CN109786878B - 一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法 - Google Patents

一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法 Download PDF

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Abstract

一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法，涉及锂离子动力电池加热及充电技术领域。解决了低温环境使用锂离子动力电池需要进行预热，而现有的外部加热装置存在加热温度分布不均，易对电池造成损害的问题。本发明当锂离子动力电池的表面温度低于设定温度时，若电池的剩余电量SOC低于预设值时，由电源对超级电容充电，超级电容经双向DC/DC对锂离子动力电池进行交变激励加热。否则由锂离子动力电池提供自加热能量，经由双向DC/DC向超级电容进行交变频率充放电，实现对锂离子动力电池的交变激励加热，当锂离子动力电池温度大于设定温度，当锂离子动力电池不满电时，对其进行充电，直至锂离子动力电池电量充满为止，本发明适用于动力电池加热充电使用。

Description

一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法
技术领域
本发明涉及锂离子动力电池加热及充电技术领域。
背景技术
随着能源问题的产生，国家对新能源产业的大力支持，锂离子电池由于其能量密度大，自放电率低和无记忆效应等优点，成为重要的储能元件，在新能源电站，电动汽车等领域得到了广泛应用。
由于锂电池内部的结构及电化学性质，在低温下锂电池的充放电性能存在较大问题。由于低温下活性物质的活性降低，内部的扩散速率减小，锂离子电池内部阻抗在低温下大幅增加，输出功率减小，同时可用的电池容量也相应的减小。同时在低温下使用锂电池存在负极析锂等问题，使得锂电池的低温加热成为必要。而采用外部加热的方式存在温度分布不均匀的问题。
发明内容
本发明是为了解决低温环境使用锂离子动力电池需要进行预热，而现有的外部加热装置存在加热温度分布不均，易对电池造成损害的问题，提出了一种电动汽车动力电池充电/加热一体化装置及方法。
本发明所述的一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、采集锂离子动力电池的表面温度T，判断锂离子动力电池的表面温度T是否小于预设温度阈值Tset，若是，则执行步骤二，否则，执行步骤八；其中，温度阈值Tset为正数；
步骤二、采集锂离子动力电池的荷电状态soc、端电压U及电流I，判断锂离子动力电池的荷电状态soc是否小于设定阈值socset，若是，则执行步骤三，否则，执行步骤四；步骤三、利用外部电源对超级电容进行充电，直到超级电容的荷电状态为1-socset为止；然后执行步骤四；
步骤四、建立锂离子动力电池的一阶戴维宁等效电路模型，利用步骤二中所述的锂离子动力电池的端电压U及电流I，对锂离子动力电池的参数进行辨识，获得锂离子动力电池的欧姆内阻R0，极化内阻R1及极化电容C1；
步骤五、利用步骤四获得的锂离子动力电池的欧姆内阻R0，极化内阻R1及极化电容C1，获得锂离子动力电池内部总阻抗与频率函数；
步骤六、利用步骤五获得的锂离子动力电池的内部总阻抗与频率函数和产热功率公式，计算获得当前温度环境下锂离子动力电池最佳加热频率；
步骤七、将超级电容的两端与双向DC/DC变换器的一侧信号输入输出端连接，锂离子动力电池的充放电信号端与双向DC/DC变换器的另一侧信号输入输出端连接，并将步骤六获得的锂离子动力电池最佳加热频率作为双向DC/DC变换器的交变切换频率，实现交变控制锂离子动力电池的充/放电，实现对锂离子动力电池进行交变激励加热时间t1后；返回执行步骤一；
步骤八、判断锂离子动力电池的荷电状态soc是否为满电状态，若是，返回执行步骤一，否则，采用外部电源对锂离子动力电池进行充电直至锂离子动力电池充满为止，再返回执行步骤一。
本发明首先判断锂离子动力电池的表面温度是否低于设定温度，若是，判断电池的剩余电量soc是否低于预设值，若是，向超级电容充电1-socset，然后控制DC/DC变换器进行交变切换开启，先使超级电容向锂离子动力电池充电，或使锂离子动力电池向超级电容充电，实现对锂离子动力电池的交变激励加热，同时，避免了进行交变激励加热过程中消耗电池电量，影响电池的使用，也避免了电池电量高时，超级电容向电池放电造成电池过充的情况，当锂离子动力电池温度大于设定温度，只需要判断锂离子动力电池的剩余电量是否为满电状态，若是，则无需进行充电，否则，对锂离子动力电池进行充电，直至锂离子动力电池电量充满为止，本发明采用外加超级电容的方式实现自加热，同时减少了激励加热过程中对锂离子动力电池自身能量的消耗，同时，对超级电容充电量的控制，避免出现过充的问题，有效的实现了对电池的加热和充电。
附图说明
图1是本发明所述方法流程图；
图2是锂离子电池一阶戴维宁等效电路模型图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、采集锂离子动力电池的表面温度T，判断锂离子动力电池的表面温度T是否小于预设温度阈值Tset，若是，则执行步骤二，否则，执行步骤八；其中，温度阈值Tset为正数；
步骤二、采集锂离子动力电池的荷电状态soc、端电压U及电流I，判断锂离子动力电池的荷电状态soc是否小于设定阈值socset，若是，则执行步骤三，否则，执行步骤四；
步骤三、利用外部电源对超级电容进行充电，直到超级电容的荷电状态为1-socset为止；然后执行步骤四；
步骤四、建立锂离子动力电池的一阶戴维宁等效电路模型，利用步骤二中所述的锂离子动力电池的端电压U及电流I，对锂离子动力电池的参数进行辨识，获得锂离子动力电池的欧姆内阻R0，极化内阻R1及极化电容C1；
步骤五、利用步骤四获得的锂离子动力电池的欧姆内阻R0，极化内阻R1及极化电容C1，获得锂离子动力电池内部总阻抗与频率函数；
步骤六、利用步骤五获得的锂离子动力电池的内部总阻抗与频率函数和产热功率公式，计算获得当前温度环境下锂离子动力电池最佳加热频率；
步骤七、将超级电容的两端与双向DC/DC变换器的一侧信号输入输出端连接，锂离子动力电池的充放电信号端与双向DC/DC变换器的另一侧信号输入输出端连接，并将步骤六获得的锂离子动力电池最佳加热频率作为双向DC/DC变换器的交变切换频率，实现交变控制锂离子动力电池的充/放电，实现对锂离子动力电池进行交变激励加热时间t1后；返回执行步骤一；
步骤八、判断锂离子动力电池的荷电状态soc是否为满电状态，若是，返回执行步骤一，否则，采用外部电源对锂离子动力电池进行充电直至锂离子动力电池充满为止，再返回执行步骤一。
本实施方式所述的采样电路包括电压采样电路、电流采样电路和荷电状态采样电路，所述采样电路实现对电动汽车动力电池进行电流、电压、和荷电状态进行采样实现根据获得采集的电压、电流和荷电状态，确定是否进行充电，计算激励加热的交变激励频率。
本实施方式在电池使用前先通过判定，使得只有当现在时刻电池的荷电状态低于设定的阈值时才令外部电源向超级电容充电，当电池的荷电状态高于设定的阈值时，由动力电池组向超级电容进行充电，从而避免了动力电池处于满电状态时发生过充的可能情况。采用这种控制方法能够使得电池自加热消耗的能量尽量由外部电源提供，从而达到加热时减少电池自身能量的消耗，当加热完成后直接对电池进行充电，加快加热过程的目的，避免影响电池的使用，实现对电池的预加热。
具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法作进一步说明，锂离子电池内部一阶戴维宁等效电路模型包括欧姆内阻R0、极化电阻R1、极化电容C1和开路等效电压源UOC；
欧姆内阻R0的一端连接充电电源正极，欧姆内阻R0的另一端同时连接极化电容C1的一端和极化电阻R1的一端；极化电容C1的另一端同时与极化电阻R1的另一端和开路等效电压源UOC的正极，开路等效电压源UOC的负极连接充电电源负极。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式二所述的一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法作进一步说明，步骤四所述的锂离子电池一阶戴维宁等效电路模型的公式为：
Figure BDA0002006271610000041
其中，R0为欧姆内阻，R1为极化内阻，C1为极化电容，UOC为锂离子电池开路电压,U是锂离子电池的端电压，s是复频率。
具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式三所述的一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法作进一步说明，步骤四所述的获得电池的欧姆内阻R0，极化内阻R1及极化电容C1的具体过程为：
步骤四一、令
Figure BDA0002006271610000042
将锂离子电池一阶戴维宁等效电路的公式化为差分形式，其中，x(k)为第k次采样得到的物理量值，x(k-1)为第k-1次采样得到的物理量值，所述物理量为Uoc(k)、U(k)或I(k)；
UOC(k)-U(k)＝k1[UOC(k-1)-U(k-1)]+k2I(k)-k3I(k-1) (2)
其中，
Figure BDA0002006271610000043
Uoc(k)是k次采样动力电池的开路电压，U(k)是k次采样动力电池的端电压，I(k)是k次采样动力电池的电流，k-1代表第k-1次采样，T为采样间隔，两次采样间的时间，UOC(k-1)是k-1次采样动力电池的开路电压，U(k-1)是k-1次采样动力电池的端电压，I(k-1)是k-1次采样动力电池的电流；
步骤四二、由递推最小二乘法辨识出差分方程中的参数k1,k1,k3；则等效电路模型中的参数：
Figure BDA0002006271610000051
具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式四所述的一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法作进一步说明，步骤五所述的电池内部总阻抗与频率函数为：
Figure BDA0002006271610000052
其中，ω＝2πf；f为锂离子动力电池的交变激励加热频率，j为虚数单位，R1(f)为电池的极化内阻随交变激励加热频率变化函数，C1(f)为电池的极化电容C1随交变激励加热频率变化函数，其中，C1(f)和R1(f)通过阻抗谱，进行拟合后获得。
具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式五所述的一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法作进一步说明，步骤六所述计算获得锂离子电池在当前温度环境下的最佳加热频率的具体方法为：
利用产热功率公式
Figure BDA0002006271610000053
获得产热功率Q与交变激励频率函数，其中，Re(Z(f))是对复数Z(f)取实部，△U为端电压U与开路电压UOC的差值；对产热功率公式展开获得：
Figure BDA0002006271610000054
对产热功率展开式求一阶导数和二阶导数，获得产热功率最大值，所述产热功率最大值对应的交变激励频率为动力电池的交变激励加热频率。
具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法作进一步说明，步骤七所述的对锂离子动力电池进行交变激励加热的时间t1的范围为20s到40s。
具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法作进一步说明，步骤一所述的温度阈值Tset的范围为5＜Tset＜10℃。
具体实施方式九：本实施方式对实施方式六所述的一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法作进一步说明，步骤二中阈值socset的范围：0.9＜socset＜0.95。
本发明一种电动汽车动力电池充电加热一体化装置及方法，通过运用充电加热一体化的控制策略，使得电池自加热所需能量由电源而不是电池自身提供，从而使得电池的加热和充电这两个过程相结合起来，避免了以往自加热方法中自加热需要先消耗电池内部能量，再进行充电的过程，从而缩短了整个加热-充电过程所需时间。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
步骤一、采集锂离子动力电池的表面温度T，判断锂离子动力电池的表面温度T是否小于预设温度阈值Tset，若是，则执行步骤二，否则，执行步骤八；其中，温度阈值Tset为正数；
步骤二、采集锂离子动力电池的荷电状态soc、端电压U及电流I，判断锂离子动力电池的荷电状态soc是否小于设定阈值socset，若是，则执行步骤三，否则，执行步骤四；
步骤三、利用外部电源对超级电容进行充电，直到超级电容的荷电状态为1-socset为止；然后执行步骤四；
步骤四、建立锂离子动力电池的一阶戴维宁等效电路模型，利用步骤二中所述的锂离子动力电池的端电压U及电流I，对锂离子动力电池的参数进行辨识，获得锂离子动力电池的欧姆内阻R0，极化内阻R1及极化电容C1；
步骤五、利用步骤四获得的锂离子动力电池的欧姆内阻R0，极化内阻R1及极化电容C1，获得锂离子动力电池内部总阻抗与频率函数；
电池内部总阻抗与频率函数为：
Figure FDA0003376751340000011
其中，ω＝2πf；f为锂离子动力电池的交变激励加热频率，j为虚数单位，R1(f)为电池的极化内阻随交变激励加热频率变化函数，C1(f)为电池的极化电容C1随交变激励加热频率变化函数，其中，C1(f)和R1(f)通过阻抗谱，进行拟合后获得；
步骤六、利用步骤五获得的锂离子动力电池的内部总阻抗与频率函数和产热功率公式，计算获得当前温度环境下锂离子动力电池最佳加热频率；
计算获得当前温度环境下锂离子动力电池最佳加热频率的具体方法为：
利用产热功率公式：
Figure FDA0003376751340000012
获得产热功率Q与交变激励频率函数，其中，Re(Z(f))是对复数Z(f)取实部，ΔU为端电压U与开路电压UOC的差值；对产热功率公式展开获得：
Figure FDA0003376751340000021
对产热功率展开式求一阶导数和二阶导数，获得产热功率最大值，所述产热功率最大值对应的交变激励频率为动力电池的交变激励加热频率；
步骤七、将超级电容的两端与双向DC/DC变换器的一侧信号输入输出端连接，锂离子动力电池的充放电信号端与双向DC/DC变换器的另一侧信号输入输出端连接，并将步骤六获得的锂离子动力电池最佳加热频率作为双向DC/DC变换器的交变切换频率，实现交变控制锂离子动力电池的充/放电，实现对锂离子动力电池进行交变激励加热时间t1后；返回执行步骤一；
步骤八、判断锂离子动力电池的荷电状态soc是否为满电状态，若是，返回执行步骤一，否则，采用外部电源对锂离子动力电池进行充电直至锂离子动力电池充满为止，再返回执行步骤一。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法，其特征在于，步骤四中，锂离子动力电池的一阶戴维宁等效电路模型包括欧姆内阻R0、极化电阻R1、极化电容C1和开路等效电压源UOC；
欧姆内阻R0的一端连接充电电源正极，欧姆内阻R0的另一端同时连接极化电容C1的一端和极化电阻R1的一端；极化电容C1的另一端同时与极化电阻R1的另一端和开路等效电压源UOC的正极，开路等效电压源UOC的负极连接充电电源负极。
3.根据权利要求2所述的一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法，其特征在于，步骤四中，锂离子电池的一阶戴维宁等效电路模型的公式为：
Figure FDA0003376751340000022
其中，R0为欧姆内阻，R1为极化内阻，C1为极化电容，UOC为锂离子电池开路电压,U是锂离子电池的端电压，s是复频率。
4.根据权利要求3所述的一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法，其特征在于，步骤四中，获得电池的欧姆内阻R0，极化内阻R1及极化电容C1的具体过程为：
步骤四一、将锂离子电池一阶戴维宁等效电路的公式化为差分形式，获得：
UOC(k)-U(k)＝k1[UOC(k-1)-U(k-1)]+k2I(k)-k3I(k-1) (2)
其中，
Figure FDA0003376751340000031
Uoc(k)是k次采样动力电池的开路电压，U(k)是k次采样动力电池的端电压，I(K)是k次采样动力电池的电流，k-1代表第k-1次采样，T为采样间隔，两次采样间的时间，UOC(k-1)是k-1次采样动力电池的开路电压，U(k-1)是k-1次采样动力电池的端电压，I(K-1)是k-1次采样动力电池的电流；
步骤四二、由递推最小二乘法辨识出差分方程中的参数k1,k1,k3；则等效电路模型中的参数：
Figure FDA0003376751340000032
5.根据权利要求1所述的一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法，其特征在于，步骤七中，对锂离子动力电池进行交变激励加热的时间t1的范围为20s到40s。
6.根据权利要求1所述的一种电动汽车动力电池充电/加热控制方法，其特征在于，其中，步骤二中阈值socset的范围：0.9＜socset＜0.95。
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