[发明专利]一种锂离子电池的低温快速自加热方法

说明书

技术领域

本发明涉及电池自加热技术领域，具体说是一种锂离子电池的低温快速自加热方法。尤指对锂离子电池寿命无影响的锂离子电池的低温快速自加热方法。

背景技术

能源紧缺和环境污染的双重压力助推了电动汽车的快速发展，锂离子电池以单体电压高、能量密度高、寿命长、无记忆效应、无污染等优点，成为电动汽车动力驱动的首选电池。

然而，低温下锂离子电池由于电解质、导电材料的导电率明显下降，化学反应动力学、扩散动力学明显迟滞缓慢，相比于室温内阻成十倍地增大，因此，寒冷环境中，锂离子电池能量转换效率严重下降，电动汽车的续驶里程和脉冲输出功率大幅下降。

在低温下，对锂离子电池充电非常困难，更严重的是，由于副反应导致负极形成锂金属沉积(析锂)而不是锂离子嵌入负极。析锂会加速电池衰退，锂金属还有可能刺破隔膜引起锂离子电池内部短路造成安全危害，如热失控。

由于低温下锂离子电池性能下降，严重损害了电动汽车的动力性能、续驶里程和使用寿命，影响了用户使用电动汽车时的便利性、经济性和安全性，极大地限制了电动汽车在寒冷环境的推广使用。

现有的锂离子电池低温加热技术，根据热量的产生位置、加热方法，可分为内部加热和外部加热两种。

外部加热锂离子电池的方法有：PTC(Positive Temperature Coefficient，正温度系数)热敏电阻加热、热风机加热、液体加热等，一般先控制加热器，将加热器周围温度升高，然后经过接触传导、空气对流或液体传热等途径加热锂离子电池。然而，这需要较大的空间和较高的成本，另外，外部加热在锂离子电池包中易形成温度梯度，导致电池组内温度分布不一致，会使某过热点加速老化，而且大多数能量被耗散了，能量利用效率极低。

内部加热锂离子电池的方法有：交流电流内部加热、直流电流内部加热等，由于施加的直流电流的时间长度和幅度的限制，直流电流内部加热锂离子电池会限制产热速率和加热效率，相反地，交流电流内部加热锂离子电池可基本保持电池的荷电状态SOC不变，而且电流幅值可以选得更大，以提高产热速率和加热效率。

交流工况下，施加的电流幅值越大，锂离子电池温度升高得越快。然而，当电流幅值达到某个值后，锂离子电池的端电压会超出安全电压阈值，导致过充或过放，这将会加速电池衰退。另外，正弦交流加热对锂离子电池损伤较少，很有可能在将来广泛应用。但是直到现在，产热功率与正弦交流频率的量化关系仍然是不清楚的，也没有可取的方法来选取最优的加热频率。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种锂离子电池的低温快速自加热方法，改善现有技术中外部加热锂离子电池的方法效率低、对电池使用寿命影响大、产热速率低和电池温度分布不均匀等问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种锂离子电池的低温快速自加热方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、确定对锂离子电池寿命无影响和安全使用的极化电压幅值范围，并根据此范围选取正弦交流电压幅值；

S2、在已选定的正弦交流电压幅值下，根据电池阻抗与频率的关系，计算产热功率与频率的关系并得到产热功率最大的频率点，即最佳产热频率点；

S3、根据步骤S1确定的幅值和步骤S2确定的频率，利用正弦交流信号对电池进行无寿命损耗加热。

在上述技术方案的基础上，步骤S3中，采用恒压式正弦交流信号对电池进行无寿命损耗加热，所述恒压指恒极化电压。

在上述技术方案的基础上，自加热过程中，随着温度的升高，电池内阻逐渐减小，在恒极化电压控制下，正弦交流电流的幅值逐渐增大，以免产热率下降。

在上述技术方案的基础上，步骤S1的具体步骤为：

S11、根据锂离子电池产品规格书，确定电池电压的安全使用范围；

S12、依据电力电子设备的电压控制精度，在加热设备输出电压误差范围内保证电池电压在安全范围内，从而确定对锂离子电池寿命无影响和安全使用的极化电压幅值范围。

在上述技术方案的基础上，步骤S1中，优选根据确定的极化电压范围和电池OCV来选取正弦交流电压幅值。

在上述技术方案的基础上，步骤S2中所述计算产热功率与频率的关系并得到产热功率最大的频率点的具体步骤为：

S21、在正弦交流工况下，电池可逆热基本为0故忽略，电池中的产热项为不可逆产热；

S22、利用公式计算电池产热功率，其中Q为电池的产热功率，ΔV为极化电压幅值，R_e为阻抗实部，Z为电池总阻抗，I为正弦电流幅值；