本發(fā)明涉及鋰電池低溫環(huán)境下預熱和快速充電，尤其涉及一種低溫下鋰電池雙向脈沖快速充電裝置及其控制方法。

背景技術：

1、新能源行業(yè)盛行、低空經(jīng)濟業(yè)態(tài)蓬勃發(fā)展的環(huán)境下，電動汽車、無人航空器受到交通運輸業(yè)的青睞。電動汽車和無人航天器現(xiàn)階段幾乎都使用鋰離子電池作為動力源，這是因為鋰離子電池具有能量密度大、質量輕、循環(huán)壽命長等優(yōu)點。在高海拔、高緯度地區(qū)或者冬季，由于溫度降低，鋰離子電池的性能會大幅下降：在給鋰電池充電時，鋰離子從陰極脫出嵌入陽極的過程受阻，導致電池充電效率極低，耗時變長，這將電動汽車相對于傳統(tǒng)油車的劣勢放大。

2、現(xiàn)有解決低溫環(huán)境下電動汽車、無人航空器的續(xù)航短、充電慢的技術主要為采用換電模式、充電預熱、單向脈沖充電三種手段。換電模式的順暢運行基于換電站的廣泛分布，需要前期大成本的基建投入；此外，在極寒環(huán)境下?lián)Q電前仍需給上凍的汽車底盤融冰，從而也會消耗大量的時間，這樣換電相對于充電的優(yōu)勢大大下降。預熱充電模式步驟繁瑣，電路結構復雜，額外耗能多、充電時間長，嚴重影響了低溫環(huán)境下的充電體驗。現(xiàn)有的單向高頻脈沖充電，雖然可以在降低析鋰可能性的基礎上以較大電流充電，但單向的脈沖無法排除可逆析鋰對電池的影響。

3、此外，低溫下充電還會在鋰電池的陽極附近析鋰、生成鋰枝晶，導致電池壽命迅速衰減甚至造成電池內部短路；低溫下鋰電池的內阻增大，導致輸出功率、輸出效率都降低。事實上，析鋰反應分為可逆析鋰和不可逆析鋰，有研究表明可逆析鋰可以通過鋰電池放電、改進電解質和電極材料消除，剩下的不可逆析鋰則稱為“死鋰”，會對電池造成不可逆的損傷。低溫下電動汽車、無人航空器的續(xù)航、充電都面臨巨大的挑戰(zhàn)，如何推動低溫環(huán)境下不析鋰的快充技術已經(jīng)成為各大企業(yè)重點關注的問題。

4、因此，提出一種低溫下鋰電池雙向脈沖快速充電裝置及其控制方法，來解決現(xiàn)有技術存在的困難，是本領域技術人員亟需解決的問題。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種低溫下鋰電池雙向脈沖快速充電裝置及其控制方法，可以提高鋰電池低溫環(huán)境下充電效率、通過負向脈沖消除可逆析鋰現(xiàn)象，顯著縮短充電時間，延長電池壽命。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

3、一種低溫下鋰電池雙向脈沖快速充電裝置，包括：充電樁、主電路、電動汽車/無人飛行器；

4、充電樁包括：第一充電槍；

5、主電路包括：裝置充電接口、蓄能電感、開關s1、全控橋臂、裝置控制器、第二充電槍；

6、電動汽車/無人飛行器包括：充電接口、動力電池、內部負載和控制器；

7、第一充電槍與主電路的裝置充電接口的正負極連接；

8、蓄能電感的一端連在裝置充電接口正極，另一端連在全控橋臂的中點，全控橋臂包括：第一全控器件q1、第二全控器件q2，開關s1一端連在裝置充電接口正極，另一端同時連在第二充電槍正極和全控橋臂的一端，全控橋臂的另一端與裝置充電接口負極和第二充電槍的負極相連；

9、電動汽車/無人飛行器通過充電接口與第二充電槍相連，動力電池的正負極、內部負載兩端均與充電口相連；

10、動力電池、內部負載還與控制器相連，控制器、充電樁、開關s1、全控橋臂均與裝置控制器連接；

11、充電裝置具有兩種模式：正常充電模式和雙向脈沖快充模式。

12、上述的裝置，可選的，預設有模式切換溫度tend，若電池溫度t低于模式切換溫度tend，則控制電路開啟雙向脈沖快充模式；若電池溫度t高于或等于模式切換溫度tend，則控制電路開啟正常充電模式。

13、上述的裝置，可選的，控制器、充電樁、與裝置控制器之間，是通過第二充電槍、充電接口和第一充電槍、裝置充電接口的內部低壓總線握手連接，經(jīng)低壓通訊協(xié)議傳遞信息。

14、上述的裝置，可選的，在雙向脈沖快充模式下，裝置控制器可通過低壓總線通訊，控制充電樁工作在恒壓輸出模式，以恒壓源形式接入主電路。

15、上述的裝置，可選的，在雙向脈沖快充模式下，s1斷開，控制器控制內部負載投入，裝置控制器控制全控器件q1、q2交替導通，產(chǎn)生雙向脈沖電流；

16、狀態(tài)一：q1導通、q2關斷，直流源給蓄能電感充電，蓄能電感電流il上升，動力電池表現(xiàn)為放電狀態(tài)，電流為iload；

17、狀態(tài)二：q1關斷、q2導通，充電電流icharge經(jīng)蓄能電感、q2、第二充電槍正極到達動力電池正極，此時蓄能電感電流il下降，動力電池上的電流ib為icharge和iload的疊加態(tài)，動力電池表現(xiàn)為充電狀態(tài)。

18、上述的裝置，可選的，狀態(tài)一和狀態(tài)二的切換，采用滯環(huán)控制，預設有參考電流il_ref和環(huán)寬2h；

19、狀態(tài)一中，il上升，當il≥il_ref+h時，切換為狀態(tài)二，此時il下降，當il≤il_ref-h時，切換為狀態(tài)一。

20、上述的裝置，可選的，控制器實時采集動力電池的荷電狀態(tài)soc和電池溫度t信號，通過低壓總線通訊傳遞給裝置控制器，裝置控制器接收信號后，對應內部預設數(shù)據(jù)表獲得不析鋰前提下電池充電脈沖的最佳幅值ib_ref、頻率f_ref、占空比d；當環(huán)寬變大，頻率會變低，當環(huán)寬變小，則頻率會變高；

21、通過調整參考電流il_ref給定值、環(huán)寬2h、第一充電槍的輸出電壓，控制充電脈沖的幅值、頻率、占空比。

22、上述的裝置，可選的，控制器實時采集動力電池的荷電狀態(tài)soc和電池熵熱系數(shù)信號，控制器通過低壓總線通訊接收信號后，控制車內不同負載的投切選擇和功率大小變化，以改變脈沖充電中正負脈沖幅值，進而改變生熱速率和充電速度。

23、上述的裝置，可選的，控制器實時采集內部負載電流iload的幅值信號，并通過低壓總線通訊傳遞給裝置控制器，裝置控制器接收信號后對參考電流il_ref進行同向調節(jié)，使雙向脈沖充電過程中正向脈沖幅值維持最佳幅值ib_ref；當iload上升，il_ref也上升；當iload下降，il_ref也下降。

24、一種低溫下鋰電池雙向脈沖快速充電裝置控制方法，包括：

25、s1、預設截止溫度tend；

26、s2、讀取當前動力電池溫度t、荷電狀態(tài)soc、熵熱系數(shù)；

27、s3、控制器選擇合適內部負載接入電路；

28、s4、判斷動力電池soc是否小于充電目標值，若是，則進入下一步；若否，則結束充電；

29、s5、判斷電池溫度t是否小于預設截止溫度tend，若是，則進入下一步；若否，則切換至正常充電模式充電至結束；

30、s6、查表獲取當前溫度t、soc對應的不析鋰情況下脈沖充電生熱率最大的ib_ref、f_ref和占空比d；

31、s7、調整il_ref、環(huán)寬2h、第一充電槍輸出電壓；

32、s8、進行雙向脈沖快充模式快速充電；

33、s9、讀取當前內部負載電流iload；

34、s10、判斷iload發(fā)生波動，若是，則根據(jù)iload調整il_ref，使雙向脈沖充電的充電電流幅值達到ib_ref，返回s8；若否，則返回s2。

35、經(jīng)由上述的技術方案可知，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供了一種低溫下鋰電池雙向脈沖快速充電裝置及其控制方法，具有以下有益效果：1)不僅可以降低析鋰的可能性，還可以通過放電脈沖消除部分可逆的析鋰現(xiàn)象，從而使鋰電池析鋰量降低，延長鋰電池的循環(huán)壽命；2)裝置結構簡單，可便捷整合在充電樁內或汽車內部都可行，對于電動汽車/無人飛行器僅需將負載結構稍作調整，無需增加新元件，可實施性非常高；3)內部預熱和脈沖充電同時進行，電-熱轉換效率高，避免析鋰，縮減了低溫環(huán)境下的充電時間，延長了電池的壽命；4)裝置通過用戶畫像、實際電池soc和電池熵熱系數(shù)以調整不同負載接入電阻或調整負載功率，保證在對電池預熱快充的同時不對電池造成額外傷害，同時最大程度滿足用戶實際負載需求；5)滯環(huán)負反饋控制，結構簡單，魯棒性強，通過總線通訊可以實時根據(jù)電池溫度、soc以及電動汽車/無人飛行器的內部負載，靈活調整脈沖幅值、頻率、占空比使保證在不析鋰的前提下，電池獲得最大的產(chǎn)熱速率和充電效率；6)裝置可根據(jù)實際環(huán)境溫度，執(zhí)行不同充電策略；7)電池充電脈沖的幅值可以動態(tài)維持穩(wěn)定，避免對電池造成額外壽命老化；8)裝置可以握手直流充電樁與電動汽車/無人飛行器，通過通訊協(xié)議調整充電策略，采用cc-pc充電策略可以在保證電池的耐久度基礎上縮短充電時間；9)裝置的直流輸入部分電能來源多樣化，適配豐富的電源形式，裝置環(huán)境適應性強，適合目前能源布局和電力分布大環(huán)境。