创新的锂电池自加热方法，让冬天不再是电动汽车的“梦魇”

阅读征文通知，请戳上面标题  ▲

联合主办

中国电工技术学会

北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室

联合承办

中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会

国家高速列车技术创新中心

《电气技术》杂志社

会议日期/地点

2019年10月25-27日/山东青岛

摘要

北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心、北京电动车辆协同创新中心的研究人员何锡添、孙丙香、阮海军、王占国、苏晓佳，在2019年第9期《电工技术学报》上撰文指出（论文标题为“锂离子电池变频变幅交流低温自加热策略”），低温下锂离子电池的可用容量和功率大幅下降，而且充电困难。对锂离子电池进行低温加热是改善其性能的有效途径。

该文建立了电池的热-电耦合模型，设计了一种变频变幅交流自加热策略，在保证极化电压幅值不变的条件下，以加热功率最大为目标，根据电池在各个温度下得到的最佳加热频率实时调整交流激励的频率和幅值。

对比不同策略发现，采用变频变幅交流自加热策略，电池在700s内上升了47.67℃，相比恒频变幅加热策略，其温升速率最大可提高21.85%。所设计的变频变幅交流自加热策略具有良好的加热效果，有利于促进电动汽车在寒冷环境下的推广应用。

能源危机和环境保护的双重压力助推了电动汽车的快速发展。锂离子电池因能量密度高、使用寿命长、节能环保等优点而成为电动汽车动力电池的首选。但由于参数随条件的变化，锂离子电池在实际应用中仍然存在一些挑战。低温环境下锂离子电池的可用容量急剧下降，会直接影响电动汽车的续航里程，而且电池充电变得更加困难，输出功率大幅下降，严重时难以达到正常工况要求。

锂离子电池的使用寿命与众多因素相关，低温下按常规策略充电容易出现析锂现象，这将严重影响电池的寿命。因此，对锂离子电池进行低温加热，改善低温充电性能和使用性能十分必要。

目前对电池进行加热的方式主要分为两种：外部加热和内部加热。外部加热主要是通过热传导或热对流的途径实现，通过PTC材料或加热膜等在外部对电池进行加热。但该方式受热不均匀且加热效率较低。内部加热直接在电池内部产生热量，故其加热效率更高，受热更加均匀。

JinXin等分别在HPPC及恒流放电工况下实验，对比外部加热和内部加热，发现内部加热的温升速度明显高于外部加热。ZhangGuangsheng等设计了一种自加热结构的锂离子电池（Self-Heating Lithium-ion Battery,SHLB），采用2片镍箔的设计使温度分布更加均匀，温升更快，但短路引起的大电流是否对电池的寿命造成影响需要进一步讨论。且该方法需要改变电池结构，实现较为困难，故应考虑通过电池自身阻抗产热以达到加热电池的目的。

JiYan等对各种加热方式进行比较，发现交流电加热电池温度均匀性好，能够保持荷电状态（State of Charge, SOC）基本恒定；而直流放电自加热虽然成本低，但受制于起始SOC的大小，且过大的直流会对电池寿命造成一定影响。由此可知，相比于外部加热方式，交流加热实现起来较为容易，能够保持荷电状态基本恒定，且加热速度较快，加热均匀性好。

T.A.Stuart等提出在低温环境下对电池施加交流电进行内部自加热的策略，且探讨了交流信号的参数对加热效果的影响，但仅讨论了60Hz和10~20kHz两个频率段的结果，对于两个频率段之间的频率未做分析。

ZhangJianbo等更加详细地指出交流信号的频率与加热效果有关，同一电流幅值下，频率越低，加热时间越短，但并未指出如何选择交流激励的幅值与频率使得加热速度最大化，且没有考虑寿命衰退问题；同时发现在使用交流加热后，电池SOC没有明显变化。在恒定电流幅值的交流加热下，交流电流的频率过低，半波周期过程接近于直流充放电过程，无法体现交流加热的优势。

另外，由于极化电压与电池的电化学反应存在一定的关系，在一定的极化电压下充电不会明显影响电池寿命，故为了避免电池产生不良的反应，有必要控制电池的极化电压。RuanHaijun等提出并证明了锂离子电池在恒极化电压条件下存在最佳加热频率，进行了恒定频率与变化幅值（Constant-Frequency and Variable-Amplitude, CFVA）下的电池交流自加热实验，但没有随着电池温度的升高而改变频率以使每个温度点下的产热率最大。

对此，在恒定极化电压交流加热的情况下，为在交流加热过程中能保持最大的产热率，交流信号的频率需实时调整。目前已有文献仅涉及交流电流恒频恒幅或恒频变幅的加热实验，没有研究交流电流变频的加热策略，而频率在锂离子电池的自加热过程中起到关键性的作用。

故本文设计了一种变频变幅（Variable-Frequency and Variable-Amplitude, VFVA）锂离子电池低温自加热策略，通过软件仿真和实验测试的对比，验证了该策略的可行性与有效性。

图1  电池实验平台

结论

本文以快速加热电池、同时不对电池产生不良影响为原则，在保证极化电压幅值恒定的条件下，基于热-电耦合模型设计了一种电流频率和幅值时变的低温交流自加热策略。通过Labview软件在线实测，进行了多项实验验证。

通过所建立的电池热-电耦合模型及其仿真结果证明了最佳加热频率的存在。仿真与实验得到的最佳加热频率结果基本一致，电池温升曲线误差较小，均在9%以内。

通过变频变幅与1700Hz和3500Hz恒频变幅交流自加热策略的对比实验可看出，变频变幅自加热策略加热效果最优，3500Hz的恒频变幅自加热策略优于1700 Hz的恒频变幅自加热策略。其中，变频变幅及1 700 Hz、3 500 Hz恒频变幅交流自加热策略在700s内的电池温升分别为47.67℃、40.83℃和44.01℃，能够满足电池在低温下的加热需求。

不同条件下变频变幅交流自加热策略与恒频变幅交流自加热策略在700s内电池温升差异最大为6.84℃，温升速率差异最大值为21.85%，说明变频变幅交流自加热策略具有较明显的优势。

进一步阅读，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊官方网站，可下载全文PDF版。

联系我们

《电工技术学报》：010-63256949/6981

邮箱：[e-mail]

---

《电气技术》：010-63256943

邮箱：[e-mail]

---

编务：010-63256994；订阅：010-63256817