一种发射车用锂离子电池低温交流加热方法及装置与流程

1.本发明属于电池技术领域，具体涉及一种发射车用锂离子电池低温交流加热方法及装置。


背景技术：

2.随着新一代全电驱动导弹发射车的发展应用，锂离子动力电池凭借较高的比功率、电压、能量密度，长的循环寿命、无污染、无记忆效应与自放电低等优势成为电驱导弹发射车的重要储能元件。然而，锂离子电池在低温下的电化学反应速率降低，锂离子难以嵌入与脱嵌，内阻急剧增大，充放电性能变差，容量衰减明显，动力性能变差，导致电驱发射车的续驶里程严重缩短，静默能力与机动性能降低，在冬季或高寒地区执行作战任务面临挑战。另一方面，动力电池低温下充电会造成金属锂从石墨负极表面析出，形成锂枝晶，进而发生内部短路，甚至导致热失控，危及发射车运行安全。因此低温下对电池进行安全快速加热十分必要。
3.目前，锂离子电池的低温加热方法主要可以分为两大类：内部加热法与外部加热法。所谓外部加热法，就是将外部附加的加热装置产生的热量传导给电池来实现对电池的加热。主要包括加热板加热、加热套加热、热管加热、peltier效应加热、ptc加热、金属膜加热、相变材料加热、液体或气体加热等几种形式。外部加热法具有简单易行的优点，但也有花费时间较长、能量损失较大、加热均匀性较差等不足。而内部加热法是采用刺激电池利用其自身的能量生热来给电池加热的一种方法。为此，本发明提出一种正弦交流电加热法，属于内部加热法，通过给电池的正负极施加正弦交流电来使电池自身产生热量从而实现加热。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种发射车用锂离子电池低温交流加热方法及装置。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
6.第一方面，本发明提供一种发射车用锂离子电池低温交流加热方法，包括以下步骤：
7.实时获取电池温度t和电池剩余容量soc；
8.从数据库获取所述t、soc对应的a、f，所述a、f分别为使电池生热率最高的用于电池加热的交流电源输出的电流幅值和频率；
9.调整交流电源，使其输出的电流幅值和频率分别等于所述a、f；
10.重复上述过程，直到电池温度t达到设定的加热温度。
11.进一步地，计算t、soc对应的a、f的方法包括：
12.根据热电效应原理，建立以电池生热率为函数、以a、f为自变量的数学模型，所述模型中包含随t、f变化的电池阻抗；
13.采用优化算法，以a不超过其最大值为约束条件，计算t、soc取不同值时使电池生热率最大的a、f，得到t、soc对应的a、f，a的最大值与电池的安全工作电压、soc和电池阻抗有关。
14.进一步地，以电池生热率为函数、以a、f为自变量的数学模型为：
[0015][0016]
式中，q为生热率，z(t,f)为电池阻抗，re(
·
)表示求实部。
[0017]
更进一步地，电池阻抗为：
[0018]
z(t,f)＝re(z(t,f)) jim(z(t,f))
[0019][0020][0021]
式中，r0(t)为欧姆电阻，r
ct
(t)、c
ct
(t)分别为极化电阻和极化电容，r
sei
(t)、c
sei
(t)分别为sei膜电阻和sei膜电容，l为电感，im(
·
)表示求虚部。
[0022]
更进一步地，a的最大值为：
[0023][0024][0025]
式中，u
max
、u
min
分别为电池安全工作电压的最大值和最小值，u
oc
为电池开路电压，由soc获得，|z|为电池阻抗的模值。
[0026]
第二方面，本发明提供一种发射车用锂离子电池低温交流加热装置，包括：
[0027]
数据获取模块，用于实时获取电池温度t和电池剩余容量soc；
[0028]
优化值获取模块，用于从数据库获取所述t、soc对应的a、f，所述a、f分别为使电池生热率最高的用于电池加热的交流电源输出的电流幅值和频率；
[0029]
电源调整模块，用于调整交流电源，使其输出的电流幅值和频率分别等于所述a、f；
[0030]
循环执行模块，用于重复上述过程，直到电池温度t达到设定的加热温度。
[0031]
进一步地，计算t、soc对应的a、f的方法包括：
[0032]
根据热电效应原理，建立以电池生热率为函数、以a、f为自变量的数学模型，所述模型中包含随t、f变化的电池阻抗；
[0033]
采用优化算法，以a不超过其最大值为约束条件，计算t、soc取不同值时使电池生热率最大的a、f，得到t、soc对应的a、f，a的最大值与电池的安全工作电压、soc和电池阻抗有关。
[0034]
进一步地，以电池生热率为函数、以a、f为自变量的数学模型为：
[0035][0036]
式中，q为生热率，z(t,f)为电池阻抗，re(
·
)表示求实部。
[0037]
更进一步地，电池阻抗为：
[0038]
z(t,f)＝re(z(t,f)) jim(z(t,f))
[0039][0040][0041]
式中，r0(t)为欧姆电阻，r
ct
(t)、c
ct
(t)分别为极化电阻和极化电容，r
sei
(t)、c
sei
(t)分别为sei膜电阻和sei膜电容，l为电感，im(
·
)表示求虚部。
[0042]
更进一步地，a的最大值为：
[0043][0044][0045]
式中，u
max
、u
min
分别为电池安全工作电压的最大值和最小值，u
oc
为电池开路电压，由soc获得，|z|为电池阻抗的模值。
[0046]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。
[0047]
本发明通过实时获取电池温度t和电池剩余容量soc，从数据库获取所述t和soc对应的使电池生热率最高的交流电源的电流幅值a和频率f，调整交流电源，使其输出的电流幅值和频率分别等于所述a、f，重复上述过程，直到电池温度达到设定的加热温度，能够在不损伤电池容量和寿命的前提下提高电池加热速度。实验表明，采用本发明所述方法可实现480s内从-20.03℃加热至0℃，平均温升率为2.50℃/min，且613s内可升温至5℃。
附图说明
[0048]
图1为本发明实施例一种发射车用锂离子电池低温交流加热方法的流程图。
[0049]
图2为电池交流加热的等效电路模型示意图。
[0050]
图3为一实际电池模组在-20℃下的测得的电化学阻抗谱。
[0051]
图4为电池soc＝20％、不同电池温度下的优化的电流幅值和频率；
[0052]
图5为本发明实施例进行电池加热的电池温升曲线；
[0053]
图6为本发明实施例一种发射车用锂离子电池低温交流加热装置的方框图。
具体实施方式
[0054]
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。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，都属于本发明保护的范围。
[0055]
图1为本发明实施例一种发射车用锂离子电池低温交流加热方法的流程图，包括以下步骤：
[0056]
步骤101，实时获取电池温度t和电池剩余容量soc；
[0057]
步骤102，从数据库获取所述t、soc对应的a、f，所述a、f分别为使电池生热率最高的用于电池加热的交流电源输出的电流幅值和频率；
[0058]
步骤103，调整交流电源，使其输出的电流幅值和频率分别等于所述a、f；
[0059]
步骤104，重复上述过程，直到电池温度t达到设定的加热温度。
[0060]
本实施例给出了一种发射车用锂离子电池低温交流加热方法。所述方法属于内部加热法。利用电热学原理，以正弦交流电源为加热源，将交流电源的两个输出端分别与电池的正负极相连，打开电源，交流电源输出的正弦交流电流流过电池，使电池自身产生热量从而实现加热。
[0061]
本实施例中，步骤101主要用于实时获取电池温度和电池剩余容量soc(电池剩余电压与充满时的电压的比)。为了实现对电池自适应加热，需要有一个自动控制装置。所述装置至少包括一个中央处理单元，以及多个传感器，分别用来测量电池soc、电池温度等，交流电源应选择程控电源，其输出电压或电流、频率在中央处理单元的控制下可自动调整。电池温度和电池充电电压可从传感器实时获得。
[0062]
本实施例中，步骤102主要用于获得优化的电流幅值a和频率f。所述优化的a和f是在当前时刻的电池soc和电池温度t下，使电池生热率最高的交流电源输出的电流幅值和频率。电池生热率是电池在单位时间内吸收的热量(相当功率)，电池生热率最高时，电池温度升高的速度也最快，即加热速度最快。soc、t对应的a、f的值可从数据库获取。所述数据库事先建好的，数据库中保存了不同的soc、t对应的优化的a、f值，因此，根据soc、t就可能从数据库中查到对应的a、f。这些数据是通过计算和/或实验获得的。本实施例对这些数据的具体获得方法不作限制，后面将给出一种具体的实施例。
[0063]
本实施例中，步骤103主要用于通过调整交流电源使其输出的电流幅值和频率分别等于优化的a、f。如前述，交流电源为程控电源，可根据中央处理单元发送的指令自动调整其频率和输出电流。大部分程控电源直接调整的是输出电压，可通过监测电流采样电阻上的电压实现对输出电流的调整。
[0064]
本实施例中，步骤104主要用于按照优化策略将电池加热到设定的温度。上述过程可按照一定的周期重复进行。由于加热过程中电池温度t不断升高，soc也会有变化，因此，每个周期都要采集新的t和soc，根据新的t和soc从数据库获取新的优化的a、f，并据此调整交流电源，使每个周期交流电源的输出电流和频率都为优化值。上述过程一直重复到电池温度t达到设定的加热温度为止。
[0065]
采用本实施例的优化策略进行电池加热，能够使电池生热率始终保持最大，可以在不损伤电池容量和寿命的前提下明显提高电池加热速度。图4给出了当电池soc＝20％、不同电池温度下的优化的电流幅值和频率，曲线1为电流幅值，曲线2为频率。图5是电池加热的电池温升曲线，同时还给出了仿真得到的温升曲线。由图5可知，当电池soc＝20％时，电池从-20.03℃升温至0℃仅仅用了480s(8min)的时间，平均温升率为2.50℃/min，并且用时613s(10.2min)升温至5℃。仿真结果与实验测得的温升曲线几乎一致，仿真与实验结果
之间的最大温差为0.69℃，平均温差为0.38℃，均方根误差(rmse)仅为0.1887℃。实验结果充分地证明了本实施例的优化加热控制策略的正确性与可行性。这种温度自适应的加热控制策略可以使得电池的生热率在整个正弦交流电加热过程中始终保持在一个比较大的值，并且时刻满足电池的安全工作电压条件。随着电池温度的升高，生热率得以进一步增大以实现高效快速地加热。此外，由于所提出的这种基于优化的加热控制策略的优化频率分布在中高频区域，不会造成锂离子沉积现象，对电池的容量和寿命无损伤，且优化后的许用的最大电流幅值也比低频区域的更大一些，因此，可以获得更佳的加热效果。
[0066]
作为一可选实施例，计算t、soc对应的a、f的方法包括：
[0067]
根据热电效应原理，建立以电池生热率为函数、以a、f为自变量的数学模型，所述模型中包含随t、f变化的电池阻抗；
[0068]
采用优化算法，以a不超过其最大值为约束条件，计算t、soc取不同值时使电池生热率最大的a、f，得到t、soc对应的a、f，a的最大值与电池的安全工作电压、soc和电池阻抗有关。
[0069]
本实施例给出了计算优化的a、f的一种技术方案。因为要计算使电池生热率最高的a、f，所以需要建立一个以电池生热率为函数以a、f为自变量的优化模型。由于电池采用交流电源通电加热，是将电能转换成热能，因此可根据热电效应原理得到电池吸热的公式，从而得到电池生热率的表达式，也就是所要构建的优化模型。电池吸热与电池阻抗有关，因此优化模型中应该包含电池阻抗。而电池阻抗又是频率和温度的函数。
[0070]
有了优化函数，就可以采用优化算法进行优化计算。由于t和soc也是变量，因此，需要先设定t和soc的值(即使t和soc固定)，再进行优化计算，得到使电池生热率最大的a、f值；然后改变t和soc的值，再进行优化计算，从而得到t、soc取不同值时使电池生热率最大的a、f。为了保证电池安全加热，应使电池工作在安全电压范围内，可通过设置优化计算的约束条件实现。要使电池工作在安全电压范围内，电流幅值a应不超过一定值，即最大电流幅值，因此，可将根据电池安全工作电压计算得到的最大电流幅值作为约束条件。
[0071]
作为一可选实施例，以电池生热率为函数、以a、f为自变量的数学模型为：
[0072][0073]
式中，q为生热率，z(t,f)为电池阻抗，re(
·
)表示求实部。
[0074]
本实施例给出了电池生热率模型的一种技术方案。电池阻抗包括电阻和电抗两部分，将阻抗表示为复数时，电阻为阻抗的实部，电抗为阻抗的虚部。电抗的有效功率为0，即电抗不吸收或放出热量，只有电阻在通电时吸热温度升高。因此，电池吸收的热量是由交流电流流过电池电阻产生的，而电池生热率是电池单位时间内吸收的热量，所以电池生热率应该等于电池电阻的功率。电阻功率等于流过的直流电流的平方乘以电阻，等于流过的交流电流的有效值的平方乘以电阻，而正弦交流电压或电流的有效值等于其幅值除以根据上述分析可得到电池生热率的模型，如上面的公式。公式中的z(t,f)为电池阻抗，是温度和频率的函数，可通过实验手段测得不同温度和频率下的阻抗实部和阻抗虚部。图3是以圆柱形18650nmc三元锂离子动力电池为例，3节并联电池模组在-20℃下测得的电化学阻抗谱，即阻抗实部和虚部的关系曲线。
[0075]
作为一可选实施例，电池阻抗为：
[0076]
z(t,f)＝re(z(t,f)) jim(z(t,f))
[0077][0078][0079]
式中，r0(t)为欧姆电阻，r
ct
(t)、c
ct
(t)分别为极化电阻和极化电容，r
sei
(t)、c
sei
(t)分别为sei膜电阻和sei膜电容，l为电感，im(
·
)表示求虚部。
[0080]
本实施例给出了用电池参数表示的电池阻抗的表达式。图2是基于电池的电化学反应原理，建立的二阶rlc等效电路模型。根据图2的串并联关系可得到电池阻抗的表达式，如上面的公式。通过实验可测得不同温度和频率下的阻抗实部和阻抗虚部，采用遗传算法，可得到不同温度下的r0(t)、r
ct
(t)、c
ct
(t)等电池参数。有了不同温度下的电池参数，代入上面公式可得到不同温度下所有频率值的电池阻抗。
[0081]
作为一可选实施例，a的最大值为：
[0082][0083][0084]
式中，u
max
、u
min
分别为电池安全工作电压的最大值和最小值，u
oc
为电池开路电压，由soc获得，|z|为电池阻抗的模值。
[0085]
本实施例给出了约束条件a的最大值的一种计算方法。根据图2所示模型，流过电池的电流或交流电源输出的电流为：(u
～-u
oc
)/z，u
oc
为电池开路电压，u
～
为交流电源输出电压。为了保证电池安全，u
～
的取值应在u
min
～u
max
范围内，u
max
、u
min
分别为电池安全工作电压的最大值和最小值。因此，电池电流幅值a最大值为(u
max-u
oc
)/|z|或(u
oc-u
min
)/|z|。为了确保安全，应限定a最大值不超过(u
max-u
oc
)/|z|和(u
oc-u
min
)/|z|中最小的一个。
[0086]
图6为本发明实施例一种发射车用锂离子电池低温交流加热装置的组成示意图，所述装置包括：
[0087]
数据获取模块11，用于实时获取电池温度t和电池剩余容量soc；
[0088]
优化值获取模块12，用于从数据库获取所述t、soc对应的a、f，所述a、f分别为使电池生热率最高的用于电池加热的交流电源输出的电流幅值和频率；
[0089]
电源调整模块13，用于调整交流电源，使其输出的电流幅值和频率分别等于所述a、f；
[0090]
循环执行模块14，用于重复上述过程，直到电池温度t达到设定的加热温度。
[0091]
本实施例的装置，可以用于执行图1所示方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。后面的实施例也是如此，均不再展开说明。
[0092]
作为一可选实施例，计算t、soc对应的a、f的方法包括：
[0093]
根据热电效应原理，建立以电池生热率为函数、以a、f为自变量的数学模型，所述模型中包含随t、f变化的电池阻抗；
[0094]
采用优化算法，以a不超过其最大值为约束条件，计算t、soc取不同值时使电池生热率最大的a、f，得到t、soc对应的a、f，a的最大值与电池的安全工作电压、soc和电池阻抗有关。
[0095]
作为一可选实施例，以电池生热率为函数、以a、f为自变量的数学模型为：
[0096][0097]
式中，q为生热率，z(t,f)为电池阻抗，re(
·
)表示求实部。
[0098]
作为一可选实施例，电池阻抗为：
[0099]
z(t,f)＝re(z(t,f)) jim(z(t,f))
[0100][0101][0102]
式中，r0(t)为欧姆电阻，r
ct
(t)、c
ct
(t)分别为极化电阻和极化电容，r
sei
(t)、c
sei
(t)分别为sei膜电阻和sei膜电容，l为电感，im(
·
)表示求虚部。
[0103]
作为一可选实施例，a的最大值为：
[0104][0105][0106]
式中，u
max
、u
min
分别为电池安全工作电压的最大值和最小值，u
oc
为电池开路电压，由soc获得，|z|为电池阻抗的模值。
[0107]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。