鋰電池低溫加熱是怎樣的
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2021-05-17 16:57
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對(duì)鋰電池進(jìn)行預(yù)加熱，是解決鋰電池低溫特性問題的有效方法之一。利用鋰電池自己的電量為加熱設(shè)備提供電源是常用的電池加熱方法，但這種方法會(huì)在加熱過程中消耗掉相當(dāng)一部分電池能量，在一定程度上降低了鋰電池放電的有效容量。
低溫環(huán)境下對(duì)鋰電池充電或使用前，必須對(duì)電池進(jìn)行預(yù)加熱。電動(dòng)汽車車載的電池管理系統(tǒng)(BMS)對(duì)鋰電電池加熱的方式大體可分外部加熱與內(nèi)部加熱兩大類。外部加熱方式有空氣加熱、液體加熱、相變材料加熱，以及熱阻加熱器或者熱泵加熱。這些加熱方式一般位于電池包中，或者設(shè)置在熱循環(huán)介質(zhì)的容器中。內(nèi)部加熱法加熱電池，則是通過交流電流激勵(lì)電池內(nèi)部電化學(xué)物質(zhì)，使電池本身產(chǎn)生熱量。
外部加熱
關(guān)于用空氣加熱的方式，有研究人員利用電池與一套大氣模擬系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于裸露在低溫環(huán)境中的電池，周圍空氣被加熱的電池能夠放出更多的容量。
比起空氣加熱，液體加熱具有更好的導(dǎo)熱率與更高的熱轉(zhuǎn)化效率。但是液體加熱需要更復(fù)雜的加熱系統(tǒng)。液體加熱在電動(dòng)汽車與混合動(dòng)力汽車中的應(yīng)用已經(jīng)有不少實(shí)際案例。比如：在雪佛蘭 Volt 汽車中，環(huán)繞電池組熱交換液，由360V的加熱器加熱。
相變材料加熱電池也已經(jīng)被使用。當(dāng)電池溫度降到相變材料的相變溫度點(diǎn)之后，相變材料儲(chǔ)存的熱量會(huì)被釋放出來，保持環(huán)境溫度恒定，也就是向電池組傳遞熱量。相變材料的主要優(yōu)勢(shì)在于其可以用在溫度變化較迅速的環(huán)境中。
內(nèi)部加熱
交流激勵(lì)加熱，相比于外部加熱來說，另外一種常用的加熱方法，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上會(huì)比較簡(jiǎn)單，就是通過交變的電流加熱電池。它不需要進(jìn)行傳熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，只是在電池正負(fù)極加載一定頻率的交流激勵(lì)，激勵(lì)作用在電池內(nèi)部電化學(xué)物質(zhì)上，相當(dāng)于循環(huán)往復(fù)小幅值充放電的效果。
與直流加熱電流相比，交流電流或正負(fù)方波電流在放電和充電周期內(nèi)都可以加熱電池，使得電池溫度上升，而電池荷電狀態(tài)(SOC)基本上是不變的。由于這些特性，交流內(nèi)部預(yù)熱方法成為一個(gè)研究較多的領(lǐng)域。2004 年，國(guó)外一個(gè)研究者率先提出使用交變的電流直接對(duì)鋰離子電池加熱，僅僅利用電池內(nèi)部的電阻效應(yīng)產(chǎn)熱。他們對(duì)不同的SOC 狀態(tài)下和不同溫度下（-20℃~40℃）的不同的電池做了一些測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，在一定倍率的電流下，所有電池都會(huì)快速產(chǎn)熱。
美國(guó)一個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)加熱頻率對(duì)加熱效果的影響進(jìn)行了研究，他們?cè)?0.01Hz 到2KHz不同頻率下做了仿真，并將結(jié)果與外部加熱方式做了比較，認(rèn)為內(nèi)部加熱具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
相比外部加熱方法，內(nèi)部加熱避免了長(zhǎng)路徑的熱傳導(dǎo)和靠近加熱裝置的地方局部熱點(diǎn)的形成。因此，內(nèi)部加熱可以以更高的效率，更均勻地加熱電池以達(dá)到更好的加熱效果且更容易實(shí)現(xiàn)。不同的加熱方式總結(jié)如下表：
目前對(duì)內(nèi)部交流預(yù)熱方案研究大多集中在加熱速度與效率上，加熱策略對(duì)預(yù)防鋰沉積等副反應(yīng)的發(fā)生還很少有明確的考慮。實(shí)現(xiàn)預(yù)熱過程中預(yù)防鋰沉積的產(chǎn)生，需要BMS 能實(shí)時(shí)估計(jì)并控制鋰沉積產(chǎn)生的條件。需要基于模型的控制電池低溫下加熱技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)上述功能。隨著新能源汽車的發(fā)展，動(dòng)力鋰電池的使用量也與日俱增，鋰電池低溫下使用急需解決電池預(yù)熱問題，這是一個(gè)距離實(shí)際應(yīng)用非常近的領(lǐng)域。
另外，交流加熱，調(diào)動(dòng)電化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，對(duì)于電池使用壽命的影響，暫時(shí)還沒有看到獲得怎樣的結(jié)論，也是值得持續(xù)關(guān)注的問題。
鋰電池充電預(yù)加熱裝置：電池箱、電源管理系統(tǒng)和充電器
鋰電池或鋰電池模組位于電池箱內(nèi)，其特征是:在所述電池箱內(nèi)設(shè)置電阻加熱絲和溫度探測(cè)器;所述電源管理系統(tǒng)包括:加熱電路開關(guān)、充放電保護(hù)開關(guān)、溫度測(cè)量電路、加熱系統(tǒng)控制電路、電源管理系統(tǒng)微處理器、充放電開關(guān)控制電路和電源管理系統(tǒng)通信端口，溫度測(cè)量電路的輸入端連接溫度探測(cè)器，溫度測(cè)量電路的輸出端連接電源管理系統(tǒng)微處理器，電源管理系統(tǒng)微處理器的一個(gè)輸出端通過加熱系統(tǒng)控制電路連接到加熱電路開關(guān)的控制端，電源管理系統(tǒng)微處理器的另一輸出端通過充放電開關(guān)控制電路連接到充放電保護(hù)開關(guān)的控制端
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