鋰離子電池低溫快速加熱方法研究進(jìn)展

王 軍，阮 琳，邱彥靚

（1中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190）

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(chē)具有廣闊的發(fā)展前景[1]。近年來(lái)，以純電動(dòng)汽車(chē)為主的新能源汽車(chē)發(fā)展迅猛，有望取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)[2-3]。動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響電動(dòng)汽車(chē)的安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性[4]。

續(xù)航里程、充電時(shí)間和使用安全性是電動(dòng)汽車(chē)在推廣過(guò)程中最重要的指標(biāo)[5]。鋰離子電池因其功率密度和能量密度高、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(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)[6-8]。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[9]、離子固相擴(kuò)散率減慢[10]、負(fù)極過(guò)電位增大[11]，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(jiàn)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[12]。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[13]。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[14-15]。

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(kāi)發(fā)低溫特性更好的電解液和電極材料[16]；②研究電池低溫加熱策略[17-19]。短期內(nèi)開(kāi)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(lái)，針對(duì)電池低溫加熱問(wèn)題，已經(jīng)有大量的學(xué)者做過(guò)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(chē)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[20]。針對(duì)外部加熱方法存在的問(wèn)題，學(xué)者們開(kāi)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(chē)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)展亟須進(jìn)一步總結(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(chē)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。

1 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(guò)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(guò)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[21]。相比之下，得益于放電過(guò)程中負(fù)極較高的電位，電池幾乎不存在析鋰的風(fēng)險(xiǎn)[22]。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[21]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)2.2 Ah的18650圓柱電池在2 C恒電流放電模式下可以在420 s 內(nèi)從-20 ℃升溫至15 ℃，加熱速度達(dá)到5 ℃/min；而相同的電池在2.8 V恒電壓放電模式下可以在360 s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[23]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)2.6 Ah 的商用18650 圓柱電池在1 C 和2 C 放電倍率下將電池從-10 ℃加熱至5 ℃分別耗時(shí)1080 s 和280 s，加熱過(guò)程耗能分別占到電池容量的30%和15%。Du等[24]研究發(fā)現(xiàn)恒電流放電的電流幅值與電池容量衰減率呈正相關(guān)，與加熱時(shí)間呈負(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[21]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4 C 恒流放電和2.2 V 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(wèn)題仍待解決。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[22]通過(guò)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2.43 V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[25]以電池自身為電源，通過(guò)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(guò)程能量損耗、提高加熱速度，Mohan等[26]提出以加熱過(guò)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(guò)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[27]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[22]，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(guò)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(guò)程中電池以高倍率電流放電，可能會(huì)造成電池過(guò)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(guò)程中超過(guò)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(guò)程實(shí)現(xiàn)加熱電池。Ji 等[21]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(guò)開(kāi)關(guān)管的通斷，使得兩組電池處于充電、放電的交替狀態(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1 s，環(huán)境溫度為-20 ℃，脈沖電壓幅值為2.8 V 時(shí)，將電池從-20 ℃加熱至20 ℃耗時(shí)220 s，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(guò)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[28-29]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(guò)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[30]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(lái)說(shuō)，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(guò)程中的能量消耗一般不超過(guò)電池容量的10%，加熱時(shí)間一般不超過(guò)5 min。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)[31]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(jiàn)圖1(b)，當(dāng)電池需要加熱時(shí)，開(kāi)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)，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19.5 s、29.6 s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。

對(duì)正極和激活極之間的開(kāi)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[32]提出了一種新的加熱控制策略使得電池加熱過(guò)程和正常工作可以同步進(jìn)行，見(jiàn)圖1(c)。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)處于正常行駛狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)處于制動(dòng)能量回收狀態(tài)，開(kāi)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(chē)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，仍然控制開(kāi)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112 s 內(nèi)將電池加熱至10 ℃，并使續(xù)航里程增加49%。Wang 等[33]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(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同環(huán)境溫度下該加熱策略的加熱效果及其對(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54 s、77 s、90 s 內(nèi)將電池加熱至10 ℃，加熱過(guò)程耗能低于2%的電池容量。

圖1 全氣候電池Fig.1 All-climate battery

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[34]。為提高加熱過(guò)程電池內(nèi)部的溫度均勻性，Yang 等[34]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[35]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(lái)說(shuō)，電池的加熱過(guò)程并不是持續(xù)進(jìn)行的，而是加熱過(guò)程和靜置過(guò)程周期交替進(jìn)行的。將電池在-20 ℃環(huán)境下加熱30 s 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0.1 s、靜置0.3 s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(guò)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[36]以一塊容量40 Ah、厚度34 mm 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(guò)熱。Lei等[37]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(kāi)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(guò)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(guò)熱威脅駕駛安全。

1.4 交流加熱法

交流加熱法通過(guò)對(duì)電池施加交流電流產(chǎn)生熱量，從內(nèi)部加熱電池。周期性的充、放電過(guò)程能夠快速加熱電池，并使得電池SOC 保持不變。交流加熱法可使用外部交流電源，使得加熱過(guò)程不消耗電池自身能量。在形式各樣的交流電波形中，正弦交流電應(yīng)用最為廣泛。

明確交流電流的參數(shù)對(duì)加熱性能的影響對(duì)于交流加熱法的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。Hande 等[38-39]設(shè)計(jì)了高頻變流器產(chǎn)生10～20 kHz 交變電流，并首先提出了以高頻交流電加熱NIMH 電池的加熱策略。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了交流電流的幅值、SOC和環(huán)境溫度對(duì)電池加熱時(shí)間的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著電流幅值的增加，加熱到相同溫度所需要的時(shí)間縮短。Ji等[21]建立了交流加熱法基于時(shí)間的電化學(xué)-熱耦合模型，從電化學(xué)機(jī)理的角度進(jìn)一步探究了交流電頻率對(duì)加熱性能的影響。為研究交流電頻率的影響，采用V(t)=3.8-cos(2πft)的交流電壓信號(hào)在-20 ℃環(huán)境下加熱電池。其中，電壓頻率試驗(yàn)值分別設(shè)為0.01 Hz、0.1 Hz、1 Hz、60 Hz和1000 Hz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電池加熱時(shí)間隨著交流電壓頻率的增加而減少。

改變交流電的幅值和頻率都將影響電池內(nèi)部產(chǎn)熱功率，進(jìn)而影響電池加熱速度。為縮短加熱時(shí)間，需要對(duì)交流電參數(shù)的選取作進(jìn)一步研究和優(yōu)化。Zhang等[40]建立了基于頻域的電池等效電路模型，如圖2(a)所示。以電池產(chǎn)熱模型為熱源，建立了電池集總參數(shù)熱模型以預(yù)測(cè)電池溫度。通過(guò)電-熱耦合模型，研究了不同熱邊界條件下交流電流幅值和頻率對(duì)加熱速度的影響。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，較高的電流幅值、較低的電流頻率和良好的保溫條件有利于提高電池加熱速度。并且，通過(guò)合理選取交流電流參數(shù)，可有效提高加熱速度、降低電池發(fā)生析鋰的風(fēng)險(xiǎn)。Ruan 等[41]發(fā)現(xiàn)采用固定參數(shù)的交流電對(duì)電池加熱時(shí)電池的升溫速度隨時(shí)間降低，并將之歸因于電池極化電壓的降低。為最大化加熱速度，以Jiang 等[42]提出的電池簡(jiǎn)化等效電路模型為基礎(chǔ)，建立了產(chǎn)熱量與極化電壓、阻抗的關(guān)系式。并由此提出了固定極化電壓幅值，以不同溫度下的最佳頻率值實(shí)時(shí)調(diào)整交流電流幅值的優(yōu)化加熱方法。采用優(yōu)化之后的加熱方法，電池從-15.4 ℃加熱到5.6 ℃僅需338 s，加熱速率為3.73 ℃/min。Li等[43]以電池安全電壓為限制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示了不同溫度下電流幅值和內(nèi)阻、頻率之間的依賴關(guān)系，并得到了電池產(chǎn)熱功率隨頻率的變化曲線。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同溫度下，存在最佳電流頻率和幅值組合使得電池產(chǎn)熱功率取到最大值?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)論，Li 等[44]提出了一種交流電參數(shù)溫度自適應(yīng)的交流電加熱優(yōu)化控制策略。在電池加熱過(guò)程中，依據(jù)電池溫度，梯級(jí)調(diào)整交流電的頻率和幅值。結(jié)果表明，利用所提出的優(yōu)化加熱方法使得電池最大加熱速度達(dá)到2.31 ℃/min。Zhang等[45]進(jìn)一步研究了交流電參數(shù)梯級(jí)調(diào)整的頻率對(duì)加熱性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，更高的梯級(jí)調(diào)整頻率有利于縮短加熱時(shí)間，從而達(dá)到的最大加熱速率高于4 ℃/min。

當(dāng)采用交流電流激勵(lì)對(duì)電池加熱，一般認(rèn)為降低交流電流頻率有利于提高加熱速度。然而，Shang等[46]研究表明在高頻范圍內(nèi)(通常高于10 kHz)，提高交流電流的頻率同樣可以提高加熱速度。Shang等[46]提出了基于LC 諧振電路產(chǎn)生高頻正弦交流電的交流加熱方法，實(shí)驗(yàn)研究了高頻電流的幅值和頻率對(duì)加熱速度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高頻范圍內(nèi)(通常高于10 kHz)，增加交流電的頻率和幅值都可以提高加熱速度。為優(yōu)化高頻交流加熱法的加熱效率，Shang等[47]建立了考慮高頻下電荷傳輸產(chǎn)熱影響的電-熱耦合模型，用于指導(dǎo)選取高頻交流電的幅值和頻率。采用優(yōu)化高頻交流電參數(shù)，最大加熱速率達(dá)到3.57 ℃/min，并且不會(huì)發(fā)生析鋰。

在實(shí)際工程應(yīng)用中調(diào)節(jié)交流電頻率難以實(shí)現(xiàn)。因此，通常采取固定交流電頻率，調(diào)節(jié)交流電幅值的方法提高加熱速度。但是，在低溫環(huán)境下，過(guò)大的交流電幅值可能會(huì)造成負(fù)極析鋰。因此，需要限定交流電幅值的范圍。Ge 等[48]以防止析鋰作為交流電幅值的限制條件。以電池SOC為0.5時(shí)的負(fù)極平衡電位為電池過(guò)電位的極限值，計(jì)算得到不同溫度和頻率下的最大允許電流值。提出了固定電流頻率，根據(jù)電池溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流幅值的梯級(jí)加熱方法。Mohan等[28]以電池制造商提供的電流和電壓限制為約束條件，采用預(yù)測(cè)控制的方法調(diào)整交流電流的幅值。Ruan 等[41]以電池極化電壓作為計(jì)算電流幅值的約束條件，其值設(shè)為0.5 V。Guo 等[49]以防止電池過(guò)充、過(guò)放為目標(biāo)，確定了路端電壓安全范圍，提出了以安全路端電壓為約束，實(shí)時(shí)計(jì)算最大允許電流幅值的階梯電流加熱法。在后續(xù)研究中，Guo等[50]提出了以防止析鋰和電池過(guò)充、過(guò)放作為確定電流幅值的約束條件，并以兩種約束條件下算得的最小值作為電流幅值最優(yōu)值。Jiang 等[51]以防止析鋰為約束條件，推導(dǎo)了不發(fā)生析鋰的電池過(guò)電壓閾值，并以此確定電流幅值范圍。結(jié)果表明，增大電流頻率有利于降低發(fā)生析鋰的風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)也會(huì)減少產(chǎn)熱量。

交流加熱法也可與外部加熱法相結(jié)合，進(jìn)一步提高加熱速度、降低加熱能耗。Sun等[52]提出將外部電源供能的電加熱薄膜貼于電池底面，以電池充、放電過(guò)程和電加熱薄膜產(chǎn)生的熱量同時(shí)對(duì)電池加熱。在-17 ℃和-27 ℃環(huán)境下，對(duì)比分析了加熱和不加熱情況下的電池放電曲線，采用所提出的復(fù)合加熱方法可以大幅提高電池放電容量。熊瑞等[53]提出一種結(jié)合交流電內(nèi)加熱和寬線金屬膜外加熱的復(fù)合加熱方法，如圖2(b)所示。當(dāng)電池需要加熱時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)打開(kāi)，外部電源施加的交流電流依次流經(jīng)寬線金屬薄膜和電池。當(dāng)電池溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)閉合，寬線金屬薄膜被短路，動(dòng)力電池正常充、放電。相較于交流電加熱法，該復(fù)合加熱方法的加熱能耗降低了23%，加熱速度提高了22%。

車(chē)載交流加熱方法中以電池放電產(chǎn)生交流電流的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同樣受到研究者們關(guān)注。Jiang等[51]以電池包自身為電源，設(shè)計(jì)了一種軟開(kāi)關(guān)LC 諧振電路用于產(chǎn)生交流電流，如圖2(c)所示。該諧振電路產(chǎn)生了交流電流和直流電流疊加的電流波形，利用該疊加電流可以提高對(duì)電池內(nèi)部阻抗的利用率，縮短加熱時(shí)間。采用所提出的方法加熱電池包，電池包溫度在600 s 內(nèi)從-20.8 ℃加熱至2.1 ℃，加熱速度達(dá)到2.29 ℃/min。加熱過(guò)程僅消耗6.64%的電池能量，且電池包內(nèi)的溫差僅為1.6 ℃。Shang等[47]基于LC諧振電路設(shè)計(jì)了車(chē)載高頻交流電流發(fā)生器，利用所產(chǎn)生的高頻交流電對(duì)電池加熱，使加熱速度達(dá)到3.57 ℃/min。Li等[54]提出利用現(xiàn)有的車(chē)載變頻器電路和電機(jī)組成交流電流發(fā)生器，如圖2(d)所示。通過(guò)晶閘管的通斷，實(shí)現(xiàn)電流在電池和電機(jī)之間的流動(dòng)，快速加熱電池和電機(jī)。當(dāng)電流幅值為4 C時(shí)，電池加熱速度可達(dá)到8.6 ℃/min。

圖2 交流加熱法Fig.2 AC heating method

調(diào)節(jié)交流電的幅值和頻率可以改變交流加熱法的加熱速度，但交流電參數(shù)對(duì)于電池老化的影響尚不明確。為此，Zhu 等[55]通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了交流電幅值、頻率對(duì)于電池溫升及電池老化的影響。研究發(fā)現(xiàn)，更高的電流頻率及更低的電流幅值有利于降低電池老化風(fēng)險(xiǎn)。如圖3(a)所示，在高頻電流作用下，電池激發(fā)時(shí)間極短，不發(fā)生電荷的轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散過(guò)程，因此不會(huì)發(fā)生析鋰。隨著電流頻率的降低，電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散。此時(shí)，若電流幅值較低，充電過(guò)程嵌入負(fù)極固相顆粒的鋰離子能夠在放電過(guò)程中完全脫嵌，因此不會(huì)產(chǎn)生死鋰，如圖3(b)；若電流幅值較高，充電過(guò)程產(chǎn)生的鋰離子不能完全嵌入負(fù)極固相顆粒，如圖3(c)。經(jīng)過(guò)多次充、放電循環(huán)之后，即會(huì)發(fā)生析鋰，造成電池容量的不可逆損失。Zhu 等[56]以不同幅值和頻率的交流電對(duì)電池循環(huán)加熱數(shù)百次，檢測(cè)了電池的容量、直流電阻和電化學(xué)阻抗，以此來(lái)評(píng)估電池的健康狀態(tài)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)電池拆解，利用掃描電子顯微鏡和能量色散X射線光譜技術(shù)研究了電池的內(nèi)部微觀形態(tài)。結(jié)果表明，在合理電壓閾值限制下，即使在低頻范圍(0.5 Hz)內(nèi)，交流加熱方法也不會(huì)明顯加劇電池容量衰減。

圖3 交流加熱法的低溫老化行為示意圖Fig.3 Schematic of low-temperature aging behavior with AC heating method

綜上所述，交流加熱法具有加熱速度快、能量利用效率高、溫均性好等顯著優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景廣闊。在具有外部交流電源的情況下，交流加熱法的加熱回路十分簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。對(duì)于車(chē)載交流加熱法而言，需要考慮外部交流電流發(fā)生器電路對(duì)系統(tǒng)成本和體積的影響。交流電頻率和幅值可調(diào)的特性，使得加熱過(guò)程可控，且存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。此外，充分研究和理解交流電流對(duì)電池老化的影響有利于實(shí)現(xiàn)高效、安全的加熱方法。然而，現(xiàn)有研究中，交流加熱法對(duì)電池老化的研究?jī)H停留在對(duì)電池容量的分析，還需要進(jìn)一步從電化學(xué)機(jī)理的角度研究。此外，目前文獻(xiàn)中交流加熱方法的應(yīng)用對(duì)象大多是電池單體，以電池模組和電池包為研究對(duì)象的文獻(xiàn)較少?？紤]到電池成組之后的不一致性，僅以電池單體為研究對(duì)象而發(fā)展的交流加熱法可能會(huì)導(dǎo)致電池組或電池包內(nèi)產(chǎn)熱不均勻，產(chǎn)生內(nèi)部溫度梯度，加速電池老化。

1.5 低溫快速加熱方法總結(jié)

以能量消耗、加熱速度、溫差(溫度均勻性)和電池老化作為性能指標(biāo)，對(duì)上述加熱方法進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比，如表1所示。

表1 低溫快速加熱方法總結(jié)Table 1 summary of rapid heating method

低溫快速加熱方法從內(nèi)部加熱電池，縮短了傳熱路徑，能夠達(dá)到快速加熱的目的。其中，自加熱鋰離子電池以內(nèi)部薄鎳片加熱電池，造成溫度均勻性較差。交流加熱法使用外部電源，其他加熱方法均需要消耗電池自身能量。能量消耗是評(píng)價(jià)加熱方法性能的重要指標(biāo)。加熱過(guò)程中可能發(fā)生的電池老化是低溫快速加熱方法的主要關(guān)注點(diǎn)。對(duì)于內(nèi)部自加熱法和自加熱鋰離子電池，其加熱過(guò)程電池處于放電狀態(tài)，雖然不會(huì)發(fā)生負(fù)極析鋰等直接損傷，但長(zhǎng)期高倍率放電會(huì)加速老化。對(duì)于MPH 加熱法，需要避免在低頻率、高SOC 工況下使用，以降低電池負(fù)極析鋰風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于交流加熱法，使用高頻電流有利于降低老化風(fēng)險(xiǎn)；而低頻電流應(yīng)謹(jǐn)慎使用，并需加以額外的限制(如電壓限制)避免對(duì)電池的不可逆損壞。

2 電池低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

低溫環(huán)境下，為恢復(fù)鋰離子電池的功率和容量、避免發(fā)生析鋰，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)需要提前將電池加熱至適宜溫度。然而，將電池從低溫加熱至適宜溫度需要消耗大量能量，這使得電池加熱技術(shù)相比于電池冷卻技術(shù)更加困難[57]。對(duì)于能量?jī)?chǔ)存有限的電動(dòng)汽車(chē)而言，電池加熱所消耗的能量將直接影響電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力。因此，為保證乘員艙舒適性和減少能量消耗，需要優(yōu)先考慮電池加熱方法的能量?jī)?yōu)化控制策略[58]。

對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言，電動(dòng)汽車(chē)冬季預(yù)熱時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。通常以設(shè)置合理的預(yù)熱目標(biāo)溫度及加熱功率縮短預(yù)熱時(shí)間。對(duì)于電池汽車(chē)的冷啟動(dòng)工況，目標(biāo)溫度一般設(shè)置為略高于0 ℃，此時(shí)電池已經(jīng)可以恢復(fù)大部分功率性能。而對(duì)于電池汽車(chē)的快充工況，為防止負(fù)極發(fā)生析鋰，則需要設(shè)置更高的預(yù)熱目標(biāo)溫度[59]。

電池、電池模組、電池包的性能除了與溫度相關(guān)，還與其溫度均勻性相關(guān)。不均勻的溫度分布將導(dǎo)致電流和SOC 分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致電池包容量下降、功率性能衰減、局部加速老化[60-61]。為此，加熱策略的設(shè)計(jì)需要考慮加熱過(guò)程中電池、電池模組及電池包的溫度分布均勻性，通常整體溫度差異需要控制在5 ℃以內(nèi)[62]。

電池不僅在低溫環(huán)境有加熱需求，在高溫環(huán)境也存在冷卻需求[63]。而在電池包中，加熱系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)共用工作空間，存在相互影響的可能性。因此，設(shè)計(jì)電池加熱系統(tǒng)時(shí)應(yīng)將不影響電池冷卻系統(tǒng)的工作和性能作為重要考慮因素，保證電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能夠高效執(zhí)行加熱和冷卻模式。

此外，電動(dòng)汽車(chē)的低溫加熱策略還需要考慮系統(tǒng)的成本、復(fù)雜度、可靠性等因素。綜上所述，電動(dòng)汽車(chē)低溫加熱策略的設(shè)計(jì)主要考慮以下因素：

（1）加熱策略的能量消耗；

（2）加熱策略的預(yù)熱時(shí)間；

（3）加熱過(guò)程中電池、電池模組、電池包的溫度均勻性；

（4）加熱策略對(duì)電池老化的影響；

（5）保證冷卻系統(tǒng)的性能；

（6）包括建設(shè)成本、工作成本、維持成本在內(nèi)的系統(tǒng)綜合成本；

（7）考慮加熱系統(tǒng)設(shè)備、重量、體積的系統(tǒng)復(fù)雜度；

（8）系統(tǒng)的安全性和可靠性。

低溫快速加熱方法主要以電池自身發(fā)熱達(dá)到加熱目的，一般不會(huì)對(duì)現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此，選取電池加熱策略設(shè)計(jì)目標(biāo)中的能量消耗、加熱速度、溫度均勻性、電池老化、系統(tǒng)復(fù)雜度、安全可靠性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以自加熱鋰離子電池的性能指標(biāo)作為基準(zhǔn)，依據(jù)表1對(duì)不同加熱方法進(jìn)行定性比較，如圖4所示。經(jīng)分析可知，交流加熱法相比于其他方法更具優(yōu)勢(shì)，尤其在能量消耗和電池老化方面。

圖4 不同方法性能對(duì)比Fig.4 Comparison of performance for various heating method

3 結(jié) 論

在低溫環(huán)境下，鋰離子電池的性能顯著下降。為提高動(dòng)力電池低溫性能，對(duì)其進(jìn)行加熱尤為重要。本文系統(tǒng)地綜述了低溫快速加熱方法的最新研究進(jìn)展，提出了電池加熱策略的設(shè)計(jì)目標(biāo)。最后，以電池加熱策略設(shè)計(jì)目標(biāo)的部分因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，橫向?qū)Ρ攘瞬煌椒ǖ膬?yōu)勢(shì)和不足。

低溫快速加熱方法在溫度均勻性、能量消耗及加熱速度等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。其中，內(nèi)部自加熱法可以應(yīng)用于處于行駛狀態(tài)的車(chē)輛，電池放電能量可用于驅(qū)動(dòng)其他車(chē)載用電設(shè)備。MPH 加熱法以電池、儲(chǔ)能元件、可控開(kāi)關(guān)器件組成回路以產(chǎn)生脈沖電流，優(yōu)化脈沖電流的幅值和頻率可實(shí)現(xiàn)安全、高效的加熱過(guò)程。自加熱鋰離子電池具有加速速度快、能量消耗低的優(yōu)勢(shì)，但其需要改造電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，安全可靠性有待驗(yàn)證。交流加熱法則需以準(zhǔn)確的電池模型為基礎(chǔ)，目前僅在單電池層面取得了較多的研究成果，對(duì)于電池模組/電池包層面的相關(guān)理論和模型仍需深入研究。

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用而言，低溫快速加熱方法的研究仍處于初級(jí)階段。低溫環(huán)境下如何高效、安全地加熱電池仍充滿挑戰(zhàn)。為加快內(nèi)部加熱法和復(fù)合地?zé)岱ǖ墓こ虘?yīng)用進(jìn)度，還存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題亟待解決。

（1）現(xiàn)有研究中加熱策略對(duì)電池老化的研究不足，電流參數(shù)在電化學(xué)機(jī)理層面對(duì)電池壽命的影響有待深入研究。后續(xù)研究應(yīng)建立電池的電化學(xué)模型，從機(jī)理層面揭示電流參數(shù)對(duì)電池老化的影響，明確不同運(yùn)行條件下電池不發(fā)生老化的電流參數(shù)范圍，進(jìn)一步提高加熱效率和安全性。

（2）現(xiàn)有加熱方法研究中研究對(duì)象多為單體電池，對(duì)于電池模組、電池包層面的研究不足，而模組內(nèi)的溫度均勻性將在很大程度上影響電池組的性能及老化速率。電池產(chǎn)熱模型和熱模型是低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，后續(xù)研究應(yīng)進(jìn)一步從單體電池、電池模組、電池包等層面研究準(zhǔn)確、高效的電-熱耦合模型，考慮電池不一致性的影響，提高溫度預(yù)測(cè)的精度和速度，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、加熱控制策略設(shè)計(jì)提供理論支撐。