寒冷環境電動汽車新思路，自加熱電池

近幾天一直在討論鋰電池加熱預熱等問題，通過對比公眾號里各類文章被關注的程度可以看到，行業里對鋰電池低溫環境下需要加熱，理念已經非常清晰。

回到問題的最初，我們需要面對的基本問題是寒冷環境下，怎樣安全高效且最好能夠自由的使用電動汽車的問題。解決這個問題通常的思路有兩個，一種就是我們前面討論的預熱，加熱方式；另一種，是提高電池自身耐受寒冷的能力，最好就是一塊電池不怕冷也不怕熱，去的了海南也受得住哈爾濱。如果能夠做到像蘋果那樣，一兩樣單品包打天下，效益肯定是最好的。如果沿著這個思路想下去，最好的方案是在電池本身下功夫。

改善電池性能，當前的主要做法是在電解液中添加助劑，改善低溫性能；或者改變電極材料，試驗其他技術路線。尤其後者，一旦能夠實現量產，確實是質的飛躍。這些都是在電化學方向的努力。重點來了，也有人跳出了思維慣性，搞出了「自加熱電池」文獻中自稱「全氣候電池」。

1全氣候電池

最初的消息來源於2016年初，Nature的一則報道了。原文摘要大意如下:

「鋰離子電池在低於零攝氏度的溫度下會遭受嚴重的功率損失，限制了它們在寒冷氣候和高空無人機中的電動汽車等應用中的使用。這種功率損失的後果是，需要更大、更昂貴的電池組來執行發動機冷啟動（這裡不是針對純電動的應用來說的，本文作者注）。在寒冷天氣下緩充電慢，限制再生制動以及車輛續航里程減少多達40％。以前的嘗試嘗試改善電池性能的努力大多集中在開發電解液添加劑以提高鋰離子電池的低溫性能，或者在電池外部添加加熱設備。在這裡，我們報道一種鋰離子電池結構，即全氣候電池電池，可在零攝氏度以下自行加熱，無需外部加熱設備或電解液添加劑。自發熱機製為充放電過程創造了有利的溫度環境。這種電池的設定的內部預熱溫度為零攝氏度，在零下20℃時，20秒內達到0℃；在零下30℃環境下，30秒內達到0℃，分別只消耗電池容量的3.8％和5.5％電量。自加熱的全氣候電池組在50％的充電狀態和零下30攝氏度時的放電功率1,061瓦/千克，再生功率為 1,425瓦/千克，可以實現6.4-12.3倍的倍率放電。期望全氣候電池能夠每年裝備8000萬輛新車輛的啟停系統，從而節約5%-10%的燃料。實際上，我們認為自加熱電池也可以應用在插電混動電動汽車，機器人和太空探索。」

初一聽說自加熱，直接想，哇，黑科技！後來查到了論文，看到工作原理，其實不是特別黑的科技，但貴在想法新。下面系統整理一下這種自加熱電池的性能，工作原理。

2 基本性能

電池為軟包類型，外觀如下圖所示。

適用環境，理論上是可以在任意低溫下工作，因為是從電池內部加熱，並不擔心加熱速率趕不上散熱速率的問題。

加熱速率，前面發布的摘要里給出了一組概括性的數據，文獻中一組實驗數據顯示：從-10°C加熱至0°C，時長9.8s；從-20°C加熱至0°C，時長16s；從-30°C加熱至0°C，時長23s。從不同溫度加熱到10°C的曲線圖如下面所示。

能量消耗， - 30°C至0 °C消耗電池容量的5.5％；-20°C至0°C消耗電池容量的2.9％。文獻中對比給出了一組從外部加熱的數據，外部加熱方法需要約 15分鐘和消耗約 10％電量。外部加熱有一個好處，能量可以由電池以外的電源提供。

充放電性能，這個參數除了跟自加熱有關，跟其電池類型也有關係。電池結構參數如下：以LiNi0.6Co0.2 Mn0.2O2作為正極活性物質，石墨（Nippon Carbon）作為負極活性物質，將1M LiPF 6 溶解於碳酸亞乙酯/碳酸甲乙酯（重量比3:7）中，添加2％亞乙烯基碳酸鹽為電解質。隔膜為Celgard-2325微孔三層膜，厚度為25 微米。隔膜具有152×75mm 2，而活性區域（陰極側）為120×69mm 2 。電芯額定容量為10 Ah，重量為210 g。在室溫下以C/3放電，能量密度170Wh/kg。

下面是該10Ah電池室溫放電，不使用自加熱功能時，電池在設定條件下充放電的表現。三張圖分別是室溫放電，室溫充電和各個溫度1C放電的電壓容量曲線。可以觀察到，在零下30°C環境下1C放電容量70%左右。

循環壽命，測試條件如下：

最初SOC為20％的電池在環境室中擱置3個小時以達到熱平衡。在零度以下的電池充電之前，首先進行脈衝激活，操作方式為：電池電壓4.2V脈衝1秒，充電電流限制在3C；電池電壓2.1V脈衝時間1秒，放電電流被限制在5C 。當電池表面溫度達到10℃時，激活結束。隨後，電池接受4.2 V限壓3C充電，直到達到80％SOC或電流下降至C/20。直流快速充電應用中通常使用80％的最終SOC值。由於電池激活是全氣候電池快速充電不可缺少的部分，因此試驗中的總充電時間通常稱為激活時間和充電時間的總和。對於循環測試，以80％SOC充電的電池靜置5分鐘，隨後1C放電回到20％SOC，並保持開路並在- 30 ? C環境下擱置2-3小時達到完全熱平衡。這樣樣品電池的每個充電周期由四個階段組成：脈衝激活，3C充電至80％SOC，1C放電回到20％的SOC，並休息和冷卻以使電池溫度恢復到環境溫度。

低溫循環壽命的測試結論，比較有代表性的關於循環壽命的敘述，3C快速充電到80％SOC在 - 30 ?可以超過500 次循環。而對照組電池只有12個循環。

自加熱結構對重量和成本的影響，在電池中添加的鎳箔重量為100 克每千瓦時，並且根據鎳的價格折算出每度電的鎳線成本為1美元/千瓦時。設置當前的主流系統比能量為150 Wh/kg，假定電池成本為250m元/kWh ，則全氣候電池技術所增加的重量和成本分別是一般鋰電池的1.5％和0.4％。

3 工作原理

基本結構和工作過程

在物理結構上，全氣候電池除了具有正常的 正負極以外，還增加了一個加熱極 ，命名為ACT（activation terminal）。鎳箔嵌入電池內部。鎳箔的一端焊接在負極端子上，另一端伸出電池外作為激活端子。ACT端子和正極端子之間放置一個溫控開關。當電池溫度較低並需要快速預熱時，開關打開，電流流過鎳箔，產生大量內部熱量，電池得以被加熱到設置溫度。溫度達到以後，溫控開關自動斷開。

在前面的循環壽命一節中，有敘述過激活的大體過程，具體執行激活的是電流電壓均不相同的脈衝，脈衝是怎樣產生的沒有在文獻中得到具體信息。但可以想見，這個溫控開關應該並非只是簡單的做到開關而已。

存在問題

自加熱，熱量從電池內部向外傳導，由於傳導梯度的存在，內部溫度高於外部溫度，文獻提及的一個測試值，當外部溫度達到10℃，內部溫度感測器檢測到的溫度已經達到30℃。而在另外一個方向上，也就是軟包電池大平面這個方向上，面內各點的加熱溫度也存在不一致的可能，面尺寸越大，不一致的可能性也越大。

於是研究人員針對加熱均勻性進行觀測試驗，用紅外攝像機觀察加熱過程中，記錄電池表面溫度的變化的全過程，設備安置如下圖所示。

從零下10℃到0℃的加熱過程，10Ah電芯在室溫下達到滿充狀態（4.2V或者0.5A充電電流），然後通過環境室冷卻至規定的低溫直至熱平衡。紅外攝像機調整好拍攝模式待命，當正極端子和激勵端子之間的開關打開時，自加熱過程開始，電池溫度開始升高。當熱電偶測量的背面溫度達到0°C時，開關打開，自加熱過程完成。紅外攝像機記錄自熱過程中電池表面溫度變化分布情況，如下圖所示。可以觀察到極耳位置溫度偏高，而軟包電池周邊溫度低於整體溫度。

這樣的溫度分布情形，是與前面的激勵模式和加熱時間直接相關的，因而加熱時間確實存在著上限，這個上限是由加熱的均勻性決定的，那麼改善加熱均勻性，降低熱傳導梯度就是提升加熱效果的關鍵。

4 總結

寫到這裡，其實對這種加熱方式還有沒搞明白的地方，比如加熱的脈衝是怎麼產生的，尤其是電流變化也就罷了，電壓竟然也是變化的。

自加熱一個明顯的風險在於，一旦溫控開關失效了怎麼辦，如果是一隻滿電的電池，把自己加熱到熱失控，電能還沒有消耗完。並且由於加熱速度快，內外部溫度梯度幾乎是難以避免的，這是電池材料自身的熱特性決定的。那麼是否這個加熱方法還需要配合電芯內部溫度感測器去持續監測內部溫度。

自加熱電池的優點當然是顯而易見的。不需要外部加熱設備，簡化了電氣系統，提高了系統的可靠性和穩定性；與傳統思路比，能耗低；尤其好的是速度快，秒級，基本不需要考慮預熱時間、策略問題，管理系統也簡化了。

參考文獻

1 Guangsheng Zhang， Visualization of self-heating of an all climate battery by infrared ；

2 Chao Yang WangA Fast Rechargeable Lithium-Ion Battery at Subfreezing；

3 T.A. Stuart， HEV battery heating using AC currents；

（圖片來自互聯網公開資料）

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