CN112670622A - 一种基于恒流恒压充放电的低温锂离子电池交流预热方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提出了基于恒流恒压充放电的低温锂离子电池交流预热方法及系统，包括：确定待充电电池的安全电流阈值及电池电压安全阈值；采用恒流恒压充电模式和恒流恒压放电模式交替对电池进行交流预热；其中，恒流恒压充电模式下以待充电电池的安全电流阈值对电池进行充电，检测到电池端电压达到安全电压阈值上限时，恒定电压安全电压阈值上限继续充电；恒流恒压放电模式下以电池的安全电流阈值对电池进行放电，检测到电池端电压达到安全电压阈值下限时，恒定电压安全电压阈值上限继续放电。在电池电流电压安全阈值内进行预热，降低对电池的损伤；以电池安全电流最大值进行预热，提高预热效率。
Description
技术领域
本公开属于电池加热技术领域，尤其涉及基于恒流恒压充放电的低温锂离子电池交流预热方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着电动汽车的快速发展和大规模推广应用，锂离子电池以其独特的优势是成为电动汽车动力驱动的首选。然而，在低温环境下(0℃)，锂电池的充电速度会急剧变慢，由于副反应导致负极析锂而不是锂离子嵌入，严重影响电池的循环寿命和使用安全。在低温下，能量密度和功率密度降低，锂电池性能差，极大地降低了电动汽车的续航里程。因此，对低温电池进行预热，提高电池性能，意义重大。
现有的电池低温加热技术可以分为外部加热和内部加热两大类。外部加热利用外部热源，如加热膜或加热板，通过传热介质从外部实现电池加热。但往往加热效率较低、速率较慢，特别是容易在电池内部形成较大的温度梯度，导致电池不一致性增大、电池寿命衰退加速。而内部加热方法是指在充放电过程中直接利用电池内阻从电芯内部产热，温度一致性较好，同时具有加热速度快、效率高等优点。其中，内部交流加热方法嵌锂和脱锂交替进行，避免了锂的析出和电池SOC的持续变化，对电池损害小，成为当前低温预热技术的热点，但现有车载内部交流加热方法都采用安装外部加热拓扑或交流电源等加热系统，成本较高，占用空间。此外，现有内部交流加热过程中，电池电压容易超过电池所允许的安全范围，对电池造成一定的损伤。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了基于恒流恒压充放电的低温锂离子电池交流预热方法，利用双向充电系统在电池安全阈值内以最大充放电潜能加热，具有预热速度快、对电池损伤小且无需额外的加热系统等优点。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了基于恒流恒压充放电的低温锂离子电池交流预热方法，包括：
确定待充电电池的安全电流阈值及电池电压安全阈值；
采用恒流恒压充电模式和恒流恒压放电模式交替对电池进行交流预热；
其中，恒流恒压充电模式下以待充电电池的安全电流阈值对电池进行充电，检测到电池端电压达到安全电压阈值上限时，恒定电压安全电压阈值上限继续充电；
恒流恒压放电模式下以电池的安全电流阈值对电池进行放电，检测到电池端电压达到安全电压阈值下限时，恒定电压安全电压阈值上限继续放电。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本公开基于基于恒流恒压充放电的低温锂离子电池交流预热方法，在保证电池端电压不超过安全阈值的前提下，实现电池在低温环境下的快速预热。
考虑到现有加热系统的成本和复杂性，该方法可以依靠充电设备来实现，避免电池改装，节省电池组空间，特别是无需另外的交流电源、加热拓扑等加热系统。随着车载充电桩迅速发展，这种方法可以集成到双向大功率直流充电桩中，实现低温加热充电，甚至可以直接应用于未来车辆到电网(V2G)场景中的车辆和固定储能系统。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例子低温交流预热策略流程框图；
图2为本公开实施例子中电池预热中电池两端电流和电压的曲线图；
图3为本公开实施例子中锂电池加热过程中的温升曲线图；
图4为传统恒定幅值交流加热方式温升曲线图；
图5为本公开实施例子中双向充电系统与电池连接图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了基于恒流恒压充放电的低温锂离子电池交流预热方法，该方法的具体步骤为：
根据电池的产品规格书，确定电池安全电流阈值I，并以此为施加电流的幅值，同时确定电池电压安全阈值Umax/Umin。
参见附图5所示，利用现有市场上大功率直流双向充电系统(由AC-DC和DC-DC两级拓扑组成，对电池进行充放电)，根据其0.01Hz-10Hz的输出电流频率范围，确定交流电流的周期T，采用恒流恒压充电模式和恒流恒压放电模式交替对电池进行交流预热。
恒流恒压充电模式：
以电池安全电流最大值I对18650NCM523单体锂电池进行充电，电池管理系统发送给充电系统电池所允许的电压上限Umax，一旦充电系统检测到电池端电压达到安全电压阈值上限Umax，恒定电压Umax继续充电，直到总时间达到T/2切换为恒流恒压放电模式；整个过程电池管理系统实时监测温度，当电池温度达到目标温度Tb时，停止预热。
恒流恒压放电模式：
以电池安全电流最大值I对电池进行放电，一旦充电系统检测到电池端电压达到安全电压阈值下限Umin，恒定电压Umin继续放电，直到总时间达到T/2切换为恒流恒压充电模式；整个过程实时监测温度，当电池温度达到目标温度Tb时，停止预热。
更为具体的例子：
针对力神公司的三元材料动力电池为例进行说明。
如图1所示的流程框图，首先，根据此电池的产品规格书，确定该电池允许通过的最大电流值10A，同时确定电池电压安全阈值Umax＝4.5V/Umin＝2.8V。
其次，利用双向充电系统，根据其DC-DC变换环节0.01Hz-10Hz输出电流频率范围，选择交流电流的周期T＝20s。
恒流恒压充电加热模式：
充放电系统以10A恒定电流对电池进行充电加热，检测电池电压达到4.5V后恒定电压为4.5V继续充电加热，直到恒流恒压充电总时间达到10s，切换为恒流恒压放电加热模式。全过程实时检测电池表面温度，达到5℃后加热结束。
恒流恒压放电加热模式：
充放电系统以-10A恒定电流对电池进行放电加热，检测电池电压达到2.8V后恒定电压为2.8V继续放电加热，直到恒流恒压放电总时间达到10s，切换为恒流恒压充电加热模式。全过程实时检测电池表面温度，达到5℃后加热结束。
图2即为周期T＝20s的加热过程电池两端电流电压值，由图可知，加热初始阶段，由于电池内阻较大，电池电压很快达到安全阈值，很快进入恒压模式。电池加热过程后期，随着温度的升高，阻抗减小，恒流的时间逐渐增大，370s之后几乎全部为恒流充放电模式。此外，从图中可以看出，电池电流电压均在电池所允许的安全范围内，对电池损伤小。
图3为周期T＝10s、20s、100s三个数值的加热对比实验图，三个不同周期内使用此方法均可在8分钟内将电池从-20℃加热至5℃。
传统加热方法是以恒定幅值的交流电流对电池进行加热，交流电流幅值一般控制在7.5A(3C)以内。图4即为以恒定幅值(3C)交流电流对电池加热温升图，由图可知，加热10分钟只加热到-7℃，离目标温度5℃相差甚远。因此，与传统方法相比，该专利所提出的预热方法加热速度快。
实施例二
本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法所述的步骤。
实施例四
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述方法所述的步骤。
以上实施例的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。
本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (10)
1.基于恒流恒压充放电的低温锂离子电池交流预热方法，其特征是，包括：
确定待充电电池的安全电流阈值及电池电压安全阈值；
采用恒流恒压充电模式和恒流恒压放电模式交替对电池进行交流预热；
其中，恒流恒压充电模式下以待充电电池的安全电流阈值对电池进行充电，检测到电池端电压达到安全电压阈值上限时，恒定电压安全电压阈值上限继续充电；
恒流恒压放电模式下以电池的安全电流阈值对电池进行放电，检测到电池端电压达到安全电压阈值下限时，恒定电压安全电压阈值上限继续放电。
2.如权利要求1所述的基于恒流恒压充放电的低温锂离子电池交流预热方法，其特征是，利用电池双向充电系统处于恒流恒压充电模式和恒流恒压放电模式，产生一定频率和幅值的交流电流，通过对电池交流充放电，利用电池的欧姆产热和电化学产热实现对电池由内到外预热。
3.如权利要求1所述的基于恒流恒压充放电的低温锂离子电池交流预热方法，其特征是，恒流恒压充电模式下，恒定电压安全电压阈值上限继续放电直到总时间达到T/2切换为恒流恒压放电模式，交流电流的周期为T。
4.如权利要求1所述的基于恒流恒压充放电的低温锂离子电池交流预热方法，其特征是，恒流恒压充电模式下，实时监测温度，当电池温度达到目标温度时，停止预热。
5.如权利要求1所述的基于恒流恒压充放电的低温锂离子电池交流预热方法，其特征是，恒流恒压放电模式下，恒定电压安全电压阈值上限继续放电，直到总时间达到T/2切换为恒流恒压充电模式，交流电流的周期为T。
6.如权利要求1所述的基于恒流恒压充放电的低温锂离子电池交流预热方法，其特征是，恒流恒压放电模式下，实时监测温度，当电池温度达到目标温度时，停止预热。
7.一种基于恒流恒压充放电的低温锂离子电池交流预热系统，其特征是，包括：
阈值确定模块，用于确定待充电电池的安全电流阈值及电池电压安全阈值；
交流预热模块，用于采用恒流恒压充电模式和恒流恒压放电模式交替对电池进行交流预热；
其中，恒流恒压充电模式下以待充电电池的安全电流阈值对电池进行充电，检测到电池端电压达到安全电压阈值上限时，恒定电压安全电压阈值上限继续充电；
恒流恒压放电模式下以电池的安全电流阈值对电池进行放电，检测到电池端电压达到安全电压阈值下限时，恒定电压安全电压阈值上限继续放电。
8.一种计算装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-6任一所述的方法所述的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时执行权利要求1-6任一所述的方法的步骤。
10.一种系统，其特征是，包括电池系统及双向充电系统，所述双向充电系统位于电池系统与电网之间，用于双向充电，所述双向充电系统被配置为采用权利要求1-6任一所述的方法的步骤进行预热。
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