一种动力电池低频纹波加热方法与流程

1.本发明涉及电池加热技术领域，具体涉及一种动力电池低频纹波加热方法。


背景技术：

2.锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长而被广泛应用于电动汽车中。然而，锂离子电池的阻抗在低温下急剧增加，导致放电过程中可用能量大量损失。在低温下对电池充电时，阻抗的增加导致电池电压极化较大，提前结束充电。如果在此条件下强制进行充电，锂离子会倾向于沉积在负极表面，导致容量损失，甚至形成枝晶，从而可能诱发内部短路并触发热失控事件。低温下锂离子电池充放电性能的严重恶化将使电动汽车在寒冷天气下运行瘫痪，从而限制电动汽车的使用区域和时节。因此，低温下对锂离子电池进行加热显得十分必要。
3.目前，加热方法可分为外部加热和内部加热。外部加热通常使用电阻加热器或热泵实现。使用空气或液体作为加热介质，而这些加热器要么位于电池套中，要么放置在空气/液体罐中，工艺复杂且耗能较高。相反，内部加热方法利用电池自身阻抗在电流激励下产生的热量对电池进行加热。与外部加热相比，内部加热方法消除了长路径的热传导，避免了在加热装置附近形成局部热点。因此，内部加热可以以更高效和更均匀的温度分布实现更好的加热效果。
4.目前所报道的交流加热的案例中，大多采用高频率大电流方式对电池进行加热，但频率越高对应电池阻抗越小，电池加热效率越低。同时，高频(20hz-20000hz)会使电池包中继电器和电芯产生谐振，发出刺耳的噪音，长时间会对人听力和心理造成一定危害。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种动力电池低频纹波加热方法。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
7.本发明实施例提供一种动力电池低频纹波加热方法，包括以下步骤：
8.s1：对动力电池进行不同温度梯度下的电化学阻抗表征；
9.s2：确定所述电化学阻抗模型小于20hz频率段所包含的电极动力学过程，选定不同温度段下的加热频率；
10.s3：根据选定的所述加热频率及电池荷电状态，选择安全电压范围内交流电的最大充放电电流倍率；
11.s4：根据选定的所述最大充放电电流倍率和加热频率，通过调制电路发送pwm控制信号，对加热电路进行调控，以产生相应交流信号值，将其作用于动力电池进行加热。
12.本发明优选的，根据步骤s1，所述电化学阻抗表征以10℃温度梯度进行，分别获取电池在-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃下的eis图谱。
13.本发明优选的，根据步骤s2，低温下、20hz以下电化学阻抗谱包括部分钝化膜、电化学反应和扩散过程。
14.本发明优选的，所述加热过程中选择不同温度段下的阻抗对应频率为加热频率或选择某一温度下的阻抗对应频率为固定加热频率。
15.本发明优选的，根据步骤s3，所述交流电流在不同工况下的最大充放电电流幅值ia、ib的计算公式为：
[0016][0017]
其中，uocv是锂离子电池的开路电压，umax是锂离子电池的上限保护电压，u
min
是锂离子电池的下限保护电压，r
sei
是锂离子通过固体电解质界面膜的阻抗，ia为交流电充电电流幅值，ib为交流电放电电流幅值。
[0018]
本发明优选的，根据不同工况下的电流选择可分为：
[0019]
当ia＜ib，高soc时，交流充放电电流可均选择ia或交流充电电流为ia，最大交流放电电流为ib；
[0020]
当ia≥ib，低soc时，交流充放电电流均选择ib。
[0021]
本发明优选的，所述调制电路将目标信号波ur和载波uc进行比较，产生出互补的pmw控制信号，对第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管进行导通和关断控制；
[0022]
当ur＞uc时，第一绝缘栅双极型晶体管闭合，第二绝缘栅双极型晶体管断开，待加热动力电池与第一绝缘栅双极型晶体管构成一个闭合回路；
[0023]
当调ur＜uc时，第二绝缘栅双极型晶体管闭合，第一绝缘栅双极型晶体管断开，待加热动力电池与第二绝缘栅双极型晶体管构成一个闭合回路；
[0024]
在第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管之间产生出所需的交流和直流叠加的电压，经过电感的滤波和电容的隔直作用，将交流电压叠加在待加热动力电池正负极，在电池上激励出所需的交流电流，对待加热动力电池加热。
[0025]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0026]
本发明通过不同温度下的电化学阻抗谱，明确阻抗对应频率，确定不同温度下的加热频率，保障电池在不存在析锂的前提下达到最高加热效率；根据不同温度范围，在保障不析锂的前提下，对电池进行不同加热电流的选择，使电池到达最高加热效率的同时能够适用于不同应用场景及工况；加热频率低于20hz，能有效避免高频噪音对人体的危害。
附图说明
[0027]
此处所说明的附图用来公开对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0028]
图1为本发明实施例所述的一种动力电池低频纹波加热方法的流程示意图；
[0029]
图2为本发明实施例所述的调制电路的结构示意图；
[0030]
图3为本发明实施例所述的一种动力电池低频纹波加热方法在不同温度下的电化学阻抗谱。
具体实施方式
[0031]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0032]
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。
[0033]
需要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0034]
本发明实施例提供一种动力电池低频纹波加热方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0035]
s1：对动力电池进行不同温度梯度下的电化学阻抗表征，所述电化学阻抗表征以10℃温度梯度进行，分别获取电池在-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃下的eis图谱；
[0036]
s2：确定所述电化学阻抗模型小于20hz频率段所包含的电极动力学过程，选定不同温度段下的加热频率，所述加热过程中选择不同温度段下的r
sei
对应频率为加热频率或选择某一温度下的r
sei
对应频率为固定加热频率低温下、20hz以下电化学阻抗谱包括部分钝化膜、电化学反应和扩散过程；
[0037]
s3：根据选定的所述加热频率及电池荷电状态，选择安全电压范围内交流电的最大充放电电流倍率，其中电池荷电状态依据电压-soc表和设备充放电容量采样计算；
[0038]
所述交流电流在不同工况下的最大充放电电流幅值ia、ib的计算公式为：
[0039][0040]
其中，u
ocv
是锂离子电池的开路电压，u
max
是锂离子电池的上限保护电压，u
min
是锂离子电池的下限保护电压，r
sei
是锂离子通过固体电解质界面膜的阻抗，ia为交流电充电电流幅值，ib为交流电放电电流幅值。
[0041]
本发明优选的，根据不同工况下的电流选择可分为：
[0042]
当ia＜ib，高soc时，交流充放电电流可均选择ia或交流充电电流为ia，最大交流放电电流为ib；
[0043]
当ia≥ib，低soc时，交流充放电电流均选择ib。
[0044]
本发明优选的，所述调制电路将目标信号波ur和载波uc进行比较，产生出互补的pmw控制信号，对第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管进行导通和关断控制；
[0045]
当ur＞uc时，第一绝缘栅双极型晶体管闭合，第二绝缘栅双极型晶体管断开，待加热动力电池与第一绝缘栅双极型晶体管构成一个闭合回路；
[0046]
当调ur＜uc时，第二绝缘栅双极型晶体管闭合，第一绝缘栅双极型晶体管断开，待加热动力电池与第二绝缘栅双极型晶体管构成一个闭合回路；
[0047]
在第一绝缘栅双极型晶体管和第二绝缘栅双极型晶体管之间产生出所需的交流和直流叠加的电压，经过电感的滤波和电容的隔直作用，将交流电压叠加在待加热动力电池正负极，在待加热动力电池上激励出所需的交流电流，对待加热动力电池加热。
[0048]
s4：根据选定的所述最大充放电电流倍率和加热频率，通过调制电路发送pwm控制信号，对加热电路进行调控，以产生相应交流信号值，将其作用于动力电池进行加热。
[0049]
实施例一：
[0050]
为了具体说明本发明实施方案的可靠性，提供以下实验方案以及实验结果。以一款三元体系动力电池为例，本发明所述的一种动力电池低频纹波加热方法，包括以下步骤：
[0051]
s1：对三元动力电池进行不同温度梯度下的电化学阻抗表征；
[0052]
电化学阻抗表征以10℃温度梯度进行，分别获取电池在-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃下的eis图谱，如图2所示。
[0053]
s2：根据步骤s1所述阻抗模型明确小于20hz频率段所包含的电极动力学过程，选定不同温度段下的加热频率；
[0054]
低温下20hz以下电化学阻抗谱将包括部分钝化膜、电化学反应和扩散过程，所述钝化膜为正极表面和负极表面sie膜；为避免析锂风险，过程中减少锂离子的脱嵌反应，故在纹波加热过程中，以选择不同温度段下的r
sei
对应频率为加热频率；如表1所示。
[0055]
表1.不同温度下的rsei对应频率
[0056]
温度-30℃-20℃-10℃0℃10℃频率1.6hz2.9hz7.4hz11.8hz16.7hz
[0057]
s3：根据选定的频率及电池荷电状态，选择安全电压范围内交流电的最大充放电电流倍率；
[0058]
所述交流电流在不同工况下的最大充放电电流幅值ia、ib可由以下公式确定：
[0059][0060]
其中，u
ocv
是锂离子电池的开路电压，u
max
是锂离子电池的上限保护电压，u
min
是锂离子电池的下限保护电压，r
sei
是锂离子通过固体电解质界面膜的阻抗，ia为交流电充电电流幅值，ib为交流电放电电流幅值。
[0061]
①
当soc＞30％时，u
ocv
＞3.55v，u
max
＝4.3v，u
min
＝2.8v，ia＜ib；交流充放电电流可均选择ia；而为提高温升速率，在允许损耗部分能量的情况下，交流充电电流为ia，最大交流放电电流为ib；
[0062]
②
当soc≤30％时，u
ocv
≤3.55v，u
max
＝4.3v，u
min
＝2.8v，ia≥ib；实际静态过程中，不存在充电电流大于放电电流，故最大交流充放电电流均选择ib。
[0063]
上述中soc为电池电量。
[0064]
s4，根据上述选定的电流和频率，通过调制电路发送pwm控制信号，对加热电路进行调控，以产生相应交流信号值，将其作用于电池，从而实现电池的加热。
[0065]
具体控制方式为：所述调制电路将目标信号波ur和载波uc进行比较，产生出互补的pmw控制信号，对第一绝缘栅双极型晶体管m1和第二绝缘栅双极型晶体管m2进行导通和关断控制；
[0066]
当ur＞uc时，第一绝缘栅双极型晶体管m1闭合，第二绝缘栅双极型晶体管m2断开，
待加热动力电池bat与第一绝缘栅双极型晶体管m1构成一个闭合回路；
[0067]
当调ur＜uc时，第二绝缘栅双极型晶体管m2闭合，第一绝缘栅双极型晶体管m1断开，待加热动力电池bat与第二绝缘栅双极型晶体管m2构成一个闭合回路；
[0068]
在第一绝缘栅双极型晶体管m1和第二绝缘栅双极型晶体管m2之间产生出所需的交流和直流叠加的电压，经过电感l的滤波和电容cd的隔直作用，将交流电压叠加在待加热动力电池bat的正负极，在待加热动力电池bat上激励出所需的交流电流，对待加热动力电池bat加热。
[0069]
实施例2
[0070]
为了具体说明本发明实施方案的可靠性，提供以下实验方案以及实验结果。以一款三元体系动力电池为例，本发明所述的一种动力电池低频纹波加热方法，包括以下步骤：
[0071]
s1，对三元动力电池进行10℃电化学阻抗表征；
[0072]
s2，根据s1所述阻抗模型明确小于20hz频率段所包含的电极动力学过程，以选择10℃下的阻抗对应频率为固定加热频率；
[0073]
s3，根据选定的频率及电池荷电状态，选择安全电压范围内交流电的最大充放电电流倍率；
[0074]
所述交流电流在不同工况下的最大充放电电流幅值ia、ib可由以下公式确定：
[0075][0076]
其中，u
ocv
是锂离子电池的开路电压，u
max
是锂离子电池的上限保护电压，u
min
是锂离子电池的下限保护电压，r
sei
是锂离子通过固体电解质界面膜的阻抗，ia为交流电充电电流幅值，ib为交流电放电电流幅值。
[0077]
①
当soc＞30％时，u
ocv
＞3.55v，u
max
＝4.3v，u
min
＝2.8v，ia＜ib；交流充放电电流可均选择ia；而为提高温升速率，在允许损耗部分能量的情况下，交流充电电流为ia，最大交流放电电流为ib；
[0078]
②
当soc≤30％时，u
ocv
≤3.55v，u
max
＝4.3v，u
min
＝2.8v，ia≥ib；实际静态过程中，不存在充电电流大于放电电流，故最大交流充放电电流均选择ib。
[0079]
s4，根据上述选定的电流和频率，通过调制电路发送pwm控制信号，对加热电路进行调控，以产生相应交流信号值，将其作用于电池，从而实现电池的加热。
[0080]
具体控制方式为：所述调制电路将目标信号波ur和载波uc进行比较，产生出互补的pmw控制信号，对第一绝缘栅双极型晶体管m1和第二绝缘栅双极型晶体管m2进行导通和关断控制；
[0081]
当ur＞uc时，第一绝缘栅双极型晶体管m1闭合，第二绝缘栅双极型晶体管m2断开，待加热动力电池bat与第一绝缘栅双极型晶体管m1构成一个闭合回路；
[0082]
当调ur＜uc时，第二绝缘栅双极型晶体管m2闭合，第一绝缘栅双极型晶体管m1断开，待加热动力电池bat与第二绝缘栅双极型晶体管m2构成一个闭合回路；
[0083]
在第一绝缘栅双极型晶体管m1和第二绝缘栅双极型晶体管m2之间产生出所需的交流和直流叠加的电压，经过电感l的滤波和电容cd的隔直作用，将交流电压叠加在待加热动力电池bat的正负极，在待加热动力电池bat上激励出所需的交流电流，对待加热动力电池bat加热。
[0084]
以上加热系统优选波形为spwm正弦调制波，但纹波所用波形也可是方波、三角波等均可实现此类加热效果的异形波。同时，过程中注重提及20hz以下的频率段，但本方案不仅限于此频率段，由于不同年龄段和不同条件的人来说，人耳所能接受的频率不同，故20-100hz在此方案中也是可行的。
[0085]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。