基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法及系统

1.本发明属于电池技术领域，涉及基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法及系统。


背景技术：

2.锂离子电池作为能量密度较高的清洁能源的载体，目前已经被广泛应用于新能源汽车领域。锂离子电池在常温下，相比传统电池具有更为优异的功率和寿命特性，但是在低温环境下仍然会出现明显的可用能量损失，做功能力下降的问题。如果在低温区强行使用电池，可能会在锂离子电池内产生大量的析出锂，造成可用能量的不可逆的下降，当锂枝晶生长到一定程度便会刺破隔膜造成电池内短路，引发热失控等事故。因此，为了实现锂离子电池低温环境下的正常无老化的使用，目前通常使用的方法是将电池在低温先进行加热，然后待电池进入适宜的温度区间后再正常使用。
3.目前，针对锂离子电池已经开发了一些可行的低温加热方案，例如低温高频加热。但是在实际应用中，仍然存在以下问题：1)在算法层，缺少适配低温高频工况的电池模型，这导致在硬件端执行加热策略时难以获取准确的温度信息；2)在算法层，与低温高频工况不适配的电池模型无法给出合理的低温加热电流边界；3)在硬件层，缺少实时获取电池内部温度的手段，最终会导致加热控制过程会出现误差。
4.因此，本发明将针对上述应用问题，分别在算法层和硬件层开发一种内置低温加热策略与全局温度监测方法的电池系统低温高频加热规范与装置，实现电池低温状态下的健康高效的加热过程。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法及系统。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法，该方法包括以下步骤：
8.s1：制定电池加热流程；
9.s2：执行电池加热流程；
10.所述s1包括以下步骤：
11.s101：建立电池的二阶rq模型，构建电池模型参数基础；
12.电池的二阶rq模型包括电池的欧姆内阻，sei膜的极化内阻，sei膜的极化电容，电荷转移的极化内阻以及电荷转移的极化电容，通过电化学阻抗谱进行测试；
13.s102：计算电池在不同温度，不同soc以及不同电流频率下的加热电流边界；
14.电池的加热电流边界一般包括了根据析锂判据确定的加热电流边界，以及根据电压限制确定的电流边界；其中，析锂边界的形式，需要根据本发明中的二阶rq模型匹配相应的具体形式；
15.s103：构建电池在不同温度，不同soc以及不同脉冲电流特性参数下的产热计算方法；
16.利用建立的二阶rq模型，给出电池总阻抗的实部的表达式，计算在正弦脉冲交流电的情况下，电池的有效产热率；
17.s104：基于电池的加热边界，电池的产热以及集总参数的热模型，获取电池的温升曲线以及总加热时间；
18.计算加热时间为：首先选定电池的初始条件，包括初始的soc以及初始的温度，接着将初始条件和电池在t＝0时刻的产热带入集总参数模型中，计算电池t＝1时刻的温度，以此类推，在计算过程中不断地通过加热电流边界和计算获得的温度更新加热电流参数，得到电池在确定的初始条件下的总加热时间；
19.s105：根据初始不同条件下的加热时间，形成加热时间图谱；
20.所述s101中，二阶rq模型表述为：
[0021][0022]uocv
表示电池的开路电压，l表示电池的感抗，i表示电流，t表示时间，u
t
表示电池的端电压，ro表示电池的欧姆内阻；u
ct
指的是加载在极化电阻两端的电压，r
ct
以及c
ct
则表示电荷转移内阻以及电荷转移电容，c
sei,fom
表示与sei膜相关的常相位原件系数，n
sei,fom
表示与sei膜相关的常相位原件阶数，c
dl,fom
表示与双电层电荷转移相关的常相位原件系数，n
dl,fom
表示与双电层电荷转移相关的常相位原件阶数；
[0023]
所述s2包括以下步骤：
[0024]
s201：根据电池输入的电流和电压计算电池的加热过程中的总阻值；
[0025]
s202：根据电池输入的电流和电压计算电池的加热过程中的soc值；
[0026]
s203：建立电池的热网络结构，在加热过程中结合s201中辨识的内阻以及当前时刻的电流参数，计算电池的内部温度；
[0027]
s204：根据电池的温度计算结果以及s102中的电流边界，实时修正加热电流参数。
[0028]
可选的，所述s102中，在不同温度，不同soc以及不同电流频率下的加热电流边界通过以下步骤获取：
[0029]
s1021：建立电池的通用的析锂抑制条件；
[0030][0031]
其中，表示析锂反应电位，φ
neg
表示负极电位；析锂反应的平衡电位在电池系统内默认为0v，析锂抑制条件为：
[0032]
φ
neg
≥0v
[0033]
s1022：更新在二阶rq模型下建立新的析锂抑制条件的描述
[0034]
负极电位在二阶rq模型中表示为负极平衡电位和电荷转移极化分压的差值，那么析锂抑制条件则表示为：
[0035]vct
≤ocp
neg
[0036]
s1023：修正高频脉冲下的阻抗表达；
[0037]
对于sei膜相关的rq回路有：
[0038][0039]
对于电荷转移相关的rq回路有：
[0040][0041]
对于二阶rq电路模型，其总阻抗表示为
[0042]
z2＝ro+z
re,ct
+z
re,sei
+j(z
im,ct
+z
im,sei
+2πfl)
[0043]
s1024：基于s1022以及s1023的结果，给出基于析锂抑制条件的加热电流边界；
[0044]vct
转化成电流和阻抗的模的表达式：
[0045]iac
|z
ct
|≤ocp
neg
[0046]
s1025：不同温度、不同soc以及不同电流频率下的加热电流边界为：
[0047][0048]
在任意时刻额最大电流幅值上限为：
[0049][0050]
可选的，所述s103中，构建电池在不同温度、不同soc以及不同脉冲电流特性参数下的产热计算方法为：
[0051]
s1031：建立电池实部阻抗的表达：
[0052][0053]
s1032：考虑交流脉冲的有效电流，建立电池的总产热：
[0054][0055]
可选的，所述s104中，基于电池的加热边界，电池的产热以及集总参数的热模型，获取电池的温升曲线以及总加热时间的方法如下：
[0056]
将电池处理为集总参数的热模型，使用两个温度节点代表电池的温度，则有
[0057][0058][0059]
t
in
表示电池本体的集总温度参数，t
surf
表示电池表面温度节点的温度，ta表示环境温度，r
in-surf
为表征电池的两个节点之间的热阻，r
surf-a
表示电池表面与环境之间的热阻；m1为核心节点代表的质量，m2为表面节点代表的质量；
[0060]
在给定初始条件后，进行计算电池的温升；
[0061]
所述s105中，根据初始不同条件下的加热时间，形成加热时间图谱。
[0062]
可选的，所述s201的具体步骤为：
[0063]
在建立的电池的二阶rq模型模型的基础上，推导电池的系统矩阵与待辨识参数矩阵；
[0064]
其中，电池的表观的输入输出的关系如下：
[0065]
uk＝b1u
k-1
+b2u
k-2
+b3ik+b4i
k-1
+b5i
k-1
[0066]
其中，uk为系统在k时刻的输出值，即电压；ik为系统在k时刻的输入值，即电流；b表示的输入输出之间的系数；
[0067]
令
[0068]
φ(k)＝[u
k-1uk-2
iki
k-1ik-2
]
[0069]
θ(k)＝[b1b2b3b4b5]
t
[0070]
待测参数的计算方法为：
[0071][0072]
其中，p(k)为φ(k)的协方差，v
t
(k)为k时刻的测试的端电压；另外p(k)通过设定初始值，使用下式迭代获得：
[0073][0074]
式中，λ为遗忘因子，取0.9998；最终在每一时刻实时辨识出的θ(k)与二阶rq的参数之间的关系为：
[0075][0076]
二阶rq模型中两个分数阶电路原件回路的阶数是通过实验测试获取的。
[0077]
可选的，所述s202的具体步骤为：
[0078]
在二阶rq模型中，电池的极化电压的时域递推形式为：
[0079][0080]
电池的系统方程与观测方程分别为：
[0081][0082][0083]
其中：
[0084][0085][0086]
在完成二阶rq模型下soc估计的参数矩阵的具体形式的建立后，采用kalman滤波的方法实现soc的估计。
[0087]
可选的，s203的具体步骤为：
[0088]
s2031：建立电池热网络基本的热交换单元，该热交换单元的表示为：
[0089][0090]
其中
[0091]
f(a)|a＝1-c(k(a
x1
)|a+k(a
x2
)|a+k(a
y1
)|a+k(a
y2
)|a+k(a
z1
)|a+k(a
z2
)|a)
[0092]
f(a
x1
)|a＝c
·
k(a
x1
)|a[0093]
f(a
x2
)|a＝v
·
k(a
x2
)|a[0094]
f(a
y1
)|a＝c
·
k(a
y1
)|a[0095]
f(a
y2
)|a＝c
·
k(a
y2
)|a[0096]
f(a
z1
)|a＝c
·
k(a
z1
)|a[0097]
f(a
z2
)|a＝c
·
k(a
z2
)|a[0098]
上式代表电池热网络节点与其相邻节点之间的传热关系，其中k(
·
)表示的是在相应方向的对应传热形式的传热系数，是热传导对应的热导率或热对流对应的对流换热系数；a
x1
方向的k(
·
)的具体形式表示为：
[0099][0100][0101]
式中k
x
表示传热单元中点a与点a
x1
之间的对应的热导率，x1表示点a与点a
x1
之间的间距，x2表示点a与点a
x2
之间的间距，h表示的是点a与点a
x1
之间的对应的对流换热系数；点a
与其余点之间的换热关系及其参数意义以此类推；
[0102]
s2032；建立电池的热网络整体结构，其表达式为：
[0103][0104]
其中，t
a，t+1
是t+1时刻的电池温度网络，t
a，t
是t时刻的电池温度网络，指的是电池外侧沿x1方向与电池有热量交换的温度点集，到的定义是相同；t
a，t
和的表达式如下：
[0105][0106][0107]
结合节点热交换矩阵的定义，电池多节点的热网络整体的热交换矩阵为:
[0108][0109][0110]
电池的产热q
a,t
根据产热式进行计算；
[0111]
s2033；利建立模组中电池间联结部件的热网络，并与电池相邻的电池单体的热网络利用s2032中的方式联结，形成电池模组整体的热网络；
[0112]
s2034；带入在线辨识的阻抗与输入的电流，初始温度计算电池在加热过程中的温度变化。
[0113]
基于所述方法的电池加热系统，该系统包括：
[0114]
输入装置801，用于接收来自传感器的电池模组的电流和电压信号，以及来自热电偶的电池表面温度信号，并通过总线，将数据传递至存储装置中；
[0115]
存储装置802，用于暂存电池模组的输入参数，在处理器需要计算时，从堆栈底部将数据压入处理器对应分区；
[0116]
处理器803，用于计算电池模组当前的电-热状态参数，给出合理的加热策略，并生成控制信号；
[0117]
输出装置804，将处理中生成的加热电流的控制信号传输至外侧硬件，控制加热电流的变化。
[0118]
可选的，所述处理器803包括：
[0119]
热网络节点传热矩阵储存分区8031，存储电池热网络基本的热交换单元的矩阵；
[0120]
单体热网络构成分区8032，建立电池模组中某个单体的热网络；
[0121]
电池间节点热网络构成分区8033，建立模组中电池间联结部分的热网络；
[0122]
加热策略与加热电流边界存储分区8034，存储离线设计和测试的加热策略与不同条件下的加热电流边界；
[0123]
模组温度分布计算与加热电流动态计算分区8035，计算电池模组内的动态温度场并给出当前合理的加热电流参数。
[0124]
可选的，所述处理器803用于调用程序指令执行如下操作：
[0125]
将在存储器中存储的由电池模组内的传感器系统实时获取的电池模组电流，电压以及表面温度导入处理器模块；在处理器内部自适应的生成电池模组的热网络；实时计算电池模组的阻抗以及温度分布，并输出电池当前时刻最适的加热策略。
[0126]
本发明的有益效果在于：
[0127]
(1)电池系统的模型可以实现随物理侧结构的自适应变化，无需对所有具体的电池系统独立重复建模；
[0128]
(2)同时考虑了电池系统的析锂极限以及电压极限，并结合在线的温度监测，可以显著提高电池的低温加热过程中的安全性；
[0129]
(3)在加热的控制装置中，利用分区存储和构成电池热网络结构方式，减少了处理器的算力消耗。
[0130]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0131]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0132]
图1为本技术实施例提供的一种电池低温加热电流边界以及加热时间图谱获取方法的流程示意图；
[0133]
图2为对图1中步骤s102的进一步的详细描述的流程示意图；
[0134]
图3为本技术实施例提供的加热电流边界的示意图；
[0135]
图4为本技术实施例提供的加热时间图谱的示意图；
[0136]
图5为本技术实施例提供的电池加热策略执行过程的示意图；
[0137]
图6为本技术实施例提供的热网络模型中基本热交换单元的示意图；
[0138]
图7为本技术实施例提供的电池模组热网络模型中电池单体以及电池间联结部分的结构示意图；
[0139]
图8为本技术实施例提供的一种电池加热策略在线控制的装置的结构示意图。
[0140]
附图标记：输入装置801，存储装置802，处理器803，输出装置804，热网络节点传热矩阵储存分区8031，单体热网络构成分区8032，电池间节点热网络构成分区8033，加热策略与加热电流边界存储分区8034，模组温度分布计算与加热电流动态计算分区8035。
具体实施方式
[0141]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书
所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0142]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0143]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0144]
本技术提供一种电池低温加热策略制定与执行的方案，在制定加热策略阶段通过电池低温适配的模型，计算电池最适的加热电流频率以及加热电流幅值，形成电池加热电流边界；根据电池模型以及加热电流边界，计算不同初始条件下的电池加热时间，形成加热时间图谱。在执行加热策略阶段，根据t时刻获取的电池电流以及电压的信息，在线辨识该时刻的电池内部阻抗与容抗；根据电流电压信息以及在线辨识获取电池的多个时刻的电池荷电状态；根据电池在线辨识的电参数，以及热网络计算电池的内部温度。无需在电池内设置热电偶，通过仅需要获取实时的电流以及电压，还有初始的温度条件，即可计算电池加热过程中的内部温度变化。
[0145]
如图1所示，为本技术实施例提供的低温加热策略制定方案的流程示意图。示例性地，该方法可以包括以下步骤：
[0146]
s101.建立电池的二阶rq模型，构建电池模型参数基础。
[0147]
电池的二阶rq模型主要包括了电池的欧姆内阻，sei膜的极化内阻，sei膜的极化电容，电荷转移的极化内阻以及电荷转移的极化电容，一般在实施过程中，可以通过电化学阻抗谱进行测试。
[0148]
s102.计算电池在不同温度，不同soc以及不同电流频率下的加热电流边界。
[0149]
电池的加热电流边界一般包括了根据析锂判据确定的加热电流边界，以及根据电压限制确定的电流边界。其中，析锂边界的形式，需要根据本发明中的二阶rq模型匹配相应的具体形式。
[0150]
s103.构建电池在不同温度，不同soc以及不同脉冲电流特性参数下的产热计算方法。
[0151]
利用建立的二阶rq模型，给出电池总阻抗的实部的表达式，可以计算在正弦脉冲交流电的情况下，电池的有效产热率。
[0152]
s104.基于电池的加热边界，电池的产热以及集总参数的热模型，获取电池的温升曲线以及总加热时间。
[0153]
计算加热时间主要分为两个步骤，首先选定电池的初始条件，包括初始的soc以及初始的温度，接着将初始条件和电池在t＝0时刻的产热带入集总参数模型中，计算电池t＝1时刻的温度，如此循环在计算过程中不断地通过加热电流边界和计算所获得的温度更新加热电流参数，最终得到电池在确定的初始条件下的总加热时间。
[0154]
s105.根据初始不同条件下的加热时间，形成加热时间图谱。
[0155]
下面分别对上述步骤进行详细地阐述：
[0156]
示例性地，步骤s101中所述的二阶rq模型可以表述为：
[0157][0158]uocv
表示电池的开路电压，l表示电池的感抗，i表示电流，t表示时间，u
t
表示电池的端电压，ro表示电池的欧姆内阻。u
ct
指的是加载在极化电阻两端的电压，r
ct
以及c
ct
则表示电荷转移内阻以及电荷转移电容，c
sei,fom
表示与sei膜相关的常相位原件系数，n
sei,fom
表示与sei膜相关的常相位原件阶数，c
dl,fom
表示与双电层电荷转移相关的常相位原件系数，n
dl,fom
表示与双电层电荷转移相关的常相位原件阶数。
[0159]
示例性地，上述电池内部参数的确定可以通过电化学阻抗谱进行测试。
[0160]
如图2所示，为对图1中步骤s102的进一步的详细描述的流程示意图。示例性地，步骤s102中所述的在不同温度，不同soc以及不同电流频率下的加热电流边界可以通过以下步骤获取：
[0161]
s1021：建立电池的通用的析锂抑制条件。
[0162][0163]
其中，表示析锂反应电位，φ
neg
表示负极电位。在实际应用本发明中，考虑到析锂反应电位不以获取，因此可以在表达式上做一定的简化。鉴于析锂反应的平衡电位在电池系统内默认为0v，因此通用的析锂抑制条件为：
[0164]
φ
neg
≥0v
[0165]
s1022：更新在二阶rq模型下建立新的析锂抑制条件的描述
[0166]
在s1021的基础上，负极电位在二阶rq模型中可以表示为负极平衡电位和电荷转移极化分压的差值，那么析锂抑制条件则可以表示为：
[0167]vct
≤ocp
neg
[0168]
s1023：修正高频脉冲下的阻抗表达。
[0169]
在本示例中，对于sei膜相关的rq回路有：
[0170][0171]
对于电荷转移相关的rq回路有：
[0172][0173]
对于二阶rq电路模型，其总阻抗可以表示为
[0174]
z2＝ro+z
re,ct
+z
re,sei
+j(z
im,ct
+z
im,sei
+2πfl)
[0175]
s1024：基于s1022以及s1023的结果，给出基于析锂抑制条件的加热电流边界。
[0176]
在本示例中，s1022中的v
ct
可以转化成电流和阻抗的模的表达式：
[0177]iac
|z
ct
|≤ocp
neg
[0178]
s1025：进一步考虑电压限制，最终给出不同温度，不同soc以及不同电流频率下的加热电流边界
[0179][0180]
综合以上条件，在任意时刻额最大电流幅值上限为：
[0181][0182]
带入具体的s101中的电池模型，可以示例性地给出电池的电流边界图谱，如图3所示。
[0183]
示例性的，s103中构建电池在不同温度，不同soc以及不同脉冲电流特性参数下的产热计算方法如下：
[0184]
s1031：建立电池实部阻抗的表达：
[0185][0186]
s1032：考虑交流脉冲的有效电流，建立电池的总产热：
[0187][0188]
示例性的，s104中基于电池的加热边界，电池的产热以及集总参数的热模型，获取电池的温升曲线以及总加热时间的方法如下：
[0189]
将电池处理为集总参数的热模型，使用两个温度节点代表电池的温度，则有
[0190][0191]
[0192]
t
in
表示电池本体的集总温度参数，t
surf
表示电池表面温度节点的温度，ta表示环境温度，r
in-surf
为表征电池的两个节点之间的热阻，r
surf-a
表示电池表面与环境之间的热阻。m1为核心节点代表的质量，m2为表面节点代表的质量。
[0193]
在给定初始条件后，即可进行计算电池的温升。
[0194]
示例性的，s105中根据初始不同条件下的加热时间，形成加热时间图谱。根据上述示例中具体的电池模型，示例性的电池加热边界图谱如图4所示。
[0195]
如图5所示，为本技术实施例提供的低温加热策略执行方案的流程示意图。示例性地，该方法可以包括以下步骤：
[0196]
s201：根据电池输入的电流和电压计算电池的加热过程中的总阻值
[0197]
s202：根据电池输入的电流和电压计算电池的加热过程中的soc值
[0198]
需要解释的，对于完全以交流脉冲为加热电流的策略，此时的soc的主要作用并非参与产热的计算，而是监测电池的内部综合的状态变化。
[0199]
s203：建立电池的热网络结构，在加热过程中结合s201中辨识的内阻以及当前时刻的电流参数，计算电池的内部温度。
[0200]
s204：根据电池的温度计算结果以及s102中的电流边界，实时修正加热电流参数。
[0201]
示例性地，s201的具体步骤为：
[0202]
在s101中建立的电池的二阶rq模型模型的基础上，推导电池的系统矩阵与待辨识参数矩阵。
[0203]
其中，电池的表观的输入输出的关系如下：
[0204]
uk＝b1u
k-1
+b2u
k-2
+b3ik+b4i
k-1
+b5i
k-1
[0205]
其中，uk为系统在k时刻的输出值，一般的，对于电池而言即为电压。ik为系统在k时刻的输入值，一般的，对于电池而言即为电流。b表示的输入输出之间的系数。
[0206]
令
[0207]
φ(k)＝[u
k-1uk-2
iki
k-1ik-2
]
[0208]
θ(k)＝[b1b2b3b4b5]
t
[0209]
那么待测参数的计算方法为：
[0210][0211]
其中，p(k)为φ(k)的协方差，v
t
(k)为k时刻的测试的端电压。另外p(k)可以通过设定初始值，使用下式迭代获得：
[0212][0213]
式中，λ为遗忘因子，示例性的，可以取0.9998。最终在每一时刻实时辨识出的θ(k)与二阶rq的参数之间的关系为：
[0214][0215]
在本实施例中，二阶rq模型中两个分数阶电路原件回路的阶数是通过实验测试获取的。
[0216]
示例性地，s202的具体步骤为：
[0217]
在s101的二阶rq模型中，电池的极化电压的时域递推形式为：
[0218][0219]
电池的系统方程与观测方程分别为：
[0220][0221][0222]
其中：
[0223][0224][0225]
示例性的，在完成二阶rq模型下soc估计的参数矩阵的具体形式的建立后，可以采用kalman滤波的方法实现soc的估计。
[0226]
示例性地，s203的具体步骤为：
[0227]
s2031：建立电池热网络基本的热交换单元，如图6所示，该热交换单元的可以表示为：
[0228][0229]
其中
[0230]
f(a)|a＝1-c(k(a
x1
)|a+k(a
x2
)|a+k(a
y1
)|a+k(a
y2
)|a+k(a
z1
)|a+k(a
z2
)|a)
[0231]
f(a
x1
)|a＝c
·
k(a
x1
)|a[0232]
f(a
x2
)|a＝c
·
k(a
x2
)|a[0233]
f(a
y1
)|a＝c
·
k(a
y1
)|a[0234]
f(a
y2
)|a＝c
·
k(a
y2
)|a[0235]
f(a
z1
)|a＝c
·
k(a
z1
)|a[0236]
f(a
z2
)|a＝c
·
k(a
z2
)|a[0237]
上式代表了电池热网络节点与其相邻节点之间的传热关系，其中k(
·
)表示的是在相应方向的对应传热形式的传热系数，根据具体应用环境，可以是热传导对应的热导率，也可以是热对流对应的对流换热系数。示例性的，a
x1
方向的k(
·
)的具体形式可以表示为：
[0238][0239][0240]
式中k
x
表示传热单元中点a与点a
x1
之间的对应的热导率，x1表示点a与点a
x1
之间的间距，x2表示点a与点a
x2
之间的间距，h表示的是点a与点a
x1
之间的对应的对流换热系数。点a与其余点之间的换热关系及其参数意义可以此类推。
[0241]
s2032；示例性的，在多数情况下，电池的热网络不止包含一个节点，该步骤建立电池的热网络整体结构，其表达式为
[0242][0243]
其中，t
a，t+1
是t+1时刻的电池温度网络，t
a，t
是t时刻的电池温度网络，指的是电池外侧沿x1方向与电池有热量交换的温度点集，同理到的定义是类似的。具体的，t
a，t
和的表达式如下：
[0244][0245][0246]
结合s2031中的节点热交换矩阵的定义，电池多节点的热网络整体的热交换矩阵为：
[0247][0248][0249]
另外，示例性的，电池的产热q
a，t
可以根据s1032中的产热式进行计算。
[0250]
s2033；示例性的，利用与s2032相似的方法，建立模组中电池间联结部件的热网络，并与电池相邻的电池单体的热网络利用s2032中的方式联结，形成电池模组整体的热网络。
[0251]
示例性的，电池本体与电池间联结部件的热网络如图7所示。
[0252]
s2034；示例性的，带入在线辨识的阻抗与输入的电流，初始温度即可计算电池在加热过程中的温度变化。
[0253]
基于上述电池低温加热过程参数监测方法的同一构思，本技术还提供了电池系统低温高频加热过程控制装置。上述方法中的部分或全部可以通过软件或固件来实现。如图8所示，为本技术实施例提供的一种电池温度获取装置800的结构示意图，该装置用于执行上述电池系统低温高频加热过程控制。具体地，该装置800包括：
[0254]
输入装置801，用于接收来自传感器的电池模组的电流和电压信号，以及来自热电偶的电池表面温度信号，并通过总线，将数据传递至存储器中；存储装置802，主要用于暂存电池模组的输入参数，在处理器需要计算时，从堆栈底部将数据压入处理器对应分区；处理器803，用于计算电池模组当前的电-热状态参数，给出合理的加热策略，并生成控制信号；以及输出装置804，将处理中生成的加热电流的控制信号传输至外侧硬件，控制加热电流的变化。
[0255]
在一种可能的实现中，处理器803可以拆分为：8031热网络节点传热矩阵储存分区，存储电池热网络基本的热交换单元的矩阵；8032单体热网络构成分区，建立电池模组中某个单体的热网络；8033电池间节点热网络构成分区，建立模组中电池间联结部分的热网络；8034加热策略与加热电流边界存储分区，存储离线设计和测试的加热策略与不同条件下的加热电流边界；8035模组温度分布计算与加热电流动态计算分区，计算电池模组内的动态温度场并给出当前合理的加热电流参数。
[0256]
具体地，处理器803用于调用所述程序指令执行如下操作：
[0257]
将在存储器中存储的由电池模组内的传感器系统实时获取的电池模组电流，电压以及表面温度导入处理器模块；在处理器内部自适应的生成电池模组的热网络；实时计算电池模组的阻抗以及温度分布，并输出电池当前时刻最适的加热策略。
[0258]
在一种可能的实现中，所述处理器803还执行如下指令：在离线状态下，将的电池单体的具体参数通过总线输入，例如电池的具体尺寸，以及热网络的节点数量；在离线状态下，将s203中的电池热网络矩阵输入8031热网络节点传热矩阵储存分区，同时将上述电池电池单体参数存储在该分区。
[0259]
在另一种可能的实现中，所述处理器803还执行如下指令：在接受到电池模组启动的命令后，从8031热网络节点传热矩阵储存分区中调用基础参数与模型，在8032单体热网络构成分区和8033电池间节点热网络构成分区中构成暂存的分模块的热网络。
[0260]
在另一种可能的实现中，所述处理器803还执行如下指令：将8032分区以及8033分区中暂存的电池模型数据，以及8031分区中电池模组的基本构型数据导入8035模组温度分布计算与加热电流动态计算分区中；在8035分区中合成与当前电池系统匹配的模组的热网络模型，并做暂时存储。
[0261]
在另一种可能的实现中，所述处理器803还执行如下指令：将存储器中当前时刻的电流电压导入8035分区，利用如前所述的内置算法求解电池的在线阻抗；将存储器中当前时刻的电流电压导入8035分区，利用如前所述的内置算法求解电池的在线soc；将存储器中当前时刻的的初始温度导入8035分区,利用前述步骤中合成的电池系统匹配的模组的热网络进行温度场的计算。
[0262]
在另一种可能的实现中，所述处理器803还执行如下指令：将8034加热策略与加热
电流边界存储分区中存储的加热边界导入8035分区；根据上述步骤计算获得的电池模组温度，计算当前合理的脉冲电流参数；将计算所得的脉冲电流控制参数，输出到804输出模块。
[0263]
在另一种可能的实现中，所述处理器803还执行如下指令：在完成全部的加热过程后，将8032分区以及8033分区中的热网络矩阵删除，留出处理器的存储空间；在完成全部的加热过程后，将8035分区中的模组热网络矩阵删除，留出更多处理器的存储空间。
[0264]
处理器可以是中央处理器(central processing unit，cpu)，网络处理器(network processor，np)，或wlan设备。
[0265]
处理器还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(application-specific integrated circuit，asic)，可编程逻辑器件(programmable logic device，pld)或其组合。上述pld可以是复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device，cpld)，现场可编程逻辑门阵列(field-programmable gate array，fpga)，通用阵列逻辑(generic array logic，gal)或其任意组合。
[0266]
存储器可以包括易失性存储器(volatile memory)，例如随机存取存储器(random-access memory，ram)；存储器也可以包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如快闪存储器(flash memory)，硬盘(hard disk drive，hdd)或固态硬盘(solid-state drive，ssd)；存储器还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0267]
输入装置901/输出装置902可以包括显示屏(display)、键盘(keyboard)，可选地，还可以包括标准的有线接口、无线接口。
[0268]
需要说明的是，本技术实施例中的术语“多个”是指两个或两个以上，鉴于此，本技术实施例中也可以将“多个”理解为“至少两个”。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，字符“/”，如无特殊说明，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0269]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、系统和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0270]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，该单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。所显示或讨论的相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，系统或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0271]
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0272]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。该计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行该计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本技术实施例的流程或功能。该计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程系统。该计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过该计算机可读存储介质进行传输。该计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，dsl))或无线
(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。该计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。该可用介质可以是只读存储器(read-only memory，rom)，或随机存取存储器(random access memory，ram)，或磁性介质，例如，软盘、硬盘、磁带、磁碟、或光介质，例如，数字通用光盘(digital versatile disc，dvd)、或者半导体介质，例如，固态硬盘(solid state disk，ssd)等。
[0273]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：s1：制定电池加热流程；s2：执行电池加热流程；所述s1包括以下步骤：s101：建立电池的二阶rq模型，构建电池模型参数基础；电池的二阶rq模型包括电池的欧姆内阻，sei膜的极化内阻，sei膜的极化电容，电荷转移的极化内阻以及电荷转移的极化电容，通过电化学阻抗谱进行测试；s102：计算电池在不同温度，不同soc以及不同电流频率下的加热电流边界；电池的加热电流边界包括根据析锂判据确定的加热电流边界，以及根据电压限制确定的电流边界；其中，析锂边界的形式，需要根据本发明中的二阶rq模型匹配相应的具体形式；s103：构建电池在不同温度，不同soc以及不同脉冲电流特性参数下的产热计算方法；利用建立的二阶rq模型，给出电池总阻抗的实部的表达式，计算在正弦脉冲交流电的情况下，电池的有效产热率；s104：基于电池的加热边界，电池的产热以及集总参数的热模型，获取电池的温升曲线以及总加热时间；计算加热时间为：首先选定电池的初始条件，包括初始的soc以及初始的温度，接着将初始条件和电池在t＝0时刻的产热带入集总参数模型中，计算电池t＝1时刻的温度，以此类推，在计算过程中不断地通过加热电流边界和计算获得的温度更新加热电流参数，得到电池在确定的初始条件下的总加热时间；s105：根据初始不同条件下的加热时间，形成加热时间图谱；所述s101中，二阶rq模型表述为：u
ocv
表示电池的开路电压，l表示电池的感抗，i表示电流，t表示时间，u
t
表示电池的端电压，r
o
表示电池的欧姆内阻；u
ct
指的是加载在极化电阻两端的电压，r
ct
以及c
ct
则表示电荷转移内阻以及电荷转移电容，c
sei,fom
表示与sei膜相关的常相位原件系数，n
sei,fom
表示与sei膜相关的常相位原件阶数，c
dl,fom
表示与双电层电荷转移相关的常相位原件系数，n
dl,fom
表示与双电层电荷转移相关的常相位原件阶数；所述s2包括以下步骤：s201：根据电池输入的电流和电压计算电池的加热过程中的总阻值；s202：根据电池输入的电流和电压计算电池的加热过程中的soc值；s203：建立电池的热网络结构，在加热过程中结合s201中辨识的内阻以及当前时刻的电流参数，计算电池的内部温度；s204：根据电池的温度计算结果以及s102中的电流边界，实时修正加热电流参数。2.根据权利要求1所述的基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法，其特征在于：所述s102中，在不同温度，不同soc以及不同电流频率下的加热电流边界通过以下步骤获
取：s1021：建立电池的通用的析锂抑制条件；其中，表示析锂反应电位，φ
neg
表示负极电位；析锂反应的平衡电位在电池系统内默认为0v，析锂抑制条件为：φ
neg
≥0vs1022：更新在二阶rq模型下建立新的析锂抑制条件的描述负极电位在二阶rq模型中表示为负极平衡电位和电荷转移极化分压的差值，那么析锂抑制条件则表示为：v
ct
≤ocp
neg
s1023：修正高频脉冲下的阻抗表达；对于sei膜相关的rq回路有：对于电荷转移相关的rq回路有：对于二阶rq电路模型，其总阻抗表示为z2＝r
o
+z
re,ct
+z
re,sei
+j(z
im,ct
+z
im,sei
+2πfl)s1024：基于s1022以及s1023的结果，给出基于析锂抑制条件的加热电流边界；v
ct
转化成电流和阻抗的模的表达式：i
ac
|z
ct
|≤ocp
neg
s1025：不同温度、不同soc以及不同电流频率下的加热电流边界为：在任意时刻额最大电流幅值上限为：3.根据权利要求2所述的基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法，其特征在于：所述s103中，构建电池在不同温度、不同soc以及不同脉冲电流特性参数下的产热计算方法为：s1031：建立电池实部阻抗的表达：
s1032：考虑交流脉冲的有效电流，建立电池的总产热：4.根据权利要求3所述的基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法，其特征在于：所述s104中，基于电池的加热边界，电池的产热以及集总参数的热模型，获取电池的温升曲线以及总加热时间的方法如下：将电池处理为集总参数的热模型，使用两个温度节点代表电池的温度，则有将电池处理为集总参数的热模型，使用两个温度节点代表电池的温度，则有t
in
表示电池本体的集总温度参数，t
surf
表示电池表面温度节点的温度，t
a
表示环境温度，r
in-surf
为表征电池的两个节点之间的热阻，r
surf-a
表示电池表面与环境之间的热阻；m1为核心节点代表的质量，m2为表面节点代表的质量；在给定初始条件后，进行计算电池的温升；所述s105中，根据初始不同条件下的加热时间，形成加热时间图谱。5.根据权利要求4所述的基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法，其特征在于：所述s201的具体步骤为：在建立的电池的二阶rq模型模型的基础上，推导电池的系统矩阵与待辨识参数矩阵；其中，电池的表观的输入输出的关系如下：u
k
＝b1u
k-1
+b2u
k-2
+b3i
k
+b4i
k-1
+b5i
k-1
其中，u
k
为系统在k时刻的输出值，即电压；i
k
为系统在k时刻的输入值，即电流；b表示的输入输出之间的系数；令φ(k)＝[u
k-1 u
k-2 i
k i
k-1 i
k-2
]θ(k)＝[b
1 b
2 b
3 b
4 b5]
t
待测参数的计算方法为：其中，p(k)为φ(k)的协方差，v
t
(k)为k时刻的测试的端电压；另外p(k)通过设定初始值，使用下式迭代获得：
式中，λ为遗忘因子，取0.9998；最终在每一时刻实时辨识出的θ(k)与二阶rq的参数之间的关系为：二阶rq模型中两个分数阶电路原件回路的阶数是通过实验测试获取的。6.根据权利要求5所述的基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法，其特征在于：所述s202的具体步骤为：在二阶rq模型中，电池的极化电压的时域递推形式为：电池的系统方程与观测方程分别为：电池的系统方程与观测方程分别为：其中：其中：在完成二阶rq模型下soc估计的参数矩阵的具体形式的建立后，采用kalman滤波的方法实现soc的估计。7.根据权利要求6所述的基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法，其特征在于：s203的具体步骤为：s2031：建立电池热网络基本的热交换单元，该热交换单元的表示为：其中
f(a)|
a
＝1-c(k(a
x1
)|
a
+k(a
x2
)|
a
+k(a
y1
)|
a
+k(a
y2
)|
a
+k(a
z1
)|
a
+k(a
z2
)|
a
)f(a
x1
)|
a
＝c
·
k(a
x1
)|
a
f(a
x2
)|
a
＝c
·
k(a
x2
)|
a
f(a
y1
)|
a
＝c
·
k(a
y1
)|
a
f(a
y2
)|
a
＝c
·
k(a
y2
)|
a
f(a
z1
)|
a
＝c
·
k(a
z1
)|
a
f(a
z2
)|
a
＝c
·
k(a
z2
)|
a
上式代表电池热网络节点与其相邻节点之间的传热关系，其中k(
·
)表示的是在相应方向的对应传热形式的传热系数，是热传导对应的热导率或热对流对应的对流换热系数；a
x1
方向的k(
·
)的具体形式表示为：)的具体形式表示为：式中k
x
表示传热单元中点a与点a
x1
之间的对应的热导率，x1表示点a与点a
x1
之间的间距，x2表示点a与点a
x2
之间的间距，h表示的是点a与点a
x1
之间的对应的对流换热系数；点a与其余点之间的换热关系及其参数意义以此类推；s2032；建立电池的热网络整体结构，其表达式为：其中，t
a，t+1
是t+1时刻的电池温度网络，t
a，t
是t时刻的电池温度网络，指的是电池外侧沿x1方向与电池有热量交换的温度点集，到的定义是相同；t
a，t
和的表达式如下：达式如下：结合节点热交换矩阵的定义，电池多节点的热网络整体的热交换矩阵为：结合节点热交换矩阵的定义，电池多节点的热网络整体的热交换矩阵为：电池的产热q
a，t
根据产热式进行计算；
s2033；利建立模组中电池间联结部件的热网络，并与电池相邻的电池单体的热网络利用s2032中的方式联结，形成电池模组整体的热网络；s2034；带入在线辨识的阻抗与输入的电流，初始温度计算电池在加热过程中的温度变化。8.基于权利要求1～7中任一项所述方法的电池加热系统，其特征在于：该系统包括：输入装置(801)，用于接收来自传感器的电池模组的电流和电压信号，以及来自热电偶的电池表面温度信号，并通过总线，将数据传递至存储装置中；存储装置(802)，用于暂存电池模组的输入参数，在处理器需要计算时，从堆栈底部将数据压入处理器对应分区；处理器(803)，用于计算电池模组当前的电-热状态参数，给出合理的加热策略，并生成控制信号；输出装置(804)，将处理中生成的加热电流的控制信号传输至外侧硬件，控制加热电流的变化。9.根据权利要求8所述的电池加热系统，其特征在于：所述处理器(803)包括：热网络节点传热矩阵储存分区(8031)，存储电池热网络基本的热交换单元的矩阵；单体热网络构成分区(8032)，建立电池模组中某个单体的热网络；电池间节点热网络构成分区(8033)，建立模组中电池间联结部分的热网络；加热策略与加热电流边界存储分区(8034)，存储离线设计和测试的加热策略与不同条件下的加热电流边界；模组温度分布计算与加热电流动态计算分区(8035)，计算电池模组内的动态温度场并给出当前合理的加热电流参数。10.根据权利要求9所述的电池加热系统，其特征在于：所述处理器(803)用于调用程序指令执行如下操作：将在存储器中存储的由电池模组内的传感器系统实时获取的电池模组电流，电压以及表面温度导入处理器模块；在处理器内部自适应的生成电池模组的热网络；实时计算电池模组的阻抗以及温度分布，并输出电池当前时刻最适的加热策略。

技术总结
本发明涉及一种基于低温加热与全局温度监测的电池加热方法及系统，属于电池技术领域。该方法包括：根据电池以及电池模组的结构，建立电池单体的内部高分辨率的热网络，以及可随物理侧结构自适应变化的模组热网络结构；建立的电池系统高频工况适配电-热模型，以及基于该模型给出的综合因素限制的加热电流边界条件；依据加热边界与实时温度监测系统而制定的电池加热策略与执行规范；将上述方法与策略内置于一个带分区的高频加热装置的核心处理器中。本发明可以实现随物理侧结构的自适应变化，无需对所有具体的电池系统独立重复建模；在加热的控制装置中，利用分区存储和构成电池热网络结构方式，减少了处理器的算力消耗。减少了处理器的算力消耗。减少了处理器的算力消耗。


技术研发人员：谢翌 李伟 张扬军 胡晓松 张凯庆 陈斌 郭红强
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/9/6