來源：中國知網，儲能科學與技術

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汽車的續航、安全性和可靠性。低溫環境下，鋰離子電池功率特性變差、循環壽命衰減、可用容量降低，同時面臨低溫充電難、充電易析鋰等問題，這些因素阻礙了電動汽車的發展。低溫加熱技術是電池熱管理系統的核心技術之一，是緩解動力電池在低溫環境下性能衰減的關鍵。本文綜述了包括內部自加熱法、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展，并總結了不同加熱方法的加速速度、能量消耗、循環容量損失等關鍵性能參數。另外歸納了動力電池低溫熱管理系統的設計目標，并對不同加熱方法性能進行比較分析。分析結果表明，交流加熱法相比于其他方法更具優勢，尤其在能量消耗、電池老化方面。最后，指出現有研究在電池老化機理研究、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。本文內容有利于低溫加熱方法的發展和實際工程問題的解決，可為后續電動汽車動力電池的低溫快速加熱技術研究、低溫熱管理系統設計提供參考。

關鍵詞：電動汽車；鋰離子電池；低溫快速加熱方法；設計目標

隨著經濟、社會的快速發展，人類對能源的需求與日俱增，在交通領域更甚。而在化石能源日益枯竭和環境污染的大背景下，新能源汽車具有廣闊的發展前景。近年來，以純電動汽車為主的新能源汽車發展迅猛，有望取代傳統內燃機汽車。動力電池是電動汽車的關鍵部件之一，其性能直接影響電動汽車的安全性、舒適性和經濟性。

續航里程、充電時間和使用安全性是電動汽車的推廣過程中最重要的指標。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、自放電率低等特性，而被廣泛應用于電動汽車的能源儲存系統。然而鋰離子電池的性能受環境溫度的影響顯著。尤其在低溫環境下，鋰離子電池的電解液和固體電解質界面膜(solid electrolyte interphase, SEI)的電導率降低、離子固相擴散率減慢、負極過電位增大，這些因素都將導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。常見的以石墨為負極的鋰離子電池工作于-10℃時，容量和工作電壓會明顯降低。而在-20℃的極端環境下，鋰離子電池的內阻更是陡增，顯著削弱電池的充、放電性能。同時，在低溫環境下，電池充電時發生析鋰的風險增加，鋰枝晶生長將刺穿電池隔膜，造成電池內部短路，對電池造成不可逆損傷。

目前主要從兩個方面提高動力電池在低溫環境下的性能：①研究開發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。短期內開發出能夠適應低溫環境的電池材料難以保證。相比之下，從電池熱管理系統的角度研究低溫加熱策略更具可行性。

近年來，針對電池低溫加熱問題，已經有大量的學者做過研究和分析。目前，低溫加熱策略的研究主要集中于實現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和豐富的工程經驗，目前商用電動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。針對外部加熱方法存在的問題，學者們開始研究電池內部產熱的低溫快速加熱方法，如交流加熱法、內部自加熱法、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、溫度分布均勻等優勢。但是，對于電動汽車應用而言，低溫快速加熱方法的研究仍存在很多難點和挑戰。一方面，為尋求縮短加熱時間和延長電池壽命之間的平衡，激勵電流參數需要優化。另一方面，激勵電流對電池老化的影響缺乏電化學機理層面的研究，存在較大的安全風險。此外，對于動力電池低溫熱管理系統缺乏統一的設計標準和評價指標，不利于工程推廣應用。

低溫快速加熱方法仍有很多難點需要解決，相關理論和特性的最新研究進展亟需加以總結。鑒于此，本文對低溫快速加熱方法相關理論和特性的最新研究進展進行綜述，并提出了低溫熱管理系統的設計標準和評價指標，旨在為后續電動汽車動力電池的低溫加熱技術研究和低溫熱管理系統設計提供參考。

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生大量電化學熱，從內部加熱電池。這種加熱方式有效克服了電池自身材料的低導熱系數對加熱速度的限制，簡化了傳熱路徑。因此，低溫快速加熱方法具有加熱速度快、能量損耗低、溫度均勻性高等優勢。

現有的低溫快速加熱方法可依據加熱電路差異劃分為內部自加熱法、MPH(mutual pulse heating)加熱法、自加熱鋰離子電池、交流加熱法。內部自加熱法以電池自身及外部負載構成加熱電路；MPH 加熱法以電池自身、外部儲能元件（如電池或電容器）構成加熱電路；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 內部自加熱法

一般而言通過對電池進行充電或放電都可以達到自加熱的目的。但在低溫環境下，對電池充電存在析鋰的風險。因此，必須嚴格控制充電電流的幅值，這就導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極較高的電位，電池幾乎不存在析鋰的風險。因此，放電自加熱法更具應用價值。就簡單應用而言，存在恒電壓放電和恒電流放電兩種模式。

Ji 等對電池建立了電化學-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。根據仿真結果，一節 2.2Ah 的 18650 圓柱電池在 2C 恒電流放電模式下可以在 420s 內從-20℃升溫至 15℃，加熱速度達到 5℃/min；而相同的電池在 2.8V 恒電壓放電模式下可以在 360s 內從-20℃升溫至 20℃，加熱速度達到 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系。結果表明，一節 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 1080s 和 280s，加熱過程耗能分別占到電池容量的 30%和 15%。Du 等研究發現恒電流放電的電流幅值與電池容量衰減率成正相關，與加熱時間成負相關。為了尋求容量衰減和加熱時間的平衡，采用動態規劃算法優化電池放電電流。采用優化之后的恒電流放電加熱策略能使加熱速度最快達到 2.1℃/min。

為了明確恒電流放電模式和恒電壓放電模式對電池的影響，Ji 等提出以表征固相擴散率的變量iSOC 作為評價指標。選定產熱量接近的 4C 恒流放電和 2.2V 恒壓放電作為計算工況，將隔膜附近 iSOC的值表示為時間的函數。放電一段時間后，恒壓放電模式的 iSOC 值基本穩定，而恒流放電模式的 iSOC值則起伏較大。由于低溫環境下固相擴散率的限制，不穩定的 iSOC 值可能會導致電池停止工作。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、安全可靠性高等優點，但如何實現更快的加熱速度、更高的能量利用效率并減少對電池循環壽命的損傷等問題仍有待解決。為明確低溫環境下恒壓放電工況對電池老化的影響，并進一步提高加熱速度，Ruan 等通過恒壓放電循環加熱老化實驗得到了-30℃環境下描述電池放電電壓和老化程度的半經驗老化模型。實驗發現，電池放電電壓與加熱時間成正相關，而與電池老化程度成負相關。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化目標，利用基因遺傳算法得到不同權重下的最優電壓值。當權重為 0.3 時，電池以最優電壓值 2.43V 循環加熱電池 2000 次后的容量損失僅為 4.95%，而加熱速度達到 18.7℃/min。

內部自加熱法可與其他外部加熱方法相結合，提高對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 電路驅動加熱器產熱。加熱器加熱冷空氣，同時以風扇使熱空氣在電池包內循環流動。此時，電池自身產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化目標，以電池廠商提供的電流、電壓限制為約束條件，計算得到 DC/DC 電路中晶閘管的優化控制信號。研究表明，電池優化放電過程為恒壓放電、恒流放電和靜息期的組合，采用優化放電方法可使電池加熱速度達到 16℃/min。Ruan 等將薄膜加熱器貼于電池表面，以電池放電能量驅動加熱器，提出了恒壓放電內部自加熱法與外部加熱法相結合的復合加熱方法。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，用于分析和優化所提出的復合加熱方法性能。采用遺傳優化算法以加熱速度、容量損失和電池溫差為優化目標，以電池電壓和電池表面熱阻為約束條件，得到了不同權重系數下的電池最優放電電壓。相比于恒壓放電內部自加熱法，采用優化復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%。

內部自加熱法電路構成簡單，實現成本低，并且具有相當高的加熱速度。但其加熱過程中大量能量消耗在外部負載上，未得到充分利用，導致內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，可能會造成電池過放電及增加電池老化的風險。同時，內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(state of charge, SOC)較高的工況下使用，否則將導致電池能量耗盡。

1.2 MPH 加熱法

MPH 加熱法以電池與另一儲能元件（如電池、電容）組成加熱回路，以電池的充放電過程實現加熱電池。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。通過開關管的通斷，使得兩組電池交替處于充電、放電的狀態。為保證兩組電池容量的平衡，將兩組電池充、放電的時間設為相等。研究發現，相比于內部自加熱方法，雙向脈沖電流加熱法能夠實現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險。當設定脈沖間隔為 1s，環境溫度為-20℃，脈沖電壓幅值為2.8V 時，將電池從-20℃加熱至 20℃耗時 220s，加熱速度達到 10.9℃/min，而能量消耗為電池容量的5%。

為達到更高的加熱速度并減少加熱過程中的電池老化風險和能量損耗，需要對脈沖電流的參數進行優化選取。Mohan 等以加熱時間和能量消耗為優化目標優化雙向脈沖電流參數。在加熱過程中，以電池輸出的脈沖功率恢復程度作為加熱結束的指標。結果表明，優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時發生析鋰，需要在不同溫度和頻率下對脈沖電流的幅值加以限制。以電池 SOC為 0.5 時負極發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脈沖電流頻率和幅值。采用優化之后的脈沖電流參數對電池加熱，得到的最大加熱速度為 4.87℃/min，循環加熱 30 次后的容量損失為 0.035%。

總的來說，MPH 加熱法能夠實現較高的加熱速度，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部產熱，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%，加熱時間一般不超過 5分鐘。為減少脈沖電流加熱策略對電池老化的影響，需要從模型出發優化脈沖電流的幅值和頻率。

1.3 自加熱鋰離子電池

2016 年賓夕法尼亞大學王朝陽團隊首次提出了一種稱為“全氣候電池”的電池新結構，如圖 1(a)所示。該結構將具有一定阻值的薄鎳片預埋入電池內部，以薄鎳片為熱元件從內部對電池加熱。薄鎳片引出兩個極耳，其中一個極耳連至電池負極，另一個極耳單獨引出一極，稱為激活極（activation terminal，ACT）。見圖 1(b)，當電池需要加熱時，開關閉合，將激活極與正極連接，電流流經電池自身及薄鎳片產生熱量對電池加熱。當電池達到預設溫度時，開關斷開，薄鎳片被旁路，電池正常工作。實驗結果表明，所提出的自加熱鋰離子電池能夠分別在-20℃、-30℃環境溫度下在 19.5s、29.6s 內將電池加熱到0℃，分別消耗 3.8%、5.5%的電池容量使加熱速度達到 61.2℃/min、60.8℃/min。

圖 1 全氣候電池

對正極和激活極之間的開關施加不同的控制信號，可使自加熱鋰離子電池適用不同的應用場景。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行。見圖 1(c)，當電動汽車處于正常行駛狀態時，開關斷開；當電動汽車處于制動能量回收狀態，開關閉合，使得制動電流流經薄鎳片進而加熱電池；當電動汽車處于停止狀態時，仍然控制開關閉合，電池放電電流流經薄鎳片和自身內阻進而加熱電池。結果表明，在 US06 行駛工況下該方法能夠在-40℃環境中在 112s 內將電池加熱至 10℃，并使續航里程增加 49%。Wang 等進一步研究了自加熱鋰離子電池在充電狀態下的加熱方法，并提出了在正極和激活極之間施加脈沖電流的控制策略。通過實驗研究了不同環境溫度下該加熱策略的加熱性能及其對電池循環壽命的影響。結果表明，該加熱控制策略能夠分別在-10℃、-20℃、-30℃環境溫度下分別在 54s、77s、90s 內將電池加熱至 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間內產生大量熱量，并且薄鎳片產生的熱量占主導。然而，電芯的疊層結構使電池在厚度方向僅有很小的傳熱系數，造成電池內部形成了從薄鎳片指向電池外表面的很大的溫度梯度。電池內部不均勻的溫度分布進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部的溫度均勻性，Yang 等提出了鎳片多片并聯結構，即在電池內部不同位置處并聯布置多個鎳片，如圖 1(d)所示。采用所提出的多片并聯加熱結構能夠顯著提高電池內部溫度均勻性。當采用三片并聯結構時，電池內部的最大溫差可以控制在 5℃以內。同時，采用多片并聯結構可以顯著降低能量消耗，當采用三片并聯結構時，加熱能量消耗相比于單片結構降低了 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進行的，而是加熱過程和靜置過程周期交替進行的。將電池在-20℃環境下加熱 30s 后，采取持續加熱策略的電池內部溫差可達 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部在加熱過程中會產生一定的溫度梯度，但其溫均性和加熱速度相較于傳統外部加熱方法仍具有顯著優勢。Yang 等以一塊容量 40Ah、厚度 34mm 的鋰電池為研究對象，從加熱速率、局部最高溫度兩方面比較了內部自加熱法、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熱系數卻可能導致熱量在電池表面積聚而發生局部過熱。Lei 等建立了三維有限元模型研究雙片并聯結構自加熱鋰離子電池和寬線金屬薄膜加熱法的暫態熱特性。仿真分析結果表明，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結構自加熱鋰離子電池的三倍。研究發現，降低加熱功率、減小電池厚度、延長靜置時間等策略可以進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高的加熱速度并且能量利用效率高，延長了低溫環境下電池的循環壽命。同時，對正極與激活極之間的開關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應用場景。盡管自加熱鋰離子電池可能會造成電池內部溫度分布不均勻，但通過多片并聯結構設計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電池內部結構，降低了電池的能量密度。同時，一旦電池發生熱失控，嵌入電池內部的高活性鎳片將使電池面臨嚴重的安全風險。因此，自加熱鋰離子電池需要采取謹慎而有效的控制策略并且準確監控和預測電池內部溫度，防止電池發生過熱威脅駕駛安全。

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