CN115084724A - 车辆及锂枝晶控制方法、电池管理系统和计算机设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种锂枝晶控制方法和电池管理系统，控制方法包括在电池管理系统充电后，获取锂离子电芯组容量，根据锂离子电芯组容量启动钠离子电芯组自加热程序，将锂离子电芯组加热至预设温度范围，当锂离子电芯组被加热至预设温度范围后，按照预设充放电倍率对锂离子电芯组进行预设次数的充放电循环。电池管理系统包括锂离子电芯组、钠离子电芯组和控制器，锂离子电芯组包括多个锂离子电芯，钠离子电芯组包括多个钠离子电芯，钠离子电芯与锂离子电芯交错排布，控制器与锂离子电芯组和钠离子电芯组电连接。本申请通过钠离子电芯组自加热提供锂离子电芯组温度，降低了加热模块的设计成本，实现方法简单有效。

Description

车辆及锂枝晶控制方法、电池管理系统和计算机设备

技术领域

本申请涉及动力电池技术领域，尤其涉及一种锂枝晶控制方法、电池管理系统、计算机设备及车辆。

背景技术

锂离子电池在充电过程中，锂离子还原时会形成锂枝晶，锂枝晶的生长会导致锂离子电池性能下降。甚至锂枝晶的形成还会刺穿隔膜导致锂离子电池内部短接，造成电池的热失控引发燃烧爆炸。

相关技术中，通过优化电解液与添加剂、隔膜工艺材料来抑制锂枝晶的生长，成本较高，电芯使用寿命较短。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例期望提供一种锂枝晶控制方法、电池管理系统、计算机设备及车辆，降低抑制锂枝晶生长的成本，提高电芯的使用寿命。

为达到上述目的，本申请实施例的技术方案是这样实现的：

本申请的一方面，提供了一种电池管理系统，包括：

锂离子电芯组，包括多个锂离子电芯；

钠离子电芯组，包括多个钠离子电芯，所述钠离子电芯与所述锂离子电芯交错排布；

控制器，与所述锂离子电芯组和所述钠离子电芯组电连接。

进一步地，所述控制器包括：

容量获取模块，用于获取并存储所述锂离子电芯组容量；

加热模块，用于根据所述锂离子电芯组容量启动钠离子电芯组自加热程序，将所述锂离子电芯组加热至预设温度范围；

充放电模块，用于当所述锂离子电芯组被加热至所述预设温度范围后，按照预设充放电倍率对所述锂离子电芯组进行预设次数的充放电循环。

本申请的第二方面，提供了一种锂枝晶控制方法，包括：

在电池管理系统充电后，获取锂离子电芯组容量；

根据所述锂离子电芯组容量启动钠离子电芯组自加热程序，将所述锂离子电芯组加热至预设温度范围；

当所述锂离子电芯组被加热至所述预设温度范围后，按照预设充放电倍率对所述锂离子电芯组进行预设次数的充放电循环。

进一步地，根据所述锂离子电芯组容量启动所述钠离子电芯组自加热程序的步骤，具体包括：

获取所述电池管理系统充电前的第一电池健康度；

根据所述锂离子电芯组容量计算第二电池健康度；

若所述第二电池健康度相比于所述第一电池健康度的降低率大于预设百分比，启动所述钠离子电芯组自加热程序。

进一步地，所述预设百分比为2％～4％。

进一步地，所述预设温度范围为40℃～60℃。

进一步地，按照预设充放电倍率对所述锂离子电芯组进行预设次数的充放电循环的步骤，具体包括：

采用0.05C-0.1C的充放电倍率对所述锂离子电芯组循环充放电3～5次。

进一步地，所述控制方法还包括：

所述充放电循环结束后，对所述钠离子电芯组充电。

本申请的第三方面，提供了一种计算机设备，包括一个或多个处理模块，所述处理模块配置为执行存储在存储模块中的计算机指令，以执行上述控制方法。

本申请的第四方面，提供了一种车辆，包括上述电池管理系统；和/或，上述计算机设备。

本申请实施例提供的锂枝晶控制方法和电池管理系统，在电池管理系统充电后获取锂离子电芯组容量，根据锂离子电芯组容量启动钠离子电芯组自加热程序，将锂离子电芯组加热至预设温度范围，当锂离子电芯组被加热至预设温度范围后，按照预设充放电倍率对锂离子电芯组进行预设次数的充放电循环。本申请通过钠离子电芯组自加热提供锂离子电芯组温度，利用钠离子电芯内阻高，低温性能好，大功率充放电发热较大的特性为锂离子电芯组加热，进而对锂离子电芯组充放电循环抑制锂枝晶生长并消除锂枝晶，降低了加热模块的设计成本，实现方法简单有效。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种锂枝晶控制方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的另一种锂枝晶控制方法的流程示意图；

图3为本申请实施例提供的一种加热模块的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的另一种加热模块的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合，具体实施方式中的详细描述应理解为本申请宗旨的解释说明，不应视为对本申请的不当限制。

下面结合附图及具体实施例对本申请再做进一步详细的说明。本申请实施例中的“第一”、“第二”等描述，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含地包括至少一个特征。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

车辆的动力电池的电芯发生析锂是普遍现象，电芯析锂后，在充电过程中锂离子还原时会在电芯表面产生锂枝晶，锂枝晶大量覆盖在电芯表面，随着锂枝晶的生长电芯的性能受到影响。锂枝晶在生长过程中会不断消耗电解液并导致金属锂的不可逆沉积，形成死锂造成低库伦效率；锂枝晶的形成甚至还会刺穿隔膜导致锂离子电池内部短接，造成电池的热失控引发燃烧爆炸。相关技术中，通过优化电解液与添加剂、隔膜工艺材料来抑制锂枝晶的生长，成本较高，可以理解的是，电解液与添加剂或隔膜工艺材料损耗后难以补充，电芯使用寿命较短。

有鉴于此，本申请实施例的第一方面，提供了一种电池管理系统，包括锂离子电芯组、钠离子电芯组和控制器。

锂离子电芯组包括多个锂离子电芯，钠离子电芯组包括多个钠离子电芯，钠离子电芯与锂离子电芯交错排布。控制器与锂离子电芯组和钠离子电芯组电连接。可以理解的是，钠离子电芯不仅提供自加热，也是储能装置，同样可以用于驱动。钠离子电芯与锂离子电芯交错排布节省了电池管理系统的空间，提高了钠离子电芯对锂离子电芯的加热效率。

可以理解的是，锂离子电芯组和钠离子电芯组可以电连接也可以不连接。例如，锂离子电芯组和钠离子电芯组电连接，共用一套高压回路，通过控制器同时控制锂离子电芯组和钠离子电芯组，简化了电池管理系统的结构和控制流程，降低了电池管理系统的设计成本。又例如，锂离子电芯组和钠离子电芯组不连接，控制器分别控制两套高压回路，设计时不需要考虑钠离子电芯和锂离子电芯的电性能参数的一致性，更利于电池管理系统相关控制方法的实现。

一实施例中，控制器包括容量获取模块、加热模块和充放电模块。容量获取模块用于获取并存储锂离子电芯组容量。加热模块用于根据锂离子电芯组容量启动钠离子电芯组自加热程序，将锂离子电芯组加热至预设温度范围，可以理解的是，加热模块依靠钠离子电芯自身阻抗产热以实现自加热功能。具体地，通过加热模块将锂离子电芯组控制在预设温度范围内。充放电模块用于当锂离子电芯组被加热至预设温度范围后，按照预设充放电倍率对锂离子电芯组进行预设次数的充放电循环。

加热模块可以是三相全桥逆变电路或单相桥式逆变电路，示例性地，请参照图3，加热模块为三相全桥逆变电路，钠离子电芯组回路为三相全桥逆变器电路，包括钠离子电芯、电阻、连接在电源两端的并联的三个桥臂，以及一端分别与每个桥臂中间连接、另一端连接在一起的三相阻感负载，每个桥臂包括两个串联的开关管，其中V1、V2串联，V3、V4串联，V5、V6串联，每个开关管上反向并联一个续流二极管，开关管为IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，将电机控制在堵转状态，通过控制器调节开关管的占空比来控制相电流大小，进而控制钠离子电芯加热速率，以此来实现钠离子电芯的可控升温。

加热模块还可以是单相桥式逆变电路，请参照图4，加热模块包括带有绕组线圈的电感、开关元件和加热控制单元。电感设置在H桥电路的两桥臂中间，用于产生交变电流。开关元件设置在H桥电路的桥臂上，每个桥臂上串联有两个开关元件，分别设置在电感两侧。加热控制单元分别与控制器和开关元件电连接，用于根据控制器的指令控制开关元件的开闭。开关元件为MOS(Metal Oxide Semiconductor，绝缘栅型场效应)管或IGBT，具体地，开关元件为MOS管，四个MOS管简称为M1、M2、M3和M4，其中M1和M2串联，M3和M4串联。通过控制M1和M4导通、M2和M3断开或M2和M3导通、M1和M4断开。可以理解的是，串联的MOS管不能同时导通，根据预定对照表确定脉冲宽度调制信号进而控制MOS管的通断。预定对照表指示钠离子电芯温度和剩余电量与脉冲宽度调制信号之间的映射关系。通过脉冲宽度调制信号实现对四个MOS管通断的控制，这样，在回路中产生指定波形的交变电流，提高了钠离子电芯的加热速率和效率。

一实施例中，控制器还包括计算模块，通过容量获取模块提供的锂离子电芯组容量计算锂离子电芯组的电池健康度。

本申请实施例的第二方面，请参照图1，提供了一种锂枝晶控制方法，包括：

S1、在电池管理系统充电后，获取锂离子电芯组容量；

S2、根据锂离子电芯组容量启动钠离子电芯组自加热程序，将锂离子电芯组加热至预设温度范围；

S3、当锂离子电芯组被加热至预设温度范围后，按照预设充放电倍率对锂离子电芯组进行预设次数的充放电循环。

可以理解的是，本申请实施例提供的锂枝晶控制方法可以应用于上述电池管理系统，还可以应用于其他能够实现该控制方法的电池管理系统，例如，不局限于锂离子和钠离子电芯的具体排布关系的电池管理系统。

本申请实施例提供的锂枝晶控制方法，通过钠离子电芯组自加热提供锂离子电芯组温度，利用钠离子电芯内阻高，低温性能好，大功率充放电发热较大的特性为锂离子电芯组加热，使锂离子电芯组在预设温度下充放电循环抑制锂枝晶生长并消除锂枝晶，降低了加热模块的设计成本，实现方法简单有效，相较于相关技术优化电解液与添加剂或隔膜工艺材料而言，提高了锂离子电芯的使用寿命。

本申请实施例的电池管理系统(BMS，Battery Management System)是对电池进行管理的系统，对象是可再次充电的二次电池，通过控制锂离子和钠离子电芯组达到锂枝晶控制目的。

下面结合具体实施例对本申请实施例的控制方法进行详细说明。

S1、在电池管理系统充电后，获取锂离子电芯组容量。

在本步骤中，充电可以指的是按照预设充放电倍率对锂离子电芯组进行预设次数的充放电循环的充电过程还可以是正常充电。正常充电指的是根据充电桩充电功率确定的充电方式，例如，直流充电桩充电功率为120kw，交流充电桩充电功率为6.6kw，若电压平台为350V，则充电电流为18.8A。若锂离子电芯容量为180ah，即充电电流为0.1C。可以理解的是，正常充电电流大于本申请实施例提供的充放电循环的充电电流。具体地，电池管理系统可以设置正常充电与充放电循环交替进行，在抑制锂枝晶生长和消除锂枝晶的前提下满足充电需求。获取锂离子电芯组容量指的是通过容量获取模块获取当前的锂离子电芯组容量。

S2、根据锂离子电芯组容量启动钠离子电芯组自加热程序，将锂离子电芯组加热至预设温度范围。

在本步骤中，锂离子电芯组容量降低预设值后，启动钠离子电芯组自加热程序。可以理解的是，钠离子自加热程序为计算机程序，通过控制器读取来控制钠离子自加热进而对锂离子电芯组加热。具体地，控制器为电子控制单元(ECU，Electronic Control Unit)，与钠离子电芯组电连接，通过读取钠离子自加热程序控制钠离子电芯组自加热。

一实施例中，请参照图2，根据锂离子电芯组容量启动钠离子电芯组自加热程序的步骤，具体包括：

S21、获取电池管理系统充电前的第一电池健康度；

S22、根据锂离子电芯组容量计算第二电池健康度；

S23、若第二电池健康度相比于第一电池健康度的降低率大于预设百分比，启动钠离子电芯组自加热程序。

可以理解的是，通过锂离子电芯组容量计算锂离子电芯组的电池健康度(SOH，state of health)，电池健康度指的是电池当前的容量与出厂容量的百分比。第二电池健康度通过计算获得，第一电池健康度为上周期锂枝晶控制方法充电时计算并储存在控制器的值，通过容量获取模块进行读取。将第二电池健康度和第一电池健康度进行对比，若降低了预设百分比，启动钠离子电芯组自加热程序。预设百分比的数值根据锂离子电芯实际工作需要确定。

一实施例中，上述预设百分比为2％～4％。请参照图2，综合锂离子电芯组的寿命特性曲线和合理运用，预设百分比为3％，若预定百分比过大，则在进行锂枝晶控制前就已经积累的大量锂枝晶，使得锂枝晶控制步骤的能效降低，难以彻底消除锂枝晶。而如果预定百分比过小，则启动锂枝晶控制步骤就会过于频繁，在锂枝晶还没有积累到需要消除的程度就启动控制工作，会造成控制工作的效率的浪费。

S3、当锂离子电芯组被加热至预设温度范围后，按照预设充放电倍率对锂离子电芯组进行预设次数的充放电循环。

在本步骤中，在锂离子电芯组加热过程中，锂离子电芯组调用BMS均衡功能进行容量均衡。容量均衡指的是电池管理系统在使用过程中产生的容量个体差异及自放电率产生的电压差异进行主动均衡的一种方法。其主要功能是无论电池组在充电、放电还是放置过程中，都可利用在电池组内部对于电池单体之间的差异性进行主动均衡，以消除电池成组后由于自身和使用过程中产生的各种不一致性。预设温度范围为适合锂离子电芯组充放电循环的温度范围，通过多次试验进行确定。而对锂离子电芯组进行预设次数的充放电循环可消除尖锐的锂枝晶，使其变得光滑平整，并溶解少量的锂枝晶，降低安全风险。

一实施例中，请参照图2，预设温度范围为40～60℃。在40～60℃内对锂离子电芯进行充放电，有利于锂离子的扩散传输，并且不会损伤电芯性能，若在低于40℃的条件下进行充放电，则会因电芯内部温度不足而使得锂离子扩散不足，影响锂枝晶的控制效果，而若高于60℃，则超出了动力电池本身的热承受能力，会对电池产生损伤。

一实施例中，按照预设充放电倍率对锂离子电芯组进行预设次数的充放电循环的步骤，具体包括：采用0.05C-0.1C的充放电倍率对锂离子电芯组循环充放电3～5次。通过小电流对锂离子电芯组循环充放电放能够使可逆容量及溶解的锂枝晶进行容量恢复，进而成功分解，而若此时使用大于0.1C的充放电倍率，则不利于容量的完全恢复，若此时使用小于0.05C的充放电倍率，则会使得充放电能力不足，消除锂枝晶的时间就会大量增长，失去锂枝晶控制的高效性。

一实施例中，请参照图2，控制方法还包括充放电循环结束后，对钠离子电芯组充电。可以理解的是，钠离子电芯组自加热过程需要消耗较小电量，在进行多次锂枝晶控制步骤后对钠离子电芯组进行电量补充，提高钠离子电芯组自加热效率。

具体地，请参照图2，本申请实施例提供的控制方法的详细流程可以是：在电池管理系统充电后，获取锂离子电芯组容量，根据锂离子电芯组容量计算电池健康度，若电池健康度相比于上周期降低3％，启动钠离子电芯组自加热程序对锂离子电芯组自加热。若锂离子电芯组电芯温度未达到40℃，继续加热的同时调用BMS均衡功能对锂离子电芯组进行容量均衡，若锂离子电芯组电芯温度达到40℃，控制锂离子电芯组电芯温度在40℃～60℃，启动小电流充放电循环对锂离子电芯组循环充放电3～5次。在充放电循环结束后对钠离子电芯组进行充电。

本申请实施例的第三方面，提供了一种计算机设备，包括一个或多个处理模块，处理模块配置为执行存储在存储模块中的计算机指令，以执行本申请任意一种控制方法。该计算机设备可以为上述实施例的控制器。

在一实施例中，本申请实施例提供一种计算机系统，包括：可编程电路；以及编码在至少一个计算机可读介质上的软件，该软件用于对可编程电路进行编程以实施本申请任意一项控制方法。上述计算机设备安装了该计算机系统。

在一实施例中，本申请实施例提供一种计算机可读介质，该计算机可读介质上具有计算机可读指令，这些指令在被计算机执行时会使计算机进行本申请任意一项控制方法的所有步骤。计算机可读介质可以为一个或多个。上述计算机设备配置了该计算机可读介质。

本申请实施例的第四方面，提供了一种车辆，包括上述任意一种电池管理系统；和/或，上述的计算机设备。

以上所述，仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池管理系统，其特征在于，包括：

锂离子电芯组，包括多个锂离子电芯；

钠离子电芯组，包括多个钠离子电芯，所述钠离子电芯与所述锂离子电芯交错排布；

控制器，与所述锂离子电芯组和所述钠离子电芯组电连接。

2.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述控制器包括：

容量获取模块，用于获取并存储所述锂离子电芯组容量；

加热模块，用于根据所述锂离子电芯组容量启动钠离子电芯组自加热程序，将所述锂离子电芯组加热至预设温度范围；

充放电模块，用于当所述锂离子电芯组被加热至所述预设温度范围后，按照预设充放电倍率对所述锂离子电芯组进行预设次数的充放电循环。

3.一种锂枝晶控制方法，其特征在于，包括：

在电池管理系统充电后，获取锂离子电芯组容量；

根据所述锂离子电芯组容量启动钠离子电芯组自加热程序，将所述锂离子电芯组加热至预设温度范围；

当所述锂离子电芯组被加热至所述预设温度范围后，按照预设充放电倍率对所述锂离子电芯组进行预设次数的充放电循环。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，根据所述锂离子电芯组容量启动所述钠离子电芯组自加热程序的步骤，具体包括：

获取所述电池管理系统充电前的第一电池健康度；

根据所述锂离子电芯组容量计算第二电池健康度；

若所述第二电池健康度相比于所述第一电池健康度的降低率大于预设百分比，启动所述钠离子电芯组自加热程序。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述预设百分比为2％～4％。

6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述预设温度范围为40℃～60℃。

7.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，按照预设充放电倍率对所述锂离子电芯组进行预设次数的充放电循环的步骤，具体包括：

采用0.05C-0.1C的充放电倍率对所述锂离子电芯组循环充放电3～5次。

8.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括：

所述充放电循环结束后，对所述钠离子电芯组充电。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括一个或多个处理模块，所述处理模块配置为执行存储在存储模块中的计算机指令，以执行权利要求3～8任意一项所述的控制方法。

10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求1～2任意一项所述的电池管理系统；和/或，权利要求9所述的计算机设备。

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