電池的低溫預熱與充電方法
【專利摘要】本發明提出一種電池的低溫預熱與充電方法，包括：獲取電池的等效電路模型；獲取電池在多個溫度、多個荷電狀態下對應的多組電化學阻抗譜EIS數據，并根據多組電化學阻抗譜EIS數據獲取對應的等效電路模型的參數；獲取電池的當前溫度和當前荷電狀態，并根據當前溫度和當前荷電狀態判斷電池的工況狀態，工況狀態包括低溫啟動工況和低溫充電工況；當工況狀態為低溫啟動工況時，根據當前溫度和當前荷電狀態對應的等效電路模型的參數值選取交變電流的第一頻率和第一幅值；根據第一頻率和第一幅值對電池施加交變電流以進行預熱，直至電池的溫度達到第一預設溫度以使電池可以正常使用。本發明實施例的方法，避免了析鋰，提高了電池內部的產熱速率。
【專利說明】電池的低溫預熱與充電方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電池【技術領域】，特別涉及一種電池的低溫預熱與充電方法。
【背景技術】
[0002]鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長、自放電率低、無記憶效應等優點，與鉛酸電池、鎳氫電池相比，更宜作為純電動汽車、插電式電動汽車以及混合動力汽車的主要驅動電源，也是手機、筆記本電腦等主要的儲能元件。石墨因具有電位低、容量密度大、不可逆容量小、成本低等優點，是目前鋰離子電池最常用的負極材料。然而，在低溫下，石墨負極鋰離子電池內部各類阻抗大幅增加，鋰離子電池的使用存在困難。另外，由于存在析鋰隱患，電池充電接受能力更加惡化。若以不合理方式進行低溫充電，容易導致石墨負極上析出金屬鋰，不僅造成電池的容量衰減與壽命折損，還可能持續生長，形成枝晶，進而刺破隔膜，造成短路，引發熱失控等具有嚴重危害性的安全事故。此外，溫度降低，鋰離子電池的放電性能也顯著惡化，放電容量存在較大程度的降低。
[0003]目前針對電池的低溫使用問題，相關技術的一種做法是在提高動力電池系統保溫性的前提下，利用外部加熱的方法對電池進行預熱，使電池溫度上升到常溫或10°C以上，之后對電池進行使用或直流充電。但是這種方法雖然可以有效解決低溫下電池充電和使用的問題，但仍存在用時較長、耗能較大、成本較高、加熱不均勻的缺點。
[0004]此外，相關技術中的另一種做法是:對電池進行脈沖充放電產熱，升溫后進行充電。但是，該種方法未給出脈沖持續時間的確定方法，電池的不可逆熱有多種成分，包括歐姆阻抗對應的歐姆熱、法拉第阻抗對應的活性化熱以及擴散阻抗對應的擴散熱。其中，歐姆熱由較短時間的過程所激發，活性化熱由稍長時間的過程所激發，擴散熱由更長時間的過程所激發。按照該方法，在實際應用過程中，為了避免法拉第電流過度發展引發析鋰，通常會采用脈沖持續時間很短的電流，即只利用歐姆阻抗產熱，然而由于歐姆阻抗較小，所產生的熱量也較小，難以滿足電池溫升的要求。另外，該方法利用脈沖電流預熱電池，由于脈沖電流包含多種頻率成分，不能實現產熱成分、產熱位置的精確選擇，且電池內部為瞬態響應，在反復脈沖作用下，電池內部的鋰離子濃度分布變得復雜，難以準確估計電池內部的法拉第電流，所以對預熱及充電過程的控制不夠準確。
【發明內容】
[0005]本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在于提出一種電池的低溫預熱與充電方法。該方法可避免鋰離子電池析鋰反應的發生并達到調整產熱部位與產熱成分的目的，同時可以提高電池內部的產熱速率,從而加快對電池的預熱。
[0006]為了實現上述目的，本發明實施例的電池的低溫預熱與充電方法，包括:獲取電池的等效電路模型；獲取所述電池在多個溫度、多個荷電狀態下對應的多組電化學阻抗譜EIS數據，并根據所述多組電化學阻抗譜EIS數據獲取對應的所述等效電路模型的參數；獲取所述電池的當前溫度和當前荷電狀態，并根據所述當前溫度和所述當前荷電狀態判斷所述電池的工況狀態，其中所述工況狀態包括低溫啟動工況和低溫充電工況；當所述工況狀態為所述低溫啟動工況時，根據所述當前溫度和所述當前荷電狀態對應的所述等效電路模型的參數選取交變電流的第一頻率和第一幅值；以及根據所述第一頻率和所述第一幅值對所述電池施加所述交變電流以進行預熱，直至所述電池的溫度達到第一預設溫度以使所述電池可以正常使用。
[0007]根據本發明實施例的電池的低溫預熱與充電方法，通過調整交變電流的頻率可以調節雙電層電流、法拉第電流大小，從而避免鋰離子電池析鋰反應的發生并達到調整產熱部位與產熱成分的目的，同時通過調整交變電流的幅值，可以提高電池內部的產熱速率，從而加快了對電池的預熱。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是根據本發明一個實施例的電池的低溫預熱與充電方法的流程圖；
[0009]圖2是根據本發明一個實施例的鋰離子電池的等效電路模型的示意圖；
[0010]圖3是根據本發明一個實施例的鋰離子電池的電化學阻抗譜的示意圖；
[0011]圖4是根據本發明一個實施例的產熱速率、產熱成分與頻率的關系示意圖；
[0012]圖5是根據本發明一個實施例的電池的低溫預熱與充電方法的流程圖；
[0013]圖6是根據本發明一個實施例的電池處于低溫充電工況時的預熱階段、充電階段的電流不意圖。
【具體實施方式】
[0014]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0015]本發明提出了一種電池的低溫預熱與充電方法，下面參考附圖描述本發明實施例的電池的低溫預熱與充電方法。
[0016]圖1是根據本發明一個實施例的電池的低溫預熱與充電方法的流程圖。
[0017]如圖1所示，本發明實施例的電池的低溫預熱與充電方法包括:
[0018]S101，獲取電池的等效電路模型。
[0019]具體地，圖2所示為鋰離子電池的等效電路模型的示意圖，等效電路模型由下述元件組成為歐姆阻抗，Rsei為鋰離子穿過石墨負極材料表面SEI (Solid ElectrolyteInterface,固體電解質界面)所受到的阻抗，Cfilni為對應的電容，Ret為電荷轉移阻抗，Cdl為雙電層電容，W為擴散阻抗(即Warburg阻抗)。
[0020]S102，獲取電池在多個溫度、多個荷電狀態下對應的多組電化學阻抗譜EIS數據，并根據多組電化學阻抗譜EIS數據獲取對應的等效電路模型的參數。
[0021]具體地,首先對電池樣品進行標定,測定電池樣品在不同S0C(State of Charge,荷電狀態)下、不同溫度下(尤其是低溫下)對應的多組EIS (Electrochemical ImpedanceSpectroscopy,電化學阻抗譜)數據，然后基于等效電路模型，對每組EIS數據進行擬合，得到每組EIS數據所對應的等效電路模型的參數值，即得到每組EIS數據所對應的等效電路模型的Ri2值、Rsei值、Cfilm值、Ret值、Cdl值和W值。另外，所測定的電池的電化學阻抗譜通常會呈現如圖3所示的形式，電化學阻抗譜從結構上可以分為:高頻歐姆阻抗，中頻多個半圓，低頻擴散斜線。
[0022]S103，獲取電池的當前溫度和當前荷電狀態，并根據當前溫度和當前荷電狀態判斷電池的工況狀態，其中工況狀態包括低溫啟動工況和低溫充電工況。
[0023]具體地，測量電池的溫度和S0C，當電池溫度較低、SOC較高時，屬于低溫啟動工況；當電池溫度較低，SOC較低時，屬于低溫充電工況。例如，當電池的溫度T=-20°C，S0C=80%時，則可判定為低溫啟動工況，當電池的溫度T=-20°C，S0C=30%時，則可以判定為低溫充電工況。
[0024]S104,當工況狀態為低溫啟動工況時，根據當前溫度和當前荷電狀態對應的等效電路模型的參數選取交變電流的第一頻率和第一幅值。
[0025]具體地，流經鋰離子電池的電流在活物質表面由兩種電流并聯組成，一種電流是對活物質表面雙電層進行充放電的雙電層電流；另一種電流是進行電化學反應(嵌鋰、脫鋰)的電流，稱為法拉第電流。引起負極表面析鋰的本質原因是法拉第電流使得鋰離子電池負極的電位降低至析鋰電位。如果對鋰離子電池進行直流充放電，雙電層電流迅速衰減，大約數秒鐘后電流的主要部分是法拉第電流，為了避免析鋰，需要對法拉第電流大小進行限制，但是該限制直接構成了對整體電流大小的限制。如果使用交變電流對鋰離子電池進行充放電，那么雙電層電流(即流經Cdl的電流)和法拉第電流(即流經Rrt的電流)的大小可以通過調節頻率來調節。
[0026]更具體 地，下面以正弦交變電流為例說明，基于圖2所示的等效電路模型，對電池施加頻率為ω，幅值為Itl的正弦交流電流i (O=ItlSinco t，流經Rsei'!^的電流IseiUc^與整體瞬態電流i(t)的關系由下述公式(I)、(2)表示:
[0027]
【權利要求】
1.一種電池的低溫預熱與充電方法，其特征在于，包括: 51、獲取電池的等效電路模型； 52、獲取所述電池在多個溫度、多個荷電狀態下對應的多組電化學阻抗譜EIS數據，并根據所述多組電化學阻抗譜EIS數據獲取對應的所述等效電路模型的參數； 53、獲取所述電池的當前溫度和當前荷電狀態，并根據所述當前溫度和所述當前荷電狀態判斷所述電池的工況狀態，其中所述工況狀態包括低溫啟動工況和低溫充電工況； 54、當所述工況狀態為所述低溫啟動工況時，根據所述當前溫度和所述當前荷電狀態對應的所述等效電路模型的參數值選取交變電流的第一頻率和第一幅值；以及 55、根據所述第一頻率和所述第一幅值對所述電池施加所述交變電流以進行預熱，直至所述電池的溫度達到第一預設溫度以使所述電池可以正常使用。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于， 所述交變電流的第一頻率的選取原則是:抑制法拉第電流的大小以避免發生析鋰反應，所述交變電流的每個半波引起電池荷電狀態的變化要小，抑制低頻區域濃度梯度的發展，選擇利用高頻區域歐姆阻抗或中頻區域法拉第阻抗進行內部產熱； 所述交變電流的第一幅值的選取原則是:在所述第一頻率確定的基礎上，使所述電池的過電壓在預設閾值范圍內以及所述交變電流的每個半波引起電池荷電狀態的變化要小的前提下，提高所述交變電流的第一幅值以增大產熱速率。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據所述第一頻率和所述第一幅值對所述電池施加所述交 變電流以進行預熱的過程中，實時監測所述電池的狀態信息，并根據所述狀態信息對所述第一頻率和所述第一幅值進行調整，其中所述狀態信息包括所述電池的溫度、荷電狀態、電壓和健康狀態。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述交變電流為對稱波形交變電流或非對稱波形交變電流，其中，所述非對稱波形交變電流的放電半波幅值大于充電半波幅值。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括: 56、當所述工況狀態為所述低溫充電工況時，根據所述當前溫度和所述當前荷電狀態對應的所述等效電路模型的參數選取交變電流的第二頻率和第二幅值； 57、根據所述第二頻率和所述第二幅值對所述電池施加所述交變電流以進行預熱，直至所述電池的溫度達到第二預設溫度；以及 58、對所述電池進行充電。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述根據所述第二頻率和所述第二幅值對所述電池施加所述交變電流以進行預熱的過程中，實時監測所述電池的狀態信息，并根據所述狀態信息對所述第二頻率和所述第二幅值進行調整，其中所述狀態信息包括所述電池的溫度、荷電狀態、電壓和健康狀態。
7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述對所述電池進行充電包括過渡充電階段和快速充電階段，其中，在所述過渡充電階段，對所述電池施加的所述交變電流為非對稱波形交變電流，其中，所述非對稱波形交變電流的充電半波幅值大于放電半波幅值。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述對所述電池進行充電的過程中，實時監測所述電池的狀態信息，并根據所述狀態信息調整所述交變電流的波形，其中所述狀態信息包括所述電池的溫度、荷電狀態、電壓和健康狀態。
9.根據權利要求5所述的方法，其特征在于， 所述交變電流的第二頻率的選取原則是:抑制法拉第電流的大小以避免發生析鋰反應，所述交變電流的每個半波引起電池荷電狀態的變化要小，抑制低頻區域濃度梯度的發展，選擇利用高頻區域歐姆阻抗或中頻區域法拉第阻抗進行內部產熱； 所述交變電流的第二幅值的選取原則是:在所述第二頻率確定的基礎上，使所述電池的過電壓在預設閾值范圍內以及所述交變電流的每個半波引起電池荷電狀態的變化要小的前提下，提高所述交變電·流的第二幅值以增大產熱速率。
【文檔編號】H01M10/44GK103825060SQ201410071715
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月28日 優先權日:2014年2月28日
【發明者】張劍波, 李哲, 葛昊, 黃 俊 申請人:清華大學