動(dòng)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(dòng)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(guò)程以制冷的逆過(guò)程形式出現(xiàn)，制冷制熱基本在一個(gè)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(gè)系統(tǒng)的專業(yè)名稱是什么，這里暫且給它起個(gè)名字，一體化熱管理系統(tǒng)。另一種加熱方法，專門針對(duì)電動(dòng)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(wú)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(lái)主要指交流小振幅加熱，通過(guò)給電池提供外部交流可控電源，利用電池脈沖充放電會(huì)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(gè)新理念。只是新理念還有待時(shí)間的考驗(yàn)。而交流加熱，已經(jīng)被研究多年，相對(duì)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(gè)主要問(wèn)題是，這個(gè)方式對(duì)電池壽命會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響？

本文主體來(lái)自一篇發(fā)表在國(guó)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(duì)電池壽命不會(huì)有明顯影響。于是原文翻譯，希望對(duì)各位有參考價(jià)值。

如果只關(guān)心結(jié)論，先在這里給出：對(duì)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(duì)特定的電池，可以有對(duì)的漸變加熱電流幅值在提升加熱速率的同時(shí)，又不會(huì)對(duì)電池壽命造成明顯的影響。

摘要

開(kāi)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(kāi)發(fā)了電熱耦合模型，以實(shí)現(xiàn)快速發(fā)熱和對(duì)電池壽命的較小損害之間的良好平衡。使用這個(gè)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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。預(yù)熱期間改變電流幅值的最佳時(shí)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(méi)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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，沒(méi)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(dòng)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(zhǎng)等性能優(yōu)勢(shì)，通常被用作電動(dòng)汽車的動(dòng)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(duì)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(wú)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(guò)數(shù)十個(gè)加熱循環(huán)證實(shí)電池沒(méi)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(huì)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(guò)度充電。所以選擇電流幅值時(shí)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(shuō)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(gè)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(duì)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(duì)待，并且可以通過(guò)以下來(lái)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(shí)間；Q是發(fā)熱率；Qn是電池外部的熱損失，它包括：熱對(duì)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(guò)充電，并且在AC加熱過(guò)程期間應(yīng)該在最佳范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)激勵(lì)電流的幅度。該允許的交流電流幅值應(yīng)根據(jù)型號(hào)確定。由式（4）得到電阻，根據(jù)歐姆定律，k時(shí)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(cè)電池是一個(gè)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(cè)試設(shè)備和測(cè)量設(shè)備也顯示在表2中。對(duì)于EIS測(cè)量和以下AC加熱測(cè)試，測(cè)試電池被調(diào)整到50％SOC。AutolabPP241阻抗分析儀測(cè)量EIS。在5mV振幅的正弦激勵(lì)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(cè)測(cè)試電池的溫度。在EIS測(cè)試之前，電池被擱置在測(cè)試溫度中超過(guò)4小時(shí)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(guò)4個(gè)小時(shí)。電池溫度由三個(gè)T型熱電偶測(cè)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(duì)發(fā)熱率的影響，為了確保不發(fā)生過(guò)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(duì)溫升速率的影響。

為了加快升溫速度，縮短加熱時(shí)間，同時(shí)不會(huì)對(duì)電池造成任何損壞，如過(guò)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(shí)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(duì)電池壽命的影響。

4測(cè)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(duì)溫度高度敏感。使用EIS數(shù)據(jù)對(duì)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(hào)頻率下的溫度演變，頻率越低，溫升越快。溫度差異主要來(lái)自阻抗的變化。分別測(cè)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(shí)，溫升不會(huì)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(duì)，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(duì)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(gè)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(kāi)始時(shí)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℃?？傮w而言，所提出的策略提供了更簡(jiǎn)單的方法來(lái)快速且均勻地加熱電池。盡管在加熱之前會(huì)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(huì)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(guò)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(méi)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(guò)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(shí)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(lái)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(cè)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(duì)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(duì)參數(shù)進(jìn)行選擇的加熱策略，被證明對(duì)電池健康沒(méi)有損害，可以考慮作為在寒冷天氣預(yù)熱電動(dòng)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(dòng)信號(hào)的電化學(xué)測(cè)量方法。由于以小振幅的電信號(hào)對(duì)體系擾動(dòng)，一方面可避免對(duì)體系產(chǎn)生大的影響，另一方面也使得擾動(dòng)與體系的響應(yīng)之間近似呈線性關(guān)系，這就使測(cè)量結(jié)果的數(shù)學(xué)處理變得簡(jiǎn)單。交流阻抗法就是以不同頻率的小幅值正弦波擾動(dòng)信號(hào)作用于電極系統(tǒng)，由電極系統(tǒng)的響應(yīng)與擾動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系得到的電極阻抗，推測(cè)電極的等效電路，進(jìn)而可以分析電極系統(tǒng)所包含的動(dòng)力學(xué)過(guò)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(dòng)力學(xué)參數(shù)，如電極雙電層電容，電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程的反應(yīng)電阻，擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程參數(shù)等。