量，不同温度(-20℃到25℃)，进行电化学阻抗谱测试，通过拟合，可求得阻抗中各参数的具体数值。其中，α、Qct、Rct都是温度T的函数。
因此上式也可以表示为：
Figure BDA0002682962360000052
在本实施例中，将锂离子电池的电量依次调至90％，70％，50％，30％和10％,温箱温度依次调至-20℃，-10℃，0℃，10℃和20℃,在每个电量/温度的组合下，对锂离子电池进行电化学阻抗谱测试。最后利用图4所示的模型，拟合得到参数L，Rct，Qct和α在不同电池容量和温度下的值，完成参数标定。
经过参数标定后，阻抗模型在所标定的范围内(电量90％～10％，温度-20～20℃)，可计算自加热正弦交流电的频率。这里以电量90％的电池从-20℃加热到15℃为例，首先根据公式：
Figure BDA0002682962360000053
计算出不同温度下的正弦交流频率f0如表1。
表1.自加热正弦交流频率
温度 -20℃ -10℃ 0℃ 10℃
频率(f<sub>0</sub>) 1162Hz 936Hz 783Hz 631Hz
根据锂离子电池的产品规格书，确定对安全没有影响的电压上限Umax＝4.2V,电压下限Umin＝2.8V，90％电量的UOCV＝4.08V,电量基准SLi设为80％,预设最大容量消耗S0定为4％，预设加热时间t0＝5min，计算出偏置电流I0＝S0/t0＝0.48C，实测U0＝0.45V，用Ia公式计算Ia＝min{6.8C,8.7C,10C}＝6.8C。因此,自加热使用偏置直流0.48C，电流幅值为7C的正弦交流电，初始频率为1162Hz。
Figure BDA0002682962360000061
其中，UOCV是锂离子电池的开路电压，U0是偏置电流对锂离子电池的极化电压，U0＝I0×DCR，DCR是电池的直流内阻，Imax为设备允许电流。
将电量为90％的锂离子电池放入-20℃的环境箱中，两端接交流控制电源，设定好初始参数后开始自加热并持续监控电池温度。当温度上升至-10℃时，频率变为936Hz,温度上升至0℃后，频率变为783Hz，温度上升至10℃时，频率降低至631Hz，自加热5分钟后，停止自加热，电流归零，结束时电池温度为15℃。
为了对比偏置电流对自加热的效果，这里引入对照组，在不使用偏置电流，即I0＝0，情况下进行加热。首先计算交流的电流幅值Ia＝min{1.4C,15.3C,10C}＝1.4C，然后将电池电量调节至90％，放入-20℃环境箱，开始用正弦交流信号自加热，电流幅值1.4C。监控电池温度，按照表1的频率进行交流加热，5分钟后停止。两种方法加热电池的温度/时间曲线如图5所示。
两种方法自加热5分钟后的温度不同，为了验证不同自加热方法对充电析锂和放电容量的改善效果，在自加热完成后，立即对电池用1C电流进行恒流恒压充电，截止电流设为0.05C,充满后立即放电。如图6放电曲线所示，由于偏置交流自加热后电池温度高，因此放电电压和放电容量均明显高于普通交流加热。图7是两条放电曲线的微分电压分析图。偏置交流加热的电池，在1C的大电流下充电，因温度较高，未发生析锂，没有明显的析锂特征峰。而普通交流加热后，由于温度偏低，放电微分电流曲线有明显的析锂特征峰，这说明负极在充电时发生析锂。
为了测试自加热过程对电池寿命的影响，在电池常温放电的过程中，放电至90％电量时，将电池移入-20℃环境箱，进行5次偏置交流自加热，待电池恢复常温后继续放电至70％电量，将电池移入-20℃环境箱进行5次自加热，以此类推，放电至50％，30％，10％电量时，各进行5次自加热。放电至截止电位后，正常充电至100％电量。对该电池重复进行上述放电，自加热，充电循环20次，即自加热次数达到500次后，结束自加热循环测试。
将经过自加热测试的电池，和普通电池在常温下一起进行1C/1C充放电循环测试。如图8所示，经过500个循环的电池，循环容量保持率同正常电池几乎无区别，因此可以认为自加热对电池的循环性能无明显不良影响。
综上所述，该方法可以在5分钟内把电池从-20℃加热到15℃，自加热后充电析锂问题明显改善，为解决低温下快速充电提供了一种解决方案。另外，低温环境下的放电容量和放电能量明显提升。循环寿命测试进一步表明在很宽的容量范围内采用自加热技术对电池寿命无影响。偏置交流自加热技术为冬季电动交通工具快充和长续航提供了一种可行的方案。
从上述例子可知，本实施例可以带来的效果包括：根据温度和电量，自动匹配最佳频率和电流。加热速度快，在高电量情况下也能快速加热电池。可以在5分钟内将锂离子电池从-20℃自加热到15℃以上。自加热后锂离子电池内阻大幅减小，充电不析锂，放电性能大幅提高。对电池安全和寿命无不良影响。
在部分实施例中，所述获取偏置电流值，包括：
获取预设耗电量和预设加热时长；
将所述预设耗电量除以所述预设加热时长得到所述偏置电流值。
在这些实施例中，偏置电流值不是固定的，而是可以通过设置预设耗电量和预设加热时长来计算得到的，在这些实施例中，用户可以通过配置上述参数来设置偏置电流。在电动交通工具出厂之前，也可以根据等待时长或者加热效果等为用户提供几组参数，以便用户快速设置。
在部分实施例中，所述阻抗模型为：
Figure BDA0002682962360000071
其中，Z是电池阻抗，f是正弦交流的频率，Re是电池的欧姆内阻，L是电池的电感，Rct是电池的电荷转移电阻，Qct是电荷转移过程对应的恒相位元件的电容系数，α是电荷转移的相位因子。
在部分实施例中，所述根据所述阻抗模型和所述电池的温度动态计算交流频率，包括：
根据所述电池的温度进行查表得到所述阻抗模型的参数；
确定令所述阻抗模型的虚部为0的f为交流频率。
在相关技术中，计算加热功率使用的阻抗，是电池总阻抗。但是，电池自身的电感，集流体电阻这两个部分带来的极化，和电池的电化学反应极化，并没有关系。计算加热功率时，考虑这部分的极化，会降低加热效率。另外，极化电压的幅值范围没有针对电量的优化设计。电池在高电量状态下，安全使用的充电极化电压幅值范围很小，交流电的幅值小，导致加热功率偏小。
在这些实施例中，选择令阻抗模型虚部为0的f为交流频率，当模型的虚部为0的时候理论上的加热效率最高，功率都用于产热，相对于现有技术的加热效率更高。
在部分实施例中，还包括以下步骤：
确定所述交流电流的电流幅值；
所述根据所述交流频率动态配置流经所述电池的交流电流，包括：
结合所述交流电流的电流幅值以及所述交流频率动态配置流经所述电池的交流电流。
在部分实施例中，所述交流电流的电流幅值Ia通过以下公式确定：
Figure BDA0002682962360000081
其中，UOCV是锂离子电池的开路电压，U0是偏置电流对锂离子电池的极化电压，U0＝I0×DCR，DCR是电池的直流内阻，Imax为设备允许电流。
具体地，本实施例为了在允许的范围内选择出最大的电流来提高加热效率，综合考虑电子电力设备的安全电流上限Imax和安全电压边界内容许的电流。
在部分实施例中，所述方法还包括以下步骤：
获取目标温度；
当所述电池的温度大于等于所述目标温度，则停止加热。
例如，目标温度是25摄氏度，而电池当前温度是10摄氏度，则先获取25摄氏度这个目标温度，然后实时检测电池温度，直到某一刻检测的电池温度大于等于25摄氏度，才会停止加热。
在这些实施例中，根据电池的温度作为停止的条件，适用于允许等待的场景下，由于电池所处环境存在差异，环境温度或者传热条件不同，每次加热的时间均不确定。
在部分实施例中，所述方法还包括以下步骤：
获取预设加热时长；
当所述电池的加热时间大于或者等于所述预设加热时长，则停止加热。
例如，预设加热时长是3分钟，则开始加热时会进行倒计时，3分钟结束后会停止加热。
在这些实施例中，根据电池加热的时长来作为停止的条件，适用于时间敏感的场景下，同样，由于电池所处的环境存在差异，环境温度或者传热条件不同，因此每次加热后电池的温度都不确定。
本实施例提供了一种动力电池交流加热装置，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载所述程序以执行上述的动力电池交流加热装置。
其中，该实施例所描述的装置可以作为BMS中的一部分。在部分场景中，为电池充电之前，先利用充电桩的交流电产生加热电流，对电池进行加热，然后再进行充电。
本实施例提供了一种电动交通工具，包括上述的动力电池交流加热装置。需要理解的是在本实施例中所指的电动交通工具，包括电动汽车、电动自行车、电动船舶和电动飞机等。
以上是对本申请的较佳实施进行了具体说明，但本申请并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种动力电池交流加热方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取电池电量；
当所述电池电量大于第一阈值的情况下，获取偏置电流值；
获取所述电池的阻抗模型；
检测所述电池的温度，根据所述阻抗模型和所述电池的温度动态计算交流频率；
根据所述偏置电流值配置流经所述电池的偏置电流以及根据所述交流频率动态配置流经所述电池的交流电流，其中，所述偏置电流为所述电池的放电电流；
根据以下公式得到加热电流：
Figure 608404DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 3613DEST_PATH_IMAGE002
为所述加热电流，I 0 为所述偏置电流，I a 为所述交流电流的幅度，f是频率，t是 时间；
其中，所述获取偏置电流值，包括：
获取预设耗电量和预设加热时长；
将所述预设耗电量除以所述预设加热时长得到所述偏置电流值。
2.根据权利要求1所述的一种动力电池交流加热方法，其特征在于，所述阻抗模型为：
Figure 614723DEST_PATH_IMAGE003
其中，Z是电池阻抗，f是正弦交流的频率，R e 是电池的欧姆内阻，L是电池的电感，R ct 是 电池的电荷转移电阻，Q ct 是电荷转移过程对应的恒相位元件的电容系数，α是电荷转移的相 位因子，
Figure 437185DEST_PATH_IMAGE004
是虚部单位。
3.根据权利要求2所述的一种动力电池交流加热方法，其特征在于，所述根据所述阻抗模型和所述电池的温度动态计算交流频率，包括：
根据所述电池的温度进行查表得到所述阻抗模型的参数；
确定令所述阻抗模型的虚部为0的f为交流频率。
4.根据权利要求1所述的一种动力电池交流加热方法，其特征在于，还包括以下步骤：
确定所述交流电流的电流幅值；
所述根据所述交流频率动态配置流经所述电池的交流电流，包括：
结合所述交流电流的电流幅值以及所述交流频率动态配置流经所述电池的交流电流。
5.根据权利要求1所述的一种动力电池交流加热方法，其特征在于，所述交流电流的电流幅值I a 通过以下公式确定：
Figure 32115DEST_PATH_IMAGE005
其中，U OCV 是锂离子电池的开路电压，U 0 是偏置电流对锂离子电池的极化电压，U 0 = I 0 × DCR，DCR是电池的直流内阻，I max 为设备允许电流，
Figure 231015DEST_PATH_IMAGE006
是电压上限，
Figure 899893DEST_PATH_IMAGE007
是电压下限，
Figure 457039DEST_PATH_IMAGE008
是正弦 交流频率。
6.根据权利要求1所述的一种动力电池交流加热方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
获取目标温度；
当所述电池的温度大于等于所述目标温度，则停止加热。
7.根据权利要求1所述的一种动力电池交流加热方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
获取预设加热时长；
当所述电池的加热时间大于或者等于所述预设加热时长，则停止加热。
8.一种动力电池交流加热装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储程序；
处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求1-7任一项所述的动力电池交流加热装置。
9.一种电动交通工具，其特征在于，包括如权利要求8所述的动力电池交流加热装置。
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