【热管理】电动汽车锂离子电池脉冲加热技术研究进展

前言

         

随着电动汽车产业规模不断扩大，锂离子电池作为电动汽车主要动力来源，其综合性能受到越来越多的关注。锂离子电池综合性能受环境温度的影响显著，尤其是在低温环境下，容易出现充电困难、放电效率降低和循环寿命衰减等问题。因此，在低温环境下对锂离子电池进行加热，确保锂离子电池在适宜的温度范围内工作，对于提升锂离子电池在低温环境下的综合性能有极其重要的意义。低温加热方法主要分为两大类：外部加热法和内部加热法。外部加热法指利用电池组以外的热源，例如热流体、相变材料和电热元件，通过热对流或热传导的方式对电池组进行加热，但外部加热法传热路径长，热损失大，电池温升速率慢，温均性差。相比于外部加热法，内部加热法是利用电池内部阻抗产热对电池进行加热，能量利用率高，温均性好，而且极大地降低了加热系统的复杂程度和成本。内部加热法包括三电极自加热、直流加热、交流加热和脉冲加热。三电极自加热指在电池内部嵌入金属箔形成第三电极并通过控制电极开关导通金属箔进行加热。该方法加热速率非常快，但电池内部新增的铝箔和控制开关会对其能量密度、循环寿命和使用安全性造成较大的影响，同时也增加了电池生产制造过程中的难度。直流加热法是指在电池内部通过恒定直流电来加热电池，无需额外设备，成本较低，并且相对容易实现，但较大的电流会造成电池极化增加，导致电池寿命严重衰减。交流加热法是通过对电池正负极施加一定频率和幅值的交流电产热，对电池的寿命影响较小，且可以实现温度均匀分布，但需要增加外部电源。脉冲加热法则是通过对电池施加一定的脉冲激励来加热电池，具有加热速率高、温均性好和系统结构简单等优势，发展前景广阔。

         

脉冲加热方法是解决锂离子电池在低温环境下性能衰减的有效方法，但对于电动车应用而言，脉冲加热技术的研究仍存在很多难点和挑战。一方面，如何在电池组内产生脉冲电流并进一步提升加热速率需深入研究。另一方面，脉冲激励对电池老化的影响缺乏深层次的机理研究，安全性有待进一步解决。此外，为了寻求加热速率、电池寿命和系统能耗之间的平衡，脉冲加热策略需要进一步优化。脉冲加热方法仍有很多难点需要解决，相关理论和特性的最新研究进展亟须进一步总结。鉴于此，本文中首先阐述了脉冲加热技术的机理，介绍了现有的脉冲加热；其次，总结了不同脉冲参数（频率、幅值和波形）下电池的性能特性；最后，对不同的脉冲加热策略进行了比较，旨在为后续脉冲加热技术的研究提供参考。

         

1脉冲加热机理

为了探究脉冲加热机理，需要明晰在施加外部脉冲激励下锂离子电池电特性和热特性，可通过电池等效电路模型和内部各阻抗焦耳热体现。

         

锂离子电池1阶Thevenin等效电路模型如图1所示。由于需要考虑温度和脉冲频率对电池的影响，等效电路模型中各参数均与温度T和频率f相关，等效电路的数学模型描述为

         

          

         

式中：Uoc为开路电压；R0为欧姆内阻；Rp、Cp和Up分别为极化内阻、极化电容和极化电压；I、U分别为回路的电流和端电压。

         

         

锂离子电池在充放电过程中产热，但只有焦耳热可以用来对电池进行加热，焦耳热由欧姆热和极化热组成。对电池施加脉冲激励时，若将电池看做是一个整体，则可将电池交流内阻等效为一个实部阻抗和一虚部阻抗，电池内电流I可表达为

         

         

式中：Z为电池等效交流阻抗；Re为电池等效实部阻抗；Im为电池等效虚部阻抗；Up为电池极化电压。

         

根据Thevenin等效电路模型和焦耳定律，锂离子电池施加脉冲激励的过程中，内部等效实部阻抗产生焦耳热的表达式为

         

         

将锂离子电池极化电压限制在一定范围内时，产热率仅与Re/|Z|²成正相关，令G（f，T）为Re/|Z|²的函数：

         

         

式中：f为脉冲频率；T为环境温度。

综上，脉冲加热方法利用了锂离子电池在低温环境下内部阻抗产热，而在不同环境温度和脉冲频率下电池内部阻抗不同，因此不同工况下电池最大产热不同，需对脉冲加热方法进行研究。

         

针对脉冲加热方法的研究已有相关报道，主要集中在脉冲加热方案、脉冲加热参数和脉冲加热策略3个方面。

         

2脉冲加热方案

         

脉冲加热方案的设计难点在于如何在电池组内产生脉冲电流，现有的脉冲加热方案可根据脉冲电流的来源划分为外部电源加热和独立电池脉冲加热。

         

在外部电源加热方面，林雨婷等提出利用充电站电网对电池进行脉冲加热，在实现电池最大加热效果的同时减少了锂离子电池本身的能量消耗，但该方法严重依赖于外部电源，使用范围受限。为此，孙泽昌等提出一种锂离子电池低温加热电路，如图2所示，该电路主要由电池、温度传感器、二极管、微控制器和电感组成。相比于其他加热方法，有能耗小、安全性高和有效地避免低温充放电过程中枝晶形成的优势。

         

         

为了提高加热速率，Qu等提出一种脉冲加热电路，如图3所示，该电路主要由三级放大晶体管、金氧半场效晶体管、霍尔元件和控制器组成。其中脉冲电流由晶体管的开关交替产生，晶体管的开启和闭合间隔可由金氧半场效晶体管调节。实验结果表明脉冲加热方法可以实现锂离子电池在低温下快速加热，从-10加热到10℃仅需175s，而在直流加热方法下则需280s。

         

Yu等提出了一种基于RLC非振荡网络产生双极电流脉冲加热电路，如图4所示。相比于其他加热方法，该方法优势在于双通道半桥RLC并联结构可增大加热功率，提高了加热速度和效率，并通过改变占空比可以实现自由调节加热功率的大小。

         

         

上述脉冲加热方法需要设置额外电路用于产生和控制脉冲电流，系统较为复杂。相比之下，独立电池脉冲加热不依赖外部加热电源，可以实时对锂离子电池进行加热，同时减少了外部加热电路的设计，因此更具应用价值。基于锂离子电池的车载应用场景，Du等提出利用电机定子的电感特性和电机控制器的开关特性在电池中形成脉冲电流，实现在没有任何额外硬件的情况下对电池进行低温加热。虽然该方法可使电池平均温升速率达到2.88℃/min，但加热速率仍偏低。Li等提出一种三模块分离逆变（TMSI）模式来快速加热电池组，如图5所示，该方法将电池组分为3个独立的模块，分别与逆变器的3个电桥相连，在汽车停车期间驱动电路产生脉冲电流，使电池升温；而在汽车行驶过程中通过逆变器调节脉冲电流大小来保持电池适当的温度。所提出的TMSI模式不仅具有可以与传统驱动电路兼容的优点，还可实现8.6℃/min的温升速率。

         

为了实现更高的加热速率和温均性，吴晓刚等提出采用双向DC/DC变换器在两组电池间产生交变激励，实现两组电池交互加热的系统，如图6所示。该系统有着加热速率快和温均性好的优势。综上，脉冲电流可由充电站电网、外电路、电驱动系统和双向DC/DC变换器产生，但脉冲加热参数（频率、幅值和波形）直接影响了锂离子电池的温升速率、容量衰减和系统能耗，因此对锂离子电池采用脉冲加热时，须对脉冲加热参数和脉冲控制策略进行研究。

         

 

         

3脉冲加热参数

         

为了研究脉冲加热参数对电池温升速率的影响，Zhu等分别研究了脉冲电流频率、幅值和波形对电池温升速率的影响，通过实验和模拟研究发现高电流幅值和低频率可以有效地提升电池的温升速率，采用正弦脉冲波形加热的电池温升速率为3.18℃/min，而采用矩形脉冲波形加热的电池温升速率为4.98℃/min。但并未考虑对电池容量衰减的影响。Wu等根据锂离子电池在不同温度下的电化学阻抗（EIS），建立了锂离子电池的电热模型，并基于该模型研究了脉冲电流频率和幅值对电池加热性能的影响。实验结果表明高电流幅值和低频率有利于电池温升速率的提升，且多次循环后容量仅减少了0.035%。Qin等研究了双向脉冲电流频率和幅值对电池加热速率和容量衰减的影响，脉冲电流由正电流和负电流两部分组成，电池充电或放电过程中会引起极化反应，而负电流有助于降低正脉冲引起的极化电压，并使其在相反方向极化，进而降低电池在低温下锂镀层和其他安全风险，增加电池的循环使用寿命。结果表明经过170h连续加热后，电池容量仅衰减了1%，而且高幅值、低频率脉冲电流有利于平衡电池加热速率和容量衰减。

         

以上研究都未考虑对电池温差的影响，而温度一致性对于电池循环使用寿命有着重要的影响。

         

Qin等通过实验研究了双向脉冲电流参数对电池温升速率和温差的影响。结果表明，在-20℃下，高脉冲电流幅值和低频率可实现电池5.2℃/min的温升速率，且温差仅为3.4℃。Zhu等研究了交流脉冲电流频率和幅值对电池温升速率的影响。结果表明高电流幅值和低电流频率有利于电池的温升，并且由嵌入的热电偶发现电池内部和表面具有良好的温均性，经过数百次加热循环后不会对电池容量造成较大的损伤。Du等基于充电容量、充电过程中的温度变化和循环充电期间电池使用寿命的变化，通过实验评估了脉冲电流幅值和频率对电池低温加热性能的影响。结果表明，高脉冲幅值和低频率有利于提升电池温升速率，且对容量衰减影响较小。

         

综上研究，虽然高脉冲幅值和低频率有利于提升锂离子电池温升速率，但不同工况下，锂离子电池最大产热、系统最低能耗所对应的最佳脉冲参数不同。因此，为了提升锂离子电池低温性能并降低系统能耗，须对脉冲加热策略做进一步的研究。

         

4脉冲加热策略

         

为达到更高的加热速率并减少加热过程中电池容量衰减和能量损耗，吴晓刚等提出一种基于脉冲频率优化的脉冲加热策略。通过对电池施加0.1~10kHz频率范围的脉冲激励，测得电池阻抗、电池温度与脉冲频率的关系，对脉冲频率进行优化，得出在不同温度下最大产热的脉冲频率。实验结果表明所提出的脉冲加热优化策略可以在168s内将电池从-25加热到5℃，且经过多次循环实验后电池容量仅减少了0.16%。Lyu等将抑制锂沉积的判据转化为不同温度和荷电状态下的电流约束，搭建了具有闭环脉冲电流控制功能的实验平台，通过对电池进行100次加热循环后发现电池容量没有明显的下降。为了缩短加热时间同时降低容量衰减，Jiang等提出了一种用于锂离子电池低温加热的最佳脉冲加热策略。通过建立电池电热老化耦合模型，以加热时间和容量损失为约束目标，通过粒子群优化（PSO）算法对最佳脉冲电流进行优化。结果表明，所提出的加热策略可以有效缩短加热时间，且不会导致严重的容量损失。为了平衡加热时间、容量衰减和加热系统能耗，Huang等提出一种新型的锂离子电池脉冲加热策略，可以根据锂离子电池的初始SOC，确定脉冲电流的最大幅值，在电量充足（SOC＞80%）时，消耗较多能量以达到最短的加热时间，当电量不足（SOC＜30%）时，延长加热时间，当锂离子电池SOC处于中间值时，平衡加热时间和能耗，期间可以动态调整脉冲幅值，达到提高加热速度和降低容量损失的目的。与恒幅脉冲加热策略相比，该策略可以将加热时间缩短2~4min，能耗降低50%。

         

以上脉冲策略的研究都旨在优化电池产热速率，未考虑电池温度和SOC一致性，而锂离子电池组大都由多个电芯排列组成，电芯间温度和SOC一致性是其输出设计性能的必要条件。

因此，为实现温度和SOC一致性，提高低温性能，Vu等提出一种交互脉冲加热策略，对电池包内的电芯进行分层加热，在外侧区域的加热过程中增加一段“延时”时间。对电池加热时，先激活内侧脉冲加热，一段延时时间后再激活外侧区域，在相同的加热时间后，内外侧可以达到相同的温度状态，同时可以确保SOC的一致性。

         

5展望

         

脉冲加热技术具有较高的加热速率、能量利用率和易于实现等优点，是未来锂离子电池低温加热技术的主要发展方向之一，但要推动脉冲加热技术在电动汽车上规模化应用，在以下几方面开展技术优化至关重要。

         

（1）目前脉冲电流可通过充电站产生，该方法最简单，但需要增加双向充电器；为电池引入有源均衡电流可以实现实时加热，缺陷在于成本昂贵；采用电机驱动方法可以在不增加其他加热器件下对电池进行加热，极大地减小了系统复杂程度和成本，但产生的脉冲电流幅值较小，温升速率较慢。因此，对于脉冲电流的产生来源应做进一步的技术优化。

         

（2）虽然脉冲加热技术可以提升电池在低温下的加热速率，但电池内部产热与极化电压呈正相关，极化电压过高会导致电池内部电流过大，在低温环境下对锂离子电池循环寿命产生不利影响，因此，锂离子电池的极化电压须进行限制，确保在一定范围内不会对电池使用寿命产生较大的影响。此外，高脉冲电流幅值和低频率有利于电池温升速率，但其安全性和噪声舒适性有待进一步优化。

         

（3）现有的脉冲加热策略仅在单一工况下对脉冲参数进行了优化，且多数旨在提高电池温升速率。但要推进锂离子电池在低温环境下广泛应用，需要确保电池在各工况下温度始终保持在合适范围内并实现高性能输出，同时降低加热系统能耗。因此，后续研究应进一步从使用工况、加热性能和系统能效等方面研究可实现多种工况、加热速率、容量衰减和系统能耗动态平衡的脉冲加热策略。