一種鋰離子電池的低溫快速自加熱方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及電池自加熱技術領域，具體說是一種鋰離子電池的低溫快速自加熱方 法。尤指對鋰離子電池壽命無影響的鋰離子電池的低溫快速自加熱方法。
【背景技術】
[0002] 能源緊缺和環境污染的雙重壓力助推了電動汽車的快速發展，鋰離子電池以單體 電壓高、能量密度高、壽命長、無記憶效應、無污染等優點，成為電動汽車動力驅動的首選電 池。
[0003] 然而，低溫下鋰離子電池由于電解質、導電材料的導電率明顯下降，化學反應動力 學、擴散動力學明顯遲滯緩慢，相比于室溫內阻成十倍地增大，因此，寒冷環境中，鋰離子電 池能量轉換效率嚴重下降，電動汽車的續駛里程和脈沖輸出功率大幅下降。
[0004] 在低溫下，對鋰離子電池充電非常困難，更嚴重的是，由于副反應導致負極形成鋰 金屬沉積(析鋰)而不是鋰離子嵌入負極。析鋰會加速電池衰退，鋰金屬還有可能刺破隔膜 引起鋰離子電池內部短路造成安全危害，如熱失控。
[0005] 由于低溫下鋰離子電池性能下降，嚴重損害了電動汽車的動力性能、續駛里程和 使用壽命，影響了用戶使用電動汽車時的便利性、經濟性和安全性，極大地限制了電動汽車 在寒冷環境的推廣使用。
[0006] 現有的鋰離子電池低溫加熱技術，根據熱量的產生位置、加熱方法，可分為內部加 熱和外部加熱兩種。
[0007] 外部加熱鋰離子電池的方法有：PTC(Positive Temperature Coefficient，正溫 度系數)熱敏電阻加熱、熱風機加熱、液體加熱等，一般先控制加熱器，將加熱器周圍溫度升 高，然后經過接觸傳導、空氣對流或液體傳熱等途徑加熱鋰離子電池。然而，這需要較大的 空間和較高的成本，另外，外部加熱在鋰離子電池包中易形成溫度梯度，導致電池組內溫度 分布不一致，會使某過熱點加速老化，而且大多數能量被耗散了，能量利用效率極低。
[0008] 內部加熱鋰離子電池的方法有:交流電流內部加熱、直流電流內部加熱等，由于施 加的直流電流的時間長度和幅度的限制，直流電流內部加熱鋰離子電池會限制產熱速率和 加熱效率，相反地，交流電流內部加熱鋰離子電池可基本保持電池的荷電狀態SOC不變，而 且電流幅值可以選得更大，以提高產熱速率和加熱效率。
[0009] 交流工況下，施加的電流幅值越大，鋰離子電池溫度升高得越快。然而，當電流幅 值達到某個值后，鋰離子電池的端電壓會超出安全電壓閾值，導致過充或過放，這將會加速 電池衰退。另外，正弦交流加熱對鋰離子電池損傷較少，很有可能在將來廣泛應用。但是直 到現在，產熱功率與正弦交流頻率的量化關系仍然是不清楚的，也沒有可取的方法來選取 最優的加熱頻率。
【發明內容】
[0010] 針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種鋰離子電池的低溫快速 自加熱方法，改善現有技術中外部加熱鋰離子電池的方法效率低、對電池使用壽命影響大、 產熱速率低和電池溫度分布不均勻等問題。
[0011]為達到以上目的，本發明采取的技術方案是：
[0012] -種鋰離子電池的低溫快速自加熱方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0013] S1、確定對鋰離子電池壽命無影響和安全使用的極化電壓幅值范圍，并根據此范 圍選取正弦交流電壓幅值；
[0014] S2、在已選定的正弦交流電壓幅值下，根據電池阻抗與頻率的關系，計算產熱功率 與頻率的關系并得到產熱功率最大的頻率點，即最佳產熱頻率點；
[0015] S3、根據步驟Sl確定的幅值和步驟S2確定的頻率，利用正弦交流信號對電池進行 無壽命損耗加熱。
[0016] 在上述技術方案的基礎上，步驟S3中，采用恒壓式正弦交流信號對電池進行無壽 命損耗加熱，所述恒壓指恒極化電壓。
[0017] 在上述技術方案的基礎上，自加熱過程中，隨著溫度的升高，電池內阻逐漸減小， 在恒極化電壓控制下，正弦交流電流的幅值逐漸增大，以免產熱率下降。
[0018] 在上述技術方案的基礎上，步驟Sl的具體步驟為：
[0019] S11、根據鋰離子電池產品規格書，確定電池電壓的安全使用范圍；
[0020] S12、依據電力電子設備的電壓控制精度，在加熱設備輸出電壓誤差范圍內保證電 池電壓在安全范圍內，從而確定對鋰離子電池壽命無影響和安全使用的極化電壓幅值范 圍。
[0021] 在上述技術方案的基礎上，步驟Sl中，優選根據確定的極化電壓范圍和電池 OCV來 選取正弦交流電壓幅值。
[0022] 在上述技術方案的基礎上，步驟S2中所述計算產熱功率與頻率的關系并得到產熱 功率最大的頻率點的具體步驟為：
[0023] S21、在正弦交流工況下，電池可逆熱基本為0故忽略，電池中的產熱項為不可逆產 執. JtW ，
[0024] S22、利用公￥
計算電池產熱功率，其中Q為電池 的產熱功率，AV為極化電壓幅值，Re為阻抗實部，Z為電池總阻抗，I為正弦電流幅值；
[0025] S23、在極化電壓一定的情況下，即極化電壓幅值Δ V恒定時，電池產熱功率Q與Re3/ Z 12成正比；
[0026] S24、由電化學阻抗譜可知，電池阻抗在不同的頻率下是不同的，即Re = f(w)，Z = g (w)，w為角頻率，則不同頻率下電池的產熱功率是不一樣的，即
；
[0027] S25、將Q對w求導，求 可得到產熱功率最大的頻率點w〇。 ，
[0028] 在上述技術方案的基礎上，所述鋰離子電池是錳酸鋰動力電池、磷酸鐵鋰動力電 池或三元材料動力電池。
[0029] 本發明所述的鋰離子電池的低溫快速自加熱方法，具有以下有益效果：
[0030] 1、具有自加熱速率快、低溫性能改善明顯、對鋰離子電池使用壽命無影響和加熱 溫度均勻性好等效果；
[0031] 2、選擇最佳產熱頻率，產熱速率最快，自加熱時間明顯縮短；
[0032] 3、選擇并設置適當的恒定極化電壓后，最快可以在5分鐘內將鋰離子電池從_15°C 自加熱到5°C以上；
[0033] 4、自加熱后鋰離子電池的內阻大幅減小，充放電性能大幅提升高；
[0034] 5、該方法以影響鋰離子電池使用壽命的極化電壓作為限制條件，選擇最佳產熱頻 率，從而在快速地加熱鋰離子電池的基礎上，實現最大限度地減少對鋰離子電池使用壽命 影響的目標；
[0035] 6、該加熱方法從鋰離子電池內部自加熱，鋰離子電池內部溫度均勻性好。
【附圖說明】
[0036]本發明有如下附圖：
[0037] 圖1是鋰離子電池在不同溫度下的電化學阻抗譜圖；
[0038] 圖2是鋰離子電池在_15°C時產熱功率隨頻率變化的曲線圖；
[0039] 圖3是鋰離子電池一階戴維寧等效電路模型；
[0040] 圖4是鋰離子電池自加熱過程中的施加電流信號和電壓信號的曲線圖；
[0041] 圖5是自加熱過程中鋰離子電池的溫度變化曲線圖；
[0042] 圖6是自加熱過程中鋰離子電池不同位置的溫度變化曲線圖；
[0043]圖7是20次重復自加熱后與新電池的ICA曲線圖；
[0044] 圖8是本發明實施自加熱方法的示意圖。
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