來源：中國(guó)知網(wǎng)，儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)

作者：王軍，阮琳，邱彥靚

摘要：鋰離子電池的性能直接影響電動(dòng)汽車的續(xù)航、安全性和可靠性。低溫環(huán)境下，鋰離子電池功率特性變差、循環(huán)壽命衰減、可用容量降低，同時(shí)面臨低溫充電難、充電易析鋰等問題，這些因素阻礙了電動(dòng)汽車的發(fā)展。低溫加熱技術(shù)是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的核心技術(shù)之一，是緩解動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下性能衰減的關(guān)鍵。本文綜述了包括內(nèi)部自加熱法、MPH 加熱法、自加熱鋰離子電池、交流加熱法等低溫快速加熱方法的最新研究進(jìn)展，并總結(jié)了不同加熱方法的加速速度、能量消耗、循環(huán)容量損失等關(guān)鍵性能參數(shù)。另外歸納了動(dòng)力電池低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并對(duì)不同加熱方法性能進(jìn)行比較分析。分析結(jié)果表明，交流加熱法相比于其他方法更具優(yōu)勢(shì)，尤其在能量消耗、電池老化方面。最后，指出現(xiàn)有研究在電池老化機(jī)理研究、電池組/包層面加熱策略研究方面的不足，并展望了未來的研究方向。本文內(nèi)容有利于低溫加熱方法的發(fā)展和實(shí)際工程問題的解決，可為后續(xù)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的低溫快速加熱技術(shù)研究、低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；鋰離子電池；低溫快速加熱方法；設(shè)計(jì)目標(biāo)

隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的快速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求與日俱增，在交通領(lǐng)域更甚。而在化石能源日益枯竭和環(huán)境污染的大背景下，新能源汽車具有廣闊的發(fā)展前景。近年來，以純電動(dòng)汽車為主的新能源汽車發(fā)展迅猛，有望取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車。動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響電動(dòng)汽車的安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性。

續(xù)航里程、充電時(shí)間和使用安全性是電動(dòng)汽車的推廣過程中最重要的指標(biāo)。鋰離子電池因其高功率密度、高能量密度、電壓高、使用壽命長(zhǎng)、自放電率低等特性，而被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)。然而鋰離子電池的性能受環(huán)境溫度的影響顯著。尤其在低溫環(huán)境下，鋰離子電池的電解液和固體電解質(zhì)界面膜(solid electrolyte interphase, SEI)的電導(dǎo)率降低、離子固相擴(kuò)散率減慢、負(fù)極過電位增大，這些因素都將導(dǎo)致鋰離子電池的輸出功率、能量密度和使用壽命大幅衰減，甚至影響駕駛安全性。常見的以石墨為負(fù)極的鋰離子電池工作于-10℃時(shí)，容量和工作電壓會(huì)明顯降低。而在-20℃的極端環(huán)境下，鋰離子電池的內(nèi)阻更是陡增，顯著削弱電池的充、放電性能。同時(shí)，在低溫環(huán)境下，電池充電時(shí)發(fā)生析鋰的風(fēng)險(xiǎn)增加，鋰枝晶生長(zhǎng)將刺穿電池隔膜，造成電池內(nèi)部短路，對(duì)電池造成不可逆損傷。

目前主要從兩個(gè)方面提高動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下的性能：①研究開發(fā)低溫特性更好的電解液和電極材料；②研究電池低溫加熱策略。短期內(nèi)開發(fā)出能夠適應(yīng)低溫環(huán)境的電池材料難以保證。相比之下，從電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的角度研究低溫加熱策略更具可行性。

近年來，針對(duì)電池低溫加熱問題，已經(jīng)有大量的學(xué)者做過研究和分析。目前，低溫加熱策略的研究主要集中于實(shí)現(xiàn)難度較低的外部加熱方法。外部加熱法的熱源位于電池外部，具有較為成熟的理論基礎(chǔ)和豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，目前商用電動(dòng)汽車大多采用這一解決方案。但是外部加熱法存在加熱速度慢、能量利用效率低、溫度分布不均勻等固有缺陷。針對(duì)外部加熱方法存在的問題，學(xué)者們開始研究電池內(nèi)部產(chǎn)熱的低溫快速加熱方法，如交流加熱法、內(nèi)部自加熱法、自加熱鋰離子電池等。相比于外部加熱方法，低溫快速加熱方法具有加熱速度快、能量利用效率高、溫度分布均勻等優(yōu)勢(shì)。但是，對(duì)于電動(dòng)汽車應(yīng)用而言，低溫快速加熱方法的研究仍存在很多難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。一方面，為尋求縮短加熱時(shí)間和延長(zhǎng)電池壽命之間的平衡，激勵(lì)電流參數(shù)需要優(yōu)化。另一方面，激勵(lì)電流對(duì)電池老化的影響缺乏電化學(xué)機(jī)理層面的研究，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，對(duì)于動(dòng)力電池低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)指標(biāo)，不利于工程推廣應(yīng)用。

低溫快速加熱方法仍有很多難點(diǎn)需要解決，相關(guān)理論和特性的最新研究進(jìn)展亟需加以總結(jié)。鑒于此，本文對(duì)低溫快速加熱方法相關(guān)理論和特性的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并提出了低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)指標(biāo)，旨在為后續(xù)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的低溫加熱技術(shù)研究和低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

01 低溫快速加熱方法

低溫快速加熱方法利用其在低溫下的高阻抗特性在充放電過程中產(chǎn)生大量電化學(xué)熱，從內(nèi)部加熱電池。這種加熱方式有效克服了電池自身材料的低導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)加熱速度的限制，簡(jiǎn)化了傳熱路徑。因此，低溫快速加熱方法具有加熱速度快、能量損耗低、溫度均勻性高等優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)有的低溫快速加熱方法可依據(jù)加熱電路差異劃分為內(nèi)部自加熱法、MPH(mutual pulse heating)加熱法、自加熱鋰離子電池、交流加熱法。內(nèi)部自加熱法以電池自身及外部負(fù)載構(gòu)成加熱電路；MPH 加熱法以電池自身、外部?jī)?chǔ)能元件（如電池或電容器）構(gòu)成加熱電路；自加熱鋰離子電池不需要外部電路；交流加熱法一般以外部交流電源和電池組成加熱電路。

1.1 內(nèi)部自加熱法

一般而言通過對(duì)電池進(jìn)行充電或放電都可以達(dá)到自加熱的目的。但在低溫環(huán)境下，對(duì)電池充電存在析鋰的風(fēng)險(xiǎn)。因此，必須嚴(yán)格控制充電電流的幅值，這就導(dǎo)致充電加熱法的加熱速度很慢。相比之下，得益于放電過程中負(fù)極較高的電位，電池幾乎不存在析鋰的風(fēng)險(xiǎn)。因此，放電自加熱法更具應(yīng)用價(jià)值。就簡(jiǎn)單應(yīng)用而言，存在恒電壓放電和恒電流放電兩種模式。

Ji 等對(duì)電池建立了電化學(xué)-熱耦合模型，研究比較了恒電壓放電和恒電流放電兩種模式。根據(jù)仿真結(jié)果，一節(jié) 2.2Ah 的 18650 圓柱電池在 2C 恒電流放電模式下可以在 420s 內(nèi)從-20℃升溫至 15℃，加熱速度達(dá)到 5℃/min；而相同的電池在 2.8V 恒電壓放電模式下可以在 360s 內(nèi)從-20℃升溫至 20℃，加熱速度達(dá)到 6.67℃/min。提高恒電流放電的放電電流或降低恒電壓放電的放電電壓可以進(jìn)一步提高加熱速度，但需要避免電池電壓降至截止電壓以下及加速電池老化。Wu 等進(jìn)一步研究了恒電流放電模式下放電倍率、加熱速度和能量消耗之間的關(guān)系。結(jié)果表明，一節(jié) 2.6Ah 的商用 18650 圓柱電池在 1C 和 2C 放電倍率下將電池從-10℃加熱至 5℃分別耗時(shí) 1080s 和 280s，加熱過程耗能分別占到電池容量的 30%和 15%。Du 等研究發(fā)現(xiàn)恒電流放電的電流幅值與電池容量衰減率成正相關(guān)，與加熱時(shí)間成負(fù)相關(guān)。為了尋求容量衰減和加熱時(shí)間的平衡，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法優(yōu)化電池放電電流。采用優(yōu)化之后的恒電流放電加熱策略能使加熱速度最快達(dá)到 2.1℃/min。

為了明確恒電流放電模式和恒電壓放電模式對(duì)電池的影響，Ji 等提出以表征固相擴(kuò)散率的變量iSOC 作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。選定產(chǎn)熱量接近的 4C 恒流放電和 2.2V 恒壓放電作為計(jì)算工況，將隔膜附近 iSOC的值表示為時(shí)間的函數(shù)。放電一段時(shí)間后，恒壓放電模式的 iSOC 值基本穩(wěn)定，而恒流放電模式的 iSOC值則起伏較大。由于低溫環(huán)境下固相擴(kuò)散率的限制，不穩(wěn)定的 iSOC 值可能會(huì)導(dǎo)致電池停止工作。因此，為了保證電池工作的可靠性，采用恒壓放電加熱方法更具可行性。

恒壓放電加熱方法兼具加熱速度快、安全可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但如何實(shí)現(xiàn)更快的加熱速度、更高的能量利用效率并減少對(duì)電池循環(huán)壽命的損傷等問題仍有待解決。為明確低溫環(huán)境下恒壓放電工況對(duì)電池老化的影響，并進(jìn)一步提高加熱速度，Ruan 等通過恒壓放電循環(huán)加熱老化實(shí)驗(yàn)得到了-30℃環(huán)境下描述電池放電電壓和老化程度的半經(jīng)驗(yàn)老化模型。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電池放電電壓與加熱時(shí)間成正相關(guān)，而與電池老化程度成負(fù)相關(guān)。為了尋求加熱速度和電池老化之間的平衡，以加熱速率和容量損耗為優(yōu)化目標(biāo)，利用基因遺傳算法得到不同權(quán)重下的最優(yōu)電壓值。當(dāng)權(quán)重為 0.3 時(shí)，電池以最優(yōu)電壓值 2.43V 循環(huán)加熱電池 2000 次后的容量損失僅為 4.95%，而加熱速度達(dá)到 18.7℃/min。

內(nèi)部自加熱法可與其他外部加熱方法相結(jié)合，提高對(duì)電池輸出能量的利用效率。Mohan 等以電池自身為電源，通過 DC/DC 電路驅(qū)動(dòng)加熱器產(chǎn)熱。加熱器加熱冷空氣，同時(shí)以風(fēng)扇使熱空氣在電池包內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。此時(shí)，電池自身產(chǎn)熱和外部熱空氣共同加熱電池。為了減少加熱過程能量損耗、提高加熱速度，Mohan 等提出以加熱過程能量損耗為優(yōu)化目標(biāo)，以電池廠商提供的電流、電壓限制為約束條件，計(jì)算得到 DC/DC 電路中晶閘管的優(yōu)化控制信號(hào)。研究表明，電池優(yōu)化放電過程為恒壓放電、恒流放電和靜息期的組合，采用優(yōu)化放電方法可使電池加熱速度達(dá)到 16℃/min。Ruan 等將薄膜加熱器貼于電池表面，以電池放電能量驅(qū)動(dòng)加熱器，提出了恒壓放電內(nèi)部自加熱法與外部加熱法相結(jié)合的復(fù)合加熱方法。分別建立了電池的分布式等效熱路模型、等效電路模型和電池老化模型，用于分析和優(yōu)化所提出的復(fù)合加熱方法性能。采用遺傳優(yōu)化算法以加熱速度、容量損失和電池溫差為優(yōu)化目標(biāo)，以電池電壓和電池表面熱阻為約束條件，得到了不同權(quán)重系數(shù)下的電池最優(yōu)放電電壓。相比于恒壓放電內(nèi)部自加熱法，采用優(yōu)化復(fù)合加熱方法可使電池加熱速度提高 60.8%，能量消耗降低 54.8%，容量不可逆損失減少 45.2%。

內(nèi)部自加熱法電路構(gòu)成簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低，并且具有相當(dāng)高的加熱速度。但其加熱過程中大量能量消耗在外部負(fù)載上，未得到充分利用，導(dǎo)致內(nèi)部自加熱法的能量利用效率偏低。加熱過程中電池以高倍率電流放電，可能會(huì)造成電池過放電及增加電池老化的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，內(nèi)部自加熱法加熱過程中超過 15%的電池容量消耗使得其僅適用于電池荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)較高的工況下使用，否則將導(dǎo)致電池能量耗盡。

1.2 MPH 加熱法

MPH 加熱法以電池與另一儲(chǔ)能元件（如電池、電容）組成加熱回路，以電池的充放電過程實(shí)現(xiàn)加熱電池。Ji 等將電池包中的電池劃分為容量相等的兩組，并以升壓電路將兩組電池連接。通過開關(guān)管的通斷，使得兩組電池交替處于充電、放電的狀態(tài)。為保證兩組電池容量的平衡，將兩組電池充、放電的時(shí)間設(shè)為相等。研究發(fā)現(xiàn)，相比于內(nèi)部自加熱方法，雙向脈沖電流加熱法能夠?qū)崿F(xiàn)更高的加熱速度和能量利用效率，并且降低了電池老化的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)設(shè)定脈沖間隔為 1s，環(huán)境溫度為-20℃，脈沖電壓幅值為2.8V 時(shí)，將電池從-20℃加熱至 20℃耗時(shí) 220s，加熱速度達(dá)到 10.9℃/min，而能量消耗為電池容量的5%。

為達(dá)到更高的加熱速度并減少加熱過程中的電池老化風(fēng)險(xiǎn)和能量損耗，需要對(duì)脈沖電流的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選取。Mohan 等以加熱時(shí)間和能量消耗為優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化雙向脈沖電流參數(shù)。在加熱過程中，以電池輸出的脈沖功率恢復(fù)程度作為加熱結(jié)束的指標(biāo)。結(jié)果表明，優(yōu)化之后的雙向脈沖電流加熱法相比于恒壓放電加熱法降低了 35%的能量消耗。Wu 等基于電池二階等效電路建立了頻域電-熱耦合模型，為防止電池處于充電狀態(tài)時(shí)發(fā)生析鋰，需要在不同溫度和頻率下對(duì)脈沖電流的幅值加以限制。以電池 SOC為 0.5 時(shí)負(fù)極發(fā)生析鋰的臨界平衡電壓為限制條件，得到了不同溫度下的最優(yōu)脈沖電流頻率和幅值。采用優(yōu)化之后的脈沖電流參數(shù)對(duì)電池加熱，得到的最大加熱速度為 4.87℃/min，循環(huán)加熱 30 次后的容量損失為 0.035%。

總的來說，MPH 加熱法能夠?qū)崿F(xiàn)較高的加熱速度，保證良好的溫度均勻性。相比于放電自加熱方法，MPH 加熱法消耗的電池能量大都用于電池內(nèi)部產(chǎn)熱，僅有較少的能量消耗在外部電路上。因此，MPH 加熱法的能量利用效率較高。加熱過程中的能量消耗一般不超過電池容量的 10%，加熱時(shí)間一般不超過 5分鐘。為減少脈沖電流加熱策略對(duì)電池老化的影響，需要從模型出發(fā)優(yōu)化脈沖電流的幅值和頻率。

1.3 自加熱鋰離子電池

2016 年賓夕法尼亞大學(xué)王朝陽(yáng)團(tuán)隊(duì)首次提出了一種稱為“全氣候電池”的電池新結(jié)構(gòu)，如圖 1(a)所示。該結(jié)構(gòu)將具有一定阻值的薄鎳片預(yù)埋入電池內(nèi)部，以薄鎳片為熱元件從內(nèi)部對(duì)電池加熱。薄鎳片引出兩個(gè)極耳，其中一個(gè)極耳連至電池負(fù)極，另一個(gè)極耳單獨(dú)引出一極，稱為激活極（activation terminal，ACT）。見圖 1(b)，當(dāng)電池需要加熱時(shí)，開關(guān)閉合，將激活極與正極連接，電流流經(jīng)電池自身及薄鎳片產(chǎn)生熱量對(duì)電池加熱。當(dāng)電池達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時(shí)，開關(guān)斷開，薄鎳片被旁路，電池正常工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的自加熱鋰離子電池能夠分別在-20℃、-30℃環(huán)境溫度下在 19.5s、29.6s 內(nèi)將電池加熱到0℃，分別消耗 3.8%、5.5%的電池容量使加熱速度達(dá)到 61.2℃/min、60.8℃/min。

圖 1 全氣候電池

對(duì)正極和激活極之間的開關(guān)施加不同的控制信號(hào)，可使自加熱鋰離子電池適用不同的應(yīng)用場(chǎng)景。Zhang 等提出了一種新的加熱控制策略使得電池加熱過程和正常工作可以同步進(jìn)行。見圖 1(c)，當(dāng)電動(dòng)汽車處于正常行駛狀態(tài)時(shí)，開關(guān)斷開；當(dāng)電動(dòng)汽車處于制動(dòng)能量回收狀態(tài)，開關(guān)閉合，使得制動(dòng)電流流經(jīng)薄鎳片進(jìn)而加熱電池；當(dāng)電動(dòng)汽車處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，仍然控制開關(guān)閉合，電池放電電流流經(jīng)薄鎳片和自身內(nèi)阻進(jìn)而加熱電池。結(jié)果表明，在 US06 行駛工況下該方法能夠在-40℃環(huán)境中在 112s 內(nèi)將電池加熱至 10℃，并使續(xù)航里程增加 49%。Wang 等進(jìn)一步研究了自加熱鋰離子電池在充電狀態(tài)下的加熱方法，并提出了在正極和激活極之間施加脈沖電流的控制策略。通過實(shí)驗(yàn)研究了不同環(huán)境溫度下該加熱策略的加熱性能及其對(duì)電池循環(huán)壽命的影響。結(jié)果表明，該加熱控制策略能夠分別在-10℃、-20℃、-30℃環(huán)境溫度下分別在 54s、77s、90s 內(nèi)將電池加熱至 10℃，加熱過程耗能低于 2%的電池容量。

自加熱鋰離子電池可以在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量，并且薄鎳片產(chǎn)生的熱量占主導(dǎo)。然而，電芯的疊層結(jié)構(gòu)使電池在厚度方向僅有很小的傳熱系數(shù)，造成電池內(nèi)部形成了從薄鎳片指向電池外表面的很大的溫度梯度。電池內(nèi)部不均勻的溫度分布進(jìn)一步造成了電流分布不均勻，影響加熱效率及電池壽命。為提高加熱過程電池內(nèi)部的溫度均勻性，Yang 等提出了鎳片多片并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即在電池內(nèi)部不同位置處并聯(lián)布置多個(gè)鎳片，如圖 1(d)所示。采用所提出的多片并聯(lián)加熱結(jié)構(gòu)能夠顯著提高電池內(nèi)部溫度均勻性。當(dāng)采用三片并聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)，電池內(nèi)部的最大溫差可以控制在 5℃以內(nèi)。同時(shí)，采用多片并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以顯著降低能量消耗，當(dāng)采用三片并聯(lián)結(jié)構(gòu)時(shí)，加熱能量消耗相比于單片結(jié)構(gòu)降低了 27%。Lei 等提出了間歇性加熱策略以提高自加熱鋰離子電池的溫度均勻性。具體來說，電池的加熱過程并不是持續(xù)進(jìn)行的，而是加熱過程和靜置過程周期交替進(jìn)行的。將電池在-20℃環(huán)境下加熱 30s 后，采取持續(xù)加熱策略的電池內(nèi)部溫差可達(dá) 11℃，而采取加熱 0.1s、靜置 0.3s 的間歇性加熱策略的溫差僅為 2℃。

盡管自加熱鋰離子電池內(nèi)部在加熱過程中會(huì)產(chǎn)生一定的溫度梯度，但其溫均性和加熱速度相較于傳統(tǒng)外部加熱方法仍具有顯著優(yōu)勢(shì)。Yang 等以一塊容量 40Ah、厚度 34mm 的鋰電池為研究對(duì)象，從加熱速率、局部最高溫度兩方面比較了內(nèi)部自加熱法、外部電阻加熱法、自加熱鋰離子電池的性能。在相同條件下，自加熱鋰離子電池的加熱速度約為 60℃/min，而外部電阻加熱法的加熱速率僅為 1℃/min。盡管增大外部電阻的加熱功率可以提高加熱速度，但電池厚度方向的低導(dǎo)熱系數(shù)卻可能導(dǎo)致熱量在電池表面積聚而發(fā)生局部過熱。Lei 等建立了三維有限元模型研究雙片并聯(lián)結(jié)構(gòu)自加熱鋰離子電池和寬線金屬薄膜加熱法的暫態(tài)熱特性。仿真分析結(jié)果表明，在相同條件下，寬線金屬薄膜加熱法的最大溫差是雙片并聯(lián)結(jié)構(gòu)自加熱鋰離子電池的三倍。研究發(fā)現(xiàn)，降低加熱功率、減小電池厚度、延長(zhǎng)靜置時(shí)間等策略可以進(jìn)一步提高自加熱鋰離子電池的溫度均勻性。

自加熱鋰離子電池具有相當(dāng)高的加熱速度并且能量利用效率高，延長(zhǎng)了低溫環(huán)境下電池的循環(huán)壽命。同時(shí)，對(duì)正極與激活極之間的開關(guān)施加不同的控制策略可使自加熱鋰離子電池適用于放電加熱、充電加熱、正常行駛加熱等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。盡管自加熱鋰離子電池可能會(huì)造成電池內(nèi)部溫度分布不均勻，但通過多片并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或間歇式加熱策略可有效控制最大溫差。然而，自加熱鋰離子電池需要改動(dòng)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了電池的能量密度。同時(shí)，一旦電池發(fā)生熱失控，嵌入電池內(nèi)部的高活性鎳片將使電池面臨嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，自加熱鋰離子電池需要采取謹(jǐn)慎而有效的控制策略并且準(zhǔn)確監(jiān)控和預(yù)測(cè)電池內(nèi)部溫度，防止電池發(fā)生過熱威脅駕駛安全。

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