本發(fā)明涉及電池組加熱技術(shù)領(lǐng)域，具體說(shuō)是一種鋰離子電池組低溫自加熱方法，尤指對(duì)鋰離子電池壽命無(wú)影響的鋰離子電池組的高效、可靠的低溫自加熱方法。

背景技術(shù)：

能源緊缺和環(huán)境污染的雙重壓力助推了電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展，鋰離子電池以單體電壓高、能量密度高、壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，成為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的首選電池。

然而，低溫下鋰離子電池由于電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)明顯遲滯緩慢，內(nèi)阻成十倍地增大，導(dǎo)致鋰離子電池在寒冷環(huán)境中能量轉(zhuǎn)換效率嚴(yán)重下降，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程和脈沖輸出功率大幅下降。此外，低溫下鋰離子電池充電非常困難，更嚴(yán)重的是，由于副反應(yīng)導(dǎo)致負(fù)極形成鋰金屬沉積(析鋰)而不是鋰離子嵌入負(fù)極。析鋰會(huì)加速電池衰退，鋰金屬還有可能刺破隔膜引起鋰離子電池內(nèi)部短路造成安全危害，如熱失控。低溫下鋰離子電池性能?chē)?yán)重下降，影響了用戶使用電動(dòng)汽車(chē)時(shí)的便利性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，極大地限制了電動(dòng)汽車(chē)在寒冷環(huán)境的推廣使用。

因此，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池組進(jìn)行加熱成為十分重要的課題，外部加熱易在鋰離子電池包中形成溫度梯度，導(dǎo)致電池組內(nèi)溫度分布不一致，會(huì)使某過(guò)熱點(diǎn)加速老化，而且大多數(shù)能量被耗散了，能量利用效率極低。

直流電流內(nèi)部加熱，由于施加的直流電流的時(shí)間長(zhǎng)度和幅度的限制，直流電流內(nèi)部加熱會(huì)限制產(chǎn)熱速率和加熱效率，導(dǎo)致加熱速率慢、效率低。

現(xiàn)有的交流電流內(nèi)部加熱方法，僅是針對(duì)單體鋰離子電池，鮮有針對(duì)電池組的，因此開(kāi)發(fā)鋰離子電池組的低溫自加熱方法對(duì)寒冷環(huán)境下電動(dòng)汽車(chē)的推廣使用具有重大意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種鋰離子電池組低溫自加熱方法，能夠改善現(xiàn)有技術(shù)中難以實(shí)現(xiàn)電池組加熱或電池組加熱效率低、成本高等問(wèn)題。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種鋰離子電池組低溫自加熱方法，包括如下步驟：

s1、測(cè)試低溫下不同老化狀態(tài)電池的eis，確定不同老化狀態(tài)電池的最優(yōu)加熱頻率的范圍；

s2、測(cè)試低溫下不同荷電狀態(tài)(soc)電池的eis，確定不同soc電池的最優(yōu)加熱頻率的范圍；

s3、確定兼顧電池老化狀態(tài)和電池soc的最優(yōu)加熱頻率的范圍；

s4、考慮電路效率、控制復(fù)雜度和可靠性因素，對(duì)正弦交流電流發(fā)生電路進(jìn)行選型，確定為串聯(lián)諧振式逆變電路；

s5、根據(jù)最優(yōu)加熱頻率范圍和自加熱時(shí)間的要求，選擇正弦交流電流的頻率和幅值，據(jù)此設(shè)計(jì)串聯(lián)諧振式逆變電路的主電路，確定各器件參數(shù)和開(kāi)關(guān)管型號(hào)；

s6、設(shè)計(jì)串聯(lián)諧振式逆變電路的控制電路，對(duì)串聯(lián)諧振式逆變電路進(jìn)行控制，保證電池側(cè)輸出目標(biāo)頻率和目標(biāo)幅值的正弦交流電流；

s7、利用串聯(lián)諧振式逆變電路輸出的正弦交流電流對(duì)電池組進(jìn)行低溫自加熱；

s8、當(dāng)電池組溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，封鎖開(kāi)關(guān)管脈沖，禁止正弦交流電流輸出。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s5中，所述串聯(lián)諧振式逆變電路的開(kāi)關(guān)管在零電流時(shí)關(guān)斷與開(kāi)通，開(kāi)關(guān)損耗接近于0。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述開(kāi)關(guān)管包括igbt1、igbt2、igbt3和igbt4。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s5中所述主電路包括：igbt1、igbt2、igbt3、igbt4、電力電容、電感、等效電阻和接觸器；所述鋰離子電池組的正極與接觸器連接，接觸器分別與igbt1的集電極和igbt2的集電極連接，所述電感的一端分別連接igbt2的發(fā)射極和igbt4的集電極，另一端與電力電容的一端連接，所述電力電容的另一端分別與igbt1的發(fā)射極和igbt3的集電極連接，所述等效電阻的一端分別與igbt3的發(fā)射極和igbt4的發(fā)射極連接，另一端與鋰離子電池組的負(fù)極連接。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述等效電阻為鋰離子電池組內(nèi)阻、開(kāi)關(guān)管內(nèi)阻、電感內(nèi)阻、電力電容內(nèi)阻、接觸器內(nèi)阻及線路內(nèi)阻的總和。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述接觸器用于控制電源的接入與切除。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s6中所述控制電路包括：dsp微控制器、信號(hào)檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s7中，低溫自加熱過(guò)程中，隨著電池溫度升高，電池內(nèi)阻逐漸減小，串聯(lián)諧振式逆變電路自適應(yīng)地增大正弦交流電流的幅值，電池組加熱速率加快。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述鋰離子電池包括錳酸鋰動(dòng)力電池、鈷酸鋰動(dòng)力電池、鈦酸鋰動(dòng)力電池、磷酸鐵鋰動(dòng)力電池和三元材料動(dòng)力電池等動(dòng)力電池。

有益效果：

1、本發(fā)明所述的鋰離子電池組低溫自加熱方法，具有對(duì)低溫下鋰離子電池組自加熱速率快、低溫性能改善明顯、自加熱效率高、對(duì)鋰離子電池使用壽命無(wú)影響和加熱溫度均勻性好等效果；

2、選擇最佳產(chǎn)熱頻率，產(chǎn)熱速率最快，自加熱時(shí)間明顯縮短；

3、基于不同老化狀態(tài)和荷電狀態(tài)下的eis確定兼顧電池老化狀態(tài)和電池soc的最優(yōu)加熱頻率范圍；

4、設(shè)計(jì)的串聯(lián)諧振式逆變電路，開(kāi)關(guān)損耗基本為0，電池組自加熱裝置效率高；

5、自加熱后鋰離子電池的內(nèi)阻大幅度減小，串聯(lián)諧振式逆變電路能夠自適應(yīng)地增大正弦交流電流的幅值，以快速提高電池溫度；

6、該方法以影響鋰離子電池使用壽命的極化電壓作為限制條件，選擇最佳產(chǎn)熱頻率，從而在快速地加熱鋰離子電池的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)最大限度地減小對(duì)鋰離子電池使用壽命影響的目標(biāo)；

7、該加熱方法從鋰離子電池內(nèi)部自加熱，鋰離子電池內(nèi)部溫度均勻性好。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明有如下附圖：

圖1是-20℃下35ah電池不同老化狀態(tài)的eis圖；

圖2是-20℃下35ah電池不同soc的eis圖；

圖3是-20℃下不同老化狀態(tài)的35ah電池的產(chǎn)熱率及電流倍率圖；

圖4是-20℃下不同soc的35ah電池的產(chǎn)熱率及電流倍率圖；

圖5是串聯(lián)諧振式逆變電路示意圖；

圖6是串聯(lián)諧振式逆變電路的電池側(cè)電流、電感電流和電池電壓圖；

圖7是加熱過(guò)程中電池溫升圖；

圖8是電池組低溫自加熱方法的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

一種鋰離子電池組低溫自加熱方法，包括如下步驟：

s1、測(cè)試低溫下不同老化狀態(tài)電池的eis，確定不同老化狀態(tài)電池的最優(yōu)加熱頻率的范圍；

s2、測(cè)試低溫下不同荷電狀態(tài)(soc)電池的eis，確定不同soc電池的最優(yōu)加熱頻率的范圍；

s3、確定兼顧電池老化狀態(tài)和電池soc的最優(yōu)加熱頻率的范圍；

s4、考慮電路效率、控制復(fù)雜度和可靠性因素，對(duì)正弦交流電流發(fā)生電路進(jìn)行選型，確定為串聯(lián)諧振式逆變電路；

s5、根據(jù)最優(yōu)加熱頻率范圍和自加熱時(shí)間的要求，選擇正弦交流電流的頻率和幅值，據(jù)此設(shè)計(jì)串聯(lián)諧振式逆變電路的主電路，確定各器件參數(shù)和開(kāi)關(guān)管型號(hào)；

s6、設(shè)計(jì)串聯(lián)諧振式逆變電路的控制電路，對(duì)串聯(lián)諧振式逆變電路進(jìn)行控制，保證電池側(cè)輸出目標(biāo)頻率和目標(biāo)幅值的正弦交流電流；

s7、利用串聯(lián)諧振式逆變電路輸出的正弦交流電流對(duì)電池組進(jìn)行低溫自加熱；

s8、當(dāng)電池組溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，封鎖開(kāi)關(guān)管脈沖，禁止正弦交流電流輸出。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s5中，所述串聯(lián)諧振式逆變電路的開(kāi)關(guān)管在零電流時(shí)關(guān)斷與開(kāi)通，開(kāi)關(guān)損耗接近于0。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述開(kāi)關(guān)管包括igbt1、igbt2、igbt3和igbt4。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s5中所述主電路包括：igbt1、igbt2、igbt3、igbt4、電力電容、電感、等效電阻和接觸器；所述鋰離子電池組的正極與接觸器連接，接觸器分別與igbt1的集電極和igbt2的集電極連接，所述電感的一端分別連接igbt2的發(fā)射極和igbt4的集電極，另一端與電力電容的一端連接，所述電力電容的另一端分別與igbt1的發(fā)射極和igbt3的集電極連接，所述等效電阻的一端分別與igbt3的發(fā)射極和igbt4的發(fā)射極連接，另一端與鋰離子電池組的負(fù)極連接。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述等效電阻為鋰離子電池組內(nèi)阻、開(kāi)關(guān)管內(nèi)阻、電感內(nèi)阻、電力電容內(nèi)阻、接觸器內(nèi)阻及線路內(nèi)阻的總和。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述接觸器用于控制電源的接入與切除。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s6中所述控制電路包括：dsp微控制器、信號(hào)檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s7中，低溫自加熱過(guò)程中，隨著電池溫度升高，電池內(nèi)阻逐漸減小，串聯(lián)諧振式逆變電路自適應(yīng)地增大正弦交流電流的幅值，電池組加熱速率加快。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述鋰離子電池包括錳酸鋰動(dòng)力電池、鈷酸鋰動(dòng)力電池、鈦酸鋰動(dòng)力電池、磷酸鐵鋰動(dòng)力電池和三元材料動(dòng)力電池等動(dòng)力電池。

以下具體實(shí)施例以三元-錳酸鋰混合材料動(dòng)力電池為例進(jìn)行說(shuō)明。

在電池的充放電過(guò)程中電池存在極化電壓，極化電壓用于描述電池中的物理和化學(xué)過(guò)程，是由電解液中和電極材料固相中的物質(zhì)運(yùn)輸限制、固相間的接觸阻礙和遲滯的電化學(xué)反應(yīng)引起的。低溫下電池阻抗明顯增大，如圖1是-20℃下35ah三元-錳酸鋰混合材料鋰離子動(dòng)力電池在不同老化狀態(tài)時(shí)的eis圖，由圖1可以看出，電池阻抗與電池老化并沒(méi)有明顯的關(guān)系。圖2是-20℃下35ah三元-錳酸鋰混合材料鋰離子動(dòng)力電池在不同soc時(shí)的eis圖，由圖2可以看出，soc越低電池阻抗越大。

為了達(dá)到低溫下快速加熱電池的目的，總是期望獲得較大的超電勢(shì)和電流。極化電壓幅值越大，電流就越大，在加熱過(guò)程中，內(nèi)部產(chǎn)熱速率就越大，相應(yīng)地加熱時(shí)間就越短。但是，過(guò)大的極化電壓可能導(dǎo)致不利情形，如電池端電壓超出安全電壓閾值造成過(guò)充或過(guò)放，這將會(huì)引發(fā)電池副反應(yīng)，造成鋰離子在負(fù)極表面沉積形成鋰枝晶或者導(dǎo)致電池內(nèi)部活性材料損失，這將會(huì)加速電池壽命的衰退。因此，恒定的交流極化電壓是實(shí)現(xiàn)快速加熱的優(yōu)選方案，可有效地防止電池端電壓超過(guò)安全電壓閾值，進(jìn)而可根據(jù)電池阻抗相應(yīng)地實(shí)時(shí)計(jì)算最大的交流電流幅值。

當(dāng)電池施加正弦交流電流時(shí)，只有不可逆熱需要考慮，包括歐姆極化熱、電化學(xué)極化熱和擴(kuò)散極化熱，在一個(gè)正弦交流電流周期內(nèi)不可逆熱幾乎為0可忽略不計(jì)，不可逆熱q可表示為

其中，δv為正弦交流極化電壓的峰值，w為角頻率，re＝f(w)表示實(shí)部阻抗與角頻率的函數(shù)關(guān)系，z＝g(w)表示電池總阻抗與角頻率的函數(shù)關(guān)系，i為正弦交流電流幅值。

根據(jù)(1)式就可得到電池產(chǎn)熱率與頻率的關(guān)系，極化電壓越大，在同樣的阻抗下，電流將越大，電池的產(chǎn)熱量也越大，而且產(chǎn)熱率隨著極化電壓的增大以平方的關(guān)系增大；在一定的頻率范圍內(nèi)，產(chǎn)熱率隨頻率的增大而增加；高于一定的頻率后，產(chǎn)熱率隨頻率的增大而降低，因此存在加熱速率最快的最優(yōu)頻率。

對(duì)eis中的電池總阻抗和實(shí)部阻抗構(gòu)建與角頻率w的函數(shù)關(guān)系g(w)和f(w)，在matlab(矩陣實(shí)驗(yàn)室)數(shù)學(xué)計(jì)算軟件中計(jì)算在極化電壓一定的情況下的產(chǎn)熱率隨頻率的關(guān)系。當(dāng)極化電壓為0.1v時(shí)，不同老化狀態(tài)的電池在不同頻率的產(chǎn)熱率和電流倍率如圖3，低頻區(qū)雖然阻抗很大，但電流較小，產(chǎn)熱率較低；產(chǎn)熱率最大的頻率點(diǎn)附近，電池容量越大，電池阻抗越小，電流越大，產(chǎn)熱率越大；不同soc的電池在不同頻率的產(chǎn)熱率和電流倍率如圖4，產(chǎn)熱率最大的頻率點(diǎn)附近，隨著soc的增大，通過(guò)電池的電流越小，產(chǎn)熱率越小。

表1為不同衰退容量和不同soc的最大產(chǎn)熱分析，隨著電池的老化，最大產(chǎn)熱點(diǎn)的頻率逐漸增大；隨著soc的增大，最大產(chǎn)熱點(diǎn)的頻率逐漸增大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知，不管電池衰退多少，無(wú)論電池組的各電池soc相差多大，都存在一個(gè)共同的產(chǎn)熱大于90％的頻率范圍，在該頻率范圍內(nèi)選擇一個(gè)頻率就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的快速加熱。也就是說(shuō)電池組的最優(yōu)加熱頻率與電池的老化狀態(tài)、soc相關(guān)性較小，從而確定兼顧電池老化狀態(tài)和電池soc的最優(yōu)加熱頻率范圍。

表1不同衰退容量和不同soc電池的最大產(chǎn)熱分析

為了將電池組在20min內(nèi)從-20℃升高到5℃，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)頻率為1khz、峰值為220a的正弦交流電流，自加熱過(guò)程存在以下特點(diǎn)：

(1)電流較大，應(yīng)盡量減少自加熱裝置(串聯(lián)諧振式逆變電路)的內(nèi)阻，以降低損耗，提高效率；

(2)電池組的最優(yōu)加熱頻率隨電池的老化狀態(tài)和soc變化不大；

(3)隨著溫度升高，逐漸增大電流幅值。

全橋逆變電路輸出的正弦交流電流幅值、頻率可調(diào)，但電池組的最優(yōu)加熱頻率隨電池的老化狀態(tài)和soc變化不大；串聯(lián)諧振式逆變電路輸出的電流幅值和頻率不可調(diào)，由電路中電感、電力電容和等效內(nèi)阻決定，串聯(lián)諧振式逆變電路有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)電路開(kāi)關(guān)頻率低，開(kāi)關(guān)頻率為正弦交流電流頻率的一半；

(2)電路開(kāi)關(guān)損耗小，可以保證在零電流時(shí)開(kāi)關(guān)，是天然的軟開(kāi)關(guān)；

(3)控制簡(jiǎn)單，只需輸出互補(bǔ)脈沖；

(4)不需要外部電源激勵(lì)；

(5)隨著溫度升高，電池內(nèi)阻減小，電流幅值逐漸增大；

根據(jù)自加熱的實(shí)際需求，選擇串聯(lián)諧振式逆變電路，如圖5。容易知道，當(dāng)系統(tǒng)總內(nèi)阻滿足時(shí)，lc串聯(lián)諧振式逆變電路產(chǎn)生振蕩放電過(guò)程，ro為總內(nèi)阻，l為電感，c為電容。根據(jù)目標(biāo)電流，選擇16.887uh的電感，最大電流300a；選擇電容最大耐壓500v，電容值為500uf，將三個(gè)電容并聯(lián)得到1500uf的雙極性電容；使用ipm模塊(智能功率模塊)作為開(kāi)關(guān)管，開(kāi)關(guān)頻率控制為500hz。

串聯(lián)諧振式逆變電路中的電感電流、電池電流及電池電壓如圖6，電池電流峰值為324a，谷值為-196a，電流振蕩周期為t＝0.000966s，頻率為1035hz，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

用串聯(lián)諧振式逆變電路輸出的正弦交流電流對(duì)6串電池組進(jìn)行加熱，加熱過(guò)程中電池溫度變化如圖7，可在25分鐘內(nèi)將6串電池組從-20℃加熱到5℃。

綜上所述，該鋰離子電池組自加熱方法可實(shí)現(xiàn)在25min將電池組從-20℃加熱到5℃，自加熱后電池性能將明顯改善，為解決低溫充電難問(wèn)題提供了工程實(shí)現(xiàn)的可能；電池組自加熱過(guò)程表明該自加熱方法不僅能夠快速地自加熱電池到適宜工作的溫度，為實(shí)現(xiàn)低溫下無(wú)壽命影響的快速充電提供了可能，而且說(shuō)明了自加熱裝置(串聯(lián)諧振式逆變電路)工作的高效性、可靠性，將促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)在寒冷地區(qū)的推廣應(yīng)用。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)，這里無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。

本說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。