CN116111217A - 一种锂电池在低温下的充电加热装置及充电加热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂电池在低温下的充电加热装置及充电加热方法，获取电池的温度和所处状态信息；将温度作为主要特征区分条件，将所处状态信息作为次要特征区分条件，生成决策树；通过决策树迭代优化，获得充电加热的判断条件并执行；在电池充电完成后，获得电池充满电后的设定保温范围，在所述设定保温范围内对电池进行保温。本发明既可以快速安全的对电池包进行低温加热充电，对充电加热器的改进又能够节省电能，而且还方便用户使用。

Description

一种锂电池在低温下的充电加热装置及充电加热方法
技术领域
本发明涉及电池充电加热领域，具体涉及一种锂电池在低温下的充电加热装置及充电加热方法。
背景技术
不管磷酸铁锂电池还是三元电池，在低温下直接进行充放电都会对电池造成很大损伤，因此往往都需要加热处理。
目前的锂电池充电加热方案中充电结束后加热也就停止了，一段时间后电池需要放电又处在了低温条件下，低温环境下使用对电池的损伤很大，会大大降低循环寿命，但是在放电前再去加热又会延后使用时间造成不便，为了让锂电池产品能在低温下安全快速的充电并方便下次使用时能安全快速的放电，亟需一种锂电池在低温下的充电加热器及充电加热方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种锂电池在低温下的充电加热装置及充电加热方法，解决现有技术中锂电池仅在充电过程中加热，导致放电仍处于低温状态的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种锂电池在低温下的充电加热方法：包括以下步骤：
获取电池的温度和所处状态信息；将温度作为主要特征区分条件，将所处状态信息作为次要特征区分条件，生成决策树；通过决策树迭代优化，获得充电加热的判断条件并执行；在电池充电完成后，获得电池充满电后的设定保温范围，在所述设定保温范围内对电池进行保温。
进一步地，所处状态信息还包括电池的SOC、SOH、充电方式和使用场景。
进一步地，使用场景为对电池充电至满电时，设定从低到高的温度阈值T1、T2、T3和T4，所述充电加热的判断条件为：
当电池温度T0≤T1时不充电且不加热；当T1<T0<T2时只进行加热；当T2≤T0<T3时，同时进行加热和充电；当T3≤T0<T4时，停止加热，只进行充电；当T0≥T4时，停止充电。
进一步地，使用场景为对电池充电至半电时，所述充电加热的判断条件为：通过比较电池的SOC值与预设值，在SOC值≥预设值时，直接结束电池充电加热流程；在SOC值＜预设值时，开启充电加热流程，直至电池充到预设电量后，结束充电加热流程。
进一步地，所述获得电池充满电后的设定保温范围，在所述设定保温范围内对电池进行保温的步骤具体包括：当电池包充满电后断开充电回路；根据保温功能的设置获取设定保温范围，通过加热回路维持电池实际温度在设定保温范围内。
进一步地，保温功能的设置分为系统默认的一键式设置、用户自行设置的数值输入式和智能温度设置。
进一步地，所述智能温度设置温度数据训练得到的，具体步骤包括：
给定训练集D和连续属性温度a，a在D上有n个不同取值，先从小到大排序，记为{a1,a2,…,an}；通过划分点t将连续温度数据离散化，得到n-1个元素的候选划分点集合T；
通过样本集D基于划分点t二分后的信息增益Gain(D,a,t)，获得最优的划分点Gain(D，a)，选择相邻区间确定的两个最优的划分点作为智能温度范围的两端临界值。
本发明还提供一种锂电池在低温下的充电加热装置的技术方案，包含数据采集模块、BMS芯片、加热继电器、加热模块、充电继电器、充电模块以及电源输入模块；其中，数据采集模块与BMS芯片电连接，用于采集电池的相关特征区分条件；电源输入模块、加热继电器、加热模块和电池连接形成加热回路；电源输入模块、充电继电器、充电模块和电池连接形成充电回路；加热回路和充电回路分别用于给电池进行加热和充电；电源输入模块还连接BMS芯片用于供电；BMS芯片用于接收相关特征区分条件，根据相关特征区分条件获得充电加热的判断条件并发出控制充电继电器和加热继电器开闭状态的指令；所述充电加热装置用于上述充电加热方法中。
进一步地，还包括与BMS芯片电连接的一键设置模块、数值设置模块和状态显示模块；其中，一键设置模块用于在保温模式下选择系统默认的保温范围；数值设置模块用于用户自行设置保温范围；状态显示模块用于显示电池充电加热的状态信息。
进一步地，BMS芯片电连接异常处理模块，用于处理充电加热过程中的异常情况。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
本发明提出了一种锂电池在低温下的充电加热装置及充电加热方法，在此基础上引入决策树算法，能直观地显示整个决策问题在时间和决策顺序上不同阶段的决策过程。在应用于复杂的多阶段决策时，阶段明显，层次清楚，便于决策机构集体研究，可以周密地思考各种因素，有利于做出正确的决策。本发明既可以快速安全的对电池包进行低温加热充电，对充电加热器的改进又能够节省电能，而且还方便用户使用。
进一步地，本发明根据各个过程判断条件的信息增益设立选择特征，决策树列出了决策问题的全部可行方案和可能出现的各种自然状态，以及各可行方法在各种不同状态下的期望值，能够更清楚周密地进行思考判断。
进一步地，本发明通过采用训练判断出最合适的温度作为智能温度，更贴合电池当前状态，利于延长电池使用寿命。
附图说明
图1是本发明充电加热方法的一个实施例流程示意图；
图2为本发明充电加热方法的一个实施例的决策树模型图；
图3为本发明电池充满电时充电加热的一个实施例流程示意图；
图4为本发明电池充满电后充电保温的一个实施例流程示意图；
图5为本发明电池充电至半电时充电加热的一个实施例流程示意图；
图6为本发明电池充电过程中出现异常情况的一个实施例流程示意图；
图7为本发明提供的充电加热装置的一个实施例的结构示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本发明中使用的流程图示出了根据本发明的一些实施例实现的操作。应当理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本发明内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其他操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器系统和/或微控制器系统中实现这些功能实体。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参见图1，本发明提供了一种锂电池在低温下的充电加热器及充电加热方法，具体步骤包括：
S1，获取电池的温度和所处状态信息。
S2，将温度作为主要特征区分条件，将所处状态信息作为次要特征区分条件，生成决策树。
S3，通过决策树迭代优化，获得充电加热的判断条件并执行；
S4，在电池充电完成后，获得电池充满电后的设定保温范围，在所述设定保温范围内对电池进行保温。
进一步地，步骤S1中，所处状态信息还包括电池的SOC、SOH、充电方式和使用场景等。
在本发明的一些实施例中，使用场景包括对电池充电至满电或对电池充电至半电，对应地，本发明充电加热过程包括充电加热、充电保温、搁置预设和异常处理等。
一、充电加热
可以理解的是，本发明在充电加热中，将温度作为特征区分的条件之一，再引入电池所处状态信息进行区分，如SOC、SOH、充电方式(快充或慢充)及使用场景等作为次要特征区分条件，生成决策树，如图2所示，最后通过决策树迭代优化作为加热判断条件，如下表1所示。
表1本发明加热判断条件
编号 电量 健康度 温度 充电方式 均衡方式 加热 充电
1 空电 健康 温度过低 快充 主动 否 否
2 低电 良好 低温 慢充 被动 是 是
3 中电 差 中温 快充 被动 是 否
4 高电 健康 常温 快充 被动 否 是
5 满电 健康 过热 慢充 被动 否 否
次要特征区分条件可以根据情况进行设定，在一些可能的实现方式中，空电soc＝0；低电soc 0-20；中电soc 20-80；高电soc 80-100；满电soc＝100；
健康soh＝100；良好soh 80-100；差soh<80；
温度过低T0≤-20℃；低温-20℃<T0<6℃；中温T0≥6℃；高温T0≥15℃；过热T0≥50℃。
均衡方式中的主动和被动指BMS保护板采用是主动均衡或被动均衡，由于被动均衡是电阻耗能式均衡，所消耗的能量都以热量的方式释放，所以在均衡过程充电BMS会发热，进而影响电池包温度，相当于间接影响温度因素。而主动均衡是能量转移的方式，不发热，所以均衡电流可以做到较大而不影响散热。
可以理解地是，充电方式和均衡方式可根据已有条件判断，如电池本身是否支持等。
进一步地，在本发明的一些实施例中，本发明充电加热通过充电加热器完成，该充电加热器的充电输出和加热输出分开；使用场景为对电池充电至满电时，设定从低到高的温度阈值T1(如-20℃)、T2(如6℃)、T3(如15℃)和T4(如50℃)，参见图3，所述充电加热的判断条件为：
S301、当电池温度过低时既不充电也不加热；优选地，温度过低指电池温度T0≤-20℃；
S302、当电池处于低温状态时只闭合加热继电器进行加热；优选地，低温状态是处于-20℃<T0<6℃；
S303、当电池处于中温状态时再闭合充电继电器开始边加热边充电；优选地，中温状态是T0≥6℃；
S304、当电池处于高温状态时就断开加热继电器停止加热，只充电；优选地，高温状态是T0≥15℃；
S305、当电池过热时就断开充电继电器，不再充电；优选地，电池过热是T0≥50℃；
S306、在充电过程中，根据电池实时温度选择判断条件进行执行；电池包充满电后断开充电继电器停止充电。
比如在充电的过程中如果电池温度降到15℃以下，6℃以上就重复步骤S303和步骤S304；或者在充电的过程中如果电池温度降到6℃以下就重复步骤S302至步骤S304。
二、充电保温：
电池在低温环境下使用对电池的损伤很大，会大大降低循环寿命。如果整车在充满电后是很快需要使用的，在放电前再去加热又会延后使用时间造成不便，那么可以对充电加热器配置电池保温功能及相应设置按键，在充电前设置充电加热器的电池保温功能，当电池包充满电后会停止充电但会通过加热组件维持温度。
进一步地，参见图4，步骤S4获得电池充满电后的设定保温范围，在所述设定保温范围内对电池进行保温的步骤具体包括：
S401、根据保温功能的设置获取设定保温范围；
S402、通过加热回路维持电池实际温度在设定保温范围内。
在本发明的一些实施例中，保温功能的设置分为一键式，数值输入式和智能温度，一键式是系统默认的保温范围，数值输入式是用户可以自行设置保温范围的方式，但是温度大小也有一定限制，智能温度是通过决策树学习结果决定的温度临界值。
当采用一键式设置方式时，将保温功能的设置信号传送给BMS芯片，由BMS芯片对温度进行控制。若检测到电池温度低于10℃时启动加热至15℃，然后断开加热继电器停止加热，按此循环维持电池温度。
当采用数值输入式设置方式后，用户可以通过充电加热装置的输入按键来设定保温的上下限温度，比如保温上限20℃下限8℃，然后BMS芯片接收到这个数值，BMS芯片则会在这个范围内对保温温度进行控制。但是上下限温度的设置有限制值，比如上限不超过25℃，下限不低于6℃。
智能温度通过训练判断出最合适的温度。决策树处理的是离散数据，当离散数据中混杂着连续数据时，我们希望将连续数据离散化。可以将连续取值的值域预先划分为多个区间，每个区间视为一个属性取值，这样就将连续数据离散化了。给定训练集D和连续属性温度a，a在D上有n个不同取值，先从小到大排序，记为{a1,a2,…,an}。基于划分点t可将D分为子集Dt -和Dt +,其中Dt -是包含那些在属性a上取值不大于t的样本，Dt +则是包含那些在属性a上取值大于t的样本。显然，对相邻的属性取值a与a+1来说，t在区间[a,a+1)中取任意值所产生的划分结果相同。因此，对连续属性ai+1,可考察包含n-1个元素的候选划分点集合：
Figure BDA0004023467370000091
即把区间[ai，ai+1)的中位点
Figure BDA0004023467370000092
作为候选划分点，然后，可以像处理离散属性值那样来考虑这些划分点，选择最优的划分点进行样本集合的划分，使用的公式如下：
Figure BDA0004023467370000093
其中Gain(D，a，t)是样本集D基于划分点t二分后的信息增益。划分时，选择使Gain(D，a，t)最大的划分点，作为临界温度条件，从而得到最优的划分点；选择相邻区间确定的两个最优的划分点作为新的温度区间的上下限值，即得到智能温度范围，再进行保温措施。
本发明通过采用训练判断出最合适的温度作为智能温度，更贴合电池当前状态，利于延长电池使用寿命。
三、搁置预设
进一步地，如果整车在充电后暂时不使用，基于锂电池的特性一般会将电池充至半电状态进行放置，以保证电池的使用寿命和安全性。充电加热器的搁置预设功能则可以在充电前设置想要充电的电量，即使用场景为对电池充电至半电时，参见图5，所述充电加热的判断条件具体如下：
S311、通过比较电池的SOC值与预设值，在SOC值≥预设值时，直接结束电池充电加热流程；
S312、在SOC值＜预设值时，开启充电加热流程，直至电池充到预设电量后，结束充电加热流程。具体的充电加热流程中，保证充电电量达到预设电量值即可，其它流程可以与步骤S301至S306相同。
四、异常处理
BMS芯片连接一个异常处理模块，用于处理充电加热过程中的异常情况；参见图6，具体处理步骤包括：
S501、在充电过程中电池温度降到预设值以下且持续一段时间温度无变化，停止加热并发出加热回路故障警告信息。
比如在充电的过程中如果电池温度降到-15℃以下且持续1小时温度无变化的则停止加热，BMS芯片发出加热回路故障警告信息；或者加热组件按照2小时从-20℃加热到6℃进行配置，如果3小时内电池温度不能加热到6℃以上时，结束充电加热，BMS芯片发出加热回路故障警告信息；
S502、若最高单体电压或最高单体温度超过了阈值，则发出过充报警信号或过温报警信号；然后切断输出电流，检测并反馈输出电流，若仍有电流输出则进行异常提示。
如果充电继电器粘连了，则会导致电池一直在充电，若最高单体电压超过了某个限度(比如三元电池的4.2V)，则BMS芯片会发过充报警信号，然后充电回路自动切断输出，检测并反馈输出电流。如果此时仍有电流输出则BMS芯片发出报警信号至云平台进行异常提示；
如果加热继电器粘连了，则会导致电池一直在加热，若最高单体温度超过了某个限度(比如50℃)，则BMS芯片会发过温报警信号，然后加热回路自动切断输出，检测并反馈输出电流。如果此时仍有电流输出则BMS芯片发出报警信号至云平台进行异常提示。
参见图7，本发明充电加热方法得以实施的硬件系统充电加热装置包含数据采集模块S601、BMS芯片S602、加热继电器S603、加热模块S604、充电继电器S605、充电模块S606以及电源输入模块S607；数据采集模块S601与BMS芯片S602电连接，BMS芯片S602与加热模块S604、充电模块S606分别电连接，且BMS芯片S602与加热模块S604之间设置加热继电器S603，BMS芯片S602与充电模块S606之间设置充电继电器S605；加热模块S604和充电模块S606分别与电池电连接。其中，
数据采集模块S601用于采集电池S608的相关特征区分条件，例如电池S608的温度、电量、健康度、充电方式等；具体以温度为例，可以通过若干个温度探头，监控电池S608实时温度并将温度数据实时传到BMS芯片S602。
电源输入模块S607用于给BMS芯片S602、加热模块S604和充电模块S606供电。
可以理解地是，电源输入模块S607、充电模块S606和电池S608形成了充电回路，用于给电池S608进行充电；充电继电器S605起到控制充电回路是否通电的作用，因此其位置可根据实际情况调节，比如设置在充电模块S606和电池之间或者设置在电源输入模块S607和充电模块S606之间；加热继电器S603的位置同样可调。
BMS芯片S602用于接收相关特征区分条件，根据相关特征区分条件获得充电加热的判断条件并发出指令，通过控制加热继电器S603和充电继电器S605的开闭状态，从而实现对电池的加热以及充电状态。
优选地，本发明BMS芯片S602还与一键设置模块、数值设置模块和状态显示模块电连接；其中，一键设置模块用于在保温模式下选择系统默认的保温范围；数值设置模块用于用户自行设置保温范围；状态显示模块用于显示电池充电加热的状态信息。
优选地，本发明BMS芯片S602电连接异常处理模块，用于处理充电加热过程中的异常情况。
可以理解的是，保温过程中电源输入模块S607一直与BMS芯片S602保持通讯，根据BMS芯片S602请求的电流来进行输出。当温度比较低时，比如10℃以下，BMS芯片S602请求的加热电流较大；当温度较高时，比如15℃以上，BMS芯片S602请求的加热电流较小；当设置的保温范围比较宽时，BMS芯片S602请求的加热电流较大；当设置的保温范围比较窄时，BMS芯片S602请求的加热电流较小。
在一些实施例中，搁置预设功能中的预设值可以是预先设定并存储在BMS芯片内的值，也可以是用户自行设定的值，如在数值设置模块上设置想要充电的电量，然后与BMS芯片建立通讯连接，数值设置模块将该参数传送给BMS芯片；如果BMS芯片估算的SOC值大于等于预设值，则充电连接失败，本发明充电加热装置均下电；如果BMS芯片估算的SOC值小于预设值，则开启充电加热流程；当电池充到预设电量后，充电回路和加热回路不再输出充电电流和加热电流，并通知BMS芯片切断充电继电器和加热继电器，然后充电加热装置下电。
优选地，本发明中充电加热装置可以与电池进行组装成电池包。
本发明结合系统、方法和算法三个方面对低温下的锂电池包充电加热及保温过程进行了改进，即可以快速安全的对电池包进行低温加热充电，对充电加热器的改进又能够节省电能，而且还方便用户使用。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种锂电池在低温下的充电加热方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取电池的温度和所处状态信息；
将温度作为主要特征区分条件，将所处状态信息作为次要特征区分条件，生成决策树；
通过决策树迭代优化，获得充电加热的判断条件并执行；
在电池充电完成后，获得电池充满电后的设定保温范围，在所述设定保温范围内对电池进行保温。
2.根据权利要求1所述的锂电池在低温下的充电加热方法，其特征在于，所处状态信息还包括电池的SOC、SOH、充电方式和使用场景。
3.根据权利要求2所述的锂电池在低温下的充电加热方法，其特征在于，使用场景为对电池充电至满电时，设定从低到高的温度阈值T1、T2、T3和T4，所述充电加热的判断条件为：
当电池温度T0≤T1时不充电且不加热；
当T1<T0<T2时只进行加热；
当T2≤T0<T3时，同时进行加热和充电；
当T3≤T0<T4时，停止加热，只进行充电；
当T0≥T4时，停止充电。
4.根据权利要求2所述的锂电池在低温下的充电加热方法，其特征在于，使用场景为对电池充电至半电时，所述充电加热的判断条件为：
通过比较电池的SOC值与预设值，在SOC值≥预设值时，直接结束电池充电加热流程；
在SOC值＜预设值时，开启充电加热流程，直至电池充到预设电量后，结束充电加热流程。
5.根据权利要求1所述的锂电池在低温下的充电加热方法，其特征在于，所述获得电池充满电后的设定保温范围，在所述设定保温范围内对电池进行保温的步骤具体包括：
当电池包充满电后断开充电回路；
根据保温功能的设置获取设定保温范围，通过加热回路维持电池实际温度在设定保温范围内。
6.根据权利要求5所述的锂电池在低温下的充电加热方法，其特征在于，保温功能的设置分为系统默认的一键式设置、用户自行设置的数值输入式和智能温度设置。
7.根据权利要求6所述的锂电池在低温下的充电加热方法，其特征在于，所述智能温度设置温度数据训练得到的，具体步骤包括：
给定训练集D和连续属性温度a，a在D上有n个不同取值，先从小到大排序，记为{a1,a2,…,an}；通过划分点t将连续温度数据离散化，得到n-1个元素的候选划分点集合T；
通过样本集D基于划分点t二分后的信息增益Gain(D,a,t)，获得最优的划分点Gain(D，a)，选择相邻区间确定的两个最优的划分点作为智能温度范围的两端临界值。
8.一种锂电池在低温下的充电加热装置，其特征在于，包含数据采集模块、BMS芯片、加热继电器、加热模块、充电继电器、充电模块以及电源输入模块；其中，
数据采集模块与BMS芯片电连接，用于采集电池的相关特征区分条件；
电源输入模块、加热继电器、加热模块和电池连接形成加热回路；电源输入模块、充电继电器、充电模块和电池连接形成充电回路；加热回路和充电回路分别用于给电池进行加热和充电；电源输入模块还连接BMS芯片用于供电；
BMS芯片用于接收相关特征区分条件，根据相关特征区分条件获得充电加热的判断条件并发出控制充电继电器和加热继电器开闭状态的指令；
所述充电加热装置用于权利要求1-7任一项所述充电加热方法中。
9.根据权利要求8所述的锂电池在低温下的充电加热装置，其特征在于，还包括与BMS芯片电连接的一键设置模块、数值设置模块和状态显示模块；
其中，一键设置模块用于在保温模式下选择系统默认的保温范围；数值设置模块用于用户自行设置保温范围；状态显示模块用于显示电池充电加热的状态信息。
10.根据权利要求8所述的锂电池在低温下的充电加热装置，其特征在于，BMS芯片电连接异常处理模块，用于处理充电加热过程中的异常情况。
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