CN112769178A - 一种脉冲式充电最优频率的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脉冲式充电最优频率的获取方法，包括以下步骤：将充电机与二次电池电气连接；记录起始脉冲充电频率f₀时的充电电流I₀和充电电压U₀，确定脉冲充电频率f₀时的阻抗Z₀；在所述充电电流I₀或充电电压U₀上叠加频率为f₀‑Δf和f₀+Δf的电流信号或电压信号并在电池端口检测得到对应频率的电压或电流响应，或改变脉冲充电频率为f₀‑Δf和f₀+Δf，确定频率为f₀‑Δf时的阻抗Z_0‑和频率为f₀+Δf时的阻抗Z₀₊；选择阻抗Z₀、Z_0‑和Z₀₊中幅值最小的所对应的频率作为最优脉冲频率；重复上述步骤，得到持续更新的最优脉冲频率，解决了现有利用专门测试设备获取脉冲式充电最优频率时成本高且工作量大和耗时长的问题，无需专门的测试设备，操作简便，耗时短且无需反复进行充放电测试。

Description

一种脉冲式充电最优频率的获取方法

技术领域

本发明涉及充电技术领域，尤其涉及一种脉冲式充电最优频率的获取方法。

背景技术

近年来，随着电动汽车、电化学储能等行业的快速发展，二次电池(即可充电电池)的技术发展迅速，二次电池目前主要有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等几种类型，通常由正极材料、负极材料、电解液等部分组成。

但是二次电池在充电过程中会发生电极极化现象(当电池有电流通过，使电极偏离了平衡电极电位的现象，称为电极极化，比较常见的电极极化现象分三种，参见图1，1)、电化学极化，是由各种类型的电化学本身不可逆引起的极化；2)浓差极化，是由于反应物消耗引起电极表面得不到及时补充(或是某种产物在电极表面积累，不能及时疏散)引起的极化；3)欧姆极化，是由于电解液、电极材料以及导电材料之间存在的接触电阻所引起的极化。

传统的充电方式为恒流-恒压式充电，在该种充电方式下，随着充电的进行，电池内部浓差极化加剧，负极堆积过多锂离子形成锂枝晶，一方面影响反应速度，另一反面不断生长的锂枝晶可能会刺破隔膜造成电池内部短路，产生鼓包甚至爆炸现象。

通过如图2所示的典型脉冲充电方式，在充电过程中给电池提供休息时间，使电池内部离子中和、分散，减弱了浓差极化，有助于提升充电速度，降低电池温升，增加充电深度，提升电池寿命，但利用脉冲充电方式时如何确定脉冲频率仍然是个难题，传统方式是利用专门的测试设备，如电化学阻抗分析仪等，对待充电池进行大量的测试，根据充电结果确定较优的脉冲频率，但是此种方式工作量大，耗时长，需要反复进行充放电测试，才能获得有效结果，而且专门测试设备价格高昂，且在使用过程中最优脉冲充电频率是变化的，如果始终以初始测试标定好的脉冲频率充电是不科学的。

发明内容

本发明提供一种脉冲式充电最优频率的获取方法，解决了现有利用专门测试设备获取脉冲式充电最优频率时成本高且工作量大和耗时长的问题，无需专门的测试设备，操作简便，耗时短且无需反复进行充放电测试。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明公开一种脉冲式充电最优频率的获取方法，包括以下步骤：

将充电机与二次电池电气连接；

记录起始脉冲充电频率f₀时的充电电流I₀和充电电压U₀，确定起始脉冲充电频率f₀时的阻抗Z₀；

在所述充电电流I₀或充电电压U₀上叠加频率为f₀-Δf和f₀+Δf的电流信号或电压信号并在电池端口检测得到对应频率的电压或电流响应，或改变脉冲充电频率为f₀-Δf和f₀+Δf，确定频率为f₀-Δf时的阻抗Z_0-和频率为f₀+Δf时的阻抗Z₀₊；

选择阻抗Z₀、Z_0-和Z₀₊中幅值最小的所对应的频率作为最优脉冲频率；

重复上述步骤，得到持续更新的最优脉冲频率。

进一步地，在所述充电电流I₀或充电电压U₀上叠加的频率为f₀-Δf和f₀+Δf的电流信号或电压信号为脉冲信号。

进一步地，所述充电电流I₀或充电电压U₀上叠加的频率为f₀-Δf和f₀+Δf的电流信号或电压信号的有效值小于充电电流I₀或充电电压U₀有效值的10％。

进一步地，所述充电电流I₀和充电电压U₀均为矢量。

进一步地，所述充电电流I₀或充电电压U₀上叠加的频率为f₀-Δf和f₀+Δf的电流信号或电压信号的持续时间不少于一个完整周期。

有益技术效果：

1、本发明公开的一种脉冲式充电最优频率的获取方法，包括以下步骤：将充电机与二次电池电气连接；记录起始脉冲充电频率f₀时的充电电流I₀和充电电压U₀，确定起始脉冲充电频率f₀时的阻抗Z₀；在所述充电电流I₀或充电电压U₀上叠加频率为f₀-Δf和f₀+Δf的电流信号或电压信号并在电池端口检测得到对应频率的电压或电流响应，或改变脉冲充电频率为f₀-Δf和f₀+Δf，确定频率为f₀-Δf时的阻抗Z_0-和频率为f₀+Δf时的阻抗Z₀₊；选择阻抗Z₀、Z_0-和Z₀₊中幅值最小的所对应的频率作为最优脉冲频率；重复上述步骤，得到持续更新的最优脉冲频率，解决了现有利用专门测试设备获取脉冲式充电最优频率时成本高且工作量大和耗时长的问题，无需专门的测试设备，操作简便，耗时短且无需反复进行充放电测试；

2、本发明公开的一种脉冲式充电最优频率的获取方法，适用性较强，不依赖于二次电池出厂时标注的参数，当遇到电池老化、充电环境温度变化等情况时，该方法仍能够检测并计算出最优的脉冲充电频率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为二次电池常见三种电极极化的示意图；

图2为典型脉冲充电方式；

图3为锂电池典型阻抗频谱图；

图4为本发明一种脉冲式充电最优频率的获取方法中实施例一的电路结构示意图；

图5为本发明一种脉冲式充电最优频率的获取方法中实施例二的电路结构示意图；

图6为本发明一种脉冲式充电最优频率的获取方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。

图3中，横坐标为频率f，纵坐标为阻抗幅值|Z|，我们一般将阻抗幅值最低处的频率定义为f_{z min}，通常我们认为以f_{z min}频率为的脉冲电流进行充电，能够达到最佳的效果；电池在充电过程中，荷电状态(SOC)和电芯温度都在变化，因此充电过程中f_{z min}是变化的。

为了在充电过程中不断获取脉冲充电的最优频率f_{z min}并按此频率进行脉冲充电，本发明公开一种脉冲式充电最优频率的获取方法，参见图6，包括以下步骤：

S1：将充电机与二次电池电气连接；

S2：记录起始脉冲充电频率f₀时的充电电流I₀和充电电压U₀，确定起始脉冲充电频率f₀时的阻抗Z₀；在所述充电电流I₀或充电电压U₀上叠加频率为f₀-Δf和f₀+Δf的电流信号或电压信号并在电池端口检测得到对应频率的电压或电流响应，或改变脉冲充电频率为f₀-Δf和f₀+Δf，确定频率为f₀-Δf时的阻抗Z_0-和频率为f₀+Δf时的阻抗Z₀₊；

S3：选择阻抗Z₀、Z_0-和Z₀₊中幅值最小的所对应的频率作为最优脉冲频率；

S4：重复上述步骤，得到持续更新的最优脉冲频率

实施例一：

实施例一以充电过程中叠加正弦波电流信号并检测电压响应为例进行说明，参见图4，可以理解的是，叠加信号还包括但不限于方波、三角波、梯形波等脉冲信号，另外除注入电流信号外，也可注入电压信号，并检测电流响应。

闭合接触器K1和K2，将充电机和电池建立电气连接，以f₀＝1000Hz开始进行脉冲充电，充电电流为I₀，充电电压分别为U₀，I₀和U₀为矢量，即同时包含幅值和相位信息；

通过控制充电机的输出特性，在充电电流I₀上叠加频率为f₀-Δf和f₀+Δf的正弦波电流ΔI_0-和ΔI₀₊，ΔI_0-和ΔI₀₊为矢量，持续时间至少为1个完整周期，有效值约为I₀的5％。Δf约为f₀的5％；

充电机利用自身的电压传感器，检测并记录注入电流信号时电池端口的电压响应，记为U′，U′为矢量，利用上述公式(1)所示的傅里叶级数公式，将U′进行傅里叶级数分解，得到频率为f₀-Δf和f₀+Δf的电压分量ΔU₀′_-和ΔU₀′₊，类似的，将I₀和U₀进行傅里叶级数分解，得到频率为f₀的电流电压分量

和

根据公式(3)-(5)可分别计算求得电池在频率为f₀-Δf，f₀，f₀+Δf三个点的阻抗分别为Z_0-，Z₀，Z₀₊；

其中，

f(t)为目标函数，a_n为第n次谐波的余弦分量系数，b_n为第n次谐波的正弦分量系数，ω为基波角频率，T为一个时间周期。

选择其中阻抗幅值最小处所对应的频率f_{z min 0}作为当前状态的优选脉冲频率，并以此频率进行脉冲式充电。

重复上述步骤，以不断更新的脉冲频率f_{z min 2}，f_{z min 3}，f_{z min 4}…进行脉冲式充电，直至充电过程结束。

实施例二：

实施例二以不在充电电流或充电电压上叠加电流信号或电压信号，直接改变脉冲充电的频率为例，参见图5。

闭合接触器K1和K2，将充电机和电池建立电气连接，以f₀＝1000Hz开始进行脉冲充电，充电电流为I₀，充电电压为U₀，I₀和U₀为矢量，即同时包含幅值和相位信息；

利用上述公式(1)所示的傅里叶级数公式，将I₀和U₀分别进行傅里叶级数分解，得到频率为f₀的电流电压分量

和

根据公式

可计算求得电池在频率f₀为处的阻抗Z₀；

将脉冲充电频率更改为f₀+Δf，其中Δf约为f₀的5％，记录充电机的充电电流和充电电压分别为I₀₊和U₀₊，将I₀₊和U₀₊根据公式(1)进行傅里叶级数分解，得到f₀+Δf频率下的电流电压分量

和

根据公式

计算得到f₀+Δf频率下的阻抗Z₀₊；

将冲充电频率更改为f₀-Δf，其中Δf约为f₀的5％，记录充电机的充电电流和充电电压分别为I_0-和U_0-，将I_0-和U_0-根上述公式(1)进行傅里叶级数分解，得到f₀-Δf频率下的电流电压分量

和

根据公式

计算得到f₀-Δf频率下的阻抗Z_0-；

比较Z₀，Z₀₊，Z_0-，选择其中阻抗幅值最小处所对应的频率作为优选脉冲频率；

重复上述步骤，以不断更新的脉冲频率f_{z min 2}，f_{z min 3}，f_{z min 4}…进行脉冲式充电，直至充电过程结束。

本发明公开的一种脉冲式充电最优频率的获取方法，无需专门的测试设备，仅需在充电机上进行软件升级，操作简便，耗时短且无需反复进行充放电测试，便能获得最优的脉冲充电频率；适应性较强，不依赖于二次电池出厂时标注的参数，当遇到电池老化、充电环境温度变化等情况时，该方法仍能够检测并计算出最优的脉冲充电频率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种脉冲式充电最优频率的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

将充电机与二次电池电气连接；

记录起始脉冲充电频率f₀时的充电电流I₀和充电电压U₀，确定起始脉冲充电频率f₀时的阻抗Z₀；

在所述充电电流I₀或充电电压U₀上叠加频率为f₀-Δf和f₀+Δf的电流信号或电压信号并在电池端口检测得到对应频率的电压或电流响应，或改变脉冲充电频率为f₀-Δf和f₀+Δf，确定频率为f₀-Δf时的阻抗Z_0-和频率为f₀+Δf时的阻抗Z₀₊；

选择阻抗Z₀、Z_0-和Z₀₊中幅值最小的所对应的频率作为最优脉冲频率；

重复上述步骤，得到持续更新的最优脉冲频率。

2.根据权利1所述的一种脉冲式充电最优频率的获取方法，其特征在于，在所述充电电流I₀或充电电压U₀上叠加的频率为f₀-Δf和f₀+Δf的电流信号或电压信号为脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的一种脉冲式充电最优频率的获取方法，其特征在于，所述充电电流I₀或充电电压U₀上叠加的频率为f₀-Δf和f₀+Δf的电流信号或电压信号的有效值小于充电电流I₀或充电电压U₀有效值的10％。

4.根据权利要求1所述的一种脉冲式充电最优频率的获取方法，其特征在于，所述充电电流I₀和充电电压U₀均为矢量。

5.根据权利要求1所述的一种脉冲式充电最优频率的获取方法，其特征在于，所述充电电流I₀或充电电压U₀上叠加的频率为f₀-Δf和f₀+Δf的电流信号或电压信号的持续时间不少于一个完整周期。

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