楊瑩瑩，魏學(xué)哲,劉耀鋒，戴海峰，朱建功，房喬華

(1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，汽車學(xué)院，上海 201804; 2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

2016142

車用鋰離子電池交流加熱的研究*

楊瑩瑩1，魏學(xué)哲1,劉耀鋒2，戴海峰1，朱建功1，房喬華1

(1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，汽車學(xué)院，上海 201804; 2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

提出電池交流加熱物理模型和產(chǎn)熱模型，通過單體電池的交流加熱實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的正確性。不同條件的交流加熱實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，頻率較高時(shí)，電流增大不會(huì)對(duì)電池造成任何損傷，且溫升速度大幅提高；頻率越高越不容易產(chǎn)生析鋰現(xiàn)象；梯形波與正弦波激勵(lì)同樣適用于電池的交流加熱。

鋰離子電池；低溫充放電；交流加熱

前言

新能源汽車的電池是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵，它能為整個(gè)新能源系統(tǒng)提供電力。目前車載鋰離子動(dòng)力電池在續(xù)航里程、充電時(shí)間和使用壽命上仍然存在很多問題。鋰離子動(dòng)力電池的外特性易受環(huán)境溫度的影響，特別是低溫環(huán)境下，續(xù)航里程有所下降，低溫充電時(shí)不僅充不滿，還會(huì)對(duì)電池造成永久性傷害，降低電池的使用壽命和電池的有效容量[1-3]。

因此低溫環(huán)境下，在電池使用前需進(jìn)行預(yù)加熱，使電池內(nèi)芯達(dá)到正常工作溫度范圍。電池預(yù)加熱可以使用傳統(tǒng)加熱方法和新型加熱方法，傳統(tǒng)加熱方法主要采用氣體、液體、相變材料、電加熱絲等外部加熱方法[4-11]，不僅加熱緩慢、加熱不均勻，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、安全性低；新型加熱方法直接利用電池內(nèi)阻從電芯內(nèi)部產(chǎn)熱，不僅加熱迅速、加熱均勻，且結(jié)構(gòu)簡單，成本低。而新型加熱方法又分放電加熱、充電加熱和交流加熱。其中放電加熱[12-13]對(duì)電池要求苛刻，不僅需要較高SOC、大電流放電，而且溫度過低時(shí)該種加熱方法直接失效。充電加熱[13]不僅嚴(yán)重影響電池壽命，而且在電池負(fù)極易產(chǎn)生鋰枝晶，造成內(nèi)部短路，因此安全性極低。交流加熱[14-19]不僅加熱迅速且對(duì)電池狀態(tài)無苛刻要求，因?yàn)榻涣骷訜醿H利用反復(fù)交替進(jìn)行的充放電過程產(chǎn)熱，而不會(huì)對(duì)電池的電量造成影響。

為進(jìn)一步研究交流加熱的溫升原理和加熱效果，本文中將借助不同溫度下的EIS交流阻抗譜分析，建立鋰離子電池的低溫交流加熱等效電路熱模型。同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)研究交流激勵(lì)信號(hào)的幅值、頻率和波形對(duì)加熱效果的影響。

1 電化學(xué)阻抗譜測試與分析

本文中以正極為三元材料，負(fù)極為石墨，額定容量為2A·h，額定電壓為3.6V的18650型鋰離子動(dòng)力電池為測試對(duì)象，實(shí)驗(yàn)采用Solartron 1255B型頻率響應(yīng)分析儀和1287恒電位/恒電流儀組成的電化學(xué)測試系統(tǒng)，以及TOYO PBI250-10功率放大器，共同搭建高精度超低阻抗(大容量)電池交流阻抗譜測試系統(tǒng)。

頻率響應(yīng)分析儀主要用于測試系統(tǒng)中傳遞函數(shù)分析的相位和增益，具有頻率范圍大(10μHz～1MHz)、分辨率高(10μHz)、幅值相角精度高(0.2%，0.2°)、極化電壓高(40.95V)等特點(diǎn)；1287恒電位/恒電流儀具有雙高精度數(shù)字采集系統(tǒng)、可同時(shí)測量電壓和電流數(shù)據(jù)、高的測量精度和分辨率(參考電極電壓精度達(dá)到1μV，工作電極電流精度達(dá)到1pA)等特點(diǎn)；功率放大器具有電壓范圍廣(±5V，0～+10V)、電流大(±25A)、功率大(250W)等特點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)測得不同溫度下的EIS阻抗圖譜，橫縱坐標(biāo)分別是阻抗實(shí)部(ZRe)和阻抗虛部(ZIm)，如圖1所示。由圖可見，電池的電化學(xué)阻抗譜隨著溫度變化而變化，特別是低溫環(huán)境下的電化學(xué)阻抗譜，變化特別明顯，隨著溫度的降低，各個(gè)頻段的阻抗均有所增大，但高頻變化幅度較小，低頻部分變化幅度很大，而低頻區(qū)域是與鋰離子在活性材料顆粒內(nèi)部的固體擴(kuò)散過程相關(guān)的，也進(jìn)一步證明了低溫性能差雖然會(huì)受電解液離子電導(dǎo)率和SEI膜的影響，但其主要原因是鋰離子在活性材料顆粒內(nèi)部的固相擴(kuò)散系數(shù)較低。

2 交流加熱機(jī)理與產(chǎn)熱模型分析

2.1 交流加熱物理機(jī)理模型

本文中提出如圖2所示的低溫環(huán)境中直流充電和交流激勵(lì)下電極反應(yīng)機(jī)理模型示意圖。低溫環(huán)境下，直流充電過程中因鋰在石墨負(fù)極活性材料顆粒中的固相擴(kuò)散系數(shù)降低，導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)生成的鋰不能及時(shí)向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散而在負(fù)極活性材料顆粒表面積累，即產(chǎn)生析鋰(只發(fā)生在負(fù)極)，其機(jī)理模型如圖2(a)所示。

對(duì)電池加載交流激勵(lì)時(shí)，鋰離子在電極活性材料顆粒中的擴(kuò)散過程交替進(jìn)行，因此當(dāng)電池在低溫下進(jìn)行一定時(shí)間的嵌鋰過程的電化學(xué)反應(yīng)后，隨機(jī)發(fā)生脫鋰的電化學(xué)反應(yīng)，嵌鋰反應(yīng)所生成的鋰被隨后發(fā)生的脫鋰反應(yīng)所消耗，即每個(gè)周期生成和消耗的鋰相平衡，則電池的容量不會(huì)發(fā)生永久性損傷，即電池的壽命不會(huì)受到影響。

圖2(b)為鋰離子電池在超低頻交流激勵(lì)下的電極反應(yīng)模型機(jī)理示意圖，此時(shí)雖然嵌鋰和脫鋰交替進(jìn)行，但其頻率較低，前半周期產(chǎn)生了較多的析鋰，使鋰與電解液發(fā)生一定程度的反應(yīng)，因而在后半周期內(nèi)只能將部分析鋰作為反應(yīng)物消耗掉，因此，雖然減小了整個(gè)過程中的析鋰積累量，但仍然對(duì)電池容量造成永久損傷，影響電池的使用壽命。隨著交流激勵(lì)頻率的提高，電化學(xué)反應(yīng)周期變短，在反應(yīng)速度不變的前提下，周期變短，無論正向反應(yīng)還是逆向反應(yīng)，反應(yīng)生成物的積累程度和反應(yīng)消耗物的消耗程度均變小，因此前半周期內(nèi)反應(yīng)所生成和積累的較少，在后半周期內(nèi)能夠?qū)⒃摬糠炙傻目赡嫖鲣囃耆牡?，進(jìn)而電池在整個(gè)交流激勵(lì)的過程中不會(huì)有析鋰的積累和損耗，該反應(yīng)過程模型機(jī)理如圖2(c)所示。隨著交流激勵(lì)頻率的繼續(xù)提升，周期繼續(xù)縮小，前半周期內(nèi)嵌鋰反應(yīng)產(chǎn)生的鋰因量過少還未達(dá)到析鋰的濃度時(shí)，即被后半周期的脫鋰反應(yīng)過程所消耗，整個(gè)交流激勵(lì)過程中不會(huì)出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象，也就不會(huì)對(duì)電池的容量造成永久性損傷，該反應(yīng)過程模型機(jī)理如圖2(d)所示。

2.2 交流加熱產(chǎn)熱模型

本文中建立一個(gè)簡單的產(chǎn)熱模型來計(jì)算交流激勵(lì)加熱的產(chǎn)熱功率和鋰離子電池的溫升情況。假設(shè)電池模塊內(nèi)部均勻產(chǎn)熱，且熱導(dǎo)系數(shù)非常高，那么熱平衡瞬態(tài)熱模型即熱傳遞方程[20]為

(1)

q=I2Re

(2)

式中：m為電池模塊質(zhì)量；Cp為模塊的比熱容；?T為時(shí)間段?t內(nèi)電池模塊的溫度變化量；q為發(fā)熱功率；hA(T-T0)為電池模塊的熱損失功率；I為交流激勵(lì)電流有效值；Re為交流加熱的發(fā)熱電阻。該產(chǎn)熱等式模型中除了Re為未知量以外，其他量均可通過查閱電池資料和測試散熱條件獲得。

可通過測試不同溫度下的擴(kuò)展型交流阻抗譜，根據(jù)交流加熱所選用的頻率和幅值，使用該種幅值下的擴(kuò)展型交流阻抗譜，查找對(duì)應(yīng)頻率下的阻抗實(shí)部分量Re，并擬合出該實(shí)部分量隨溫度變化曲線，即可得到交流加熱的發(fā)熱阻抗變化情況。

3 交流加熱實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

為驗(yàn)證交流加熱物理機(jī)理和產(chǎn)熱模型，需進(jìn)行交流加熱實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因上節(jié)提出高頻激勵(lì)下不會(huì)產(chǎn)生析鋰，且電流幅值越大溫升越明顯，所以本節(jié)使用高頻段區(qū)域大幅值交流加熱，采用頻率為600Hz、幅值為18A的交流激勵(lì)，電池仍采用18650三元材料鋰離子電池，擴(kuò)展型交流阻抗譜測試臺(tái)架和測試環(huán)境與傳統(tǒng)EIS測試臺(tái)架和測試環(huán)境相同。測試溫度分別為40，30，20，10，0，-10，-20和-25℃。為排除SOC對(duì)電池阻抗的影響，且考慮交流加熱主要針對(duì)電池低溫充電前的加熱，因此不同溫度下的交流阻抗測試均保持電池SOC為20%的情況下進(jìn)行。

交流加熱所使用的測試臺(tái)架為KIKUSUI智能雙極性電源PBZ20-80，內(nèi)置信號(hào)發(fā)生器，可以自由地產(chǎn)生任意波形和設(shè)置時(shí)序控制，可承載電流范圍-80～+80A，可承載電壓范圍-20～+20V。本實(shí)驗(yàn)使用該雙極性電源提供交流加熱激勵(lì)信號(hào)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為不同環(huán)境溫度下測量得到的鋰離子電池?cái)U(kuò)展型交流阻抗譜，根據(jù)該圖譜可獲得電池對(duì)交流激勵(lì)信號(hào)的阻抗響應(yīng)隨溫度變化規(guī)律，如圖4所示。

從圖4可看出，隨著溫度的上升，電池的交流阻抗大幅下降，可根據(jù)該曲線利用3次多項(xiàng)式近似擬合出電池對(duì)此種交流加載信號(hào)的發(fā)熱阻抗隨溫度變化規(guī)律，如圖5所示。擬合所得3次多項(xiàng)式為

Re=-0.00022T3+0.1972T2-58.93T+5928.235

(3)

式中T為電池的溫度，K。該3次多項(xiàng)式并不具有普遍規(guī)律，僅用來近似估計(jì)某種溫度下鋰離子電池的實(shí)際發(fā)熱阻抗，從而能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測鋰離子電池低溫交流加熱時(shí)的溫升。

該交流加熱實(shí)驗(yàn)過程中保證每次加熱時(shí)間相同，均為5min。圖6為單次交流加熱從開始到結(jié)束，電池表面溫度變化曲線。由圖可見：交流加熱效果非常明顯，電池從-22.3℃上升到+17.5℃僅僅需要5min，因此交流加熱的加熱速度要遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)加熱方法；交流加熱初始階段的溫升速度要大于加熱結(jié)束階段的溫升速度，一方面是因?yàn)殡姵卦诘蜏叵碌陌l(fā)熱阻抗較高，發(fā)熱功率較大，另一方面是因?yàn)樵诮涣骷訜岬某跏茧A段電池與環(huán)境溫度溫差較小，散熱功率較小。

為驗(yàn)證交流加熱模型，不僅需要電池交流加熱的溫升數(shù)據(jù)，還需要知道在保溫材料包裹下的電池與外界環(huán)境的換熱系數(shù)h。圖7為交流加熱結(jié)束后電池溫度隨時(shí)間變化情況。圖中散熱曲線從300s時(shí)刻開始，到5 800s時(shí)刻為止，但實(shí)際的散熱實(shí)驗(yàn)并未結(jié)束，只不過此時(shí)電池溫度已與環(huán)境溫度相同，后面溫度曲線雖有小幅變動(dòng)，但已趨向穩(wěn)定，因此后面的散熱曲線可忽略不計(jì)。因?yàn)闊o產(chǎn)熱過程，因此使用式(1)描述加熱后的散熱情況時(shí)，將發(fā)熱功率設(shè)置為零。因此結(jié)合圖7的散熱曲線和式(1)即可獲得該種測試條件下的換熱系數(shù)h。

本實(shí)驗(yàn)通過相同條件下重復(fù)20次交流加熱過程，以此來放大交流加熱對(duì)電池容量和阻抗的影響。圖8和圖9分別為交流加熱前、20次交流加熱后、40次交流加熱后的常溫容量和直流脈沖阻抗的標(biāo)定曲線對(duì)比圖。從圖中可知，3次的容量和阻抗標(biāo)定曲線基本完全重合，因此交流加熱對(duì)電池的容量、阻抗不會(huì)造成永久性損傷，即交流加熱對(duì)電池的安全性和壽命完全沒有影響。所以，低溫下采用600Hz/18A的交流激勵(lì)加熱鋰離子電池是一種高效安全無損的加熱方式。這與本文中提出的交流加熱物理機(jī)理模型所預(yù)測的結(jié)果完全相符，證明了交流加熱物理機(jī)理模型的正確性。

3.3 產(chǎn)熱模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合

為驗(yàn)證交流加熱的產(chǎn)熱模型，需對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合。表1為本次實(shí)驗(yàn)中所使用電池的部分參數(shù)，包括電池的質(zhì)量、高度、直徑、循環(huán)壽命、比熱容和表面積。使用式(1)熱平衡方程對(duì)電池散熱過程進(jìn)行分析和擬合，通過將電池的參數(shù)信息代入熱平衡瞬態(tài)熱模型，可得如下微分方程：

(4)

表1 電池參數(shù)

該微分方程的通解為

T=248.9+c×e-5.55078×10-5ht

(5)

通過與實(shí)際溫度變化曲線擬合，如圖10所示，可得

T=248.9+51.8906×e-0.0011t

(6)

因此該交流加熱臺(tái)架的電池散熱系數(shù)為

h=19.817W·m-2·K-1

(7)

求得換熱系數(shù)后，可將式(2)代入式(1)中即得交流加熱產(chǎn)熱模型：

(8)

代入數(shù)據(jù)到式(8)中可得如下微分方程：

(9)

將該微分方程的初值t設(shè)為0，T設(shè)為-22.3℃即250.85K，代入后使用梯形公式近似求解該微分方程，其仿真曲線與實(shí)際溫升曲線見圖11。由圖可知，基于交流加熱熱模型所得仿真曲線與實(shí)際溫升曲線基本吻合，該圖不僅證明了交流加熱的發(fā)熱阻抗Re變化規(guī)律的正確性，同時(shí)也證明了本文中所提出的交流加熱產(chǎn)熱模型的正確性。

4 交流加熱影響因素及實(shí)現(xiàn)方法

4.1 電流幅值對(duì)交流加熱的影響

前面已通過600Hz正弦交流激勵(lì)證明了交流加熱的可行性，為進(jìn)一步探索交流加熱的幅值對(duì)交流加熱的影響，本實(shí)驗(yàn)將改用300Hz進(jìn)行不同電流幅值下的交流加熱實(shí)驗(yàn)，一方面可以進(jìn)一步證明交流加熱的通用性，另一方面頻率越低單個(gè)周期的時(shí)間越長，那么單個(gè)周期電化學(xué)反應(yīng)所積累的鋰更多，對(duì)電流幅值更敏感，更易找出電流幅值對(duì)交流加熱的影響。掃頻所用的幅值分別為2.12，2.828，5.657，8.485，11.314，14.142，17和19.8A，其有效值分別對(duì)應(yīng)1.5，2，4，6，8，10，12和14A，即分別對(duì)應(yīng)電池0.64，0.85，1.7，2.54，3.4，4.24，5.1和5.93C倍率。

根據(jù)所得不同幅值正弦交流電掃頻所獲得的擴(kuò)展型交流阻抗譜得出該鋰離子電池在300Hz，不同幅值交流激勵(lì)加熱下的發(fā)熱阻抗隨溫度變化曲線，見圖12。由圖可知，無論激勵(lì)信號(hào)的電流幅值如何變化，其發(fā)熱阻抗均隨溫度的升高而變小。從圖中還可觀測到：發(fā)熱阻抗隨電流幅值的變大而減小，且該現(xiàn)象隨溫度的降低而愈發(fā)明顯；當(dāng)溫度高于20℃后，電池的交流加熱發(fā)熱阻抗已不再受激勵(lì)電流幅值的影響，而趨于一致。

使用300Hz交流激勵(lì)加熱效果溫升曲線如圖13所示。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)最多僅加熱10min，而在這段時(shí)間內(nèi)使電池溫度上升至27℃時(shí)即停止加熱。由圖可知，交流發(fā)熱功率不僅與激勵(lì)電流的平方成正比，還與電池的發(fā)熱阻抗成正比，因?yàn)殡姵氐陌l(fā)熱阻抗隨激勵(lì)電流的變大和溫度的提升而變小，因此其溫升比電流的平方倍數(shù)稍小一些。使用有效值為10(4.24C倍率)，12(5.1C倍率)和14A(5.93C倍率)的交流激勵(lì)在10min內(nèi)將電池從溫度為-23.5℃加熱至溫度為27℃共50.5℃的溫升，分別只需要7，5.5和3.5min即可，完全符合電動(dòng)汽車低溫起動(dòng)，低溫充電和其他低溫加熱對(duì)快速升溫的需求。

該實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證不同電流大小對(duì)電池容量和直流阻抗所產(chǎn)生的影響，進(jìn)行重復(fù)20次交流加熱對(duì)該過程進(jìn)行20倍的放大，并對(duì)常溫容量和常溫直流阻抗進(jìn)行了標(biāo)定對(duì)比。對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，使用300Hz交流激勵(lì)加熱鋰離子電池時(shí)，無論電流幅值為多大，其加熱前后的容量和阻抗均沒有發(fā)生變化，因此也就證明了300Hz下的交流加熱均是安全可靠的。當(dāng)然也可能當(dāng)交流加熱的激勵(lì)電流足夠大時(shí)，會(huì)對(duì)電池的容量和阻抗造成永久性損傷，但是對(duì)于14A(5.93C倍率)的交流激勵(lì)在3.5min內(nèi)即可將電池從溫度為-23.5℃加熱至溫度為27℃共50.5℃的溫升，完全符合電動(dòng)汽車低溫起動(dòng)，低溫充電和其他低溫加熱對(duì)快速升溫的需求，因此不需要追求過大的激勵(lì)電流。

4.2 電流頻率對(duì)交流加熱的影響

為了驗(yàn)證除標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)外其他類型激勵(lì)是否也能夠起到同樣的加熱效果，也為了后期的實(shí)際工程應(yīng)用，本次測試采用大電流正弦電流但控制電池端電壓維持在一定范圍內(nèi)，經(jīng)過限壓后的正弦電流激勵(lì)信號(hào)可近似為梯形波，不僅在工程應(yīng)用中更易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)限壓有助于保護(hù)交流激勵(lì)電源元器件及車用元器件。交流加熱激勵(lì)電流幅值采用36A，但限制電池端電壓在2.5～4.5V之間，超出部分將穩(wěn)定在最大電壓或最小電壓，激勵(lì)電流的頻率分別為600，80，30，10和1Hz。

雖然擴(kuò)展型交流阻抗譜隨電流幅值的變化會(huì)有所不同，但發(fā)熱阻抗隨溫度和頻率的變化規(guī)律在不同幅值激勵(lì)下基本類似，所以這里僅以使用有效值為10A的正弦掃頻電流所得擴(kuò)展型交流阻抗譜為例，見圖14。圖中點(diǎn)標(biāo)記為不同頻率在不同溫度環(huán)境中在擴(kuò)展型交流阻抗譜中所對(duì)應(yīng)的位置，從圖中可知，低溫下電池的阻抗變大，同時(shí)電化學(xué)反應(yīng)圓對(duì)應(yīng)定點(diǎn)頻率隨著溫度的降低而逐漸變小，該現(xiàn)象的主要原因是鋰離子電池的電化學(xué)反應(yīng)物的活性隨著溫度的降低而有所降低，因此電化學(xué)反應(yīng)所需時(shí)間變長；同時(shí)，1Hz所對(duì)應(yīng)點(diǎn)無論在何種環(huán)境溫度下均處于電化學(xué)反應(yīng)圓的后半段，而10Hz及以上頻率所對(duì)應(yīng)點(diǎn)雖然有處于電化學(xué)反應(yīng)圓后半段的情況，但在0℃以下環(huán)境溫度時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)均處于電化學(xué)反應(yīng)圓的前半段包括電化學(xué)圓的頂點(diǎn)。由交流加熱物理機(jī)理模型可知，為避免析鋰的產(chǎn)生，一種情況是避免電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，另一種情況是雖然電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，但應(yīng)避免交流加熱激勵(lì)周期過長而造成鋰的過度積累，因此可以設(shè)想采用30Hz及以上頻率對(duì)鋰離子電池進(jìn)行交流加熱時(shí)不會(huì)對(duì)鋰離子電池造成永久性損傷。但10Hz及以下頻率對(duì)鋰離子電池進(jìn)行交流加熱時(shí)是否會(huì)對(duì)鋰離子電池造成永久性損傷需要進(jìn)一步加熱實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

根據(jù)圖14可得出使用不用頻率進(jìn)行交流加熱時(shí)所對(duì)應(yīng)交流加熱發(fā)熱阻抗隨溫度變化規(guī)律，如圖15所示。由圖15可知，同一頻率激勵(lì)下，電池阻抗隨著溫度的升高而變小，同一溫度下，電池阻抗隨著頻率的降低而變大。

圖16為不同頻率下交流加熱的溫升曲線。從圖中可看出，無論使用何種頻率進(jìn)行交流加熱，8min內(nèi)均可將電池從-23.5℃加熱至27℃，實(shí)現(xiàn)50.5℃的溫升，同時(shí)隨著頻率的增大，加熱所需時(shí)間不斷縮短，均符合工程應(yīng)用對(duì)加熱時(shí)間的要求。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是頻率越高電池阻抗越小，激勵(lì)電流就越大，加熱時(shí)間縮短。且從溫升曲線的斜率可知，80Hz以下時(shí)，隨著加熱的進(jìn)行溫升速度變快，產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是同一頻率激勵(lì)下隨著溫度的上升電池的阻抗變小，因此其加載電流的有效值逐漸變大，溫升速度變大。

通過對(duì)比交流加熱前和交流加熱20次后、交流加熱40次后的容量和阻抗發(fā)現(xiàn)，10Hz及以上頻率的交流激勵(lì)加熱鋰離子電池時(shí)不會(huì)對(duì)電池容量和阻抗產(chǎn)生任何影響，即采用這些頻率交流加熱時(shí)是安全可靠的。也進(jìn)一步證明了前面的設(shè)想，即采用電化學(xué)反應(yīng)圓前半段的頻率對(duì)鋰離子電池進(jìn)行交流加熱時(shí)，不會(huì)對(duì)電池的容量和阻抗產(chǎn)生永久性損傷。而且也進(jìn)一步證明了梯形波交流加熱時(shí)對(duì)鋰離子電池的加熱情況與正弦激勵(lì)所對(duì)應(yīng)的加熱情況類似，排除了波形對(duì)加熱效果的影響。

同時(shí)對(duì)比1Hz交流加熱前和1Hz交流加熱20次后、40次后的容量和阻抗，結(jié)果如圖17和圖18所示。從圖中可知，隨著加熱次數(shù)的增加，電池的容量不斷減小，電池的阻抗不斷增大。由此可知，使用1Hz激勵(lì)信號(hào)對(duì)鋰離子電池進(jìn)行交流加熱時(shí)已對(duì)電池造成不可恢復(fù)性的嚴(yán)重?fù)p傷，影響電池的使用壽命，并且有產(chǎn)生枝晶的可能性，對(duì)電池的安全性也造成一定程度的威脅。

5 結(jié)論

(1) 低溫交流激勵(lì)加熱的加熱速度遠(yuǎn)高于外部加熱和低溫放電加熱的速度。雖然低溫交流激勵(lì)加熱包含了與低溫放電交替進(jìn)行的低溫充電環(huán)節(jié)，但經(jīng)過40次低溫激勵(lì)交流加熱后電池容量和阻抗并未發(fā)生變化。因此低溫交流激勵(lì)加熱是一種高效、快速、安全的加熱方法。

(2) 低溫交流激勵(lì)加熱的產(chǎn)熱功率與激勵(lì)電流有效值的平方成正比，與鋰離子電池?cái)U(kuò)展型交流阻抗實(shí)部分量成正比，該阻抗受激勵(lì)電流的大小與頻率和溫度3者共同影響，且隨激勵(lì)電流增大而變小，隨電流頻率提高而變小，隨溫度升高而變小，且該阻抗隨電流大小和電流頻率變化的幅度因溫度的降低而加大。因此交流加熱的產(chǎn)熱功率與激勵(lì)電流和電池阻抗直接相關(guān)，但也會(huì)受到溫度和頻率的影響。

(3) 采用低頻段激勵(lì)信號(hào)交流加熱時(shí)容易對(duì)鋰離子電池造成永久性傷害，采用擴(kuò)展型電化學(xué)阻抗譜電化學(xué)反應(yīng)圓的前半圓所對(duì)應(yīng)的頻率對(duì)鋰離子電池進(jìn)行交流加熱時(shí)，不會(huì)對(duì)電池造成任何傷害。交流激勵(lì)加熱中對(duì)加熱速度影響最大的是電流幅值或電流有效值，對(duì)電池容量和阻抗影響最大的因素是頻率。

(4) 低溫激勵(lì)交流加熱不僅適用于標(biāo)準(zhǔn)的正弦激勵(lì)信號(hào)，還適用于以此為基波的其他波形激勵(lì)信號(hào)。

[1] 雷治國,張承寧,李軍求,等.電動(dòng)車用鋰離子電池低溫性能研究[J].汽車工程,2013,35(10):927-933.

[2] ZHANG S S, XU K, JOW T R. Charge and discharge characteristics of a commercial LiCoO2-based 18650 Li-ion battery[J]. Journal of Power Sources,2006,160(2):1403-1409.

[3] Elbuluk Malik E, Hammoud Ahmad, Gerber Scott, et al. Low temperature performance evaluation of battery management technologies[C]. Vancouver:34thIntersociety Energy Conversion Engineering Conference,1999.

[4] MALECEK E L, MINN D. Battery heating device and method: US 5731568[P].1998-03-24.

[5] Furman G R. Automotive battery heating system: US 54723344[P].1948-04-27.

[6] KEPNER K G. Battery warmer for extending the range of an electrically powered vehicle: US 6029762[P].2000-02-29.

[7] TAJIRI A, HOTTA Y, ISHIKAWA M, et al. Battery temperature control system in electric automobile: US 5490572[P].1996-02-13.

[8] SONG Hyun-Sik, JEONG Jin-Beom, LEE Baek-Haeng, et al. Experimental study on the effects of pre-heating a battery in a low-temperature environment[C]. USA:2012 IEEE VPPC,2012.

[9] HARRIS V, MILLER R L. Vehicle heating and cooling system: US 4280330[P].1981-07-28.

[10] MIKAILA J J. Arctic vehicle battery heater: US 4095938[P].1978-06-20.

[11] LAURENZI S, CASINI A, POCCI D. Design and fabrication of a helicopter unitized structure using resin transfer moulding[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing,2014,67:221-232.

[12] KAMENOFF R. Self-heating battery that automatically adjusts its heat setting: US 20060012342[P].2006-01-19.

[13] CHEN Ping, LU Zhongkui, JI Liming, et al. Design of the control scheme of power battery low temperature charging heating based on the real vehicle applications[C]. Beijing, China:2013 IEEE VPPC,2013.

[14] 何小顫.混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池組的熱管理系統(tǒng)研究[D].廣州:華南理工大學(xué)車輛工程,2012.

[15] HANDE A. A high frequency inverter for cold temperature battery heating: computers in power electronics[C]. US: Proceedings of the 2004 IEEE Workshop on Computers in Power Electronics,2004.

[16] HANDE A, STUART T A. AC battery heating for cold climates[D]. Southfield: The University of Toledo,2002.

[17] HANDE A, STUART T A. AC heating for EV/HEV batteries[J]. Power Electronics in Transportation,2002:119-124.

[18] SILVERTOWN C, SINCLAIR W. Battery heating system: US 4222000[P].1980-09-09.

[19] SCAFIDI C J, VANDERSLICE W T. Battery heating system using internal battery resistance: US 5362942[P].1994-11-8.

[20] Ahmad A Pesaran, Vlahinos Andreas, Stuart Tom. Cooling and preheating of batteries in hybrid electric vehicles[C]. The 6th ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference, Hawaii,2003.

A Research on the AC Heating of Automotive Lithium-ion Battery

Yang Yingying1, Wei Xuezhe1, Liu Yaofeng2, Dai Haifeng1, Zhu Jiangong1& Fang Qiaohua1

1.CleanEnergyAutomotiveEngineeringCenter&SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804； 2.SAICMOTOR,Shanghai201804

Both physical model and heat generation model for battery AC heating are put forward, with their correctness verified by AC heating experiment on single-cell battery. The results of AC heating experiments with different conditions show that with higher frequencies, the increase of current accelerates the temperature rise, but causes no harm on battery, the higher the frequency, the more difficult the lithium separation happens, and the trapezoidal wave excitation is identically suitable for AC heating as sinusoidal one.

lithium-ion battery; low temperature charging and discharging; AC heating

*國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51576142)資助。

原稿收到日期為2015年12月28日，修改稿收到日期為2016年2月25日。