基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法及系统，属于电池技术领域。该方法包括：根据电池以及电池模组的结构，建立电池单体的内部高分辨率的热网络，以及可随物理侧结构自适应变化的模组热网络结构；建立的电池系统高频工况适配电

【技术实现步骤摘要】
基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法及系统


[0001]本专利技术属于电池
，涉及基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法及系统。

技术介绍

[0002]锂离子电池作为能量密度较高的清洁能源的载体，目前已经被广泛应用于新能源汽车领域。锂离子电池在常温下，相比传统电池具有更为优异的功率和寿命特性，但是在低温环境下仍然会出现明显的可用能量损失，做功能力下降的问题。如果在低温区强行使用电池，可能会在锂离子电池内产生大量的析出锂，造成可用能量的不可逆的下降，当锂枝晶生长到一定程度便会刺破隔膜造成电池内短路，引发热失控等事故。因此，为了实现锂离子电池低温环境下的正常无老化的使用，目前通常使用的方法是将电池在低温先进行加热，然后待电池进入适宜的温度区间后再正常使用。
[0003]目前，针对锂离子电池已经开发了一些可行的低温加热方案，例如低温高频加热。但是在实际应用中，仍然存在以下问题：1)在算法层，缺少适配低温高频工况的电池模型，这导致在硬件端执行加热策略时难以获取准确的温度信息；2)在算法层，与低温高频工况不适配的电池模型无法给出合理的低温加热电流边界；3)在硬件层，缺少实时获取电池内部温度的手段，最终会导致加热控制过程会出现误差。
[0004]因此，本专利技术将针对上述应用问题，分别在算法层和硬件层开发一种内置低温加热策略与全局温度监测方法的电池系统低温高频加热规范与装置，实现电池低温状态下的健康高效的加热过程。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法及系统。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法，该方法包括以下步骤：
[0008]S1：制定电池加热流程；
[0009]S2：执行电池加热流程；
[0010]所述S1包括以下步骤：
[0011]S101：建立电池的二阶RQ模型，构建电池模型参数基础；
[0012]电池的二阶RQ模型包括电池的欧姆内阻，SEI膜的极化内阻，SEI膜的极化电容，电荷转移的极化内阻以及电荷转移的极化电容，通过电化学阻抗谱进行测试；
[0013]S102：计算电池在不同温度，不同SOC以及不同电流频率下的加热电流边界；
[0014]电池的加热电流边界一般包括了根据析锂判据确定的加热电流边界，以及根据电压限制确定的电流边界；其中，析锂边界的形式，需要根据本专利技术中的二阶RQ模型匹配相应的具体形式；
[0015]S103：构建电池在不同温度，不同SOC以及不同脉冲电流特性参数下的产热计算方法；
[0016]利用建立的二阶RQ模型，给出电池总阻抗的实部的表达式，计算在正弦脉冲交流电的情况下，电池的有效产热率；
[0017]S104：基于电池的加热边界，电池的产热以及集总参数的热模型，获取电池的温升曲线以及总加热时间；
[0018]计算加热时间为：首先选定电池的初始条件，包括初始的SOC以及初始的温度，接着将初始条件和电池在t＝0时刻的产热带入集总参数模型中，计算电池t＝1时刻的温度，以此类推，在计算过程中不断地通过加热电流边界和计算获得的温度更新加热电流参数，得到电池在确定的初始条件下的总加热时间；
[0019]S105：根据初始不同条件下的加热时间，形成加热时间图谱；
[0020]所述S101中，二阶RQ模型表述为：
[0021][0022]U
ocv
表示电池的开路电压，L表示电池的感抗，I表示电流，t表示时间，U
t
表示电池的端电压，R
o
表示电池的欧姆内阻；U
ct
指的是加载在极化电阻两端的电压，R
ct
以及C
ct
则表示电荷转移内阻以及电荷转移电容，C
sei,FOM
表示与SEI膜相关的常相位原件系数，n
sei,FOM
表示与SEI膜相关的常相位原件阶数，C
dl,FOM
表示与双电层电荷转移相关的常相位原件系数，n
dl,FOM
表示与双电层电荷转移相关的常相位原件阶数；
[0023]所述S2包括以下步骤：
[0024]S201：根据电池输入的电流和电压计算电池的加热过程中的总阻值；
[0025]S202：根据电池输入的电流和电压计算电池的加热过程中的SOC值；
[0026]S203：建立电池的热网络结构，在加热过程中结合S201中辨识的内阻以及当前时刻的电流参数，计算电池的内部温度；
[0027]S204：根据电池的温度计算结果以及S102中的电流边界，实时修正加热电流参数。
[0028]可选的，所述S102中，在不同温度，不同SOC以及不同电流频率下的加热电流边界通过以下步骤获取：
[0029]S1021：建立电池的通用的析锂抑制条件；
[0030][0031]其中，表示析锂反应电位，Φ
neg
表示负极电位；析锂反应的平衡电位在电池系统内默认为0V，析锂抑制条件为：
[0032]Φ
neg
≥0V
[0033]S1022：更新在二阶RQ模型下建立新的析锂抑制条件的描述
[0034]负极电位在二阶RQ模型中表示为负极平衡电位和电荷转移极化分压的差值，那么析锂抑制条件则表示为：
[0035]V
ct
≤OCP
neg
[0036]S1023：修正高频脉冲下的阻抗表达；
[0037]对于SEI膜相关的RQ回路有：
[0038][0039]对于电荷转移相关的RQ回路有：
[0040][0041]对于二阶RQ电路模型，其总阻抗表示为
[0042]Z2＝R
o
+Z
Re,ct
+Z
Re,SEI
+j(Z
Im,ct
+Z
Im,SEI
+2πfL)
[0043]S1024：基于S1022以及S1023的结果，给出基于析锂抑制条件的加热电流边界；
[0044]V
ct
转化成电流和阻抗的模的表达式：
[0045]I
ac
|Z
ct
|≤OCP
neg
[0046]S1025：不同温度、不同SOC以及不同电流频率下的加热电流边界为：
[0047][0048]在任意时刻额最大电流幅值上限为：
[0049][0050]可选的，所述S103中，构建电池在不同温度、不同SOC以及不同脉冲电流特性参数下的产热计算方法为：
[0051]S1031：建立电池实部阻抗的表达：
[0052][0053]S1032：考虑交流脉冲的有效电流，建立电池的总产热：
[0054][0055]可选的，所述S104本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：制定电池加热流程；S2：执行电池加热流程；所述S1包括以下步骤：S101：建立电池的二阶RQ模型，构建电池模型参数基础；电池的二阶RQ模型包括电池的欧姆内阻，SEI膜的极化内阻，SEI膜的极化电容，电荷转移的极化内阻以及电荷转移的极化电容，通过电化学阻抗谱进行测试；S102：计算电池在不同温度，不同SOC以及不同电流频率下的加热电流边界；电池的加热电流边界包括根据析锂判据确定的加热电流边界，以及根据电压限制确定的电流边界；其中，析锂边界的形式，需要根据本发明中的二阶RQ模型匹配相应的具体形式；S103：构建电池在不同温度，不同SOC以及不同脉冲电流特性参数下的产热计算方法；利用建立的二阶RQ模型，给出电池总阻抗的实部的表达式，计算在正弦脉冲交流电的情况下，电池的有效产热率；S104：基于电池的加热边界，电池的产热以及集总参数的热模型，获取电池的温升曲线以及总加热时间；计算加热时间为：首先选定电池的初始条件，包括初始的SOC以及初始的温度，接着将初始条件和电池在t＝0时刻的产热带入集总参数模型中，计算电池t＝1时刻的温度，以此类推，在计算过程中不断地通过加热电流边界和计算获得的温度更新加热电流参数，得到电池在确定的初始条件下的总加热时间；S105：根据初始不同条件下的加热时间，形成加热时间图谱；所述S101中，二阶RQ模型表述为：U
ocv
表示电池的开路电压，L表示电池的感抗，I表示电流，t表示时间，U
t
表示电池的端电压，R
o
表示电池的欧姆内阻；U
ct
指的是加载在极化电阻两端的电压，R
ct
以及C
ct
则表示电荷转移内阻以及电荷转移电容，C
sei,FOM
表示与SEI膜相关的常相位原件系数，n
sei,FOM
表示与SEI膜相关的常相位原件阶数，C
dl,FOM
表示与双电层电荷转移相关的常相位原件系数，n
dl,FOM
表示与双电层电荷转移相关的常相位原件阶数；所述S2包括以下步骤：S201：根据电池输入的电流和电压计算电池的加热过程中的总阻值；S202：根据电池输入的电流和电压计算电池的加热过程中的SOC值；S203：建立电池的热网络结构，在加热过程中结合S201中辨识的内阻以及当前时刻的电流参数，计算电池的内部温度；S204：根据电池的温度计算结果以及S102中的电流边界，实时修正加热电流参数。2.根据权利要求1所述的基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法，其特征在于：所述S102中，在不同温度，不同SOC以及不同电流频率下的加热电流边界通过以下步骤获
取：S1021：建立电池的通用的析锂抑制条件；其中，表示析锂反应电位，Φ
neg
表示负极电位；析锂反应的平衡电位在电池系统内默认为0V，析锂抑制条件为：Φ
neg
≥0VS1022：更新在二阶RQ模型下建立新的析锂抑制条件的描述负极电位在二阶RQ模型中表示为负极平衡电位和电荷转移极化分压的差值，那么析锂抑制条件则表示为：V
ct
≤OCP
neg
S1023：修正高频脉冲下的阻抗表达；对于SEI膜相关的RQ回路有：对于电荷转移相关的RQ回路有：对于二阶RQ电路模型，其总阻抗表示为Z2＝R
o
+Z
Re,ct
+Z
Re,SEI
+j(Z
Im,ct
+Z
Im,SEI
+2πfL)S1024：基于S1022以及S1023的结果，给出基于析锂抑制条件的加热电流边界；V
ct
转化成电流和阻抗的模的表达式：I
ac
|Z
ct
|≤OCP
neg
S1025：不同温度、不同SOC以及不同电流频率下的加热电流边界为：在任意时刻额最大电流幅值上限为：3.根据权利要求2所述的基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法，其特征在于：所述S103中，构建电池在不同温度、不同SOC以及不同脉冲电流特性参数下的产热计算方法为：S1031：建立电池实部阻抗的表达：
S1032：考虑交流脉冲的有效电流，建立电池的总产热：4.根据权利要求3所述的基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法，其特征在于：所述S104中，基于电池的加热边界，电池的产热以及集总参数的热模型，获取电池的温升曲线以及总加热时间的方法如下：将电池处理为集总参数的热模型，使用两个温度节点代表电池的温度，则有将电池处理为集总参数的热模型，使用两个温度节点代表电池的温度，则有T
in
表示电池本体的集总温度参数，T
surf
表示电池表面温度节点的温度，T
a
表示环境温度，R
in
‑
surf
为表征电池的两个节点之间的热阻，R
surf
‑
a
表示电池表面与环境之间的热阻；m1为核心节点代表的质量，m2为表面节点代表的质量；在给定初始条件后，进行计算电池的温升；所述S105中，根据初始不同条件下的加热时间，形成加热时间图谱。5.根据权利要求4所述的基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法，其特征在于：所述S201的具体步骤为：在建立的电池的二阶RQ模型模型的基础上，推导电池的系统矩阵与待辨识参数矩阵；其中，电池的表观的输入输出的关系如下：u
k
＝b1u
k
‑1+b2u
k
‑2+b3I
k
+b4I
k
‑1+b5I
k
‑1其中，u
k
为系统在k时刻的输出值，即电压；I
k
为系统在k时刻的输入值，即电流；b表示的输入输出之间的系数；令Φ(k)＝[u
k
‑
1 u
k

【专利技术属性】
技术研发人员：谢翌，李伟，张扬军，胡晓松，张凯庆，陈斌，郭红强，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：