電池的低溫預(yù)熱與充電方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種電池的低溫預(yù)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(gè)溫度、多個(gè)荷電狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的多組電化學(xué)阻抗譜EIS數(shù)據(jù)，并根據(jù)多組電化學(xué)阻抗譜EIS數(shù)據(jù)獲取對(duì)應(yīng)的等效電路模型的參數(shù)；獲取電池的當(dāng)前溫度和當(dāng)前荷電狀態(tài)，并根據(jù)當(dāng)前溫度和當(dāng)前荷電狀態(tài)判斷電池的工況狀態(tài)，工況狀態(tài)包括低溫啟動(dòng)工況和低溫充電工況；當(dāng)工況狀態(tài)為低溫啟動(dòng)工況時(shí)，根據(jù)當(dāng)前溫度和當(dāng)前荷電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的等效電路模型的參數(shù)值選取交變電流的第一頻率和第一幅值；根據(jù)第一頻率和第一幅值對(duì)電池施加交變電流以進(jìn)行預(yù)熱，直至電池的溫度達(dá)到第一預(yù)設(shè)溫度以使電池可以正常使用。本發(fā)明實(shí)施例的方法，避免了析鋰，提高了電池內(nèi)部的產(chǎn)熱速率。
【專利說(shuō)明】電池的低溫預(yù)熱與充電方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電池【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種電池的低溫預(yù)熱與充電方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，與鉛酸電池、鎳氫電池相比，更宜作為純電動(dòng)汽車、插電式電動(dòng)汽車以及混合動(dòng)力汽車的主要驅(qū)動(dòng)電源，也是手機(jī)、筆記本電腦等主要的儲(chǔ)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(yōu)點(diǎn)，是目前鋰離子電池最常用的負(fù)極材料。然而，在低溫下，石墨負(fù)極鋰離子電池內(nèi)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(jìn)行低溫充電，容易導(dǎo)致石墨負(fù)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(xù)生長(zhǎng)，形成枝晶，進(jìn)而刺破隔膜，造成短路，引發(fā)熱失控等具有嚴(yán)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(duì)電池的低溫使用問(wèn)題，相關(guān)技術(shù)的一種做法是在提高動(dòng)力電池系統(tǒng)保溫性的前提下，利用外部加熱的方法對(duì)電池進(jìn)行預(yù)熱，使電池溫度上升到常溫或10°C以上，之后對(duì)電池進(jìn)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(wèn)題，但仍存在用時(shí)較長(zhǎng)、耗能較大、成本較高、加熱不均勻的缺點(diǎn)。
[0004]此外，相關(guān)技術(shù)中的另一種做法是:對(duì)電池進(jìn)行脈沖充放電產(chǎn)熱，升溫后進(jìn)行充電。但是，該種方法未給出脈沖持續(xù)時(shí)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(duì)應(yīng)的歐姆熱、法拉第阻抗對(duì)應(yīng)的活性化熱以及擴(kuò)散阻抗對(duì)應(yīng)的擴(kuò)散熱。其中，歐姆熱由較短時(shí)間的過(guò)程所激發(fā)，活性化熱由稍長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)程所激發(fā)，擴(kuò)散熱由更長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)程所激發(fā)。按照該方法，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了避免法拉第電流過(guò)度發(fā)展引發(fā)析鋰，通常會(huì)采用脈沖持續(xù)時(shí)間很短的電流，即只利用歐姆阻抗產(chǎn)熱，然而由于歐姆阻抗較小，所產(chǎn)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(yù)熱電池，由于脈沖電流包含多種頻率成分，不能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)熱成分、產(chǎn)熱位置的精確選擇，且電池內(nèi)部為瞬態(tài)響應(yīng)，在反復(fù)脈沖作用下，電池內(nèi)部的鋰離子濃度分布變得復(fù)雜，難以準(zhǔn)確估計(jì)電池內(nèi)部的法拉第電流，所以對(duì)預(yù)熱及充電過(guò)程的控制不夠準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問(wèn)題之一。為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種電池的低溫預(yù)熱與充電方法。該方法可避免鋰離子電池析鋰反應(yīng)的發(fā)生并達(dá)到調(diào)整產(chǎn)熱部位與產(chǎn)熱成分的目的，同時(shí)可以提高電池內(nèi)部的產(chǎn)熱速率,從而加快對(duì)電池的預(yù)熱。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例的電池的低溫預(yù)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(gè)溫度、多個(gè)荷電狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的多組電化學(xué)阻抗譜EIS數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述多組電化學(xué)阻抗譜EIS數(shù)據(jù)獲取對(duì)應(yīng)的所述等效電路模型的參數(shù)；獲取所述電池的當(dāng)前溫度和當(dāng)前荷電狀態(tài)，并根據(jù)所述當(dāng)前溫度和所述當(dāng)前荷電狀態(tài)判斷所述電池的工況狀態(tài)，其中所述工況狀態(tài)包括低溫啟動(dòng)工況和低溫充電工況；當(dāng)所述工況狀態(tài)為所述低溫啟動(dòng)工況時(shí)，根據(jù)所述當(dāng)前溫度和所述當(dāng)前荷電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的所述等效電路模型的參數(shù)選取交變電流的第一頻率和第一幅值；以及根據(jù)所述第一頻率和所述第一幅值對(duì)所述電池施加所述交變電流以進(jìn)行預(yù)熱，直至所述電池的溫度達(dá)到第一預(yù)設(shè)溫度以使所述電池可以正常使用。
[0007]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的電池的低溫預(yù)熱與充電方法，通過(guò)調(diào)整交變電流的頻率可以調(diào)節(jié)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(yīng)的發(fā)生并達(dá)到調(diào)整產(chǎn)熱部位與產(chǎn)熱成分的目的，同時(shí)通過(guò)調(diào)整交變電流的幅值，可以提高電池內(nèi)部的產(chǎn)熱速率，從而加快了對(duì)電池的預(yù)熱。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電池的低溫預(yù)熱與充電方法的流程圖；
[0009]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)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(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的鋰離子電池的電化學(xué)阻抗譜的示意圖；
[0011]圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的產(chǎn)熱速率、產(chǎn)熱成分與頻率的關(guān)系示意圖；
[0012]圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電池的低溫預(yù)熱與充電方法的流程圖；
[0013]圖6是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電池處于低溫充電工況時(shí)的預(yù)熱階段、充電階段的電流不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)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(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0015]本發(fā)明提出了一種電池的低溫預(yù)熱與充電方法，下面參考附圖描述本發(fā)明實(shí)施例的電池的低溫預(yù)熱與充電方法。
[0016]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電池的低溫預(yù)熱與充電方法的流程圖。
[0017]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的電池的低溫預(yù)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(guò)石墨負(fù)極材料表面SEI (Solid ElectrolyteInterface,固體電解質(zhì)界面)所受到的阻抗，Cfilni為對(duì)應(yīng)的電容，Ret為電荷轉(zhuǎn)移阻抗，Cdl為雙電層電容，W為擴(kuò)散阻抗(即Warburg阻抗)。
[0020]S102，獲取電池在多個(gè)溫度、多個(gè)荷電狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的多組電化學(xué)阻抗譜EIS數(shù)據(jù)，并根據(jù)多組電化學(xué)阻抗譜EIS數(shù)據(jù)獲取對(duì)應(yīng)的等效電路模型的參數(shù)。
[0021]具體地,首先對(duì)電池樣品進(jìn)行標(biāo)定,測(cè)定電池樣品在不同S0C(State of Charge,荷電狀態(tài))下、不同溫度下(尤其是低溫下)對(duì)應(yīng)的多組EIS (Electrochemical ImpedanceSpectroscopy,電化學(xué)阻抗譜)數(shù)據(jù)，然后基于等效電路模型，對(duì)每組EIS數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到每組EIS數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的等效電路模型的參數(shù)值，即得到每組EIS數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)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(cè)定的電池的電化學(xué)阻抗譜通常會(huì)呈現(xiàn)如圖3所示的形式，電化學(xué)阻抗譜從結(jié)構(gòu)上可以分為:高頻歐姆阻抗，中頻多個(gè)半圓，低頻擴(kuò)散斜線。
[0022]S103，獲取電池的當(dāng)前溫度和當(dāng)前荷電狀態(tài)，并根據(jù)當(dāng)前溫度和當(dāng)前荷電狀態(tài)判斷電池的工況狀態(tài)，其中工況狀態(tài)包括低溫啟動(dòng)工況和低溫充電工況。
[0023]具體地，測(cè)量電池的溫度和S0C，當(dāng)電池溫度較低、SOC較高時(shí)，屬于低溫啟動(dòng)工況；當(dāng)電池溫度較低，SOC較低時(shí)，屬于低溫充電工況。例如，當(dāng)電池的溫度T=-20°C，S0C=80%時(shí)，則可判定為低溫啟動(dòng)工況，當(dāng)電池的溫度T=-20°C，S0C=30%時(shí)，則可以判定為低溫充電工況。
[0024]S104,當(dāng)工況狀態(tài)為低溫啟動(dòng)工況時(shí)，根據(jù)當(dāng)前溫度和當(dāng)前荷電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的等效電路模型的參數(shù)選取交變電流的第一頻率和第一幅值。
[0025]具體地，流經(jīng)鋰離子電池的電流在活物質(zhì)表面由兩種電流并聯(lián)組成，一種電流是對(duì)活物質(zhì)表面雙電層進(jìn)行充放電的雙電層電流；另一種電流是進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)(嵌鋰、脫鋰)的電流，稱為法拉第電流。引起負(fù)極表面析鋰的本質(zhì)原因是法拉第電流使得鋰離子電池負(fù)極的電位降低至析鋰電位。如果對(duì)鋰離子電池進(jìn)行直流充放電，雙電層電流迅速衰減，大約數(shù)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(duì)法拉第電流大小進(jìn)行限制，但是該限制直接構(gòu)成了對(duì)整體電流大小的限制。如果使用交變電流對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充放電，那么雙電層電流(即流經(jīng)Cdl的電流)和法拉第電流(即流經(jīng)Rrt的電流)的大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)頻率來(lái)調(diào)節(jié)。
[0026]更具體 地，下面以正弦交變電流為例說(shuō)明，基于圖2所示的等效電路模型，對(duì)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(jīng)Rsei'!^的電流IseiUc^與整體瞬態(tài)電流i(t)的關(guān)系由下述公式(I)、(2)表示:
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種電池的低溫預(yù)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(gè)溫度、多個(gè)荷電狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的多組電化學(xué)阻抗譜EIS數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述多組電化學(xué)阻抗譜EIS數(shù)據(jù)獲取對(duì)應(yīng)的所述等效電路模型的參數(shù)； 53、獲取所述電池的當(dāng)前溫度和當(dāng)前荷電狀態(tài)，并根據(jù)所述當(dāng)前溫度和所述當(dāng)前荷電狀態(tài)判斷所述電池的工況狀態(tài)，其中所述工況狀態(tài)包括低溫啟動(dòng)工況和低溫充電工況； 54、當(dāng)所述工況狀態(tài)為所述低溫啟動(dòng)工況時(shí)，根據(jù)所述當(dāng)前溫度和所述當(dāng)前荷電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的所述等效電路模型的參數(shù)值選取交變電流的第一頻率和第一幅值；以及 55、根據(jù)所述第一頻率和所述第一幅值對(duì)所述電池施加所述交變電流以進(jìn)行預(yù)熱，直至所述電池的溫度達(dá)到第一預(yù)設(shè)溫度以使所述電池可以正常使用。
2.根據(jù)權(quán)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(fā)生析鋰反應(yīng)，所述交變電流的每個(gè)半波引起電池荷電狀態(tài)的變化要小，抑制低頻區(qū)域濃度梯度的發(fā)展，選擇利用高頻區(qū)域歐姆阻抗或中頻區(qū)域法拉第阻抗進(jìn)行內(nèi)部產(chǎn)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(chǔ)上，使所述電池的過(guò)電壓在預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)以及所述交變電流的每個(gè)半波引起電池荷電狀態(tài)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(chǎn)熱速率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述第一頻率和所述第一幅值對(duì)所述電池施加所述交 變電流以進(jìn)行預(yù)熱的過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述電池的狀態(tài)信息，并根據(jù)所述狀態(tài)信息對(duì)所述第一頻率和所述第一幅值進(jìn)行調(diào)整，其中所述狀態(tài)信息包括所述電池的溫度、荷電狀態(tài)、電壓和健康狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述交變電流為對(duì)稱波形交變電流或非對(duì)稱波形交變電流，其中，所述非對(duì)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(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括: 56、當(dāng)所述工況狀態(tài)為所述低溫充電工況時(shí)，根據(jù)所述當(dāng)前溫度和所述當(dāng)前荷電狀態(tài)對(duì)應(yīng)的所述等效電路模型的參數(shù)選取交變電流的第二頻率和第二幅值； 57、根據(jù)所述第二頻率和所述第二幅值對(duì)所述電池施加所述交變電流以進(jìn)行預(yù)熱，直至所述電池的溫度達(dá)到第二預(yù)設(shè)溫度；以及 58、對(duì)所述電池進(jìn)行充電。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述第二頻率和所述第二幅值對(duì)所述電池施加所述交變電流以進(jìn)行預(yù)熱的過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述電池的狀態(tài)信息，并根據(jù)所述狀態(tài)信息對(duì)所述第二頻率和所述第二幅值進(jìn)行調(diào)整，其中所述狀態(tài)信息包括所述電池的溫度、荷電狀態(tài)、電壓和健康狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述對(duì)所述電池進(jìn)行充電包括過(guò)渡充電階段和快速充電階段，其中，在所述過(guò)渡充電階段，對(duì)所述電池施加的所述交變電流為非對(duì)稱波形交變電流，其中，所述非對(duì)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(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述對(duì)所述電池進(jìn)行充電的過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述電池的狀態(tài)信息，并根據(jù)所述狀態(tài)信息調(diào)整所述交變電流的波形，其中所述狀態(tài)信息包括所述電池的溫度、荷電狀態(tài)、電壓和健康狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)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(fā)生析鋰反應(yīng)，所述交變電流的每個(gè)半波引起電池荷電狀態(tài)的變化要小，抑制低頻區(qū)域濃度梯度的發(fā)展，選擇利用高頻區(qū)域歐姆阻抗或中頻區(qū)域法拉第阻抗進(jìn)行內(nèi)部產(chǎn)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(chǔ)上，使所述電池的過(guò)電壓在預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)以及所述交變電流的每個(gè)半波引起電池荷電狀態(tài)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(chǎn)熱速率。
【文檔編號(hào)】H01M10/44GK103825060SQ201410071715
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】張劍波, 李哲, 葛昊, 黃 俊 申請(qǐng)人:清華大學(xué)