1.4 交流加熱法
交流加熱法通過給電池施加交流電流產生熱量，從內部加熱電池。周期性的充、放電過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，正弦交流電應用最為廣泛。
明確交流電流的參數對加熱性能的影響對于交流加熱法的應用具有指導意義。Hande 等設計了高頻變流器產生 10~20kHz 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。通過實驗研究了交流電流的幅值、SOC 和環境溫度對電池加熱時間的影響。研究發現，隨著電流幅值的增加，加熱到相同溫度所需要的時間縮短。Ji 等建立了交流加熱法基于時間的電化學-熱耦合模型，從電化學機理的角度進一步探究了交流電頻率對加熱性能的影響。為研究交流電頻率的影響，采用改變交流電的幅值和頻率都將影響電池內部產熱功率，進而影響電池加熱速度。為縮短加熱時間，需要對交流電參數的選取作進一步研究和優化。Zhang 等建立了基于頻域的電池等效電路模型，如圖2(a)所示。以電池產熱模型為熱源，建立了電池集總參數熱模型以預測電池溫度。通過電-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加熱速度的影響。結果表明，在一定范圍內，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，通過合理選取交流電流參數，可有效提高加熱速度、降低電池發生析鋰的風險。Ruan 等發現采用固定參數的交流電對電池加熱時電池的升溫速度隨時間降低，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提出的電池簡化等效電路模型為基礎，建立了產熱量與極化電壓、阻抗的關系式。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時調整交流電流幅值的優化加熱方法。采用優化之后的加熱方法，電池從-15.4℃加熱到 5.6℃僅需 338s，加熱速率為 3.73℃/min。Li 等以電池安全電壓為限制，通過實驗揭示了不同溫度下電流幅值和內阻、頻率之間的依賴關系，并得到了電池產熱功率隨頻率的變化曲線。實驗發現，在不同溫度下，存在最佳電流頻率和幅值組合使得電池產熱功率取到最大值?；趯嶒灲Y論，Li 等提出了一種交流電參數溫度自適應的交流電加熱優化控制策略。在電池加熱過程中，依據電池溫度，梯級調整交流電的頻率和幅值。結果表明，利用所提出的優化加熱方法使得電池最大加熱速度達到2.31℃/min。Zhang 等進一步研究了交流電參數梯級調整的頻率對加熱性能的影響。實驗結果表明，更高的梯級調整頻率有利于縮短加熱時間，從而達到的最大加熱速率高于 4℃/min。

 

圖 2 交流加熱法
當采用交流電流激勵對電池加熱，一般認為降低交流電流頻率有利于提高加熱速度。然而，Shang等研究表明在高頻范圍內（通常高于 10kHz），提高交流電流的頻率同樣可以提高加熱速度。Shang等提出了基于 LC 諧振電路產生高頻正弦交流電的交流加熱方法，實驗研究了高頻電流的幅值和頻率對加熱速度的影響。實驗結果表明，在高頻范圍內（通常高于 10kHz），增加交流電的頻率和幅值都可以提高加熱速度。為優化高頻交流加熱法的加熱效率，Shang 等建立了考慮高頻下電荷傳輸產熱影響的電-熱耦合模型，用于指導選取高頻交流電的幅值和頻率。采用優化高頻交流電參數，最大加熱速率達到3.57℃/min，并且不會發生析鋰。
在實際工程應用中調節交流電頻率難以實現。因此，通常采取固定交流電頻率，調節交流電幅值的方法提高加熱速度。但是，在低溫環境下，過大的交流電幅值可能會造成負極析鋰。因此，需要限定交流電幅值的范圍。Ge 等以防止析鋰作為交流電幅值的限制條件。以電池 SOC 為 0.5 時的負極平衡電位為電池過電位的極限值，計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，根據電池溫度實時調節電流幅值的梯級加熱方法。Mohan 等以電池制造商提供的電流和電壓限制為約束條件，采用預測控制的方法調整交流電流的幅值。Ruan 等以電池極化電壓作為計算電流幅值的約束條件，其值設為 0.5V。Guo 等以防止電池過充、過放為目標，確定了路端電壓安全范圍。提出了以安全路端電壓為約束，實時計算最大允許電流幅值的階梯電流加熱法。在后續研究中，Guo 等提出了以防止析鋰和電池過充、過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值。Jiang 等以防止析鋰為約束條件，推導了不發生析鋰的電池過電壓閾值，并以此確定電流幅值范圍。結果表明，增大電流頻率有利于降低發生析鋰的風險，但同時也會減少產熱量。
交流加熱法也可與外部加熱法相結合，進一步提高加熱速度、降低加熱能耗。Sun 等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、放電過程和電加熱薄膜產生的熱量同時對電池加熱。在-17℃和-27℃環境下，對比分析了加熱和不加熱情況下的電池放電曲線，采用所提出的復合加熱方法可以大幅提高電池放電容量。熊瑞等提出一種結合交流電內加熱和寬線金屬膜外加熱的復合加熱方法，如圖 2(b)所示。當電池需要加熱時，溫控開關打開，外部電源施加的交流電流依次流經寬線金屬薄膜和電池。當電池溫度達到預設溫度時，溫控開關閉合，寬線金屬薄膜被短路，動力電池正常充、放電。相較于交流電加熱法，該復合加熱方法的加熱能耗降低了 23%，加熱速度提高了 22%。
車載交流加熱方法中以電池放電產生交流電流的電路拓撲結構同樣受到研究者們關注。Jiang 等以電池包自身為電源，設計了一種軟開關 LC 諧振電路用于產生交流電流，如圖 2(c)所示。該諧振電路產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電池內部阻抗的利用率，縮短加熱時間。采用所提出的方法加熱電池包，電池包溫度在 600s 內從-20.8℃加熱至 2.1℃，加熱速度達到2.29℃/min。加熱過程僅消耗 6.64%的電池能量，且電池包內的溫差僅為 1.6℃。Shang 等基于 LC 諧振電路設計了車載高頻交流電流發生器，利用所產生的高頻交流電對電池加熱，使加熱速度達到3.57℃/min。Li 等提出利用現有的車載變頻器電路和電機組成交流電流發生器，如圖 2(d)所示。通過晶閘管的通斷，實現電流在電池和電機之間的流動，快速加熱電池和電機。當電流幅值為 4C 時，電池加熱速度可達到 8.6℃/min。
調節交流電的幅值和頻率可以改變交流加熱法的加熱速度，但交流電參數對于電池老化的影響尚不明確。為此， Zhu 等通過實驗進一步研究了交流電幅值、頻率對于電池溫升及電池老化的影響。研究發現，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險。如圖 3（a）所示，在高頻電流作用下，電池激發時間極短，不發生電荷的轉移和擴散過程，因此不會發生析鋰。隨著電流頻率的降低，電荷發生轉移和擴散。此時，若電流幅值較低，充電過程嵌入負極固相顆粒的鋰離子能夠在放電過程中完全脫嵌，因此不會產生死鋰，如圖 3（b）；若電流幅值較高，充電過程產生的鋰離子不能完全嵌入負極固相顆粒，如圖 3（c）。經過多次充、放電循環之后，即會發生析鋰，造成電池容量的不可逆損失。Zhu 等以不同幅值和頻率的交流電對電池循環加熱數百次，檢測了電池的容量、直流電阻和電化學阻抗譜，以此來評估電池的健康狀態。同時，通過對電池拆解，利用掃描電子顯微鏡和能量色散 x 射線光譜技術研究了電池的內部微觀形態。結果表明，在合理電壓閾值限制下，即使在低頻范圍（0.5Hz）內，交流加熱方法也不會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
綜上所述，交流加熱法具有加熱速度快、能量利用效率高、溫均性好等顯著優勢，發展前景廣闊。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單，易于實現。對于車載交流加熱法而言，需要考慮外部交流電流發生器電路對系統成本和體積的影響。交流電頻率和幅值可調的特性，使得加熱過程可控，且存在進一步優化的空間。此外，充分研究和理解交流電流對電池老化的影響有利于實現高效、安全的加熱方法。然而，現有研究中，交流加熱法對電池老化的研究僅停留在對電池容量的分析，還需要進一步從電化學機理的角度研究。此外，目前文獻中交流加熱方法的應用對象大多是電池單體，以電池模組和電池包為研究對象的文獻較少?？紤]到電池成組之后的不一致性，僅以電池單體為研究對象而發展的交流加熱法可能會導致電池組或電池包內產熱不均勻，產生內部溫度梯度，加速電池老化。
1.5 低溫快速加熱方法總結
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，對上述加熱方法進行了詳細對比，如表 1 所示。
表 1 低溫快速加熱方法總結 

 

低溫快速加熱方法從內部加熱電池，縮短了傳熱路徑，能夠達到快速加熱的目的。其中，自加熱鋰離子電池以內部薄鎳片加熱電池，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。能量消耗是評價加熱方法性能的重要指標。加熱過程中可能發生的電池老化是低溫快速加熱方法的主要關注點。對于內部自加熱法和自加熱鋰離子電池，其加熱過程電池處于放電狀態，雖然不會發生負極析鋰等直接損傷，但長期高倍率放電會加速老化。對于 MPH 加熱法，需要避免在低頻率、高 SOC 工況下使用，以降低電池負極析鋰風險。對于交流加熱法，使用高頻電流有利于降低老化風險；而低頻電流應謹慎使用，并需加以額外的限制（如電壓限制）避免對電池的不可逆損壞。
02 電池低溫熱管理系統的設計目標
低溫環境下，為恢復鋰離子電池的功率和容量、避免發生析鋰，電池熱管理系統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相比于電池冷卻技術更加困難。對于能量儲存有限的電動汽車而言，電池加熱所消耗的能量將直接影響電動汽車的續航能力。因此，為保證乘員艙舒適性和減少能量消耗，需要優先考慮電池加熱方法的能量優化控制策略。
對于實際應用而言，電動汽車冬季預熱時間不宜過長。通常以設置合理的預熱目標溫度及加熱功率縮短預熱時間。對于電池汽車的冷啟動工況，目標溫度一般設置為略高于 0℃，此時電池已經可以恢復大部分功率性能。而對于電池汽車的快充工況，為防止負極發生析鋰，則需要設置更高的預熱目標溫度。
電池、電池模組、電池包的性能除了與溫度相關，還與其溫度均勻性相關。不均勻的溫度分布將導致電流和 SOC 分布不均勻，進而導致電池包容量下降、功率性能衰減、局部加速老化。為此，加熱策略的設計需要考慮加熱過程中電池、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。
電池不僅在低溫環境有加熱需求，在高溫環境也存在冷卻需求。而在電池包中，加熱系統與冷卻系統共用工作空間，存在相互影響的可能性。因此，設計電池加熱系統時應將不影響電池冷卻系統的工作和性能作為重要考慮因素，保證電池熱管理系統能夠高效執行加熱和冷卻模式。
此外，電動汽車的低溫加熱策略還需要考慮系統的成本、復雜度、可靠性等因素。綜上所述，電動汽車低溫加熱策略的設計主要考慮以下因素：(1)加熱策略的能量消耗；(2)加熱策略的預熱時間；(3)加熱過程中電池、電池模組、電池包的溫度均勻性；(4)加熱策略對電池老化的影響；(5)保證冷卻系統的性能；(6)包括建設成本、工作成本、維持成本在內的系統綜合成本；(7)考慮加熱系統設備、重量、體積的系統復雜度；(8)系統的安全性和可靠性；
低溫快速加熱方法主要以電池自身發熱達到加熱目的，一般不會對現有的冷卻系統產生影響。因此，選取電池加熱策略設計目標中的能量消耗、加熱速度、溫度均勻性、電池老化、系統復雜度、安全可靠性作為評價指標，以自加熱鋰離子電池的性能指標作為基準，依據表 1 對不同加熱方法進行定性比較，如圖 4 所示。經分析可知，交流加熱法相比于其他方法更具優勢，尤其在能量消耗和電池老化方面。

 

圖 4 不同方法性能對比
03 結論
在低溫環境下，鋰離子電池的性能顯著下降。為提高動力電池低溫性能，對其進行加熱尤為重要。本文系統地綜述了低溫快速加熱方法的最新研究進展，提出了電池加熱策略的設計目標。最后，以電池加熱策略設計目標的部分因素作為評價指標，橫向對比了不同方法的優勢和不足。
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勢。其中，內部自加熱法可以應用于處于行駛狀態的車輛，電池放電能量可用于驅動其他車載用電設備。MPH 加熱法以電池、儲能元件、可控開關器件組成回路以產生脈沖電流，優化脈沖電流的幅值和頻率可實現安全、高效的加熱過程。自加熱鋰離子電池具有加速速度快、能量消耗低的優勢，但其需要改造電池內部結構，安全可靠性有待驗證。交流加熱法則需以準確的電池模型為基礎，目前僅在單電池層面取得了較多的研究成果，對于電池模組/電池包層面的相關理論和模型仍需深入研究。
對于電動汽車應用而言，低溫快速加熱方法的研究仍處于初級階段。低溫環境下如何高效、安全的加熱電池仍充滿挑戰。為加快內部加熱法和復合加熱法的工程應用進度，還存在以下幾個方面的問題亟待解決：
(1) 現有研究中加熱策略對電池老化的研究不足，電流參數在電化學機理層面對電池壽命的影響有待深入研究。后續研究應建立電池的電化學模型，從機理層面揭示電流參數對電池老化的影響，明確不同運行條件下電池不發生老化的電流參數范圍，進一步提高加熱效率和安全性。(2) 現有加熱方法研究中研究對象多為單體電池，對于電池模組、電池包層面的研究不足，而模組內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。電池產熱模型和熱模型是低溫熱管理系統設計的理論基礎，后續研究應進一步從單體電池、電池模組、電池包等層面研究準確、高效的電-熱耦合模型，考慮電池不一致性的影響，提高溫度預測的精度和速度，為系統優化設計、加熱控制策略設計提供理論支撐。

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