動力電池在寒冷環(huán)境中，如何獲得更好的額工作性能，設(shè)想最多的是預(yù)熱方式。預(yù)熱主要分成內(nèi)部加熱和外部加熱兩大類。

外部加熱，電動汽車當(dāng)前比較常用的加熱方法，一大類型是與冷卻系統(tǒng)復(fù)合在一起的制熱功能，比如熱泵空調(diào)，熱管、相變材料等等，這種制熱系統(tǒng)中，加熱過程以制冷的逆過程形式出現(xiàn)，制冷制熱基本在一個系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行，靠控制器和系統(tǒng)工作期間的物理、化學(xué)等屬性實(shí)現(xiàn)制冷制熱的切換，不確定這個系統(tǒng)的專業(yè)名稱是什么，這里暫且給它起個名字，一體化熱管理系統(tǒng)。另一種加熱方法，專門針對電動汽車在寒冷環(huán)境下工作的需要設(shè)計(jì)，是一套獨(dú)立的加熱設(shè)備，與制冷無關(guān)，我們暫且稱之為獨(dú)立制熱系統(tǒng)。當(dāng)前應(yīng)用的獨(dú)立制熱系統(tǒng)，主要有電阻加熱器和電熱膜加熱兩大類。

內(nèi)部加熱，原來主要指交流小振幅加熱，通過給電池提供外部交流可控電源，利用電池脈沖充放電會自生熱的特點(diǎn)給電池加熱。經(jīng)兩年，我們又獲得了自加熱電池這個新理念。只是新理念還有待時間的考驗(yàn)。而交流加熱，已經(jīng)被研究多年，相對其他加熱方式，交流加熱速度快，能量消耗小。交流加熱的一個主要問題是，這個方式對電池壽命會產(chǎn)生怎樣的影響？

本文主體來自一篇發(fā)表在國外期刊上的一篇論文，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種交流加熱策略，聲明該策略下的交流加熱對電池壽命不會有明顯影響。于是原文翻譯，希望對各位有參考價(jià)值。

如果只關(guān)心結(jié)論，先在這里給出：對鋰電池使用交流加熱方法預(yù)熱，隨著溫度的上升可以逐步提高加熱電流的幅值，以提高加熱效率。經(jīng)驗(yàn)證，針對特定的電池，可以有對的漸變加熱電流幅值在提升加熱速率的同時，又不會對電池壽命造成明顯的影響。

摘要

開發(fā)了梯度加熱策略，用交流電（AC）在低溫下內(nèi)部預(yù)熱鋰離子電池。開發(fā)了電熱耦合模型，以實(shí)現(xiàn)快速發(fā)熱和對電池壽命的較小損害之間的良好平衡。使用這個模型，確定在特定環(huán)境條件下最大發(fā)熱率的最佳頻率并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。預(yù)熱期間改變電流幅值的最佳時間由一定溫度下，根據(jù)允許范圍內(nèi)的端電壓的理論公式計(jì)算得到。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在最佳頻率和可變電流幅度下的發(fā)熱速度快，效率高，沒有電壓超限。電池可以在905秒內(nèi)從-20°C加熱到10°C，平均溫升為1.99°C/min。所提出的交流加熱策略經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，沒有明顯的電池壽命損壞，可以在工程設(shè)計(jì)中預(yù)熱電動汽車中的電池。

1引言

鋰離子電池具有能量密度高，電壓高，污染小，循環(huán)壽命長等性能優(yōu)勢，通常被用作電動汽車的動力源[1]。然而，鋰離子電池（LIBs）明顯的不適合在零度以下的溫度下充放電[2-4]。因此有必要在零度以下的溫度下預(yù)熱。目前，在寒冷環(huán)境中加熱電池的主要方法是內(nèi)部加熱和外部加熱。在已發(fā)表的文獻(xiàn)中，外部加熱方法主要包括液體或氣體加熱[5,6]，加熱板[7]，加熱管[8-10]，珀?duì)柼訜岬萚11-13]。

外部加熱比較安全，易于實(shí)現(xiàn)，但是能量損失比較大，加熱發(fā)電速度慢，電池溫度不均勻增加。與外部加熱相比，內(nèi)部加熱是電池本身產(chǎn)生熱量的加熱策略[14]。對內(nèi)部加熱方法進(jìn)行了許多研究。Wang[15,16]發(fā)明了一種自發(fā)熱電池，一塊鎳片安裝在電池中，可以在-20℃或-30℃迅速加熱到0℃分別在20s或30s內(nèi)。但是，它改變了電池結(jié)構(gòu)，無法在工程應(yīng)用中使用現(xiàn)有電池。其他內(nèi)部加熱策略是正弦交流電（SAC）加熱策略，經(jīng)過數(shù)十個加熱循環(huán)證實(shí)電池沒有損壞，推薦作為內(nèi)部加熱的好方法[1,3,17-18]。實(shí)驗(yàn)證明，電流幅值越大，發(fā)熱速率越快[19,20]。而電池可能會因高電流幅度而受到不可逆的損壞，因此可能導(dǎo)致安全電壓范圍超出且電池過度充電。所以選擇電流幅值時應(yīng)考慮電壓并保持在合理的范圍內(nèi)[21]。然而，一些研究忽略了極化電壓[3,17,18]。在低溫下確保端電壓在安全范圍內(nèi)的適當(dāng)電流幅度仍未有明確說法。

本文提出了一種鋰離子電池梯形加熱策略，確定了某一溫度下加熱的最佳電流幅值，隨溫度的升高而變化，使電壓保持在安全范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電池可在905秒內(nèi)從-20°C加熱至10°C，平均溫升為1.99°C/min。此外，已經(jīng)進(jìn)行了四十個循環(huán)的加熱實(shí)驗(yàn)，電池壽命未受到顯著影響。

2數(shù)學(xué)模型

對于18650電池，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，內(nèi)部和表面之間的熱量產(chǎn)生率是相當(dāng)一致的。因此，電池被當(dāng)做固體對待，并且可以通過以下來計(jì)算發(fā)熱率：

……（1）

……（2）

其中，m是電池的質(zhì)量；Cp是比熱容；T是電池溫度；t是時間；Q是發(fā)熱率；Qn是電池外部的熱損失，它包括：熱對流和熱輻射。通常熱輻射被忽略。其中h是等效傳熱系數(shù)，S是電池表面積，Tamb是環(huán)境溫度。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1,17]，只考慮阻抗實(shí)部產(chǎn)生的熱量。SAC加熱發(fā)熱率可以被描述為：

……（3）

其中，I是交流電流的輸入幅度。RQ是整體阻抗的實(shí)際部分。結(jié)合電熱耦合模型[30]，RQ可以表示為：

……（4）

其中Rohm是歐姆電阻，RD是電化學(xué)極化電阻。CD是雙電層電容電容。根據(jù)阿列紐斯方程，RD可以描述為：

……（5）

其中Ea是活化能，A是預(yù)指數(shù)常數(shù)。應(yīng)該防止過充電，并且在AC加熱過程期間應(yīng)該在最佳范圍內(nèi)監(jiān)測激勵電流的幅度。該允許的交流電流幅值應(yīng)根據(jù)型號確定。由式（4）得到電阻，根據(jù)歐姆定律，k時刻端電壓Ut[3]可表示為：

……（6）

……（7）

……（8）

3實(shí)驗(yàn)

這項(xiàng)研究中的被測電池是一個含有NCM陰極材料的商用18650電池，其規(guī)格如表1所示。本研究中使用的測試設(shè)備和測量設(shè)備也顯示在表2中。對于EIS測量和以下AC加熱測試，測試電池被調(diào)整到50％SOC。AutolabPP241阻抗分析儀測量EIS。在5mV振幅的正弦激勵下，在104kHz至0.2Hz的頻率范圍內(nèi)實(shí)施實(shí)驗(yàn)。熱室在-20℃至5℃范圍，每5℃控制和監(jiān)測測試電池的溫度。在EIS測試之前，電池被擱置在測試溫度中超過4小時以確保達(dá)到熱平衡。環(huán)境溫度固定在-20℃。試驗(yàn)電池為50％SOC（充電狀態(tài)），-20℃擱置在熱室超過4個小時。電池溫度由三個T型熱電偶測量。然后用Kikusui雙極電源在-20℃采用各種頻率和幅度預(yù)熱，產(chǎn)生正弦交流電。

為了研究頻率對發(fā)熱率的影響，為了確保不發(fā)生過充電，在1.5A下分別進(jìn)行5Hz，10Hz，20Hz，30Hz，50Hz等各種頻率的交流發(fā)熱試驗(yàn)。然后在10Hz的恒定頻率下，將電流幅度從3A變?yōu)?5A，分析電流幅度對溫升速率的影響。

為了加快升溫速度，縮短加熱時間，同時不會對電池造成任何損壞，如過電壓，欠壓，熱濫用等，電流的幅度和頻率要仔細(xì)確定。頻率固定在10Hz。電流幅值的具體實(shí)現(xiàn)方法是：電流幅值在溫度上升1攝氏度時增加一次，直到達(dá)到最大電流幅值。該加熱策略重復(fù)40次，以驗(yàn)證其對電池壽命的影響。

4測試結(jié)果和討論

4.1EIS在不同溫度下的結(jié)果

隨著溫度的降低，該電池的EIS在實(shí)部和虛部中均增大。隨著溫度的降低，阻抗急劇增加，這意味著等效電路的參數(shù)對溫度高度敏感。使用EIS數(shù)據(jù)對不同溫度下的等效電路模型參數(shù)進(jìn)行擬合。

4.2以1.5A的下不同頻率和10Hz的不同電流幅度加熱

各種交流信號頻率下的溫度演變，頻率越低，溫升越快。溫度差異主要來自阻抗的變化。分別測試了10Hz下3A/6A/15A等不同電流幅值的交流加熱試驗(yàn)，如圖5所示。結(jié)果表明，當(dāng)3A的交流加熱電流幅值非常小時，溫升不會明顯升高。

隨著電流的增加，溫度有非常顯著的增加。在1058s內(nèi)，電池在-18°C至-14.1°C，-8°C，-15°C下分別以不同的電流3A，6A，15A以10Hz的頻率加熱。與圖4相對，電池的溫升，電流幅值比電流頻率影響更加明顯，因?yàn)楦鶕?jù)式（3）Q和I之間的關(guān)系是平方的，電流的增加可以導(dǎo)致電池內(nèi)部的劇烈發(fā)熱率增加。因此，如果是為了更快的加熱電芯，選擇更適合的電流幅值比選擇頻率加熱電芯的效果更明顯。

4.3可變電流的梯形加熱策略和對電池健康的影響

采用并實(shí)施梯形加熱策略，在低溫下以可變交流電從內(nèi)部預(yù)熱鋰離子電池。圖6顯示了一個使用梯形加熱策略的10Hz頻率溫升的典型實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果。

可以清楚地看到，由于電流幅值較小，開始時電池溫度緩慢上升，然后在-15℃左右，隨著電流幅值的增加，電池溫度明顯上升。電池可在90秒內(nèi)從-20℃加熱到10℃。總體而言，所提出的策略提供了更簡單的方法來快速且均勻地加熱電池。盡管在加熱之前會考慮可能縮短電池壽命的參數(shù)，但還需要驗(yàn)證電池壽命是否會受到影響。為了研究這種方法是否影響電池的健康狀況，在30℃加熱40次后進(jìn)行容量校準(zhǔn)。通過比較交流加熱40次前后的容量校準(zhǔn)，如表2所示，所有值幾乎相同，這意味著沒有明顯的容量劣化。

5結(jié)論

在此研究中，用交流電低溫預(yù)熱鋰離子電池，采用梯形加熱策略進(jìn)行。通過數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了梯形加熱方法的可靠性和有效性。為了實(shí)現(xiàn)較短的加熱時間，高加熱效率，電流幅度不應(yīng)該是恒定的，可以精確地計(jì)算出來并且根據(jù)電池狀態(tài)的變化而逐漸增加。

利用計(jì)算機(jī)將瞬態(tài)溫度與中間溫度進(jìn)行比較。提出的梯隊(duì)加熱策略，可以在905秒內(nèi)將測試電池從-20°C加熱到10°C，并且電池的溫度分布是一致的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果完美驗(yàn)證了模擬結(jié)果，顯示平均溫升速率很快，達(dá)到1.99°C/min。重點(diǎn)關(guān)注梯形預(yù)熱策略對電池壽命的影響，經(jīng)驗(yàn)證40次加熱，未發(fā)現(xiàn)明顯的容量損失和明顯的充放電性能衰退。所提出的可以對參數(shù)進(jìn)行選擇的加熱策略，被證明對電池健康沒有損害，可以考慮作為在寒冷天氣預(yù)熱電動汽車的備選方法。進(jìn)一步的研究將集中在如何使用這種策略預(yù)熱電池組。

注：EIS（(ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy）電化學(xué)阻抗譜方法，是一種以小振幅的正弦波電位（或電流）為擾動信號的電化學(xué)測量方法。由于以小振幅的電信號對體系擾動，一方面可避免對體系產(chǎn)生大的影響，另一方面也使得擾動與體系的響應(yīng)之間近似呈線性關(guān)系，這就使測量結(jié)果的數(shù)學(xué)處理變得簡單。交流阻抗法就是以不同頻率的小幅值正弦波擾動信號作用于電極系統(tǒng)，由電極系統(tǒng)的響應(yīng)與擾動信號之間的關(guān)系得到的電極阻抗，推測電極的等效電路，進(jìn)而可以分析電極系統(tǒng)所包含的動力學(xué)過程及其機(jī)理，由等效電路中有關(guān)元件的參數(shù)值估算電極系統(tǒng)的動力學(xué)參數(shù)，如電極雙電層電容，電荷轉(zhuǎn)移過程的反應(yīng)電阻，擴(kuò)散傳質(zhì)過程參數(shù)等。