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的，而之前的大部分電動(dòng)汽車，基本沒有預(yù)熱功能，甚至可能電池包內(nèi)部根本沒有加熱設(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帶來壽命衰減，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。

 

而低溫放電的問題則主要表現(xiàn)在放電平臺電壓下降，能量縮水和效率降低上，不會產(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)識基礎(chǔ)：低溫充電危害大，低溫放電則不會造成太大的損害。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，是否會直接造成加速老化問題，我們在其他文章中繼續(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，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，加熱過程的功耗不超過額定容量的15％。隨著排放率逐漸降低，加熱過程的加熱時(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1080 s，功耗接近額定容量的30％。放熱速率對加熱過程中加熱時(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1080 s，功耗接近額定容量的30％。放熱速率對加熱過程中加熱時(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1080 s，功耗接近額定容量的30％。放熱速率對加熱過程中加熱時(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，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)極上會出現(xiàn)鋰沉積物和樹枝狀晶體，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出現(xiàn)鋰單質(zhì)沉積問題）。到目前為止，通過使用創(chuàng)新材料來解決鋰電池的低溫性能問題已經(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，然后通過空氣對流加熱電池。Hyun- Sik Song et al.等人[ 8 ]也通過空氣對流實(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?，并且在低溫下電池性能顯著改善。然而，這種方法在加熱過程中造成不必要的能量損失，并且通過空氣對流加熱的技術(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3.1Ah，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，加熱過程伴隨著瞬態(tài)過電壓現(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)用中無法選擇合適的交流振幅和頻率，電池可能會處于過電壓狀態(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 Ah 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停芾砗愣O化電壓，進(jìn)行電池加熱以在短加熱時(shí)間和對電池壽命的較小損害之間實(shí)現(xiàn)折衷。然而，由于該研究僅證明在經(jīng)過30次重復(fù)的內(nèi)部加熱測試后電池沒有顯著的容量衰減，如果測試重復(fù)超過30次，則電池的整體健康狀況無法確定。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，放電平臺電壓下降，但在低溫條件下放電不會對電池造成永久性損壞。

 

在此基礎(chǔ)上，本研究開發(fā)了一種通過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)測與低溫下鋰離子電池自熱過程相關(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)，通過恒流放電實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部自熱的過程，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)測低溫自加熱的加熱時(shí)間和功耗的問題。

 

 

2.溫升模型

 

戴維寧模型用于分析放電過程。如圖1所示， Rr 代表歐姆電阻，Ur是Rr上的電壓，Cp和Rp分別代表極化電容和極化電阻， Up是Cp 和Rp上的電壓， UOCV是開路電壓，E是端電壓， I 是放電電流。在本文中， Rtotal相當(dāng)于Rr， Cp和Rp的組合， 在溫升模型中將其標(biāo)注為R。

 

 

圖1. 戴維寧模型

 

電池產(chǎn)生的熱量可分為不可逆熱量和可逆熱量。不可逆熱量包括焦耳熱和濃差極化熱?？赡鏌?，也稱為反應(yīng)熱，是指在電化學(xué)反應(yīng)中釋放或吸收的能量，以維持反應(yīng)的能量平衡。參考文獻(xiàn)[ 19 ]，本文使用的簡化發(fā)熱方程可表示為（1）：

 

 

 

其中， I 是電池的工作電流（正充電，負(fù)放電）， E 是電池電壓， UOCV 是開路電壓， Qt 是總發(fā)熱功率。 QJ 是不可逆的發(fā)熱功率，它代表電流流過時(shí)歐姆電阻產(chǎn)生的熱量和電池中材料轉(zhuǎn)移時(shí)因濃度差異產(chǎn)生的熱量之和。 Qr 是可逆熱或反應(yīng)熱，它取決于電流的方向和熵系數(shù)的符號。開路電壓受電荷狀態(tài)（SOC）的很大影響，并隨不同的化學(xué)成分而變化[ 20 ]。當(dāng)電流流過時(shí)，電池端電壓和開路電壓之間的差異是由內(nèi)部電阻產(chǎn)生的電壓產(chǎn)生的[ 21 ]。因此，不可逆熱量可以表示為等式（2），其中 R 是電池的等效內(nèi)部電阻。

 

電池溫度受發(fā)熱，熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散的影響[ 22 ]。除了內(nèi)部產(chǎn)熱之外，電池在低溫下工作時(shí)也會向外部散發(fā)熱量。有兩種主要的熱損失方法：對流和熱輻射。與熱對流相比，熱輻射非常小，因此被忽略[ 23 ]。散熱可以用（3）表示：

 

 

其中 是等效傳熱系數(shù)， A是電池的表面積，T 是電池溫度，并且 T∞ 是環(huán)境溫度。因此，熱平衡方程可以按照下面的等式得到：

 

 

其中 m 是電池質(zhì)量， c 是比熱容。從公式（4）可以看出，電池產(chǎn)生的總熱量受電流，電阻，開路電壓，等效傳熱系數(shù)和電池溫度的影響。人們可以認(rèn)為，更大的電流和電阻會導(dǎo)致更大的熱量產(chǎn)生。相反，更高的等效傳輸系數(shù)和電池溫度導(dǎo)致更多的散熱，使得產(chǎn)生的總熱量減少。本文開發(fā)的電池溫升模型將考慮電池加熱過程中電阻和開路電壓的變化，以保證精度。