交直流叠加的锂离子电池低温充电方法技术

本发明专利技术为交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，S1、根据安全极化电压范围选取正弦交流极化电压；S2、在S1的基础上，根据电池交流阻抗与频率的关系，计算产热功率与频率的关系，通过产热功率与频率的关系计算得到当前温度电池产热功率最大时的频率，为最优产热频率；S3、根据正弦交流极化电压幅值与当前温度下电池最优产热频率对应的交流总阻抗确定最大正弦交流电流幅值，利用对称正弦交流电流信号对电池进行低温自加热；S4、当电池温度达到预设的截止温度时，在锂离子电池两端施加一个交直流叠加激励，同时对电池进行充电与再加热；S5、当S4的电池端电压达到充电截止电压时，即刻将交直流叠加激励转换为三段降电流直流激励继续对电池充电。

Low Temperature Charging Method of Lithium Ion Batteries Superposed by AC and DC

The invention is a low-temperature charging method for AC-DC superimposed lithium-ion batteries, S1, choosing sinusoidal AC polarization voltage according to the range of safe polarization voltage; S2, S1, on the basis of S1, calculating the relationship between thermal power and frequency according to the relationship between AC impedance and frequency of batteries, and calculating the frequency of the maximum thermal power of current temperature batteries through the relationship between thermal power and frequency. The maximum sinusoidal AC current amplitude is determined according to the AC total impedance corresponding to the sinusoidal AC polarization voltage amplitude and the optimal heating frequency of the battery at the current temperature, and the battery is self-heated at low temperature by using symmetrical sinusoidal AC current signal; S4. When the battery temperature reaches the preset cut-off temperature, an AC/DC superimposed excitation is applied at both ends of the lithium ion battery. When the battery is charged and reheated, S5, when the battery terminal voltage of S4 reaches the charging cut-off voltage, the AC and DC superimposed excitation will be converted to three-stage DC excitation to continue charging the battery.

【技术实现步骤摘要】
交直流叠加的锂离子电池低温充电方法
本专利技术涉及电池充电
，具体说是一种锂离子电池在交直流叠加工况下的低温充电方法，其中包括了锂离子电池交流自加热、交直流叠加的充电过程以及三段降电流直流充电过程。
技术介绍
不断恶化的能源和环境问题在全球范围内推动了电动汽车迅猛发展。锂离子动力电池成为电动汽车上最常用的储能设备，其性能和工作状态决定整车的性能。目前主要的充电方法有恒流-恒压，脉冲电流充电，脉冲电压充电，涓流充电，恒流充电。其中涓流充电最简单，由于充电倍率小充电时间很长；恒流充电倍率一般较大，能有效缩短充电时间，但是极化效应严重；脉冲充电方法中存在很短的静置或者是通过放电阶段来消除极化效应；而恒流-恒压是目前被广泛应用的充电方式，尽管充电速度和使用寿命方面还不能满足用户的需求。因此出现许多充电技术，例如模糊控制，神经网络，遗传算法，进一步获得更好的电池充电性能。但大多数的充电方法针对常温，对低温情况锂离子电池充电研究甚少。通常由于参数随条件的变化，低温下锂离子电池由于电解质、导电材料的导电率明显下降，化学反应动力学、扩散动力学明显迟滞缓慢，相比于室温内阻成十倍地增大，电池充电变得更加困难。寒冷环境中，锂离子电池能量转换效率严重下降，电动汽车的续驶里程和脉冲输出功率大幅下降。目前对低温下锂离子电池充电研究主要有：基于电池模型，以抑制析锂为边界条件改进充电电流；以快速加热电池为前提的“预热-充电”模式。基于电池模型的方法将电池外电路特征与内部化学反应机理紧密联系，可以预测充电电流，但是模型参数准确估计和实时更新困难。“预热-充电”过程将电池加热与充电过程分开，恒流恒压充电前电池表面温度达到零摄氏度以上，但随后充电过程中由于散热大于产热，电池表面温度转而逐渐下降，甚至可能降回到环境温度导致充电在零摄氏度下进行。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，改善现有技术中电池低温充电过程处于零摄氏度以下而带来的由于副反应导致负极形成锂金属沉积(析锂)而不是锂离子嵌入负极。析锂会加速电池衰退，锂金属还有可能刺破隔膜引起锂离子电池内部短路造成安全危害，如热失控等问题。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，包括如下步骤：S1、确定对锂离子电池寿命无影响且安全使用的极化电压幅值范围，并根据极化电压幅值范围选取正弦交流极化电压幅值；S2、在正弦交流极化电压幅值下，根据锂离子电池交流阻抗与频率的关系，计算产热功率与频率的关系，通过产热功率与频率的关系计算得到当前温度锂离子电池产热功率最大时的频率，确定为最优产热频率，锂离子电池在最优产热频率处的阻抗为交流总阻抗；S3、根据正弦交流极化电压幅值与当前温度下锂离子电池最优产热频率对应的交流总阻抗确定最大正弦交流电流幅值，然后利用对称正弦交流电流信号对锂离子电池进行低温自加热；S4、当锂离子电池温度达到预设的截止温度时，在锂离子电池两端施加一个交直流叠加激励，同时对锂离子电池进行充电与再加热，即“边充电边加热”模式；S5、当步骤S4的锂离子电池端电压达到锂离子电池的充电截止电压时，即刻将交直流叠加激励转换为三段降电流直流激励继续对锂离子电池充电。在上述技术方案的基础上，步骤S1的具体步骤为：S11、根据锂离子电池产品规格书，确定锂离子电池充电截止电压Vupper和锂离子电池放电截止电压Vlower；S12、根据公式(1)确定对锂离子电池寿命无影响和安全使用的正弦交流极化电压幅值ΔV，ΔV＝min{Vupper-OCV,OCV-Vlower}(1)其中，OCV为锂离子电池开路电压，Vupper为锂离子电池充电截止电压，Vlower为锂离子电池放电截止电压。在上述技术方案的基础上，步骤S2的具体步骤为：S21、在正弦交流工况下，锂离子电池可逆热为时间的三角函数形式，在较长一段时间(包含若干交流电流周期)内的积分值可认为是0；对锂离子电池起预热作用的产热功率(不可逆热)只包括锂离子电池的阻抗实部在交流电流激励下的焦耳热；S22、利用公式计算锂离子电池的产热功率Q，其中Q为锂离子电池的产热功率，ΔV为正弦交流极化电压幅值，Re＝f(w)表示阻抗实部与频率的函数关系，Z＝g(w)表示锂离子电池总阻抗与频率的函数关系，w为角频率，I为正弦交流电流幅值；S23、在正弦交流极化电压幅值ΔV恒定时，锂离子电池的产热功率Q与Re/|Z|2成正比，当Re/|Z|2最大，则锂离子电池的产热功率Q为最大值；S24、由电化学阻抗谱可知，在固定温度下，锂离子电池的阻抗是关于频率的函数，故Re/|Z|2的最大值所对应的频率就是锂离子电池的最优产热频率；S25、对锂离子电池进行电化学阻抗谱在线分析，找到Re/|Z|2的最大值，得到产热功率最大时的频率f0，所述f0为最优产热频率，锂离子电池在最优产热频率处对应的交流总阻抗为在上述技术方案的基础上，步骤S3的具体步骤为：S31、根据步骤S12中的正弦交流极化电压幅值ΔV，以及步骤S25中确定的最优产热频率对应的锂离子电池交流总阻抗计算得到最大正弦交流电流幅值Ilimit，计算公式如下所示：式(5)中，ΔV为正弦交流极化电压幅值，Re，Jm分别为锂离子电池在最优产热频率处对应的交流总阻抗、锂离子电池的阻抗实部和锂离子电池的阻抗虚部；S32、利用步骤S25得到的最优产热频率f0，步骤S31得到的最大正弦交流电流幅值Ilimit的对称正弦交流电流信号对锂离子电池进行低温自加热。在上述技术方案的基础上，步骤S4的具体步骤为：S41、当步骤S32中锂离子电池被加热到预设的截止温度时，立即施加步骤S42中的交直流叠加激励；S42、保持正弦交流电流的频率不变，降低正弦交流电流幅值，与此同时增加电流倍率为C1的直流作为输入，实现交直流叠加的“边充电边加热”充电模式。上述技术方案的基础上，步骤S5中采用三段降电流直流激励继续对锂离子电池充电的具体步骤为：S51、以C1电流倍率对锂离子电池充电，直至达到锂离子电池的充电截止电压，执行步骤S52；S52、以C2电流倍率对锂离子电池充电，其中C2<C1，直至达到锂离子电池的充电截止电压，执行步骤S53；S53、以C3电流倍率对锂离子电池充电，其中C3<C2，直至达到锂离子电池的充电截止电压，此时，锂离子电池的一次充电过程完成。在上述技术方案的基础上，所述锂离子电池是锰酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池或三元材料动力电池。在上述方案的基础上，步骤S42中需保证锂离子电池在充电过程中产热率大于散热率，保持温度持续上升。在上述方案的基础上，步骤S32中锂离子电池被加热到一定温度，此时锂离子电池的内部阻抗由于温度的上升而变小，正弦交流极化电压幅值相应变小，一定程度上降低了锂离子电池析锂的风险。依据电池初始状态与环境初始温度所确定的正弦交流电流频率在整个充电过程当中保持不变。步骤S5采用三段降电流直流进行充电，通过减小充电电流倍率，削弱极化效应，提高充电容量。每一个倍率的充电截止条件都是电池端电压达到充电截止电压。电池预热阶段、交直流叠加的“边充电边加热”阶段和三段降电流直流充电阶段，三个阶段的切换是无延迟的，即当前阶段达到预设的截本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、确定对锂离子电池寿命无影响且安全使用的极化电压幅值范围，并根据极化电压幅值范围选取正弦交流极化电压幅值；S2、在正弦交流极化电压幅值下，根据锂离子电池交流阻抗与频率的关系，计算产热功率与频率的关系，通过产热功率与频率的关系计算得到当前温度锂离子电池产热功率最大时的频率，确定为最优产热频率，锂离子电池在最优产热频率处的阻抗为交流总阻抗；S3、根据正弦交流极化电压幅值与当前温度下锂离子电池最优产热频率对应的交流总阻抗确定最大正弦交流电流幅值，然后利用对称正弦交流电流信号对锂离子电池进行低温自加热；S4、当锂离子电池温度达到预设的截止温度时，在锂离子电池两端施加一个交直流叠加激励，同时对锂离子电池进行充电与再加热，即“边充电边加热”模式；S5、当步骤S4的锂离子电池端电压达到锂离子电池的充电截止电压时，即刻将交直流叠加激励转换为三段降电流直流激励继续对锂离子电池充电。

【技术特征摘要】
1.一种交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、确定对锂离子电池寿命无影响且安全使用的极化电压幅值范围，并根据极化电压幅值范围选取正弦交流极化电压幅值；S2、在正弦交流极化电压幅值下，根据锂离子电池交流阻抗与频率的关系，计算产热功率与频率的关系，通过产热功率与频率的关系计算得到当前温度锂离子电池产热功率最大时的频率，确定为最优产热频率，锂离子电池在最优产热频率处的阻抗为交流总阻抗；S3、根据正弦交流极化电压幅值与当前温度下锂离子电池最优产热频率对应的交流总阻抗确定最大正弦交流电流幅值，然后利用对称正弦交流电流信号对锂离子电池进行低温自加热；S4、当锂离子电池温度达到预设的截止温度时，在锂离子电池两端施加一个交直流叠加激励，同时对锂离子电池进行充电与再加热，即“边充电边加热”模式；S5、当步骤S4的锂离子电池端电压达到锂离子电池的充电截止电压时，即刻将交直流叠加激励转换为三段降电流直流激励继续对锂离子电池充电。2.如权利要求1所述的交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，其特征在于，步骤S1的具体步骤为：S11、根据锂离子电池产品规格书，确定锂离子电池充电截止电压Vupper和锂离子电池放电截止电压Vlower；S12、根据公式(1)确定对锂离子电池寿命无影响和安全使用的正弦交流极化电压幅值ΔV，ΔV＝min{Vupper-OCV,OCV-Vlower}(1)其中，OCV为锂离子电池开路电压，Vupper为锂离子电池充电截止电压，Vlower为锂离子电池放电截止电压。3.如权利要求2所述的交直流叠加的锂离子电池低温充电方法，其特征在于，步骤S2的具体步骤为：S21、在正弦交流工况下，锂离子电池可逆热为时间的三角函数形式，在较长一段时间内的积分值可认为是0；对锂离子电池起预热作用的产热功率只包括锂离子电池的阻抗实部在交流电流激励下的焦耳热；S22、利用公式计算锂离子电池的产热功率Q，其中Q为锂离子电池的产热功率，ΔV为正弦交流极化电压幅值，Re＝f(w)表示阻抗实部与频率的函数关系，Z＝g(w)表示锂离子电池总阻抗与频率的函数关系，w为角频率，I为正弦交流电流幅值；S23、在正弦交流极化电压幅值ΔV恒定时，锂离子电池的产热功率Q与Re/|Z|2成正比，当Re/|Z|2最大，则锂离子电池的产热功率Q为最大值；S24、由电化学阻抗谱可知，在固定温度下，锂离子电池的阻抗是关于频率的函数，故Re/|Z|2的最大值所对应的频率就...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙丙香，苏晓佳，何锡添，阮海军，张维戈，王占国，周兴振，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11