动力电池交流预热，一种跟随温度上升提高加热速率的无损加热策略

动力电池在寒冷环境中，如何获得更好的额工作性能，设想最多的是预热方式。预热主要分成内部加热和外部加热两大类。

外部加热，电动汽车当前比较常用的加热方法，一大类型是与冷却系统复合在一起的制热功能，比如热泵空调，热管、相变材料等等，这种制热系统中，加热过程以制冷的逆过程形式出现，制冷制热基本在一个系统内部进行，靠控制器和系统工作期间的物理、化学等属性实现制冷制热的切换，不确定这个系统的专业名称是什么，这里暂且给它起个名字，一体化热管理系统。另一种加热方法，专门针对电动汽车在寒冷环境下工作的需要设计，是一套独立的加热设备，与制冷无关，我们暂且称之为独立制热系统。当前应用的独立制热系统，主要有电阻加热器和电热膜加热两大类。

内部加热，原来主要指交流小振幅加热，通过给电池提供外部交流可控电源，利用电池脉冲充放电会自生热的特点给电池加热。经两年，我们又获得了自加热电池这个新理念。只是新理念还有待时间的考验。而交流加热，已经被研究多年，相对其他加热方式，交流加热速度快，能量消耗小。交流加热的一个主要问题是，这个方式对电池寿命会产生怎样的影响？

本文主体来自一篇发表在国外期刊上的一篇论文，设计并验证了一种交流加热策略，声明该策略下的交流加热对电池寿命不会有明显影响。于是原文翻译，希望对各位有参考价值。

如果只关心结论，先在这里给出：对锂电池使用交流加热方法预热，随着温度的上升可以逐步提高加热电流的幅值，以提高加热效率。经验证，针对特定的电池，可以有对的渐变加热电流幅值在提升加热速率的同时，又不会对电池寿命造成明显的影响。

摘要

开发了梯度加热策略，用交流电（AC）在低温下内部预热锂离子电池。开发了电热耦合模型，以实现快速发热和对电池寿命的较小损害之间的良好平衡。使用这个模型，确定在特定环境条件下最大发热率的最佳频率并通过实验验证。预热期间改变电流幅值的最佳时间由一定温度下，根据允许范围内的端电压的理论公式计算得到。实验结果表明，在最佳频率和可变电流幅度下的发热速度快，效率高，没有电压超限。电池可以在905秒内从-20°C加热到10°C，平均温升为1.99°C/min。所提出的交流加热策略经过实验验证，没有明显的电池寿命损坏，可以在工程设计中预热电动汽车中的电池。

1引言

锂离子电池具有能量密度高，电压高，污染小，循环寿命长等性能优势，通常被用作电动汽车的动力源[1]。然而，锂离子电池（LIBs）明显的不适合在零度以下的温度下充放电[2-4]。因此有必要在零度以下的温度下预热。目前，在寒冷环境中加热电池的主要方法是内部加热和外部加热。在已发表的文献中，外部加热方法主要包括液体或气体加热[5,6]，加热板[7]，加热管[8-10]，珀尔帖加热等[11-13]。

外部加热比较安全，易于实现，但是能量损失比较大，加热发电速度慢，电池温度不均匀增加。与外部加热相比，内部加热是电池本身产生热量的加热策略[14]。对内部加热方法进行了许多研究。Wang[15,16]发明了一种自发热电池，一块镍片安装在电池中，可以在-20℃或-30℃迅速加热到0℃分别在20s或30s内。但是，它改变了电池结构，无法在工程应用中使用现有电池。其他内部加热策略是正弦交流电（SAC）加热策略，经过数十个加热循环证实电池没有损坏，推荐作为内部加热的好方法[1,3,17-18]。实验证明，电流幅值越大，发热速率越快[19,20]。而电池可能会因高电流幅度而受到不可逆的损坏，因此可能导致安全电压范围超出且电池过度充电。所以选择电流幅值时应考虑电压并保持在合理的范围内[21]。然而，一些研究忽略了极化电压[3,17,18]。在低温下确保端电压在安全范围内的适当电流幅度仍未有明确说法。

本文提出了一种锂离子电池梯形加热策略，确定了某一温度下加热的最佳电流幅值，随温度的升高而变化，使电压保持在安全范围内。实验结果表明，电池可在905秒内从-20°C加热至10°C，平均温升为1.99°C/min。此外，已经进行了四十个循环的加热实验，电池寿命未受到显著影响。

2数学模型

对于18650电池，根据参考文献[1]，内部和表面之间的热量产生率是相当一致的。因此，电池被当做固体对待，并且可以通过以下来计算发热率：

……（1）

……（2）

其中，m是电池的质量；Cp是比热容；T是电池温度；t是时间；Q是发热率；Qn是电池外部的热损失，它包括：热对流和热辐射。通常热辐射被忽略。其中h是等效传热系数，S是电池表面积，Tamb是环境温度。

根据参考文献[1,17]，只考虑阻抗实部产生的热量。SAC加热发热率可以被描述为：

……（3）

其中，I是交流电流的输入幅度。RQ是整体阻抗的实际部分。结合电热耦合模型[30]，RQ可以表示为：

……（4）

其中Rohm是欧姆电阻，RD是电化学极化电阻。CD是双电层电容电容。根据阿列纽斯方程，RD可以描述为：

……（5）

其中Ea是活化能，A是预指数常数。应该防止过充电，并且在AC加热过程期间应该在最佳范围内监测激励电流的幅度。该允许的交流电流幅值应根据型号确定。由式（4）得到电阻，根据欧姆定律，k时刻端电压Ut[3]可表示为：

……（6）

……（7）

……（8）

3实验

这项研究中的被测电池是一个含有NCM阴极材料的商用18650电池，其规格如表1所示。本研究中使用的测试设备和测量设备也显示在表2中。对于EIS测量和以下AC加热测试，测试电池被调整到50％SOC。AutolabPP241阻抗分析仪测量EIS。在5mV振幅的正弦激励下，在104kHz至0.2Hz的频率范围内实施实验。热室在-20℃至5℃范围，每5℃控制和监测测试电池的温度。在EIS测试之前，电池被搁置在测试温度中超过4小时以确保达到热平衡。环境温度固定在-20℃。试验电池为50％SOC（充电状态），-20℃搁置在热室超过4个小时。电池温度由三个T型热电偶测量。然后用Kikusui双极电源在-20℃采用各种频率和幅度预热，产生正弦交流电。

为了研究频率对发热率的影响，为了确保不发生过充电，在1.5A下分别进行5Hz，10Hz，20Hz，30Hz，50Hz等各种频率的交流发热试验。然后在10Hz的恒定频率下，将电流幅度从3A变为15A，分析电流幅度对温升速率的影响。

为了加快升温速度，缩短加热时间，同时不会对电池造成任何损坏，如过电压，欠压，热滥用等，电流的幅度和频率要仔细确定。频率固定在10Hz。电流幅值的具体实现方法是：电流幅值在温度上升1摄氏度时增加一次，直到达到最大电流幅值。该加热策略重复40次，以验证其对电池寿命的影响。

4测试结果和讨论

4.1EIS在不同温度下的结果

随着温度的降低，该电池的EIS在实部和虚部中均增大。随着温度的降低，阻抗急剧增加，这意味着等效电路的参数对温度高度敏感。使用EIS数据对不同温度下的等效电路模型参数进行拟合。

4.2以1.5A的下不同频率和10Hz的不同电流幅度加热

各种交流信号频率下的温度演变，频率越低，温升越快。温度差异主要来自阻抗的变化。分别测试了10Hz下3A/6A/15A等不同电流幅值的交流加热试验，如图5所示。结果表明，当3A的交流加热电流幅值非常小时，温升不会明显升高。

随着电流的增加，温度有非常显着的增加。在1058s内，电池在-18°C至-14.1°C，-8°C，-15°C下分别以不同的电流3A，6A，15A以10Hz的频率加热。与图4相对，电池的温升，电流幅值比电流频率影响更加明显，因为根据式（3）Q和I之间的关系是平方的，电流的增加可以导致电池内部的剧烈发热率增加。因此，如果是为了更快的加热电芯，选择更适合的电流幅值比选择频率加热电芯的效果更明显。

4.3可变电流的梯形加热策略和对电池健康的影响

采用并实施梯形加热策略，在低温下以可变交流电从内部预热锂离子电池。图6显示了一个使用梯形加热策略的10Hz频率温升的典型实验和模拟结果。

可以清楚地看到，由于电流幅值较小，开始时电池温度缓慢上升，然后在-15℃左右，随着电流幅值的增加，电池温度明显上升。电池可在90秒内从-20℃加热到10℃。总体而言，所提出的策略提供了更简单的方法来快速且均匀地加热电池。尽管在加热之前会考虑可能缩短电池寿命的参数，但还需要验证电池寿命是否会受到影响。为了研究这种方法是否影响电池的健康状况，在30℃加热40次后进行容量校准。通过比较交流加热40次前后的容量校准，如表2所示，所有值几乎相同，这意味着没有明显的容量劣化。

5结论

在此研究中，用交流电低温预热锂离子电池，采用梯形加热策略进行。通过数学模型和实验验证了梯形加热方法的可靠性和有效性。为了实现较短的加热时间，高加热效率，电流幅度不应该是恒定的，可以精确地计算出来并且根据电池状态的变化而逐渐增加。

利用计算机将瞬态温度与中间温度进行比较。提出的梯队加热策略，可以在905秒内将测试电池从-20°C加热到10°C，并且电池的温度分布是一致的。实验结果完美验证了模拟结果，显示平均温升速率很快，达到1.99°C/min。重点关注梯形预热策略对电池寿命的影响，经验证40次加热，未发现明显的容量损失和明显的充放电性能衰退。所提出的可以对参数进行选择的加热策略，被证明对电池健康没有损害，可以考虑作为在寒冷天气预热电动汽车的备选方法。进一步的研究将集中在如何使用这种策略预热电池组。

注：EIS（(ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy）电化学阻抗谱方法，是一种以小振幅的正弦波电位（或电流）为扰动信号的电化学测量方法。由于以小振幅的电信号对体系扰动，一方面可避免对体系产生大的影响，另一方面也使得扰动与体系的响应之间近似呈线性关系，这就使测量结果的数学处理变得简单。交流阻抗法就是以不同频率的小幅值正弦波扰动信号作用于电极系统，由电极系统的响应与扰动信号之间的关系得到的电极阻抗，推测电极的等效电路，进而可以分析电极系统所包含的动力学过程及其机理，由等效电路中有关元件的参数值估算电极系统的动力学参数，如电极双电层电容，电荷转移过程的反应电阻，扩散传质过程参数等。