想設(shè)置“論文選讀”欄目，針對(duì)實(shí)際工程中需要解決的問(wèn)題，尋找闡述典型方案、模型的論文，翻譯整理，作為一家之言，供大家參考。在一個(gè)朝陽(yáng)行業(yè)中，一定存在著諸多沒(méi)有正確答案的問(wèn)題，多了解一種觀點(diǎn)方法，可能在你實(shí)際工作的某個(gè)瞬間，就真的轉(zhuǎn)化成為你的生產(chǎn)力。

我們討論的動(dòng)力電池低溫預(yù)熱，是最近兩年才逐漸被重視起來(lái)的，而之前的大部分電動(dòng)汽車，基本沒(méi)有預(yù)熱功能，甚至可能電池包內(nèi)部根本沒(méi)有加熱設(shè)施。那么，這類電動(dòng)汽車，就只有靠自身放電的發(fā)熱量給自己加熱了?，F(xiàn)在已經(jīng)有非常多的研究證明，低溫充電尤其是較大電流充電會(huì)帶來(lái)壽命衰減，原因如下：

低溫環(huán)境只能小電流充電，其失效的主要原因是在低溫環(huán)境充電過(guò)程中產(chǎn)生鋰枝晶。鋰金屬在低溫下或在高速充電期間在石墨陽(yáng)極表面上沉淀，并進(jìn)一步與電解質(zhì)反應(yīng)。因此，可用的電解質(zhì)和鋰離子都會(huì)丟失，電池體積發(fā)生變化，導(dǎo)致活性物質(zhì)與集電器之間接觸不良。電解質(zhì)和鋰離子的嵌入加速了石墨顆粒的剝離。集電器和粘合劑的腐蝕都會(huì)降低電池容量，最終導(dǎo)致電池永久性損壞。

而低溫放電的問(wèn)題則主要表現(xiàn)在放電平臺(tái)電壓下降，能量縮水和效率降低上，不會(huì)產(chǎn)生永久容量損失，典型的低溫放電表現(xiàn)和原因分析如下：

當(dāng)環(huán)境溫度從25℃降至-20℃時(shí)，電池的平均容量降低了一半，而容量的標(biāo)準(zhǔn)方差增大了6倍。降低環(huán)境溫度會(huì)明顯增大電池的阻抗，特別是電荷轉(zhuǎn)移阻抗，同時(shí)，電池間的阻抗差異也被放大；電池放電容量與其阻抗之間存在線性關(guān)系。因此，低溫下電池容量方差的增大是由于電池阻抗方差的增大引起的，而其中，電荷轉(zhuǎn)移阻抗起了主要作用。

有研究者基于這樣的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)：低溫充電危害大，低溫放電則不會(huì)造成太大的損害。討論了鋰電池放電自加熱模型，分析到底以多大電流放電，才能帶來(lái)最高的加熱效率，在一定程度上節(jié)約能源。當(dāng)然，低溫下大電流放電，是否會(huì)直接造成加速老化問(wèn)題，我們?cè)谄渌恼轮欣^續(xù)尋找答案。

結(jié)論先行：論文認(rèn)為，放電率和加熱時(shí)間呈指數(shù)下降趨勢(shì)，與放電率和功耗相似。當(dāng)選擇2 C放電率時(shí)，電池溫度可以在280秒內(nèi)從-10°C上升至5°C。在這種情況下，加熱過(guò)程的功耗不超過(guò)額定容量的15％。隨著排放率逐漸降低，加熱過(guò)程的加熱時(shí)間和功耗增加緩慢。當(dāng)放電率為1 C時(shí)，加熱時(shí)間超過(guò)1080 s，功耗接近額定容量的30％。放熱速率對(duì)加熱過(guò)程中加熱時(shí)間和功率消耗的影響在不到1C時(shí)顯著增強(qiáng)。當(dāng)放電率為1 C時(shí)，加熱時(shí)間超過(guò)1080 s，功耗接近額定容量的30％。放熱速率對(duì)加熱過(guò)程中加熱時(shí)間和功率消耗的影響在不到1C時(shí)顯著增強(qiáng)。當(dāng)放電率為1 C時(shí)，加熱時(shí)間超過(guò)1080 s，功耗接近額定容量的30％。放熱速率對(duì)加熱過(guò)程中加熱時(shí)間和功率消耗的影響在不到1C時(shí)顯著增強(qiáng)。

1 引言

鋰電池由于其優(yōu)點(diǎn)，如污染減少，壽命周期長(zhǎng)，能量密度高，功率性能好等，已成為電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿υ碵 1 ]。但是，鋰電池在低溫下的性能很差。當(dāng)溫度降低時(shí)，電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻同時(shí)增加[ 2 ]。例如， -5°C下充電的LiFePO4電池的歐姆電阻是室溫下的5倍[ 3 ]。當(dāng)溫度低于-10°C時(shí)，電池容量和功率性能都顯著下降 [ 4]。在這種環(huán)境下，電池充電比放電更困難。如果電池被迫充電，其負(fù)極上會(huì)出現(xiàn)鋰沉積物和樹(shù)枝狀晶體，從而導(dǎo)致內(nèi)部短路[ 5 ]（譯者注：有其他文獻(xiàn)闡述，可以利用較小的電流充電而不會(huì)出現(xiàn)鋰單質(zhì)沉積問(wèn)題）。到目前為止，通過(guò)使用創(chuàng)新材料來(lái)解決鋰電池的低溫性能問(wèn)題已經(jīng)很困難[ 6 ]。因此，在低溫條件下使用電池之前，通常需要將電池加熱到合適的工作溫度。

目前，在低溫環(huán)境下加熱電池的方法主要分為外部加熱和內(nèi)部加熱。Wang Facheng等人[ 7 ]使用電熱絲加熱電池箱通風(fēng)道入口處的空氣，然后通過(guò)空氣對(duì)流加熱電池。Hyun- Sik Song et al.等人[ 8 ]也通過(guò)空氣對(duì)流實(shí)現(xiàn)電池加熱。上述加熱方法可以使電池溫度迅速升高到適當(dāng)?shù)臏囟龋⑶以诘蜏叵码姵匦阅茱@著改善。然而，這種方法在加熱過(guò)程中造成不必要的能量損失，并且通過(guò)空氣對(duì)流加熱的技術(shù)的能量利用率低。Zhang Chengning等人 [ 9 ]使用寬線金屬薄膜加熱電池。與加熱前幾乎不能放電相比，電池在加熱后可以釋放50％的電能。

Liu Cunshan等人[ 10 ]建立了動(dòng)力電池的低溫加熱模型，并比較了正溫度系數(shù)（PTC）加熱器和電熱膜加熱器的影響。電熱膜加熱模式不影響電池的散熱，并在一定程度上具有絕緣性能。然而，用于電動(dòng)車輛的動(dòng)力電池由多個(gè)單元組成，這些單元緊密排列在一起，串聯(lián)并聯(lián)[ 11]。在外部加熱模式下，電池單體不均勻加熱，導(dǎo)致局部溫度迅速升高。結(jié)果，電池的一致性惡化，電池組的壽命大大縮短。在更嚴(yán)重的情況下，某個(gè)電芯退化特別嚴(yán)重，則可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故。與外部加熱方法相比，內(nèi)部加熱的主要優(yōu)點(diǎn)是在充電/放電過(guò)程中使用由內(nèi)部電阻產(chǎn)生的熱量。內(nèi)部加熱方法的特點(diǎn)是能量效率高，可以實(shí)現(xiàn)電池均勻加熱。Yan Ji等人[ 12]模擬了一個(gè)擁有兩個(gè)電池模組的電池包，這些電池組在一定的頻率下交替充電和放電，利用DC/DC作為升壓裝置，最終獲得理想的溫升效應(yīng)。脈沖加熱消耗電池能量少并且不需要傳熱系統(tǒng)。但是加熱過(guò)程中電池的充電電壓可能達(dá)到4.5V，這明顯高于充電截止電壓并增加形成鋰枝晶的可能性。張劍波等[ 5 ]建立了鋰離子電池的頻域模型，其額定容量為3.1A?h，并建議使用正弦交流電進(jìn)行內(nèi)部加熱。電池可以在15分鐘內(nèi)從-20°C加熱到5°C，溫度分布基本保持均勻。然而，加熱過(guò)程伴隨著瞬態(tài)過(guò)電壓現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)記錄的最大電池電壓為4.5 V。如果在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法選擇合適的交流振幅和頻率，電池可能會(huì)處于過(guò)電壓狀態(tài)，從而導(dǎo)致電池出現(xiàn)損壞。Zhao Xiaowei 等人 [ 13 ]提出使用大電流脈沖加熱3.2 V，12 A?h 磷酸鐵鋰電池。充電和放電截止電壓分別為2.1V和3.6V。加熱過(guò)程共包含18次充放電循環(huán)。在最后的實(shí)現(xiàn)中，電池溫度從-10°C上升到3°C。Ruan Haijun等人[ 14]使用恒定極化電壓作為邊界條件，進(jìn)行高頻交流電加熱電池。最終，電池溫度可以在338秒內(nèi)從-15°C升至5.6°C?；陔姛狁詈夏Ｐ?，管理恒定極化電壓，進(jìn)行電池加熱以在短加熱時(shí)間和對(duì)電池壽命的較小損害之間實(shí)現(xiàn)折衷。然而，由于該研究?jī)H證明在經(jīng)過(guò)30次重復(fù)的內(nèi)部加熱測(cè)試后電池沒(méi)有顯著的容量衰減，如果測(cè)試重復(fù)超過(guò)30次，則電池的整體健康狀況無(wú)法確定。盡管脈沖加熱可以有效地加熱電池，緩解低溫的影響，較大的電荷脈沖振幅導(dǎo)致陽(yáng)極表面更強(qiáng)的極化[15 ]。

鋰電池失效的主要原因是，在低溫環(huán)境充電過(guò)程中產(chǎn)生鋰枝晶[ 16 ]。鋰金屬在低溫下或在高速充電期間在石墨陽(yáng)極表面沉淀，并進(jìn)一步與電解質(zhì)反應(yīng)。因此，可用的電解質(zhì)和鋰離子都會(huì)丟失，電池體積發(fā)生變化，導(dǎo)致活性物質(zhì)與集電器之間接觸不良[ 17 ]。電解質(zhì)和鋰離子的嵌入加速了石墨顆粒的剝離。集電極和粘合劑的腐蝕變質(zhì)都會(huì)降低電池容量[ 18]]，最終導(dǎo)致電池永久性損壞。充電則不同，盡管鋰電池的放電容量減少，放電平臺(tái)電壓下降，但在低溫條件下放電不會(huì)對(duì)電池造成永久性損壞。

在此基礎(chǔ)上，本研究開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)恒流放電在低溫下內(nèi)部預(yù)熱鋰離子電池的方法。電池放電期間內(nèi)部電阻產(chǎn)生的溫度用于在低溫環(huán)境下加熱電池。當(dāng)前，很難預(yù)測(cè)與低溫下鋰離子電池自熱過(guò)程相關(guān)的加熱時(shí)間和功耗。因此提出了考慮電池溫度和充電狀態(tài)（SOC）動(dòng)態(tài)變化的溫升模型。當(dāng)該模型與安培小時(shí)積分法相結(jié)合時(shí)，通過(guò)恒流放電實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部自熱的過(guò)程，放電倍率、加熱時(shí)間和功耗之間的定量關(guān)系得以被描述。此外，本文解決了預(yù)測(cè)低溫自加熱的加熱時(shí)間和功耗的問(wèn)題。

溫升模型驗(yàn)證

在自發(fā)熱的電池放電過(guò)程中，電池溫度和SOC的波動(dòng)相對(duì)較大。本文建立了考慮電池溫度和SOC動(dòng)態(tài)特性的溫升模型。進(jìn)行了低溫自熱放電過(guò)程的試驗(yàn)。所選放電倍率為1C，1.5C和2C。環(huán)境溫度為-10°C，目標(biāo)溫度為5°C [ 5 ]，被測(cè)電池的初始SOC為80％。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，并通過(guò)實(shí)際溫度與仿真誤差驗(yàn)證了溫升模型的準(zhǔn)確性。

預(yù)測(cè)溫度，實(shí)際溫度和這些值之間的誤差曲線如圖10所示 。從溫升模型獲得的預(yù)測(cè)溫度基本上與電池的實(shí)際溫度相同。在自熱過(guò)程中，預(yù)測(cè)溫度與實(shí)際溫度之間的最大誤差不超過(guò)1°C，這與[ 26 ] 相同。因此，可以證明本文建立的ICR18650電池的溫升模型非常準(zhǔn)確。

4. 計(jì)算結(jié)果和分析

根據(jù)本文開(kāi)發(fā)的溫升模型，可獲得以不同放電速率將電池從環(huán)境溫度加熱到目標(biāo)溫度所需的時(shí)間，如圖11所示 。曲線通過(guò)最小二乘法擬合以獲得電池放電率和加熱時(shí)間的函數(shù)，其在等式（12）中描述了函數(shù)曲線方程，其中 x 是放電率， y 是加熱時(shí)間，以秒為單位。

從圖11中可以看出，當(dāng)放電速率為2C時(shí)，電池溫度在280s內(nèi)可從-10°C上升到5°C。當(dāng)放電速率下降時(shí)，加熱時(shí)間逐漸增加。當(dāng)放電速率為1C時(shí)，加熱時(shí)間為1080s。當(dāng)放電速率低于1C時(shí)，放電加熱時(shí)間受電流值的影響顯著增強(qiáng)，隨著放電倍率的下降，加熱時(shí)間迅速增加。當(dāng)放電倍率0.8C時(shí)，加熱時(shí)間超過(guò)2640s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際應(yīng)用中的合理加熱時(shí)間。

其中 SOC0 是電池的初始SOC， SOCt 是時(shí)間t時(shí)的SOC ， I 是電池的放電電流，Q 是電池的額定容量。此外， 

被定義為本文中的功率消耗。圖12顯示了以不同放電電流倍率加熱時(shí)電池的耗電量 。利用最小二乘法對(duì)曲線進(jìn)行擬合，以進(jìn)一步獲得式（18）中所示的電池放電率和耗電量的函數(shù)，其中 x 是放電率， z 是加熱過(guò)程中SOC的總變化量，即耗電量。

根據(jù) 圖12，電池在2C放電率下的耗電量小于額定容量的15％。隨著放電率逐漸降低，耗電量增長(zhǎng)緩慢。當(dāng)放電倍率為1C時(shí)，加熱過(guò)程的耗電量為額定容量的30％。放電倍率對(duì)耗電量的影響在小于1C時(shí)顯著增強(qiáng)。當(dāng)放電速率為0.8 C時(shí)，加熱過(guò)程中的耗電量是額定容量的60％，這是1C的兩倍。因此，在將恒定電流放電方法應(yīng)用于加熱時(shí)，放電速率應(yīng)選擇在1C至2C的范圍內(nèi)比較合適。

5. 結(jié)論

電池溫度和SOC的動(dòng)態(tài)波動(dòng)的溫升模型被提出，并且可以預(yù)測(cè)在低溫下電池自熱過(guò)程中的電池溫度。將電池從-10℃加熱至5℃的測(cè)試以不同的放電速率進(jìn)行。結(jié)果表明，溫升模型能準(zhǔn)確反映電池溫度的實(shí)際變化。在電池自熱過(guò)程中，預(yù)測(cè)溫度與實(shí)際溫度之間的最大誤差小于1°C。

當(dāng)本文開(kāi)發(fā)的溫升模型與安培小時(shí)積分法相結(jié)合時(shí)，實(shí)現(xiàn)了自加熱過(guò)程中放電率，加熱時(shí)間和耗電量之間的定量關(guān)系。因此解決了在自熱過(guò)程期間預(yù)測(cè)加熱時(shí)間和耗電量的困難。結(jié)果表明，放電率和加熱時(shí)間呈指數(shù)下降趨勢(shì)，與放電倍率和耗電量相似。當(dāng)選擇2C放電倍率進(jìn)行恒流放電時(shí)，電池溫度可在280s內(nèi)從-10°C上升至5°C。在這種情況下，自熱過(guò)程的耗電量不超過(guò)額定容量的15％。隨著排放率逐漸降低，加熱過(guò)程的加熱時(shí)間和耗電量緩慢增加。當(dāng)放電率為1C時(shí)，加熱時(shí)間超過(guò)1080s，耗電量達(dá)到額定容量的30％。當(dāng)放電率小于1C時(shí)，放電率對(duì)自熱過(guò)程中加熱時(shí)間和耗電量的影響顯著增強(qiáng)。當(dāng)放電率為0.8 C時(shí)，自熱過(guò)程的耗電量是1C時(shí)的2.45倍，加熱時(shí)間是1C時(shí)的兩倍。因此，將恒定電流放電方法應(yīng)用于電池自熱時(shí)，放電電流速率應(yīng)選擇在1C至2C的范圍內(nèi)。自加熱方式適用于在正常工作前加熱處于滿充狀態(tài)的鋰離子電池。