１.低溫對(duì)電池放電容量的影響 

 

容量是鋰電池最重要的參數(shù)之一，它的巨細(xì)跟著溫度改變的曲線如下圖所示，下圖是一款磷酸鐵鋰電池的放電曲線。磷酸鐵鋰電池，充電停止電壓為3.65±0.05Ｖ，放電停止電壓為２±0.05Ｖ，兩條曲線，是電池別離按照0.1C和0.3C在不同溫度下進(jìn)行放電，得到的溫度容量曲線。十分顯著的，容量跟著溫度的升高逐漸上升-20℃的容量只相當(dāng)于15℃容量的60％左右。除了容量，跟著溫度下降的還有電池開路電壓。咱們都知道，電池中包含能量是容量與端電壓的乘積，當(dāng)兩個(gè)乘數(shù)都下降時(shí)，電池內(nèi)的能量必定是兩者下降作用的疊加。 

 

低溫下正極資料活性下降，使得可以發(fā)作移動(dòng)帶來放電電流的鋰離子數(shù)量下降，是容量下降的根本原因。 

 

不同溫度和放電倍率下裡電池放電容量 

 

２.低溫對(duì)電池內(nèi)阻的影響 

 

鋰電池溫度與電阻的聯(lián)系，如下圖所示。不同的曲線代表電池自身不同的荷電量。任何一個(gè)荷電量下，電池內(nèi)阻都跟著溫度的下降而顯著升高，荷電量越低的電芯，內(nèi)阻越大，并且這個(gè)趨勢(shì)也跟著溫度的改變而堅(jiān)持不變。 

 

低溫下，正負(fù)極資猜中，帶電離子的分散運(yùn)動(dòng)才干變差，穿越電極與電解液的鈍化膜變得困難，在電解液中傳遞的速度也下降，并且在傳遞進(jìn)程中還會(huì)額外發(fā)生很多熱量。鋰離子抵達(dá)負(fù)極以后，在負(fù)極資料內(nèi)部的分散也變得不順暢。悉數(shù)的進(jìn)程，帶電離子的運(yùn)動(dòng)都變得困難重重，在外部看來，就是電芯的內(nèi)阻升高了。 

 

 

 

內(nèi)阻與ＳＯＣ、溫度之間聯(lián)系 

 

３.低溫對(duì)電池充放電功率的影響 

 

下面的曲線，是充電功率跟從溫度變換的曲線。咱們可以觀察到，-20℃下的充電功率只要15℃時(shí)候的65%。這兒只說功率，低溫充電的損害十分嚴(yán)重，這兒不展開討論。低溫帶來了前文中描述的種種電化學(xué)層面功能的改變，內(nèi)阻顯著增加。放電進(jìn)程中，大量的電能耗費(fèi)在內(nèi)阻發(fā)熱上面。咱們觀察到的庫倫功率下降了。電動(dòng)轎車行駛進(jìn)程中，就會(huì)感覺到，看起來差不多的電量，低溫下續(xù)航變短了。 

 

 

充電功率隨溫度改變趨勢(shì)圖 

 

4 鋰離子電池內(nèi)部副反響 

 

低溫下鋰電池功能退化嚴(yán)重，一起在鋰離子電池充放電進(jìn)程中會(huì)有一些副反響發(fā)作。這些副反響中主要是鋰離子與電解液不可逆的反響，會(huì)構(gòu)成鋰電池容量闌珊，使電池功能進(jìn)一步惡化。 

 

導(dǎo)電活性物質(zhì)的耗費(fèi)，構(gòu)成容量衰減?？紤]到電池中正負(fù)兩個(gè)電極的電位，比較于正極這些副反響更有可能發(fā)作在負(fù)極側(cè)。因?yàn)樨?fù)極資料電勢(shì)比正極資料電勢(shì)要低得多，離子和電解質(zhì)溶劑發(fā)生副反響的堆積物堆積在了電極表面，構(gòu)成SEI 膜。SEI 膜的阻抗是引起負(fù)極反響過電勢(shì)的一個(gè)因素之一。當(dāng)電池進(jìn)一步循環(huán)老化后，因?yàn)榻舆B循環(huán)中鋰離子在負(fù)極上不斷地嵌入與脫出，引起的電極脹大和收縮會(huì)使得SEI膜決裂。SEI 膜決裂后的裂縫供給了電解液與電極直接接觸通道，然后構(gòu)成新的 SEI 膜填補(bǔ)了裂縫也增加了 SEI 膜厚度。這些反響進(jìn)程跟著電池不斷地充放電而不斷重復(fù)發(fā)作，使得鋰離子在反響中不斷削減，導(dǎo)致鋰離子電池放電容量的闌珊。 

 

充電時(shí)，活性物質(zhì)表面構(gòu)成的堆積物，增加了電阻。下降了活性粒子的有用表面積，增加了離子電阻。鋰電池的可用容量和能量一起發(fā)作闌珊。鋰電池在充電進(jìn)程中更簡單發(fā)作副反響。鋰電池充電開始時(shí)，鋰離子經(jīng)過電解液向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，所以電極和電解液之間的電位差削減，使得鋰離子與電解液中的物質(zhì)更易發(fā)作不可逆的副反響。鋰離子電池電極資料的不同，它的電勢(shì)與電極資料嵌鋰濃度分?jǐn)?shù)的聯(lián)系曲線也不同。 

 

 

5 鋰電池低溫預(yù)熱技能 

 

面臨低溫下鋰電池運(yùn)用受限的局面，技能人員找到的應(yīng)對(duì)戰(zhàn)略是充電預(yù)熱，雖然是權(quán)宜之計(jì)，但對(duì)進(jìn)步鋰電池的放電才干和長時(shí)間壽數(shù)都有顯著作用。 

 

低溫環(huán)境下對(duì)鋰電池充電或運(yùn)用前，有必要對(duì)電池進(jìn)行預(yù)加熱。電動(dòng)轎車車載的電池管理體系(BMS)對(duì)電池加熱的辦法大體可分外部加熱與內(nèi)部加熱兩大類。外部加熱辦法有空氣加熱、液體加熱、相變資料加熱，以及熱阻加熱器或許熱泵加熱。這些加熱辦法一般位于電池包中，或許設(shè)置在熱循環(huán)介質(zhì)的容器中。內(nèi)部加熱法加熱電池，則是經(jīng)過溝通電流鼓勵(lì)電池內(nèi)部電化學(xué)物質(zhì)，使電池本身發(fā)生熱量。 

 

外部加熱 

 

關(guān)于用空氣加熱的辦法，有研討人員運(yùn)用電池與一套大氣模仿體系進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)成果表明，相關(guān)于裸露在低溫環(huán)境中的電池，周圍空氣被加熱的電池可以放出更多的容量。 

 

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)化功率。但是液體加熱需求更雜亂的加熱體系。液體加熱在電動(dòng)轎車與混合動(dòng)力轎車中的應(yīng)用現(xiàn)已有不少實(shí)踐事例。比如：在雪佛蘭 Volt 轎車中，環(huán)繞電池組熱交換液，由360V的加熱器加熱。 

 

相變資料加熱電池也現(xiàn)已被運(yùn)用。當(dāng)電池溫度降到相變資料的相變溫度點(diǎn)之后，相變資料貯存的熱量會(huì)被釋放出來，堅(jiān)持環(huán)境溫度穩(wěn)定，也就是向電池組傳遞熱量。相變資料的主要優(yōu)勢(shì)在于其可以用在溫度改變較敏捷的環(huán)境中。 

 

內(nèi)部加熱 

 

溝通鼓勵(lì)加熱，比較于外部加熱來說，另外一種常用的加熱辦法，結(jié)構(gòu)規(guī)劃上會(huì)比較簡單，就是經(jīng)過交變的電流加熱電池。它不需求進(jìn)行傳熱結(jié)構(gòu)的規(guī)劃，只是在電池正負(fù)極加載必定頻率的溝通鼓勵(lì)，鼓勵(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)小幅值充放電的作用。 

 

與直流加熱電流比較，溝通電流或正負(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，而電池荷電狀況(SOC)基本上是不變的。因?yàn)檫@些特性，溝通內(nèi)部預(yù)熱辦法成為一個(gè)研討較多的范疇。2004 年，國外一個(gè)研討者首先提出運(yùn)用交變的電流直接對(duì)鋰離子電池加熱，只是運(yùn)用電池內(nèi)部的電阻效應(yīng)產(chǎn)熱。他們對(duì)不同的SOC 狀況下和不同溫度下（-20℃~40℃）的不同的電池做了一些測(cè)驗(yàn)。測(cè)驗(yàn)成果表明，在必定倍率的電流下，一切電池都會(huì)快速產(chǎn)熱。 

 

美國一個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)加熱頻率對(duì)加熱作用的影響進(jìn)行了研討，他們?cè)?0.01Hz 到2KHz不同頻率下做了仿真，并將成果與外部加熱辦法做了比較，以為內(nèi)部加熱具有顯著的優(yōu)勢(shì)。 

 

比較外部加熱辦法，內(nèi)部加熱避免了長途徑的熱傳導(dǎo)和接近加熱裝置的當(dāng)?shù)夭糠譄狳c(diǎn)的構(gòu)成。因此，內(nèi)部加熱可以以更高的功率，更均勻地加熱電池以達(dá)到更好的加熱作用且更簡單完成。不同的加熱辦法總結(jié)如下表： 

 

 

 

目前對(duì)內(nèi)部溝通預(yù)熱計(jì)劃研討大多集中在加熱速度與功率上，加熱戰(zhàn)略對(duì)防備鋰堆積等副反響的發(fā)作還很少有清晰的考慮。完成預(yù)熱進(jìn)程中防備鋰堆積的發(fā)生，需求BMS 能實(shí)時(shí)估計(jì)并操控鋰堆積發(fā)生的條件。需求基于模型的操控電池低溫下加熱技能，才干完成上述功能。跟著新能源轎車的發(fā)展，動(dòng)力鋰電池的運(yùn)用量也與日俱增，鋰電池低溫下運(yùn)用急需解決電池預(yù)熱問題，這是一個(gè)距離實(shí)踐應(yīng)用十分近的范疇。