电池交流加热方法及装置与流程

1.本技术属于电池技术领域，尤其涉及一种电池交流加热方法及装置。


背景技术：

2.新能源汽车，尤其是电动汽车成为未来汽车的重要发展方向。动力电池是影响电动汽车的性能和成本的关键因素。锂离子电池凭借其能量密度大、寿命长、自放电率低、污染小的优势，被广泛应用为电动汽车的动力电池。而锂离子电池在低温环境下，电池内阻增大，容量下降，进而影响电动汽车的续驶里程。此外，在低温环境下，对锂离子电池充电容易产生析锂现象，使得电池的安全性降低。因此，需要对锂离子电池进行低温加热。
3.电池的低温加热方式包括外部加热方式和内部加热方式。其中，外部加热方式的原理是：将热量通过对流或热传导的方式从电池外部的加热装置传递到电池内部。外部加热方式主要包括电阻加热和热泵加热两种。内部加热方式的原理是：通过对电池施加电流，利用电池在低温下的阻抗高的特性，在电池内部通过电化学反应产生大量的热。交流加热方式作为一种内部加热方式，具体为：对电池施加交流电，使电池在交流电的作用下产生热量，从而提高电池的温度。交流加热方式具有加热速度快、加热均匀性好的优势。
4.如何对电池交流加热的过程进行控制，以达到期望的加热速率，是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术的目的在于提供一种电池交流加热方法及装置，通过对电池交流加热过程进行控制，以达到期望的加热速率。
6.为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：
7.本技术提供一种电池交流加热方法，包括：
8.在第k个时刻，获得电池的温度、荷电状态soc和目标加热速率，k为大于1的整数；
9.根据所述电池的温度和soc确定所述电池的阻抗实部；
10.获得在第k-1个时刻施加于所述电池的交流电的电流信息，对所述电流信息进行傅里叶变换，以便将所述电流信息分解为多个三角函数波形的叠加；
11.根据所述多个三角函数波形的幅值以及所述电池的阻抗实部得到所述电池在所述交流电激励下的平均产热功率；
12.根据所述目标加热速率、所述电池的温度、环境温度得到期望产热功率；
13.基于所述期望产热功率和所述平均产热功率确定电流放大倍数；
14.根据在所述第k-1个时刻施加于所述电池的交流电的电流信息和所述电流放大倍数，调整施加于所述电池的交流电的电流幅值。
15.可选的，所述基于所述期望产热功率和所述平均产热功率确定电流放大倍数，包括：
16.计算所述期望产热功率和所述平均产热功率的比值，将所述比值确定为所述电流
放大倍数。
17.可选的，所述基于所述期望产热功率和所述平均产热功率确定电流放大倍数，包括：
18.根据所述电池的温度和soc确定所述电池的负极电荷转移内阻实部；
19.根据所述电池的负极电荷转移内阻实部、电池负极的平衡电势、以及所述多个三角函数波形的频率、幅值和相位差，确定所述电池的析锂边界；
20.计算所述期望产热功率和所述平均产热功率的比值；
21.比较所述析锂边界和所述比值的大小，如果所述析锂边界和所述比值不等，则将所述析锂边界和所述比值中的较小者确定为所述电流放大倍数，如果所述析锂边界和所述比值相等，则将所述析锂边界和所述比值中的任意一个确定为所述电流放大倍数。
22.可选的，所述根据所述电池的温度和soc确定所述电池的阻抗实部，包括：
23.根据所述电池的温度和soc确定所述电池的正极等效电路和负极等效电路中的电阻元件和常相位角元件的阻抗参数；
24.根据所述电池的正极等效电路中电阻元件和常相位角元件的阻抗参数确定所述电池的正极等效电路阻抗的实部；
25.根据所述电池的负极等效电路中电阻元件和常相位角元件的阻抗参数确定所述电池的负极等效电路阻抗的实部；
26.根据所述电池的正极等效电路阻抗的实部和负极等效电路阻抗的实部确定所述电池的阻抗实部。
27.可选的，所述电池的正极等效电路包括串联的第一模块、第二模块和第三模块，其中，所述第一模块表征电池内部集流体、活性物质、电解液的欧姆阻抗部分，所述第一模块包括第一电阻元件；所述第二模块表征电池颗粒表面的界面膜对应的阻抗部分，所述第二模块包括并联的第二电阻元件和第一常相位角元件；所述第三模块表征活性物质在固液相界面处的双电层电容和电荷转移阻抗，所述第三模块包括并联的第三电阻元件和第二常相位角元件；
28.所述电池的负极等效电路包括串联的第四模块、第五模块和第六模块，其中，所述第四模块表征电池内部集流体、活性物质、电解液的欧姆阻抗部分，所述第四模块包括第四电阻元件；所述第五模块表征电池颗粒表面的界面膜对应的阻抗部分，所述第五模块包括并联的第五电阻元件和第三常相位角元件；所述第六模块表征活性物质在固液相界面处的双电层电容和电荷转移阻抗，所述第六模块包括并联的第六电阻元件和第四常相位角元件。
29.可选的，所述根据所述电池的温度和soc确定所述电池的阻抗实部，包括：
30.根据所述电池的温度和soc确定所述电池的正极等效电路和负极等效电路中的电阻元件和电容元件的阻抗参数；
31.根据所述电池的正极等效电路中电阻元件和电容元件的阻抗参数确定所述电池的正极等效电路阻抗的实部；
32.根据所述电池的负极等效电路中电阻元件和电容元件的阻抗参数确定所述电池的负极等效电路阻抗的实部；
33.根据所述电池的正极等效电路阻抗的实部和负极等效电路阻抗的实部确定所述
电池的阻抗实部。
34.可选的，所述电池的正极等效电路包括串联的第一模块、第二模块和第三模块，其中，所述第一模块表征电池内部集流体、活性物质、电解液的欧姆阻抗部分，所述第一模块包括第一电阻元件；所述第二模块表征电池颗粒表面的界面膜对应的阻抗部分，所述第二模块包括并联的第二电阻元件和第一电容元件；所述第三模块表征活性物质在固液相界面处的双电层电容和电荷转移阻抗，所述第三模块包括并联的第三电阻元件和第二电容元件；
35.所述电池的负极等效电路包括串联的第四模块、第五模块和第六模块，其中，所述第四模块表征电池内部集流体、活性物质、电解液的欧姆阻抗部分，所述第四模块包括第四电阻元件；所述第五模块表征电池颗粒表面的界面膜对应的阻抗部分，所述第五模块包括并联的第五电阻元件和第三电容元件；所述第六模块表征活性物质在固液相界面处的双电层电容和电荷转移阻抗，所述第六模块包括并联的第六电阻元件和第四电容元件。
36.本技术还提供一种电池交流加热装置，包括：
37.参数获取单元，用于在第k个时刻，获得电池的温度、荷电状态soc和目标加热速率，k为大于1的整数；
38.阻抗实部确定单元，用于根据所述电池的温度和soc确定所述电池的阻抗实部；
39.变换单元，用于获得在第k-1个时刻施加于所述电池的交流电的电流信息，对所述电流信息进行傅里叶变换，以便将所述电流信息分解为多个三角函数波形的叠加；
40.平均产热功率确定单元，用于根据所述多个三角函数波形的幅值以及所述电池的阻抗实部得到所述电池在所述交流电激励下的平均产热功率；
41.期望产热功率确定单元，用于根据所述目标加热速率、所述电池的温度、环境温度得到期望产热功率；
42.放大倍数确定单元，用于基于所述期望产热功率和所述平均产热功率确定电流放大倍数；
43.电流幅值调整单元，用于根据在所述第k-1个时刻施加于所述电池的交流电的电流信息和所述电流放大倍数，调整施加于所述电池的交流电的电流幅值。
44.可选的，所述放大倍数确定单元包括：
45.内阻实部确定子单元，用于根据所述电池的温度和soc确定所述电池的负极电荷转移内阻实部；
46.析锂边界确定子单元，用于根据所述电池的负极电荷转移内阻实部、电池负极的平衡电势、以及所述多个三角函数波形的频率、幅值和相位差，确定所述电池的析锂边界；
47.功率比值确定子单元，用于计算所述期望产热功率和所述平均产热功率的比值；
48.放大倍数确定子单元，用于比较所述析锂边界和所述比值的大小，如果所述析锂边界和所述比值不等，则将所述析锂边界和所述比值中的较小者确定为所述电流放大倍数，如果所述析锂边界和所述比值相等，则将所述析锂边界和所述比值中的任意一个确定为所述电流放大倍数。
49.可选的，所述阻抗实部确定单元包括：
50.第一阻抗参数确定子单元，用于根据所述电池的温度和soc确定所述电池的正极等效电路和负极等效电路中的电阻元件和常相位角元件的阻抗参数；
51.第一处理子单元，用于根据所述电池的正极等效电路中电阻元件和常相位角元件的阻抗参数确定所述电池的正极等效电路阻抗的实部；
52.第二处理子单元，用于根据所述电池的负极等效电路中电阻元件和常相位角元件的阻抗参数确定所述电池的负极等效电路阻抗的实部；
53.第一阻抗实部确定子单元，根据所述电池的正极等效电路阻抗的实部和负极等效电路阻抗的实部确定所述电池的阻抗实部。
54.由此可见，本技术的有益效果为：
55.本技术公开的电池交流加热方法及装置，在第k个时刻获得电池的温度、soc和目标加热速率；根据目标加热速率、电池的温度和环境温度确定期望产热功率，即，确定电池达到该目标加热速率所需的产热功率；根据电池的温度和soc确定出电池的阻抗实部，获得在第k-1个时刻施加于电池的交流电的电流信息，对其进行傅里叶变换，从而将该交流电分解为多个三角函数波形的叠加，之后根据多个三角函数波形的幅值以及电池的阻抗实部得到电池在当前交流电激励下的平均产热功率；根据期望产热功率和平均产热功率确定出电流放大倍数，并根据第k-1个时刻施加于电池的交流电的电流信息和该电流放大倍数，调整施加于电池的交流电的电流幅值，使得电池的加热速率无限趋近或达到在第k个时刻获得的目标加热速率(即期望的加热速率)。另外，无论施加于电池的交流电为方波、正弦波，还是不规则波形，都可以使得电池的加热速率无限趋近或达到期望的加热速率。
附图说明
56.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
57.图1为本技术公开的一种电池交流加热方法的流程图；
58.图2-1为本技术公开的锂离子电池的一种正极等效电路的示意图；
59.图2-2为本技术公开的锂离子电池的一种负极等效电路的示意图；
60.图3-1为本技术公开的锂离子电池的另一种正极等效电路的示意图；
61.图3-2为本技术公开的锂离子电池的另一种负极等效电路的示意图；
62.图4为本技术公开的电池交流加热方法的应用场景示意图；
63.图5为本技术公开的一种电池交流加热装置的结构示意图。
具体实施方式
64.本技术公开一种电池交流加热方法及装置，通过对电池交流加热过程进行控制，以达到期望的加热速率。
65.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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他实施例，都属于本技术保护的范围。
66.为方便理解，首先对本技术实施例的应用场景做一介绍。该应用场景中包括交流
电控制系统、交流电发生系统、电池管理系统和电池等。交流电控制系统从交流电发生系统和电池管理系统获取施加于电池的电流信息、电池的温度、荷电状态、加热速率等相关信息，并基于这些信息控制交流电发生系统的运行，交流电发生系统在交流电控制系统的控制下为电池施加交流电，以实现对电池的交流加热。
67.参见图1，图1为本技术公开的一种电池交流加热方法的流程图。该方法由交流电控制系统执行，该方法包括：
68.s101：在第k个时刻，获得电池的温度、soc(荷电状态)和目标加热速率。其中，k为大于1的整数。
69.需要说明的是，本技术中将启动电池交流加热的时刻称为第1个时刻。在第1个时刻施加于电池的交流电的参数为交流电发生系统的初始参数，该初始参数可以为交流电发生系统的出厂参数，也可以为用户设定的参数。后续交流电控制系统从电池管理系统获取每个时刻电池的温度、soc和目标加热速率。
70.s102：根据电池的温度和soc确定电池的阻抗实部。
71.本技术中的电池可以为锂离子电池。
72.锂离子电池的正极等效电路如图2-1所示，锂离子电池的负极等效电路如图2-2所示。
73.图2-1所示的锂离子电池的正极等效电路包括串联的第一模块、第二模块和第三模块。其中，第一模块以z
1，p
表示，表征电池内部集流体、活性物质、电解液的欧姆阻抗部分；第二模块以z
2，p
表示，表征电池颗粒表面的界面膜对应的阻抗部分；第三模块以z
3，p
表示，表征活性物质在固液相界面处的双电层电容和电荷转移阻抗。
74.图2-2所示的锂离子电池的负极等效电路包括串联的第四模块、第五模块和第六模块。其中，第四模块以z
1，n
表示，表征电池内部集流体、活性物质、电解液的欧姆阻抗部分；第五模块以z
2，n
表示，表征电池颗粒表面的界面膜对应的阻抗部分；第六模块以z
3，n
表示，表征活性物质在固液相界面处的双电层电容和电荷转移阻抗。
75.在图2-1和图2-2中，r
1，p
、r
2，p
、r
3，p
、r
1，n
、r
2，n
和r
3，n
为电阻元件，为电阻元件，和为常相位角元件(constant phase element，简称cpe)。第一模块包括第一电阻元件r
1，p
，第二模块包括并联的第二电阻元件r
2，p
和第一常相位角元件第三模块包括并联的第三电阻元件r
3，p
和第二常相位角元件第四模块包括第四电阻元件r
1，n
，第五模块包括并联的第五电阻元件r
2，n
和第三常相位角元件第六模块包括并联的第六电阻元件r
3，n
和第四常相位角元件
76.常相位角元件的阻抗表达式如式(1)。
[0077][0078]
其中，q为cpe系数，s为cpe指数，j为虚数单位，ω为回路中电流对应的角频率。
[0079]
图2-1中，锂离子电池的正极等效电路阻抗的实部z
re，p
如式(2)，锂离子电池的负极等效电路阻抗的实部z
re，n
如式(3)，锂离子电池的负极等效电路的第六模块的阻抗z
3，n
如式(4)。
[0080][0081][0082][0083]
在式(2)、式(3)和式(4)中，q
2，n
为第三常相位角元件的系数，s
2，n
为第三常相位角元件的指数，q
3，n
为第四常相位角元件的系数，s
3，n
为第四常相位角元件的指数，q
2，p
为第一常相位角元件的系数，s
2，p
为第一常相位角元件的指数，q
3，p
为第二常相位角元件的系数，s
3，p
为第二常相位角元件的指数。r
1，n
为锂离子电池的负极等效电路中的欧姆内阻，也就是第四电阻元件的阻值，r
2，n
为锂离子电池的负极等效电路中的界面膜内阻，也就是第五电阻元件的阻值，r
3，n
为锂离子电池的负极等效电路中的电荷转移内阻，也就是第六电阻元件的阻值。r
1，p
为锂离子电池的正极等效电路中的欧姆内阻，也就是第一电阻元件的阻值，r
2，p
为锂离子电池的正极等效电路中的界面膜内阻，也就是第二电阻元件的阻值，r
3，p
为锂离子电池的正极等效电路中的电荷转移内阻，也就是第三电阻元件的阻值。
[0084]
在一种实施方式中，步骤s102具体包括：
[0085]
根据电池的温度和soc确定电池的正极等效电路和负极等效电路中的电阻元件和常相位角元件的阻抗参数；
[0086]
基于式(2)，根据电池的正极等效电路中电阻元件和常相位角元件的阻抗参数确定电池的正极等效电路阻抗的实部；
[0087]
基于式(3)，根据电池的负极等效电路中电阻元件和常相位角元件的阻抗参数确定电池的负极等效电路阻抗的实部；
[0088]
根据电池的正极等效电路阻抗的实部和负极等效电路阻抗的实部确定电池的阻抗实部。
[0089]
实施中，通过对锂离子电池在不同soc和温度下的阻抗谱(electrochemical impedance spectrosco，简称eis)测试结果进行拟合，得到前述公式(1)、公式(2)和公式
(3)中等式右侧的各阻抗参数的取值，也就是，得到锂离子电池的正极等效电路和负极等效电路中电阻元件和常相位角元件的阻抗参数的取值。
[0090]
可选的，预先对锂离子电池在不同soc和温度下的阻抗谱测试结果进行拟合，得到各电阻元件和常相位角元件的阻抗参数的取值，建立锂离子电池的不同soc及温度与各电阻元件和常相位角元件的阻抗参数的取值的映射关系，保存该映射关系。在执行s102的过程中，基于前述映射关系，确定在第k个时刻获得的电池的温度和soc对应的各电阻元件和常相位角元件的阻抗参数的取值。
[0091]
在确定电池的正极等效电路和负极等效电路中的各电阻元件和常相位角元件的阻抗参数的取值后，基于各电阻元件和常相位角元件的阻抗参数的取值计算出锂离子电池的正极等效电路阻抗的实部z
re，p
、以及锂离子电池的负极等效电路阻抗的实部z
re，n
，进一步计算出锂离子电池的阻抗实部z
re
＝z
re，p
z
re，n
。
[0092]
s103：获得在第k-1个时刻施加于电池的交流电的电流信息，对电流信息进行傅里叶变换，以便将电流信息分解为多个三角函数波形的叠加。
[0093]
需要说明的是，在k-1为大于1的整数时，在第k-1个时刻施加于电池的交流电的电流信息是指：基于在第k-1个时刻获得的电池的温度、soc和目标加热速率对施加于电池的交流电的电流幅值进行调整后的电流信息。
[0094]
实施中，对电流信息进行傅里叶变换，将电流信息分解为多个正弦函数波形的叠加。当然，也可以将电流信息分解为多个其他三角函数波形的叠加，例如，将电流信息分解为多个余弦函数波形的叠加。
[0095]
s104：根据多个三角函数波形的幅值以及电池的阻抗实部得到电池在交流电激励下的平均产热功率。
[0096]
锂离子电池在交流电激励下的产热功率可以使用简化的bernardi产热方程来计算，如式(5)所示。
[0097][0098]
其中，q为锂离子电池的产热功率，i为锂离子电池的电流，u
oc
为锂离子电池的开路电压，v为锂离子电池的端电压，t为锂离子电池的温度，为锂离子电池的熵电势。
[0099]
在式(5)中，等式右侧的第一项i(u
oc-v)表示锂离子电池产生的不可逆热，等式右侧的第二项表示锂离子电池产生的可逆热。
[0100]
对于任意特定交流波形，例如，正弦波、方波或者不规则波形，可以使用傅里叶变换，将其分解成多个正弦函数波形的叠加，如式(6)所示。
[0101][0102]
其中，in为第n个正弦函数波形的幅值，ω是角频率，是第n个正弦函数波形的相位差。
[0103]
锂离子电池在交流电激励下的端电压v(t)可以用式(7)表示，相当于在锂离子电池的开路电压u
oc
的基础上叠加交流电压的分量。其中，z是锂离子电池的复数阻抗，vn为交
流电压分量的幅值，是在锂离子电池的阻抗影响下，第n个正弦函数波形的交流电压相比交流电流偏转的相位角。
[0104][0105]
将式(6)和式(7)代入式(5)，可以得到锂离子电池在特定波形的交流电激励下的产热功率，如式(8)所示。
[0106][0107]
对式(8)进一步展开，得到式(9)。
[0108][0109]
在式(9)中，锂离子电池的产热功率包括四项。
[0110]
第一项：
[0111]
第二项：
[0112]
第三项：
[0113]
第四项：
[0114]
其中，是第m个正弦函数波形的相位差，是在锂离子电池的阻抗影响下，第m个正弦函数波形的交流电压相比交流电流偏转的相位角。
[0115]
可以看到，第一项、第二项和第四项均为时间的三角函数形式，在较长一段时间(包含若干交流电周期)内的积分值可认为是0，只有第三项是对锂离子电池的预热起作用的加热功率。因此，锂离子电池在特定波形的交流电激励下，一定时间内的平均产热功率如式(10)所示。
[0116][0117]
式(10)也可以表示为式(11)，式(11)即为锂离子电池在特定波形的交流电激励下的频域产热模型(即平均产热功率)，其中，是在第n个正弦函数波形的频率下电池的阻抗实部，实施中，按照式(3)计算在第n个正弦函数波形的频率下正极等效电路阻抗的实部，按照式(4)计算在第n个正弦函数波形的频率下负极等效电路阻抗的实部，计算前述两个结果的和值，该和值为第n个正弦函数波形的频率下电池的阻抗实部
[0118][0119]
可以看到，无论施加于锂离子电池的交流电是方波、正弦波，还是不规则波形，通过执行步骤s102、步骤s103和步骤s104都确定出锂离子电池在该交流电激励下的平均产热功率。
[0120]
s105：根据目标加热速率、电池的温度、环境温度得到期望产热功率。
[0121]
锂离子电池在交流加热过程中的温升速率可以使用一个集总的能量守恒方程描述，如式(12)所示。
[0122][0123]
其中，m为锂离子电池的质量，c为锂离子电池的比热容，t为锂离子电池的温度，为目标加热速率，为锂离子电池的期望产热功率，s为锂离子电池的对流换热表面积，t
amb
为环境温度，h为锂离子电池与环境的对流换热系数。
[0124]
将式(12)变形后，可以得到在目标加热速率要求下，锂离子电池的期望产热功率表达式，如式(13)。
[0125][0126]
s106：基于期望产热功率和平均产热功率确定电流放大倍数。
[0127]
s107：根据在第k-1个时刻施加于电池的交流电的电流信息和该电流放大倍数，调整施加于电池的交流电的电流幅值。
[0128]
在第k个时刻获得电池的温度、soc和目标加热速率。通过执行步骤s105，确定出电池达到第k个时刻获得的目标加热速率所需的产热功率，也就是期望产热功率。通过执行步骤s102、步骤s103和步骤s104，确定出：在第k个时刻之后，向电池施加的交流电保持不变(即继续保持第k-1个时刻施加的交流电)的情况下，电池的平均产热功率。由式(11)可以看到，通过调整施加于电池的交流电的电流幅值，可以调整电池的平均产热功率。因此，基于期望产热功率和平均产热功率确定电流放大倍数，根据在第k-1个时刻施加于电池的交流电的电流信息和该电流放大倍数，确定出需要施加于电池的交流电的电流信息，控制交流
电发生系统向电池施加相应的交流电，就可以使得电池的加热速率无限趋近或达到在第k个时刻获得的目标加热速率。
[0129]
例如，在第k-1个时刻施加于电池的交流电的电流幅值记为i(k-1)，基于第k个时刻获得的电池的温度、soc和目标加热速率所确定的电流放大倍数记为a(k)，将该电流放大系数a(k)输入给交流电发生系统，交流电发生系统输出的交流电的电流幅值为i(k)＝a(k)i(k-1)。
[0130]
需要说明的是，在第k个时刻之后，在基于期望产热功率和平均产热功率确定出电流放大倍数之前，交流电发生系统向电池施加的交流电保持不变。
[0131]
本技术公开的电池交流加热方法，在第k个时刻获得电池的温度、soc和目标加热速率；根据目标加热速率、电池的温度和环境温度确定期望产热功率，即，确定电池达到该目标加热速率所需的产热功率；根据电池的温度和soc确定出电池的阻抗实部，获得在第k-1个时刻施加于电池的交流电的电流信息，对其进行傅里叶变换，从而将该交流电分解为多个三角函数波形的叠加，之后根据多个三角函数波形的幅值以及电池的阻抗实部得到电池在当前交流电激励下的平均产热功率；根据期望产热功率和平均产热功率确定出电流放大倍数，并根据第k-1个时刻施加于电池的交流电的电流信息和该电流放大倍数，调整施加于电池的交流电的电流幅值，使得电池的加热速率无限趋近或达到在第k个时刻获得的目标加热速率(即期望的加热速率)。另外，无论施加于电池的交流电为方波、正弦波，还是不规则波形，都可以使得电池的加热速率无限趋近或达到期望的加热速率。
[0132]
在本技术的另一个实施例中，基于期望产热功率和平均产热功率确定电流放大倍数，包括：计算期望产热功率和平均产热功率的比值，将该比值确定为电流放大倍数。
[0133]
在本技术的另一个实施例中，基于期望产热功率和平均产热功率确定电流放大倍数，包括：
[0134]
a11：根据电池的温度和soc确定电池的负极电荷转移内阻实部。
[0135]
在锂离子电池的正极等效电路如图2-1所示，锂离子电池的负极等效电路如图2-2所示的情况下，根据电池的温度和soc确定电池的负极等效电路中的电阻元件和常相位角元件的阻抗参数，之后基于式(4)，根据电池的负极等效电路中电阻元件和常相位角元件的阻抗参数确定电池的负极电荷转移内阻实部。
[0136]
a12：根据电池的负极电荷转移内阻实部、电池负极的平衡电势、以及多个三角函数波形的频率、幅值和相位差，确定电池的析锂边界。
[0137]
电池(如锂离子电池)在低温加热过程中可能出现析锂现象，引发安全性问题。通过对施加于电池的交流电的电流幅值进行限制，能够避免电池在低温加热过程中出现析锂现象。
[0138]
如果要避免电池的负极发生析锂现象，需要满足电池负极的颗粒表面固液相电势差大于析锂反应的平衡电势，通常认为析锂反应的平衡电势为0v。如式(14)所示。
[0139]
φ
s-φ1＞0
ꢀꢀꢀ
式(14)
[0140]
其中，φs为固相电势，φ1为液相电势。
[0141]
电池负极的石墨颗粒表面发生析锂反应时的过电势η的表达式如式(15)。
[0142]
η＝φ
s-φ
l-ueꢀꢀ
式(15)
[0143]
其中，ue为电池负极的平衡电势。
[0144]
石墨颗粒表面发生析锂反应时的过电势η可以近似为图2-1中电荷转移阻抗两端电压的负值，即式(16)。
[0145]
η＝-|i(t)z
3，n
|
ꢀꢀ
式(16)
[0146]
综合式(14)、式(15)和式(16)得到，锂离子电池在交流电激励下，不发生析锂现象的条件为式(17)。
[0147]
|i(t)z
3，n
|＜ueꢀꢀ
式(17)
[0148]
进一步结合式(6)，可以得到式(18)。
[0149][0150]
其中，是在第n个正弦函数波形的频率下电池的负极电荷转移内阻实部，实施中，将第n个正弦函数波形的频率代入式(4)，得到第n个正弦函数波形的频率下电池的负极电荷转移内阻实部
[0151]
如果要避免电池的负极发生析锂现象，那么析锂边界a
max
应满足式(19)。
[0152][0153]
基于式(19)，根据电池的负极电荷转移内阻实部、电池负极的平衡电势、以及多个三角函数波形的频率、幅值和相位差，确定电池的析锂边界a
max
。
[0154]
a13：计算期望产热功率和平均产热功率的比值。
[0155]
a14：比较析锂边界和比值的大小。
[0156]
a15：如果析锂边界和比值不等，那么将析锂边界和比值中的较小者确定为电流放大倍数，如果析锂边界和比值相等，那么将析锂边界和比值中的任意一个确定为电流放大倍数。
[0157]
计算期望产热功率和平均产热功率的比值a1。比较析锂边界a
max
和比值a1，如果析锂边界a
max
小于比值a1，那么将析锂边界a
max
确定为电流放大倍数a，如果比值a1小于析锂边界a
max
，那么将比值a1确定为电流放大倍数，如果两者相等，那么将析锂边界a
max
和比值a1中的任意一个确定为电流放大倍数。
[0158]
本技术图3所示的确定电流放大倍数的方案，根据电池的负极电荷转移内阻实部、电池负极的平衡电势、以及多个正弦函数波形的频率、幅值和相位差，确定电池的析锂边界，计算期望产热功率和平均产热功率的比值，之后比较该析锂边界和该比值的大小，如果析锂边界和该比值不等，则将析锂边界和比值中的较小者确定为电流放大倍数，如果析锂边界和该比值相等，则将析锂边界和该比值中的任意一个确定为电流放大倍数，能够避免电池在交流加热过程中出现析锂现象，提高电池的安全性。
[0159]
本技术中，锂离子电池的正极等效电路和负极等效电路并不限定为图2-1和图2-2所示。
[0160]
在另一个实施例中，锂离子电池的正极等效电路如图3-1所示，锂离子电池的负极等效电路如图3-2所示。
[0161]
图3-1所示的锂离子电池的正极等效电路包括串联的第一模块、第二模块和第三模块。其中，第一模块以z
1，p
表示，表征电池内部集流体、活性物质、电解液的欧姆阻抗部分；第二模块以z
2，p
表示，表征电池颗粒表面的界面膜对应的阻抗部分；第三模块以z
3，p
表示，表
征活性物质在固液相界面处的双电层电容和电荷转移阻抗。
[0162]
锂离子电池的负极等效电路包括串联的第四模块、第五模块和第六模块。其中，第四模块以z
1，n
表示，表征电池内部集流体、活性物质、电解液的欧姆阻抗部分；第五模块以z
2，n
表示，表征电池颗粒表面的界面膜对应的阻抗部分；第六模块以z
3，n
表示，表征活性物质在固液相界面处的双电层电容和电荷转移阻抗。
[0163]
第一模块包括第一电阻元件r
1，p
，第二模块包括并联的第二电阻元件r
2，p
和第一电容元件c
2，p
，第三模块包括并联的第三电阻元件r
3，p
和第二电容元件c
3，p
，第四模块包括第四电阻元件r
1，n
，第五模块包括并联的第五电阻元件r
2，n
和第三电容元件c
2，n
，第六模块包括第六电阻元件r
3，n
和第四电容元件c
3，n
。
[0164]
电容元件的阻抗表达式(20)所示。
[0165][0166]
其中，c为电容元件的电容值，j为虚数单位，ω为回路中电流对应的角频率。
[0167]
图3-1中，锂离子电池的正极等效电路阻抗的实部z
re，p
如式(21)，锂离子电池的负极等效电路阻抗的实部z
re，n
如式(22)，锂离子电池的负极等效电路的第六模块的阻抗z
3，n
如式(23)。
[0168][0169][0170][0171]
在式(21)、式(22)和式(23)中，c
2，p
为第一电容元件的电容值，c
3，p
为第二电容元件的电容值，c
2，n
为第三电容元件的电容值，c
3，n
为第四电容元件的电容值。r
1，n
为锂离子电池的负极等效电路中的欧姆内阻，也就是第四电阻元件的阻值，r
2，n
为锂离子电池的负极等效电路中的界面膜内阻，也就是第五电阻元件的阻值，r
3，n
为锂离子电池的负极等效电路中的电荷转移内阻，也就是第六电阻元件的阻值。r
1，p
为锂离子电池的正极等效电路中的欧姆内阻，也就是第一电阻元件的阻值，r
2，p
为锂离子电池的正极等效电路中的界面膜内阻，也就是第二电阻元件的阻值，r
3，p
为锂离子电池的正极等效电路中的电荷转移内阻，也就是第三电阻元件的阻值。
[0172]
步骤s102具体包括：
[0173]
根据电池的温度和soc确定电池的正极等效电路和负极等效电路中的电阻元件和电容元件的阻抗参数；
[0174]
基于式(21)，根据电池的正极等效电路中电阻元件和电容元件的阻抗参数确定电池的正极等效电路阻抗的实部；
[0175]
基于式(22)，根据电池的负极等效电路中电阻元件和电容元件的阻抗参数确定电池的负极等效电路阻抗的实部；
[0176]
根据电池的正极等效电路阻抗的实部和负极等效电路阻抗的实部确定电池的阻抗实部。
[0177]
实施中，通过对锂离子电池在不同soc和温度下的阻抗谱(eis)测试结果进行拟合，得到前述公式(21)、公式(22)和公式(23)中等式右侧的各阻抗参数的取值，也就是，得到锂离子电池的正极等效电路和负极等效电路中电阻元件和电容元件的阻抗参数的取值。
[0178]
可选的，预先对锂离子电池在不同soc和温度下的阻抗谱测试结果进行拟合，得到各电阻元件和电容元件的阻抗参数的取值，建立锂离子电池的不同soc及温度与各电阻元件和电容元件的阻抗参数的取值的映射关系，保存该映射关系。在执行s102的过程中，基于前述映射关系，确定在第k个时刻获得的电池的温度和soc对应的各电阻元件和电容元件的阻抗参数的取值。
[0179]
在确定电池的正极等效电路和负极等效电路中的各电阻元件和电容元件的阻抗参数的取值后，基于各电阻元件和电容元件的阻抗参数的取值计算出锂离子电池的正极等效电路阻抗的实部z
re，p
、以及锂离子电池的负极等效电路阻抗的实部z
re，n
，进一步计算出锂离子电池的阻抗实部z
re
＝z
re，p
z
re，n
。
[0180]
在锂离子电池的正极等效电路如图3-1所示，锂离子电池的负极等效电路如图3-2所示的情况下，根据电池的温度和soc确定电池的负极电荷转移内阻实部，包括：根据电池的温度和soc确定电池的负极等效电路中的电阻元件和电容元件的阻抗参数；基于式(23)，根据电池的负极等效电路中电阻元件和电容元件的阻抗参数确定电池的负极电荷转移内阻实部。
[0181]
下面结合图4对本技术公开的电池交流加热方法的应用进行说明。
[0182]
交流电发生系统100与电池连接，在交流电控制系统300的控制下输出特定波形特定频率的交流电，实现对电池的交流加热。
[0183]
电池管理系统200监控电池的状态，获得电池的温度和soc，并且电池管理系统200还存储有目标加热速率，其中，目标加热速率可以为原始设定，也可以进行人工调整。
[0184]
交流电控制系统300的工作过程为：在第k个时刻从电池管理系统200获得电池的温度t(k)、soc(k)和目标加热速率从交流电发生系统100获取第k-1个时刻施加于电池的交流电的电流信息i(k-1)，对第k-1个时刻的电流信息i(k-1)进行傅里叶变换，根据前文中介绍的方案确定出期望产热功率和平均产热功率计算出期望产热功率和平均产热功率的比值a1(k)，根据前文中介绍的方案确定出析锂边界a
max
(k)，根据比值a1(k)和析锂边界a
max
(k)确定出电流放大倍数a(k)，向交流电发生系统100发送该电流放大倍数a(k)。
[0185]
交流电发生系统100基于接收到的电流放大倍数a(k)对输出交流电的电流幅值进行调整，将电流幅值调整为i(k)，其中，i(k)＝a(k)i(k-1)，使得电池的加热速率无限趋近或达到在第k个时刻获得的目标加热速率。
[0186]
本技术上述公开了电池交流加热方法，相应的，本技术还公开电池交流加热装置，说明书中关于两者的描述可以相互参考。
[0187]
参见图5，图5为本技术公开的一种电池交流加热装置的结构示意图。该装置包括：
[0188]
参数获取单元501，用于在第k个时刻，获得电池的温度、荷电状态soc和目标加热速率，k为大于1的整数；
[0189]
阻抗实部确定单元502，用于根据电池的温度和soc确定电池的阻抗实部；
[0190]
变换单元503，用于获得在第k-1个时刻施加于电池的交流电的电流信息，对电流信息进行傅里叶变换，以便将电流信息分解为多个三角函数波形的叠加；
[0191]
平均产热功率确定单元504，用于根据多个三角函数波形的幅值以及电池的阻抗实部得到电池在交流电激励下的平均产热功率；
[0192]
期望产热功率确定单元505，用于根据目标加热速率、电池的温度、环境温度得到期望产热功率；
[0193]
放大倍数确定单元506，用于基于期望产热功率和平均产热功率确定电流放大倍数；
[0194]
电流幅值调整单元507，用于根据在第k-1个时刻施加于电池的交流电的电流信息和电流放大倍数，调整施加于电池的交流电的电流幅值。
[0195]
在本技术的另一个实施例中，放大倍数确定单元506具体用于：计算期望产热功率和平均产热功率的比值，将该比值确定为所述电流放大倍数。
[0196]
在本技术的另一个实施例中，放大倍数确定单元506包括：
[0197]
内阻实部确定子单元，用于根据电池的温度和soc确定电池的负极电荷转移内阻实部；
[0198]
析锂边界确定子单元，用于根据电池的负极电荷转移内阻实部、电池负极的平衡电势、以及多个三角函数波形的频率、幅值和相位差，确定电池的析锂边界；
[0199]
功率比值确定子单元，用于计算期望产热功率和平均产热功率的比值；
[0200]
放大倍数确定子单元，用于比较析锂边界和比值的大小，如果析锂边界和比值不等，则将析锂边界和比值中的较小者确定为电流放大倍数，如果析锂边界和比值相等，则将析锂边界和比值中的任意一个确定为电流放大倍数。
[0201]
在本技术的另一个实施例中，锂离子电池的正极等效电路如图2-1所示，锂离子电池的负极等效电路如图2-2所示，阻抗实部确定单元502包括：
[0202]
第一阻抗参数确定子单元，用于根据电池的温度和soc确定电池的正极等效电路和负极等效电路中的电阻元件和常相位角元件的阻抗参数；
[0203]
第一处理子单元，用于根据电池的正极等效电路中电阻元件和常相位角元件的阻抗参数确定电池的正极等效电路阻抗的实部；
[0204]
第二处理子单元，用于根据电池的负极等效电路中电阻元件和常相位角元件的阻抗参数确定电池的负极等效电路阻抗的实部；
[0205]
第一阻抗实部确定子单元，根据电池的正极等效电路阻抗的实部和负极等效电路阻抗的实部确定电池的阻抗实部。
[0206]
在本技术的另一个实施例中，锂离子电池的正极等效电路如图3-1所示，锂离子电池的负极等效电路如图3-2所示，阻抗实部确定单元502包括：
[0207]
第二阻抗参数确定子单元，用于根据电池的温度和soc确定电池的正极等效电路和负极等效电路中的电阻元件和电容元件的阻抗参数；
[0208]
第三处理子单元，用于根据电池的正极等效电路中电阻元件和电容元件的阻抗参
数确定电池的正极等效电路阻抗的实部；
[0209]
第四处理子单元，用于根据电池的负极等效电路中电阻元件和电容元件的阻抗参数确定电池的负极等效电路阻抗的实部；
[0210]
第二阻抗实部确定子单元，用于根据电池的正极等效电路阻抗的实部和负极等效电路阻抗的实部确定电池的阻抗实部。
[0211]
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0212]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0213]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。