动力电池低温快速加热技术介绍

Lv.3

任务小子

为推动电动汽车关键共性技术发展，服务于成员单位技术研发需求，自成立以来，联盟一直持续开展整车及关键零部件前沿、共性技术研究工作，形成了大批研究成果，推动了电动汽车产业技术创新和进步。2023联盟共立项共性技术课题22项，为推动课题交流和成果共享，联盟将持续发布在研课题研究进展和成果，最大化发挥课题研究价值。

动力电池低温快速加热技术

研究目的

动力电池低温快速加热技术研究课题由武汉理工大学汽车工程学院余庆华教授承担，课题面向低温环境下，动力电池充放电容量显著降低、寿命衰减加剧、循环倍率性能差等问题，构建适用于动力电池的低温快速加热策略，研发兼具耐久性、快速性、节能性的电池低温快速加热电流控制系统，在保证电池温度均匀性的前提下，实现动力电池低温快速加热。

研究进展与阶段性成果

（一） 建立了宽温域范围的动力电池电化学-热耦合模型

锂离子电池的产热与电化学反应之间是相互影响的，基于非均匀电化学热源的锂离子电池电化学-热耦合模型先通过电化学控制方程计算得到锂离子电池各部分的生热率反馈给热模型，作为电芯对应部分的生热率；再将电池产热控制方程计算得到的电芯各部分的温度引入到电化学模型对应部分，并作为电化学反应的温度。电化学-热耦合模型通过建立偏微分方程来描述电池工作时内部的反应过程，将内部电场和温度场耦合，更为精确地进行生热特性研究。基于非均匀电化学热源的锂离子电池电化学-热耦合模型的耦合原理及控制方程如图1所示。

图1 电化学-热耦合模型的耦合原理及控制方程

通过开展宽温域范围的动力电池充放电实验验证了模型的有效性。实验将额定容量为40Ah的三元锂电池分别暴露在298.15K和253.15K的恒温环境中，在温度为298.15K的环境中，分别以0.5C、1.0C、1.5C和2.0C的倍率进行放电；在温度为253.15K的环境中，先分别以0.1C、0.2C和0.5C的倍率进行恒流充电至截止电压4.2V后恒压充电至电流低于0.05C时结束，监测充放电过程中电池的电压和温度变化情况。如图2所示为环境温度为298.15K时的电压-时间和温度-时间验证结果，如图3所示为环境温度为253.15K时的电压-时间和温度-时间验证结果。仿真结果与实验数据的拟合程度较好，误差基本控制在5%以内，模型具有较高的准确性。

图2 环境温度为298.15K时的模型验证结果

图3 环境温度为253.15K时的模型验证结果

（二） 脉冲加热参数对锂离子电池电化学和热特性的影响规律分析

1. 波形对锂离子电池电化学特性和热特性的影响（相同脉冲加热参数）

仿真了初始SOC为80%的三元锂电池，分别在环境温度为263.15K、273.15K下，通过不同波形的脉冲加热300s后的电化学特性参数（电压变化、SOC变化、电极电流密度分布、负极锂离子浓度分布）以及热特性参数（温升速率、温度分布、温度均匀性）。脉冲加热的最大振幅为4C和5C，不同波形的周期为4s，占空比为50%。不同波形的示意图如图4所示。

图4 不同波形示意图

1.1 波形对锂离子电池单体电压、SOC的影响

在环境温度为263.15K时，不同波形4C与5C脉冲加热的电池电化学参数变化如表1、表2所示。

表1 263.15K时4C振幅下不同波形脉冲加热电池电化学参数变化

表2 263.15K时5C振幅下不同波形脉冲加热电池电化学参数变化

比较不同的波形加热结果，可知相同脉冲加热参数下，方波加热SOC损失较多；脉冲加热振幅越大，电压及SOC损失越多。

1.2 方波对锂离子电池单体电极电流密度、负极锂离子浓度的影响

在环境温度为263.15K时，4C与5C振幅的方波在不同加热时长后的电极电流密度、负极锂离子浓度分布如图5所示，流线部分为电池电极电流。

图5 263.15K时方波加热电池电极电流密度、负极锂离子浓度分布

1.3 方波对锂离子电池单体电极电位的影响

在环境温度为263.15K时，4C与5C振幅的方波在不同加热时长后的电极电位分布如图6所示。

振幅为4C和5C的脉冲加热结束时，正极电极电位分别为3.52V和3.50V，负极电极电位为0V；电极表面箭头代表电极电流矢量，在电池内部，电流从负极流向正极，因此正极电极电流表现为流入，负极电极电流表现为流出；电极电流矢量疏密程度与脉冲振幅有关，大振幅条件下，极耳附近的电极电流更为密集。

图6 263.15K时方波加热电池电极电位分布

1.4 波形对锂离子电池单体温升速率与温度分布的影响

研究了环境温度为263.15K与273.15K时，不同波形的脉冲加热对电池温升速率的影响，电池平均温度的变化如图7，300s内不同波形脉冲加热的平均温升速率如图8。相同脉冲加热参数条件下方波加热具有更高的温升速率；电池正极耳附近温度高于其他区域；随着脉冲加热的进行，电池温差逐渐增大，方波加热的温度均匀性更好。

图7 不同波形脉冲加热电池平均温度变化

图8 不同波形脉冲加热电池平均温升速率

1.5 方波对锂离子电池单体温度分布的影响

研究了环境温度为263.15K时，4C和5C振幅下的方波脉冲加热对电池温度分布的影响，结果如图9所示。大振幅能够显著提高电池温升速率，但会造成较大的温差。

图9 263.15K时不同振幅的方波脉冲加热电池温度分布

2 波形对锂离子电池电化学特性和热特性的影响（保证SOC损失基本相同）

仿真了初始SOC为80%的三元锂电池，分别在环境温度为263.15K、273.15K下，通过不同波形的脉冲加热300s后的电化学特性参数以及热特性参数。脉冲加热的最大振幅，方波为2C和2.5C，正弦波与三角波为4C和5C。不同波形的周期为4s，占空比为50%。

2.1 波形对锂离子电池单体电压、SOC的影响

在环境温度为263.15K时，不同波形脉冲加热的电池电化学参数变化如表3、表4所示。由于一个加热周期内正弦波加热的放电容量略高于另外两种波形，正弦波加热SOC损失略多。脉冲加热振幅越大，电压及SOC损失越多。

表3 263.15K时2C/4C振幅下不同波形脉冲加热电池电化学参数变化

表4 263.15K时2.5C/5C振幅下不同波形脉冲加热电池电化学参数变化

2.2 波形对锂离子电池单体温升速率的影响

研究了环境温度为263.15K与273.15K时，不同波形的脉冲加热对电池温升速率的影响，300s内不同波形脉冲加热的平均温升速率如图10。由图10可见，在保证SOC损失基本相同时,三种波形的温升速率相近。

图10 不同波形脉冲加热电池平均温升速率

3 采用不同脉冲加热方法对电池单体的影响

对比分析了在环境温度为273.15K时，采用1C、2C、3C、4C单向脉冲与双向脉冲加热的初始SOC为80%的三元锂电池单体的电压与温度变化，单向脉冲周期为4s，占空比为50%，双向脉冲正负电流各占50%周期。采用单、双向脉冲加热对电池单体温度的影响如图11。

图11 273.15K时单向与双向脉冲加热电池单体温度变化

（三）锂离子电池低温内外部耦合脉冲快速加热策略构建与效果评价

开展了一系列低温加热实验，包括单向脉冲加热、电加热膜加热、内外混合加热，探究不同加热方式对电池电化学和热特性参数的影响。实验电池相关参数如表5所示，实验变量设置如表6所示。实验设备与连接示意图如图12所示。

表5 电池相关参数

表6 实验变量设置

图12 实验设备及连接示意图

1 内部加热实验

1.1 不同脉冲周期对电池电化学特性和热特性参数的影响

环境温度为-20℃，电池初始SOC为100%，对电池单体进行振幅为2.5C，占空比为80%，周期为4s、8s、12s、16s的单向脉冲加热实验，电化学特性参数与热参数分别如图13、图14所示，可见周期对加热效果的影响并不明显。

图13 电池电化学特性参数

图14 电池热特性参数

1.2 不同占空比对电池电化学特性和热特性参数的影响

环境温度为-20℃，电池初始SOC为100%，对电池单体进行振幅为2.5C，占空比为50%、60%、70%、80%，周期为4s的单向脉冲加热实验，相关电化学特性参数变化如表7所示。同样条件下周期为16s的单向脉冲加热实验对比如图15与图16。相同振幅和周期条件下占空比越高，电池SOC和能量损失越大；相同振幅和周期条件下，高占空比的波形具有更好的加热效率。

表7 不同占空比单向脉冲电化学特性参数变化

图15 不同占空比对周期4s与16s的脉冲加热电化学特性参数的影响

图16 不同占空比对周期4s与16s的脉冲加热热特性参数的影响

不同的脉冲加热参数对电池的影响程度示意图如图17所示。

图17 不同脉冲加热参数对电池的影响程度示意图

2 混合加热实验

2.1 不同脉冲周期对电池热特性参数的影响

环境温度为-20℃，电池初始SOC为100%，对电池单体进行振幅为2.5C，占空比为80%，周期为4s、8s、12s、16s的单向脉冲与加热膜混合加热实验，热特性参数对比如图18。在占空比为80%时，不同的脉冲电流周期对混合加热效果影响不大；随着周期减小，内部加热效果有轻微的下降，而加热膜的加入缓解了这一趋势。