一种锂离子电池的预热充电控制方法技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池的预热充电控制方法，首先建立热电耦合的温度和负极电位估计模型，其次根据电池的初始电量和温度状态，在充电开始前将所述电池加热至预设的充电初始温度，再次以预设充电电流对所述电池充电，在充电过程中，利用电池的温度和负极电位估计模型实时估计电池当前的负极电位与温度，最后利用优化算法实时调整充电电流。本方案通过建立热电耦合的温度和负极电位估计模型，将电池的正极和负极特性分离，准确模拟电池在充电过程中负极电位、全电池电压和表面温度变化的规律。利用闭环估计算法和控制优化算法实时调整充电电流，让电池在安全的充电区间最大限度发挥充电能力，实现了电池的安全快速充电。实现了电池的安全快速充电。实现了电池的安全快速充电。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池的预热充电控制方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池管理及充电
，具体涉及一种锂离子电池的预热充电控制方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池作为新能源动力系统和电化学储能系统的重要组成部分，在新能源汽车推广与可再生能源的发展中起到了关键性作用。随着车用动力电池技术的不断进步，锂离子电池系统在纯电动汽车使用中的续航、寿命问题等逐渐得到解决。但快速充电技术一直没有得到突破性的进步：在充电速度上，传统的燃油车只需几分钟便可以把油箱加满，现阶段补充80％的电量至少需要几十分钟，用户的充电焦虑依然存在；在电池材料上，一些新型电池材料如三元高镍、无钴正极虽然提升了能量密度，但同时带来更大的充电安全隐患。
[0003]一般来说，快速充电需要提高充电电流，这会引发电池内部的副反应。以石墨负极体系的锂离子电池为例：一方面，充电电流越大，电极极化越明显，极化达到一定程度时，负极电位低于0V vs.Li/Li
+
，负极表面会析出锂金属，损害电池的性能；另一方面，充电过程中如果电池温度较低，会降低电池内部的离子传输速率，影响充电速度，若电池温度过高，则会引发电解液和电极活性材料等的反映，对电池的容量和寿命造成不可逆损伤。因此，充电过程中的电控制和热控制对充电速度和充电安全性十分关键。
[0004]对电池的充电控制研究中，电极电位和电池温度是十分重要的参考量，与电池的充电速率和充电安全直接相关。充电开始前，需要根据电池状态将其预热到一定温度，以保证充电的速度；在充电的全过程中，需要时刻监测电池的温度和内部电位，以保证负极电位在0V vs.Li/Li
+
之上无析锂，且温度在安全的充电温度区间无安全隐患。如果不能对电池的内部电位和温度进行准确的控制，将给快充在电池的应用带来重大阻碍。因此，需要解决电池在充电开始的预热和充电过程的电热控制问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供了一种锂离子电池的预热充电控制方法。
[0006]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种锂离子电池的预热充电控制方法，包括如下步骤：
[0008]S1、建立热电耦合的电池温度和负极电位估计等效模型，并设置负极电位安全阈值、温度安全阈值、目标充电电量以及截止充电电压；
[0009]S2、根据电池的初始电量和温度，在充电开始前将电池加热至充电初始温度；
[0010]S3、以预设充电电流进行充电，充电过程中利用电池温度和负极电位估计等效模型实时估计电池当前的负极电位和温度；
[0011]S4、利用充电控制算法实时调整预设电流，使负极电位值不低于负极电位安全阈值、温度值不高于温度安全阈值，且充电电流最大，以调整后的电流对电池充电至目标充电
电量或充电截止电压。
[0012]上述方案的有益效果是，通过建立热电耦合的温度和负极电位估计模型，将电池的正极和负极特性分离，准确模拟电池在充电过程中负极电位、全电池电压和表面温度变化的规律，可以帮助有效避免电池的副反应，延长充电寿命。在模型的基础上，利用闭环估计算法和控制优化算法实时调整充电电流，让电池在安全的充电区间最大限度发挥充电能力，实现了电池的安全快速充电。
[0013]进一步的，所述步骤S1具体为：
[0014]S11、对带参比电极的三电极电池进行性能测试，获取电池的标称容量、电压特性和温度特性参数，其中，所述电压特性参数包括正极电位、端电压和负极电位，所述温度特性参数包括电池表面温度；
[0015]S12、建立电池的热电耦合的分极等效模型，包括正极参数、负极参数和热参数，用于反映电池的电特性和热特性；
[0016]S13、利用所述标称容量、电压特性和温度特性参数对所述正极参数、负极参数和热参数进行参数标定，获得热电耦合的温度和负极电位估计模型。
[0017]上述进一步方案的有益效果是，通过建立锂离子电池的等效模型，可以准确模拟电池在运行过程中的状态变化信息，为准确估计和预测电池的温度和负极电位打下基础。
[0018]进一步的，所述步骤S13中参数标定的具体方法为：
[0019]根据测量的电池正极开路电位曲线和正极电位，以所述热电耦合的分极等效模型计算的正极电位和参比电极实测正极电位之间的均方根误差作为第一适应函数，辨识得到模型的正极参数；
[0020]根据测量的电池负极开路电位曲线和负极电位，以所述热电耦合的分极等效模型计算的负极电位和参比电极实测负极电位之间的均方根误差作为第二适应函数，辨识得到模型的负极参数；
[0021]根据测量的电池温度，以所述热电耦合的分极等效模型计算的电池温度和温度传感器实测温度的均方根误差作为第三适应函数，辨识得到模型的热参数。
[0022]上述进一步方案的有益效果是，利用电池在测试过程中的真实数据，分开辨识电池模型每一部分的参数，可以让参数的辨识结果更准确，进一步提高步骤S1中电池等效模型的准确性。
[0023]进一步的，所述步骤S2中根据电池的初始状态和环境温度在充电开始前将电池加热至预设的充电初始温度，其中，预设的充电初始温度的范围为10
‑
40℃，加热方式包括外部加热和内部加热中的任意一种。
[0024]上述进一步方案的有益效果是，将电池加热到合适的充电温度，使得电池在合适的温度下发挥最大的充电能力，避免温度过低导致的电池无法充电、充电不安全等问题。
[0025]进一步的，所述步骤S3中预设充电电流为根据电池的性能、初始状态、充电机电流范围等获得不会导致电池发生副反应或不可逆损伤的安全充电电流的最大值，其中，安全充电电流的最大倍率的可选范围为3C～6C。
[0026]上述进一步方案的有益效果是，在开始充电阶段以电池接受的最大安全电流充电，尽可能地提高电池在前期的充电速率，使电池在最短的时间内安全充入最多的电量。
[0027]进一步的，所述步骤S4具体包括：
[0028]S41、获取电池在k时刻的充电信息和状态信息，确定充电系统的状态方程系数矩阵，表示为：
[0029][0030]其中，x为电池的状态向量，u为可控制的输入向量，y为输出向量，A、B、C、D分别为电池系统线性化后的系数矩阵，下标k代表k时刻；
[0031]S42、设置控制系统的优化目标状态z
obj
，优化时序m，和充电截止条件；
[0032]S43、选择k
‑
1时刻的充电电流作为系统未来m个时刻的输入，根据步骤S41确定的系数矩阵，计算电池在k+m时刻的状态；
[0033]S44、根据步骤S43计算得到的电池在k+m时刻的状态，利用优化算法得到k至k+m时刻的最优电流序列，使得k+m时刻的电池预测状态与目标状态z
obj
之差最小；
[0034]S45、将步骤S44中优化得到的最优电流序列中k时刻的电流值作为充电系统在k时刻的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池的预热充电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立热电耦合的电池温度和负极电位估计等效模型，并设置负极电位安全阈值、温度安全阈值、目标充电电量以及截止充电电压；S2、根据电池的初始电量和温度，在充电开始前将电池加热至充电初始温度；S3、以预设充电电流进行充电，充电过程中利用电池温度和负极电位估计等效模型实时估计电池当前的负极电位和温度；S4、利用充电控制算法实时调整预设电流，使负极电位值不低于负极电位安全阈值、温度值不高于温度安全阈值，且充电电流最大，以调整后的电流对电池充电至目标充电电量或充电截止电压。2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池的预热充电控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：S11、对带参比电极的三电极电池进行性能测试，获取电池的标称容量、电压特性和温度特性参数，其中，所述电压特性参数包括正极电位、端电压和负极电位，所述温度特性参数包括电池表面温度；S12、建立电池的热电耦合的分极等效模型，包括正极参数、负极参数和热参数，用于反映电池的电特性和热特性；S13、利用所述标称容量、电压特性和温度特性参数对所述正极参数、负极参数和热参数进行参数标定，获得热电耦合的温度和负极电位估计模型。3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池的预热充电控制方法，其特征在于，所述步骤S13中参数标定的具体方法为：根据测量的电池正极开路电位曲线和正极电位，以所述热电耦合的分极等效模型计算的正极电位和参比电极实测正极电位之间的均方根误差作为第一适应函数，辨识得到模型的正极参数；根据测量的电池负极开路电位曲线和负极电位，以所述热电耦合的分极等效模型计算的负极电位和参比电极实测负极电位之间的均方根误差作为第二适应函数，辨识得到模型的负极参数；根据测量的电池温度，以所述热电耦合的分极等效模型计算的电池温度和温度传感器实测温度的均方根误差作为第三适应函数，辨识得到模型的热参数。4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池的预热充电控制方法，其特征在于，所述步骤S2中根据电池的初始状态和环境温度在充电开始前将电池加热至预设的充电初始温度，其中，充电初始温度的范围为10
‑
40℃，加热方式包括外部加热和内部加热中的任意一种。5.根据权利要求4所述的一种锂离子电池的预热充电控制方法，其特征在于，所述步骤S3中预设充电电流为根据电池的性能、初始状态、充电机电流范围获得不会导致电池发生副反应或不可逆损伤的安全充电电流的最大值，其中，安全充电电流的最大充电倍率可选范围为3C～6C。6.根据权利要求5所述的一种锂离子电池的预热充电控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：S41、获取电池在k时刻的充电信息和状态信息，确定充电系统的状态方程系数矩阵，表示为：
其中，x为电池的状态向量，u为可...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹晟阁，
申请(专利权)人：北京链宇科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：