[0001] 本发明涉及锂离子电池低温充电领域，具体涉及一种低温环境下的锂离子电池快速加热方法。

[0002] 随着温度的降低，电解液的锂离子电导率下降，活性材料中锂离子扩散速率下降，电极电解液界面的电荷转移反应活性降低，会导致电池充电性能的下降。部分测试表明，动力电池在‑15℃环境下的恒流放电，可放电容量降低了23％；在‑30℃环境下恒流恒压充电，恒流段充电容量仅占电池容量的14％，充电时间大幅增加。此外，电池在低温环境下充电还面临着严重的衰减和安全问题。低温充电时活化阻抗增加导致了负极表面电位的降低，析锂副反应更容易发生。析出的金属锂一般以苔藓状或枝晶状存在，容易与电解液发生反应消耗电池内的活性锂，或者生长刺破隔膜形成内短路，造成电池耐久性和安全性的恶化。因此，在低温环境下，亟需对电池系统进行热管理。

[0003] 现有技术中，电池系统的低温加热主要基于加热电阻丝或冷却介质实现，加热器件的热量以热传导或热对流的方式传递给电池，实现了电池低温环境下的温度上升。然而，受系统成本、体积的限制，加热器件的功率一般低于10kW，受限于热传导带来的温度梯度，电池的温升速率难以突破1～2℃/min。现有车载加热技术的电池温升速率无法匹配低温快速充电的时效要求，车载电池系统的实用化快速、均匀加热技术尚且处于空白状态，成为电池系统低温管理的主要难点。因而，为实现电池低温加热速度提升，亟需开发电池系统低温快速加热方法，实现低温环境下电池的安全快速加热。

[0004] 根据现有研究发现脉冲加热方法在减少电池极化、延长电池寿命、减少电池析锂等方面存在潜在的优势，该方法可能应用于全温度大功率快速充电领域。其次，脉冲充电的波形、频率等存在极大的多样性。在脉冲波的性质方面，分为恒压、恒流脉冲两种；在有无放电过程方面，可分为有负脉冲和无负脉冲两类。但是，目前的脉冲加热过程电池升温难以控制，电池的发热过程无法跟踪，脉冲加热参数的设置缺乏科学计算依据。

[0005] 综上所述，亟需提出一种低温环境下的锂离子电池快速脉冲加热方法。

[0051] 下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

[0052] 如图1所示，一种低温环境下的锂离子电池快速加热方法，包括以下步骤：

[0053] S1：根据电池的目标SOC确定脉冲加热过程的正脉冲参数和负脉冲参数，且满足：IP×TP＝‑IN×TN，IP为正脉冲幅值，TP为正脉冲持续期，IN为负脉冲幅值，TN为正脉冲持续期；

[0054] S2：设置电池充电过程中脉冲加热的充放电脉冲幅值比例K， k1为电池充电过程的脉冲电流幅值，k2为电池放电过程的脉冲电流幅值，以及电池充电的环境温度；本实施例中，脉冲幅值选取为：充电脉冲k1/放电脉冲k2＝200A/200A＝1:1，保持不变；电池SOC为80％，环境温度为0℃，不同脉冲周期下的温升曲线如图3所示。

[0055] 在高倍率脉冲作用下，电池的自产热温升速率与脉冲周期T的变化规律同样是随着周期增加温升随之增加，在600s时，0.1s和0.8s相差4.1℃，总温升分别为34.5℃和38.6℃。通过以上分析，可得到大倍率下温升速率更快的初步结果。

[0056] S3：搭建以二阶RC模型为基础的热电耦合模型，基于参数辨识确定二阶RC模型的相关参数；包括理想电压UOCV、欧姆内阻Rohm、极化内阻Rc和Rd、与两个极化电阻相并联的电容Cc和Cd；

[0057] 步骤S3具体包括：

[0058] S31：基于搭建的二阶RC模型的两阶极化电阻Rc和Rd、电容Cc和Cd计算极化电阻两端的瞬态电压Uc和Ud。

[0059] 二阶RC模型作为锂离子电池脉冲加热的仿真模型，实验过程中电流数据从实验平台中获取，实验平台中的电流数据是离散的，且有采样步长和仿真步长，因此，模型两个极化电阻Rc和Rd上的瞬态电压Uc和Ud为：

[0060]

[0061] 其中，τc与τd分别为极化电阻两端对应的时间常数，Δt为脉冲时间步长，e为自然常数，t为脉冲充电时间，I(t)测得的电流数据。

[0062] S32：计算时间常数τc与τd；

[0063] τc＝RcCc，τd＝RdCd；

[0064] S33：建立锂电池的端电压计算模型：

[0065] Ut estimated(t+Δt)＝UOCV(t+Δt)+Uc(t+Δt)+Ud(t+Δt)+RohmI(t+Δt)；

[0066] S34：将电流数据I(t)输入端电压Ut计算模型中，得到于二阶RC模型的估计电压Ut estimated。使用遗传算法对模型进行参数识别，其中自适应函数是估计电压与实验测量电压之间差异的均方根值。在识别过程中，估计电压是通过每个时间点处的实验电流数据以一定的采样间隔进行计算得到的。因此，最终遗传算法的自适应函数为：

[0067]

[0068] 其中，T为充电总时间；

[0069] S35：上述计算过程是基于仿真步长的离散迭代过程，最终遗传算法的适应函数所选取的方均根值的表达式为；

[0070]

[0071] 其中，ti为脉冲加热过程中电流数据的采样时间，n为采样总次数，i为采样次数的编号；

[0072] S36：根据步骤S31‑S35展开参数辨识，得到二阶RC模型的相关参数[0073] S4：确定二阶RC模型的相关参数后搭建热电耦合模型的热模型，得到锂电池的温度随时间变化的关系模型；步骤S4具体包括：

[0074] S41：确定的二阶RC模型相关参数后，搭建热电耦合模型的热模型；

[0075]

[0076] 其中， 为锂电池的脉冲加热过程的产热功率，I′为流过锂电池的电流，锂电池放电时I′取正、锂电池充电时I′取负，Tabs为锂电池的绝对温度，T为锂电池的温度，Ut为锂电池的端电压；

[0077] S42：建立锂电池产热过程的基本能量关系；

[0078]

[0079] 其中，Q n为锂电池的传热功率，m为锂电池的质量，c为锂电池的比热容；

[0080] S43：计算锂电池的传热功率

[0081]

[0082] 其中，h为对流换热系数，S为锂电池的表面积，Tamb为环境温度，Tbat为当前锂电池的温度；

[0083] S44：将传热功率 代入基本能量关系中，最终得到锂电池的温度随时间变化的关系模型；

[0084]

[0085] S5：根据锂电池的热电耦合模型对锂离子电池脉冲加热的过程进行分析，构建针对不同脉冲参数的脉冲加热方案。

[0086] 本实施例采用上述锂电池低温脉冲加热的方案进行脉冲周期为1.6s、脉冲电流幅值为4C的脉冲加热实验，试验温箱环境设定为‑10℃，实际达到‑8.33℃。考虑到在低温环境下4C的电流作用锂电池电压可能过多地超出电池常规充放电的截止电压，因此对每一次脉冲都设定了截止电压，设为4.3V的上限截止电压与2.7V的下限截止电压。实验得到的电压数据显示，在脉冲加热的前30s左右，电池在充电脉冲作用下都达到上限截止电压，然后停止，跳转至负脉冲。针对上述实验结果进行仿真估计，具体的电压估计结果如图4所示。估计电压与实验电压的误差小于50mV，仿真结果较为精确。因此基于二阶RC电路模型的热电耦合模型可以很好地估计脉冲加热过程的电压响应。电池的温度估计如图5所示，误差不超过1.2℃，温度估计也较为准确。

[0087] 本发明基于低温下电池内阻迅速上升的原理，利用低温下电池巨大内阻产热，给锂离子电池的低温加热提供了新的思路。在低温情况下利用脉冲电流产生大量热，将电池迅速升温，推出了全新的电池低温加热方案。

[0088] 本发明通过搭建基于二阶RC电路的热电耦合模型，尝试对脉冲加热的电压响应、温升效果进行定量的分析与研究，以构建针对不同脉冲参数的脉冲加热方案。

[0089] 本发明的锂离子电池快速加热分析方法，使脉冲加热的温升速率和脉冲参数的关系可以通过热电耦合模型予以定量分析，为脉冲加热在实际应用中的加热效果的制定提供了便捷、全面的分析方法。