一种电池低温无损交流自加热的参数选取方法及装置

1.本发明涉及电池管理技术领域，具体是一种电池低温无损交流自加热的参数选取方法及装置。


背景技术：

2.在低温环境下，锂离子电池的充放电能力较差，会出现既充不进电，又放不出电的情况。此外，锂离子电池在低温环境下充电，负极极易发生析锂老化，会导致电池内部活性锂离子快速损失和锂枝晶生长，从而迅速降低电池容量，并增加电池的内短路和热失控风险。为了提高低温环境下锂离子电池性能，采用加热方法提高电池系统实际运行温度是实际应用中最有效的方法。
3.目前，电池低温加热分别有外加热和内加热两种方法。外加热主要包括风热、液热或相变材料加热等，其均需要通过热传导或热对流的方式将热量从外部热源传递给电池。虽然外加热方法已十分成熟，但其具有温升速率低、能效低等难以克服的缺点。与外加热相对比的是电池内加热方法，其特点是热量从电池内部产生，无需从外至内进行热传导，因此具有温升速率高、能效高的优势。其中，比较有代表性的方法是使用交流电流激励电池来产生焦耳热，从而实现对电池的快速、高效加热。然而，如不当使用交流自加热方法，则会给电池健康状态带来较大损害，严重影响电池的实际使用寿命和安全性。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种电池低温无损交流自加热的参数选取方法及装置，通过该方法选取交流自加热的参数，既可实现对电池的快速、高效加热，又不会对电池健康状态带来较大损害，其对电池实现无损、快速、高效自加热具有重要意义，且使用简单、应用范围广。
5.为实现上述目的，本发明提供一种电池低温无损交流自加热的参数选取方法，包括如下步骤：
6.步骤1，对电池在不同温度下交流自加热的特征频率进行标定，其中，标定原则为电池在特征频率下的交流阻抗与电池的电荷状态无关；
7.步骤2，获取电池的实时温度，并基于电池的实时温度与步骤1中的标定结果得到电池交流自加热的特征频率；
8.步骤3，采用特征频率的小幅交流激励电流震荡电池，并逐渐增大交流激励电流幅值直至电池端电压的上限达到充电截止电压或下限达到放电截止电压，得到电池交流自加热的最优激励幅值。
9.在另一个实施例中，步骤1中，所述对电池在不同温度下交流自加热的特征频率进行标定，具体为：
10.获取电池需进行交流自加热的温度区间[t
low
,t
up
]，在温度区间[t
low
,t
up
]中均匀的选取n个温度采样点{ti|i＝1,2,
…
,n}，并选取电池m个不同的电荷状态{socj|j＝1,
2,
…
,m}；
[0011]
获取测试频率范围内各个频率下温度采样点ti在电荷状态socj下的阻抗z
ij
(ω)，其中，ω∈[ω
low
,ω
up
]，[ω
low
,ω
up
]为测试频率范围；
[0012]
计算温度采样点ti在m个不同电荷状态下阻抗值的差异，得到差异小于预设值且最小的频率作为温度采样点ti的最小差异频率；
[0013]
根据n个温度采样点以及各温度采样点对应的最小差异频率在温度区间[t
low
,t
up
]进行插值，得到温度区间[t
low
,t
up
]的温度-最小差异频率曲线，即标定结果，其中，对于温度区间[t
low
,t
up
]中的任一温度，在测试频率范围内且大于或等于对应最小差异频率的所有频率均为该温度的特征频率。
[0014]
在另一个实施例中，在步骤2中，将电池的实时温度所对应的最小差异频率作为电池交流自加热的特征频率。
[0015]
在另一个实施例中，所述计算温度采样点ti在m个不同电荷状态下阻抗值的差异，得到差异小于预设值的最小频率作为最小差异频率，具体为：
[0016]
采用阻抗值实部的相对标准差来度量相同温度ti下、不同电荷状态时所测量的阻抗值之间的差异，选取相对标准差小于预设值且最小的频率作为温度采样点ti的最小差异频率。
[0017]
在另一个实施例中，在温度区间[t
low
,t
up
]中均匀的选取n个温度采样点的过程中，相邻的两个温度采样点之间的温度数值差为1℃-5℃。
[0018]
在另一个实施例中，所述选取电池m个不同的电荷状态，具体为
[0019]
选取10个不同的电荷状态，分别为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％。
[0020]
在另一个实施例中，步骤3中，在电池交流自加热的最优激励幅值时设置有电压余度，即当电池端电压的上限达到充电截止电压减电压余度或下限达到放电截止电压加电压余度时，此时的交流激励电流幅值为电池交流自加热的最优激励幅值。
[0021]
为实现上述目的，本发明还提供一种电池低温无损交流自加热的参数选取装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0022]
本发明提供的一种电池低温无损交流自加热的参数选取方法及装置，该方法以电池在特征频率下的交流阻抗与电池的电荷状态无关为原则，标定出电池在不同温度下的特征频率作为交流自加热的频率，随后实时控制得到电池交流自加热的最优激励幅值，通过该方法选取交流自加热的参数，既可实现对电池的快速、高效加热，又不会对电池健康状态带来较大损害，其对电池实现无损、快速、高效自加热具有重要意义。相较其他交流自加热参数选择方法，本方法具有使用简单、应用范围广的优势。
附图说明
[0023]
为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
[0024]
图1为本发明实施例中电池低温无损交流自加热的参数选取方法的流程图；
[0025]
图2为本发明实施例中典型的交流激励电流示意图；
[0026]
图3为本发明实施例中对电池在不同温度下交流自加热的特征频率进行标定的流程图；
[0027]
图4为本发明实施例中不同soc处的电池交流阻抗谱测试奈奎斯特图。
[0028]
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0029]
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的一部分实施例，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作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。
[0030]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0031]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的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指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“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。
[0032]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0033]
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0034]
本发明公开了一种新的电池交流自加热参数选取方法，其通过对电池进行交流阻抗谱测试和分析，可方便获取最优交流激励频率，进一步根据特定交流激励频率，可通过实时控制以确定合适的交流激励幅值，从而可实现无损、快速、高效的电池自加热。参考图1，为本实施例中的电池低温无损交流自加热的参数选取方法，其具体包括如下步骤：
[0035]
步骤1，对电池在不同温度下交流自加热的特征频率进行标定，其中，标定原则为电池在特征频率下的交流阻抗与电池的电荷状态无关；
[0036]
步骤2，获取电池的实时温度，并基于电池的实时温度与步骤1中的标定结果得到电池交流自加热的特征频率；
[0037]
步骤3，采用特征频率的小幅交流激励电流震荡电池，并逐渐增大交流激励电流幅值直至电池端电压的上限达到充电截止电压或下限达到放电截止电压，得到电池交流自加热的最优激励幅值。
[0038]
本实施例中参数选取方法的主要思路是从交流自加热的老化机理出发，分析得到
可避免电池发生严重老化的交流自加热参数。具体来说，由于电池在低温环境下充电，负极极易发生析锂老化，而析锂老化会导致电池内部活性锂离子快速损失和锂枝晶生长，从而迅速降低电池容量，并增加电池的内短路和热失控风险。以交流电激励电池时，每个周期均会出现半个周期的充电电流，如图2所示；其中，充电电流为正，放电电流为负。选取合适的交流频率使得在半个周期的充电过程，电池负极不发生析锂是本实施例中参数选取方法要解决的关键问题之一。另一方面，若交流激励的幅值过大，会使得电池内部极化过大，也会对电池健康状态产生不可逆损害，因此在确定交流频率后选取合适的交流幅值也是本实施例中参数选取方法要解决的另一个关键问题，即本实施例中参数选取方法所要选取的参数为交流频率与幅值。需要注意的是，本实施例虽然针对图2中的正弦交流激励为例说明，但本实施例中的参数选取方法一样适用于其他类型的正负脉冲交流激励，如正负脉冲方波、三角波等。
[0039]
在对电池进行交流激励时，电池电极界面处会分别出现交变的法拉第电流和非法拉第电流。法拉第电流对应于电极界面处的氧化还原反应电流，而非法拉第电流对应于电极界面处的双电层电容充放电电流。而电池负极处的析锂反应为活性锂离子得到电子所发生的还原反应，反应产生的电流对应于法拉第电流。换言之，只要在交流激励时不出现或少出现法拉第电流，则电池内部就不会出现析锂老化。因此，本实施例中参数选取方法的主要思路是通过提高交流激励频率，以尽量减少每个周期内的法拉第电流，从而避免电池发生析锂老化的可能性，并主要通过非法拉第电流的极化来产生焦耳热进行加热。为实现这一目的，本实施例通过交流阻抗谱测试与分析可确定不同温度环境下的特征频率：在特定温度下，以低于特征频率的交流频率对电池进行交流激励，则可能产生析锂老化，而以高于特征频率(含特征频率)的交流频率对电池进行交流激励则不会发生析锂老化。为了确定电池交流自加热参数，首先需要通过交流阻抗谱测试来确定加热温度区间内不同温度下的特征频率值，即步骤1中的标定过程。
[0040]
参考图3，本实施例中对电池在不同温度下交流自加热的特征频率进行标定，具体为：
[0041]
首先根据实际需求确定电池需进行交流自加热的温度区间[t
low
,t
up
]，在温度区间[t
low
,t
up
]中均匀的选取n个温度采样点{ti|i＝1,2,
…
,n}，也可以从最高温度t
up
开始逐步向下采集温度采样点，其中，相邻的两个温度采样点之间的温度数值差为1℃-5℃；
[0042]
在特定温度ti∈[t
low
,t
up
]下，对处于不同电荷状态(state of charge，soc)下的待测电池进行交流阻抗谱测试，从而获得对应于不同下的阻抗谱数据，如图4所示。即：
[0043]
选取电池m个不同的电荷状态{socj|j＝1,2,
…
,m}，例如选取10个不同的电荷状态，分别为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％；在测试频率范围[ω
low
,ω
up
]内对处于不同电荷状态socj下的待测电池进行交流阻抗谱测试得到各个频率下温度采样点ti在电荷状态socj下的阻抗z
ij
(ω)，其中，ω∈[ω
low
,ω
up
]，测试频率范围一般为最高频10khz到最低频率2mhz；
[0044]
然后，计算温度采样点ti在m个不同电荷状态下阻抗值的差异，得到差异小于预设值且最小的频率作为温度采样点ti的最小差异频率；
[0045]
最后，根据n个温度采样点以及各温度采样点对应的最小差异频率在温度区间[t
low
,t
up
]进行插值，得到温度区间[t
low
,t
up
]的温度-最小差异频率曲线，即标定结果，其
中，对于温度区间[t
low
,t
up
]中的任一温度，在测试频率范围内且大于或等于对应最小差异频率的所有频率均为该温度的特征频率。
[0046]
在具体实施过程这两个，由于在特定频率ω下，不同电荷状态socj所对应的阻抗值可构成一个复数向量{z
ij
(ω)|j＝1,2,
…
,m}，进而可计算该频率下不同电荷状态socj所对应阻抗值的差异，其可用阻抗值实部的相对标准差std(real(z
ij
(ω)))/mean(real(z
ij
(ω)))来度量。最后寻找使得相对标准差std(real(z
ij
(ω)))/mean(real(z
ij
(ω)))小于预设值σ的最小频率点作为温度采样点ti的最小差异频率，即：
[0047][0048]
需要注意的是，除了阻抗实部以外，可以选择多种指标或公式来度量不同电荷状态socj所对应阻抗值差异，其均应属于本实施例中参数选取方法的保护范围之内。
[0049]
通过以上标定流程确定特征频率的原因是：锂离子电池内部对应于法拉第电流的极化过程为荷电转移反应，该极化过程所对应的阻抗数据与电池soc相关；而与之相对应的是，锂离子电池内部对应于非法拉第电流的极化过程的阻抗数据于soc无关；因此，通过分析特定频率下阻抗值与soc是否相关，即可确定该频率下所对应的极化过程是否与法拉第电流相关。而由于通过本方法确定的特征频率，由于标准差小于预设值，可以确定其阻抗值与soc基本无关，因此可认为该特征频率下的极化过程不会产生明显的法拉第电流。故在当前温度下，采用高于此特征频率的交流激励加热电池则不会发生析锂老化。
[0050]
另一方面，当频率大于时，一般均满足std(real(z
ij
(ω)))/mean(real(z
ij
(ω)))＜σ。但由于电池阻抗值会随着频率增大而逐步减小，因此采用更高的交流频率则不利于焦耳热的产生。故综合考虑生热功率和无损加热两个方面，本实施例中直接将电池的实时温度所对应的最小差异频率作为电池交流自加热的特征频率。
[0051]
除了析锂老化之外，若自加热时的交流激励幅值过大，例如使得电池实际端电压超过电池的充放电截止电压，则会使得电池内部的极化过大，也会对电池健康状态产生不可逆损伤。另一方面，如果交流激励幅值过小，又会使得焦耳热生热功率过低，无法实现快速自生热功能。因此，需要综合考虑确定合适的交流激励幅值以实现电池的无损、快速自生热功能。现有技术中，根据环境温度、特征频率以及电池的soc等状态量来准确计算交流激励的最优电流幅值十分繁琐，且容易出现估计误差。因此，本实施例采用实时控制交流激励电压幅值的方式来解决这一问题。具体地，在特定温度ti下，可首先采用特征频率的小幅交流激励电流震荡电池，然后逐渐增大交流激励电流幅值(例如将幅值从0开始逐渐增大)，使得电池端电压的上限达到电池的充电截止电压vc或下限达到放电截止电压vd为止，此时的交流激励电流幅值为电池交流自加热的最优激励幅值。作为优选地实施方式，可以在电池交流自加热的最优激励幅值时设置有电压余度δ，即当电池端电压的上限达到充电截止电压减电压余度(即v
c-δ)或下限达到放电截止电压加电压余度(即vd δ)时，此时的交流激励电流幅值为电池交流自加热的最优激励幅值。
[0052]
综上可知，本实施例所公开的一种电池低温无损交流自加热的参数选取方法，以电池在特征频率下的交流阻抗与电池的电荷状态无关为原则，标定出电池在不同温度下的特征频率作为交流自加热的频率，随后实时控制得到电池交流自加热的最优激励幅值，通
过该方法选取交流自加热的参数，既可实现对电池的快速、高效加热，又不会对电池健康状态带来较大损害，其对电池实现无损、快速、高效自加热具有重要意义。相较其他交流自加热参数选择方法，本方法具有使用简单、应用范围广的优势。
[0053]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。