動力電池交流預熱，一種跟隨溫度上升提高加熱速率的無損加熱策略

寫在前面

動力電池在寒冷環境中，如何獲得更好的額工作性能，設想最多的是預熱方式。預熱主要分成內部加熱和外部加熱兩大類。

外部加熱，電動汽車當前比較常用的加熱方法，一大類型是與冷卻系統複合在一起的制熱功能，比如熱泵空調，熱管、相變材料等等，這種制熱系統中，加熱過程以製冷的逆過程形式出現，製冷制熱基本在一個系統內部進行，靠控制器和系統工作期間的物理、化學等屬性實現製冷制熱的切換，不確定這個系統的專業名稱是什麼，這裡暫且給它起個名字，一體化熱管理系統。另一種加熱方法，專門針對電動汽車在寒冷環境下工作的需要設計，是一套獨立的加熱設備，與製冷無關，我們暫且稱之為獨立制熱系統。當前應用的獨立制熱系統，主要有電阻加熱器和電熱膜加熱兩大類。

內部加熱，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，利用電池脈衝充放電會自生熱的特點給電池加熱。經兩年，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。而交流加熱，已經被研究多年，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生怎樣的影響？

本文主體來自一篇發表在國外期刊上的一篇論文，設計並驗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。於是原文翻譯，希望對各位有參考價值。

如果只關心結論，先在這裡給出：對鋰電池使用交流加熱方法預熱，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。經驗證，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

開發了梯度加熱策略，用交流電（AC）在低溫下內部預熱鋰離子電池。開發了電熱耦合模型，以實現快速發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，確定在特定環境條件下最大發熱率的最佳頻率並通過實驗驗證。預熱期間改變電流幅值的最佳時間由一定溫度下，根據允許範圍內的端電壓的理論公式計算得到。實驗結果表明，在最佳頻率和可變電流幅度下的發熱速度快，效率高，沒有電壓超限。電池可以在905秒內從-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過實驗驗證，沒有明顯的電池壽命損壞，可以在工程設計中預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，循環壽命長等性能優勢，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熱。目前，在寒冷環境中加熱電池的主要方法是內部加熱和外部加熱。在已發表的文獻中，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]，珀爾帖加熱等[11-13]。

外部加熱比較安全，易於實現，但是能量損失比較大，加熱發電速度慢，電池溫度不均勻增加。與外部加熱相比，內部加熱是電池本身產生熱量的加熱策略[14]。對內部加熱方法進行了許多研究。Wang [15,16]發明了一種自發熱電池，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。但是，它改變了電池結構，無法在工程應用中使用現有電池。其他內部加熱策略是正弦交流電（SAC）加熱策略，經過數十個加熱循環證實電池沒有損壞，推薦作為內部加熱的好方法[1,3,17-18]。實驗證明，電流幅值越大，發熱速率越快[19,20]。而電池可能會因高電流幅度而受到不可逆的損壞，因此可能導致安全電壓範圍超出且電池過度充電。所以選擇電流幅值時應考慮電壓並保持在合理的範圍內[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範圍內的適當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，使電壓保持在安全範圍內。實驗結果表明，電池可在905秒內從-20°C加熱至10°C，平均溫升為1.99°C / min。此外，已經進行了四十個循環的加熱實驗，電池壽命未受到顯著影響。

2 數學模型

對於18650電池，根據參考文獻[1]，內部和表面之間的熱量產生率是相當一致的。因此，電池被當做固體對待，並且可以通過以下來計算髮熱率：

……（1）

……（2）

其中，m是電池的質量；C p 是比熱容；T是電池溫度；t是時間；Q 是發熱率；Q n 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是等效傳熱係數，S是電池表面積，T amb是環境溫度。

根據參考文獻[1,17]，只考慮阻抗實部產生的熱量。SAC加熱發熱率可以被描述為：

……（3）

其中，I是交流電流的輸入幅度。R Q 是整體阻抗的實際部分。結合電熱耦合模型[30]，R Q 可以表示為：

……（4）

其中R ohm 是歐姆電阻，RD是電化學極化電阻。CD是雙電層電容電容。根據阿列紐斯方程，RD可以描述為：

……（5）

其中E a 是活化能，A是預指數常數。應該防止過充電，並且在AC加熱過程期間應該在最佳範圍內監測激勵電流的幅度。該允許的交流電流幅值應根據型號確定。由式（4）得到電阻，根據歐姆定律，k時刻端電壓Ut [3]可表示為：

……（6）

……（7）

……（8）

3 實驗

這項研究中的被測電池是一個含有NCM陰極材料的商用18650電池，其規格如表1所示。本研究中使用的測試設備和測量設備也顯示在表2中。對於EIS測量和以下AC加熱測試，測試電池被調整到50％SOC。Autolab PP241阻抗分析儀測量EIS。在5mV振幅的正弦激勵下，在104kHz至0.2Hz的頻率範圍內實施實驗。熱室在-20 ℃至5 ℃範圍，每5 ℃控制和監測測試電池的溫度。在EIS測試之前，電池被擱置在測試溫度中超過4小時以確保達到熱平衡。環境溫度固定在-20 ℃。試驗電池為50％SOC（充電狀態），-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。然後用Kikusui雙極電源在-20 ℃採用各種頻率和幅度預熱，產生正弦交流電。

為了研究頻率對發熱率的影響，為了確保不發生過充電，在1.5A下分別進行5Hz，10Hz，20Hz，30Hz，50Hz等各種頻率的交流發熱試驗。然後在10Hz的恆定頻率下，將電流幅度從3A變為15A，分析電流幅度對溫升速率的影響。

表1.被測電池的規格

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確定。頻率固定在10Hz。電流幅值的具體實現方法是：電流幅值在溫度上升1攝氏度時增加一次，直到達到最大電流幅值。該加熱策略重複40次，以驗證其對電池壽命的影響。

圖1 電熱耦合模型

圖2 測試和測量設備

4 測試結果和討論

4.1 EIS在不同溫度下的結果

圖3顯示，隨著溫度的降低，該電池的EIS在實部和虛部中均增大。隨著溫度的降低，阻抗急劇增加，這意味著等效電路的參數對溫度高度敏感。使用EIS數據對不同溫度下的等效電路模型參數進行擬合。

圖3不同溫度下的EIS結果

4.2 以1.5A的下不同頻率和10Hz的不同電流幅度加熱

圖4顯示了頻率對加熱時間的影響，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10 Hz下3A / 6A / 15A等不同電流幅值的交流加熱試驗，如圖5所示。結果表明，當3A的交流加熱電流幅值非常小時，溫升不會明顯升高。

圖4 1.5A交流加熱，不同頻率下的加熱效果頻率

圖5 不同電流幅值下交流加熱的溫升

隨著電流的增加，溫度有非常顯著的增加。在1058s內，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，因為根據式（3）Q和I之間的關係是平方的，電流的增加可以導致電池內部的劇烈發熱率增加。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

採用並實施梯形加熱策略，在低溫下以可變交流電從內部預熱鋰離子電池。圖6顯示了一個使用梯形加熱策略的10 Hz頻率溫升的典型實驗和模擬結果。

圖6 梯形加熱策略的實驗和模擬結果

可以清楚地看到，由於電流幅值較小，開始時電池溫度緩慢上升，然後在-15 ℃左右，隨著電流幅值的增加，電池溫度明顯上升。圖6顯示電池可在90秒內從-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。儘管在加熱之前會考慮可能縮短電池壽命的參數，但還需要驗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次後進行容量校準。通過比較交流加熱40次前後的容量校準，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。

表2.梯形加熱策略的容量衰減驗證

5 結論

在此研究中，用交流電低溫預熱鋰離子電池，採用梯形加熱策略進行。通過數學模型和實驗驗證了梯形加熱方法的可靠性和有效性。為了實現較短的加熱時間，高加熱效率，電流幅度不應該是恆定的，可以精確地計算出來並且根據電池狀態的變化而逐漸增加。

利用計算機將瞬態溫度與中間溫度進行比較。提出的梯隊加熱策略，可以在905秒內將測試電池從-20°C加熱到10°C，並且電池的溫度分布是一致的。實驗結果完美驗證了模擬結果，顯示平均溫升速率很快，達到1.99°C/min。重點關注梯形預熱策略對電池壽命的影響，經驗證40次加熱，未發現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進行選擇的加熱策略，被證明對電池健康沒有損害，可以考慮作為在寒冷天氣預熱電動汽車的備選方法。進一步的研究將集中在如何使用這種策略預熱電池組。

註：EIS（(Electrochemical Impedance Spectroscopy）電化學阻抗譜方法，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測量方法。由於以小振幅的電信號對體系擾動，一方面可避免對體系產生大的影響，另一方面也使得擾動與體系的響應之間近似呈線性關係，這就使測量結果的數學處理變得簡單。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於電極系統，由電極系統的響應與擾動信號之間的關係得到的電極阻抗，推測電極的等效電路，進而可以分析電極系統所包含的動力學過程及其機理，由等效電路中有關元件的參數值估算電極系統的動力學參數，如電極雙電層電容，電荷轉移過程的反應電阻，擴散傳質過程參數等。

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論文作者：北京理工大學、國家電動汽車工程實驗室 Shanshan Guo，Rui XING，Fengchun SUN，Jiayi CAO，Kan WANG。由「動力電池技術」翻譯整理，只做學習交流之用；其餘圖片來自互聯網公開資料。