王 軍，阮 琳，邱彥靚

（1中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2中國科學(xué)院電工研究所，北京 100190）

隨著經(jīng)濟、社會的快速發(fā)展，人類對能源的需求與日俱增，在交通領(lǐng)域更甚。而在化石能源日益枯竭和環(huán)境污染的大背景下，新能源汽車具有廣闊的發(fā)展前景[1]。近年來，以純電動汽車為主的新能源汽車發(fā)展迅猛，有望取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車[2-3]。動力電池是電動汽車的關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響電動汽車的安全性、舒適性和經(jīng)濟性[4]。

續(xù)航里程、充電時間和使用安全性是電動汽車在推廣過程中最重要的指標(biāo)[5]。鋰離子電池因其功率密度和能量密度高、電壓高、使用壽命長、自放電率低等特性，而被廣泛應(yīng)用于電動汽車的動力系統(tǒng)[6-8]。然而鋰離子電池的性能受環(huán)境溫度的影響顯著。尤其在低溫環(huán)境下，鋰離子電池的電解液和固體電解質(zhì)界面膜(solid electrolyte interphase，SEI)的電導(dǎo)率降低[9]、離子固相擴散率減慢[10]、負(fù)極過電位增大[11]，這些因素都將導(dǎo)致鋰離子電池的輸出功率、能量密度和使用壽命大幅衰減，甚至影響駕駛安全性。常見的以石墨為負(fù)極的鋰離子電池工作于-10 ℃時，容量和工作電壓會明顯降低[12]。而在-20 ℃的極端環(huán)境下，鋰離子電池的內(nèi)阻更是陡增，顯著削弱電池的充、放電性能[13]。同時，在低溫環(huán)境下，電池充電時發(fā)生析鋰的風(fēng)險增加，鋰枝晶生長將刺穿電池隔膜，造成電池內(nèi)部短路，對電池造成不可逆損傷[14-15]。

目前主要從兩個方面提高動力電池在低溫環(huán)境下的性能：①研究開發(fā)低溫特性更好的電解液和電極材料[16]；②研究電池低溫加熱策略[17-19]。短期內(nèi)開發(fā)出能夠適應(yīng)低溫環(huán)境的電池材料難以保證。相比之下，從電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的角度研究低溫加熱策略更具可行性。

近年來，針對電池低溫加熱問題，已經(jīng)有大量的學(xué)者做過研究和分析。目前，低溫加熱策略的研究主要集中于實現(xiàn)難度較低的外部加熱方法。外部加熱法的熱源位于電池外部，具有較為成熟的理論基礎(chǔ)和豐富的工程經(jīng)驗，目前商用電動汽車大多采用這一解決方案。但是外部加熱法存在加熱速度慢、能量利用效率低、溫度分布不均勻等固有缺陷[20]。針對外部加熱方法存在的問題，學(xué)者們開始研究電池內(nèi)部產(chǎn)熱的低溫快速加熱方法，如交流加熱法、內(nèi)部自加熱法、自加熱鋰離子電池等。相比于外部加熱方法，低溫快速加熱方法具有加熱速度快、能量利用效率高、溫度分布均勻等優(yōu)勢。但是，對于電動汽車應(yīng)用而言，低溫快速加熱方法的研究仍存在很多難點和挑戰(zhàn)。一方面，為尋求縮短加熱時間和延長電池壽命之間的平衡，激勵電流參數(shù)需要優(yōu)化；另一方面，激勵電流對電池老化的影響缺乏電化學(xué)機理層面的研究，存在較大的安全風(fēng)險。此外，對于動力電池低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)缺乏統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和評價指標(biāo)，不利于工程推廣應(yīng)用。

低溫快速加熱方法仍有很多難點需要解決，相關(guān)理論和特性的最新研究進展亟須進一步總結(jié)。鑒于此，本文對低溫快速加熱方法相關(guān)理論和特性的最新研究進展進行綜述，并提出了低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和評價指標(biāo)，旨在為后續(xù)電動汽車動力電池的低溫加熱技術(shù)研究和低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 低溫快速加熱方法

低溫快速加熱方法利用其在低溫下的高阻抗特性在充放電過程中產(chǎn)生大量電化學(xué)熱，從內(nèi)部加熱電池。這種加熱方式有效克服了電池自身材料的低導(dǎo)熱系數(shù)對加熱速度的限制，簡化了傳熱路徑。因此，低溫快速加熱方法具有加熱速度快、能量損耗低、溫度均勻性高等優(yōu)勢。

現(xiàn)有的低溫快速加熱方法可依據(jù)加熱電路差異劃分為內(nèi)部自加熱法、MPH(mutual pulse heating)加熱法、自加熱鋰離子電池、交流加熱法。內(nèi)部自加熱法以電池自身及外部負(fù)載構(gòu)成加熱電路；MPH 加熱法以電池自身、外部儲能元件(如電池或電容器)構(gòu)成加熱電路；自加熱鋰離子電池不需要外部電路；交流加熱法一般以外部交流電源和電池組成加熱電路。

1.1 內(nèi)部自加熱法

一般而言通過對電池進行充電或放電都可以達到自加熱的目的。但在低溫環(huán)境下，對電池充電存在析鋰的風(fēng)險。因此，必須嚴(yán)格控制充電電流的幅值，這就導(dǎo)致充電加熱法的加熱速度很慢[21]。相比之下，得益于放電過程中負(fù)極較高的電位，電池幾乎不存在析鋰的風(fēng)險[22]。因此，放電自加熱法更具應(yīng)用價值。就簡單應(yīng)用而言，存在恒電壓放電和恒電流放電兩種模式。

Ji等[21]對電池建立了電化學(xué)-熱耦合模型，研究比較了恒電壓放電和恒電流放電兩種模式。根據(jù)仿真結(jié)果，一節(jié)2.2 Ah的18650圓柱電池在2 C恒電流放電模式下可以在420 s 內(nèi)從-20 ℃升溫至15 ℃，加熱速度達到5 ℃/min；而相同的電池在2.8 V恒電壓放電模式下可以在360 s內(nèi)從-20 ℃升溫至20 ℃，加熱速度達到6.67 ℃/min。提高恒電流放電的放電電流或降低恒電壓放電的放電電壓可以進一步提高加熱速度，但需要避免電池電壓降至截止電壓以下及加速電池老化。Wu 等[23]進一步研究了恒電流放電模式下放電倍率、加熱速度和能量消耗之間的關(guān)系。結(jié)果表明，一節(jié)2.6 Ah 的商用18650 圓柱電池在1 C 和2 C 放電倍率下將電池從-10 ℃加熱至5 ℃分別耗時1080 s 和280 s，加熱過程耗能分別占到電池容量的30%和15%。Du等[24]研究發(fā)現(xiàn)恒電流放電的電流幅值與電池容量衰減率呈正相關(guān)，與加熱時間呈負(fù)相關(guān)。為了尋求容量衰減和加熱時間的平衡，采用動態(tài)規(guī)劃算法優(yōu)化電池放電電流。采用優(yōu)化之后的恒電流放電加熱策略能使加熱速度最快達到2.1 ℃/min。

為了明確恒電流放電模式和恒電壓放電模式對電池的影響，Ji 等[21]提出以表征固相擴散率的變量iSOC 作為評價指標(biāo)。選定產(chǎn)熱量接近的4 C 恒流放電和2.2 V 恒壓放電作為計算工況，將隔膜附近iSOC 的值表示為時間的函數(shù)。放電一段時間后，恒壓放電模式的iSOC 值基本穩(wěn)定，而恒流放電模式的iSOC 值則起伏較大。由于低溫環(huán)境下固相擴散率的限制，不穩(wěn)定的iSOC 值可能會導(dǎo)致電池停止工作。因此，為了保證電池工作的可靠性，采用恒壓放電加熱方法更具可行性。

恒壓放電加熱方法兼具加熱速度快、安全可靠性高等優(yōu)點，但如何實現(xiàn)更快的加熱速度、更高的能量利用效率并減少對電池循環(huán)壽命的損傷等問題仍待解決。為明確低溫環(huán)境下恒壓放電工況對電池老化的影響，并進一步提高加熱速度，Ruan等[22]通過恒壓放電循環(huán)加熱老化實驗得到了-30 ℃環(huán)境下描述電池放電電壓和老化程度的半經(jīng)驗老化模型。實驗發(fā)現(xiàn)，電池放電電壓與加熱時間成正相關(guān)，而與電池老化程度成負(fù)相關(guān)。為了尋求加熱速度和電池老化之間的平衡，以加熱速率和容量損耗為優(yōu)化目標(biāo)，利用基因遺傳算法得到不同權(quán)重下的最優(yōu)電壓值。當(dāng)權(quán)重為0.3 時，電池以最優(yōu)電壓值2.43 V循環(huán)加熱電池2000 次后的容量損失僅為4.95%，而加熱速度達到18.7 ℃/min。

內(nèi)部自加熱法可與其他外部加熱方法相結(jié)合，提高對電池輸出能量的利用效率。Mohan等[25]以電池自身為電源，通過DC/DC電路驅(qū)動加熱器產(chǎn)熱。加熱器加熱冷空氣，同時以風(fēng)扇使熱空氣在電池包內(nèi)循環(huán)流動。此時，電池自身產(chǎn)熱和外部熱空氣共同加熱電池。為了減少加熱過程能量損耗、提高加熱速度，Mohan等[26]提出以加熱過程能量損耗為優(yōu)化目標(biāo)，以電池廠商提供的電流、電壓限制為約束條件，計算得到DC/DC 電路中晶閘管的優(yōu)化控制信號。研究表明，電池優(yōu)化放電過程為恒壓放電、恒流放電和靜息期的組合，采用優(yōu)化放電方法可使電池加熱速度達到16 ℃/min。Ruan 等[27]將薄膜加熱器貼于電池表面，以電池放電能量驅(qū)動加熱器，提出了恒壓放電內(nèi)部自加熱法與外部加熱法相結(jié)合的復(fù)合加熱方法。分別建立了電池的分布式等效熱路模型、等效電路模型和電池老化模型，用于分析和優(yōu)化所提出的復(fù)合加熱方法性能。采用遺傳優(yōu)化算法以加熱速度、容量損失和電池溫差為優(yōu)化目標(biāo)，以電池電壓和電池表面熱阻為約束條件，得到了不同權(quán)重系數(shù)下的電池最優(yōu)放電電壓。相比于恒壓放電內(nèi)部自加熱法[22]，采用優(yōu)化復(fù)合加熱方法可使電池加熱速度提高60.8%，能量消耗降低54.8%，容量不可逆損失減少45.2%。

內(nèi)部自加熱法電路構(gòu)成簡單，實現(xiàn)成本低，并且具有相當(dāng)高的加熱速度。但其加熱過程中大量能量消耗在外部負(fù)載上，未得到充分利用，導(dǎo)致內(nèi)部自加熱法的能量利用效率偏低。加熱過程中電池以高倍率電流放電，可能會造成電池過放電及增加電池老化的風(fēng)險。同時，內(nèi)部自加熱法加熱過程中超過15%的電池容量消耗使得其僅適用于電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)較高的工況下使用，否則將導(dǎo)致電池能量耗盡。

1.2 MPH加熱法

MPH 加熱法以電池與另一儲能元件(如電池、電容)組成加熱回路，以電池的充放電過程實現(xiàn)加熱電池。Ji 等[21]將電池包中的電池劃分為容量相等的兩組，并以升壓電路將兩組電池連接。通過開關(guān)管的通斷，使得兩組電池處于充電、放電的交替狀態(tài)。為保證兩組電池容量的平衡，將兩組電池充、放電的時間設(shè)為相等。研究發(fā)現(xiàn)，相比于內(nèi)部自加熱方法，雙向脈沖電流加熱法能夠?qū)崿F(xiàn)更高的加熱速度和能量利用效率，并且降低了電池老化的風(fēng)險。當(dāng)設(shè)定脈沖間隔為1 s，環(huán)境溫度為-20 ℃，脈沖電壓幅值為2.8 V 時，將電池從-20 ℃加熱至20 ℃耗時220 s，加熱速度達到10.9 ℃/min，而能量消耗為電池容量的5%。

為達到更高的加熱速度并減少加熱過程中的電池老化風(fēng)險和能量損耗，需要對脈沖電流的參數(shù)進行優(yōu)化選取。Mohan 等[28-29]以加熱時間和能量消耗為優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化雙向脈沖電流參數(shù)。在加熱過程中，以電池輸出的脈沖功率恢復(fù)程度作為加熱結(jié)束的指標(biāo)。結(jié)果表明，優(yōu)化之后的雙向脈沖電流加熱法相比于恒壓放電加熱法降低了35%的能量消耗。Wu等[30]基于電池二階等效電路建立了頻域電-熱耦合模型，為防止電池處于充電狀態(tài)時發(fā)生析鋰，需要在不同溫度和頻率下對脈沖電流的幅值加以限制。以電池SOC為0.5時負(fù)極發(fā)生析鋰的臨界平衡電壓為限制條件，得到了不同溫度下的最優(yōu)脈沖電流頻率和幅值。采用優(yōu)化之后的脈沖電流參數(shù)對電池加熱，得到的最大加熱速度為4.87 ℃/min，循環(huán)加熱30次后的容量損失為0.035%。

總的來說，MPH 加熱法能夠?qū)崿F(xiàn)較高的加熱速度，保證良好的溫度均勻性。相比于放電自加熱方法，MPH 加熱法消耗的電池能量大都用于電池內(nèi)部產(chǎn)熱，僅有較少的能量消耗在外部電路上。因此，MPH 加熱法的能量利用效率較高。加熱過程中的能量消耗一般不超過電池容量的10%，加熱時間一般不超過5 min。為減少脈沖電流加熱策略對電池老化的影響，需要從模型出發(fā)優(yōu)化脈沖電流的幅值和頻率。

1.3 自加熱鋰離子電池

2016 年賓夕法尼亞大學(xué)王朝陽團隊[31]首次提出了一種稱為“全氣候電池”的電池新結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。該結(jié)構(gòu)將具有一定阻值的薄鎳片預(yù)埋入電池內(nèi)部，以薄鎳片為熱元件從內(nèi)部對電池加熱。薄鎳片引出兩個極耳，其中一個極耳連至電池負(fù)極，另一個極耳單獨引出一極，稱為激活極(activation terminal，ACT)。見圖1(b)，當(dāng)電池需要加熱時，開關(guān)閉合，將激活極與正極連接，電流流經(jīng)電池自身及薄鎳片產(chǎn)生熱量對電池加熱。當(dāng)電池達到預(yù)設(shè)溫度時，開關(guān)斷開，薄鎳片被旁路，電池正常工作。實驗結(jié)果表明，所提出的自加熱鋰離子電池能夠分別在-20 ℃、-30 ℃環(huán)境溫度下在19.5 s、29.6 s內(nèi)將電池加熱到0℃，分別消耗3.8%、5.5%的電池容量使加熱速度達到61.2 ℃/min、60.8 ℃/min。

對正極和激活極之間的開關(guān)施加不同的控制信號，可使自加熱鋰離子電池適用不同的應(yīng)用場景。Zhang等[32]提出了一種新的加熱控制策略使得電池加熱過程和正常工作可以同步進行，見圖1(c)。當(dāng)電動汽車處于正常行駛狀態(tài)時，開關(guān)斷開；當(dāng)電動汽車處于制動能量回收狀態(tài)，開關(guān)閉合，使得制動電流流經(jīng)薄鎳片進而加熱電池；當(dāng)電動汽車處于停止?fàn)顟B(tài)時，仍然控制開關(guān)閉合，電池放電電流流經(jīng)薄鎳片和自身內(nèi)阻進而加熱電池。結(jié)果表明，在US06 行駛工況下該方法能夠在-40 ℃環(huán)境中在112 s 內(nèi)將電池加熱至10 ℃，并使續(xù)航里程增加49%。Wang 等[33]進一步研究了自加熱鋰離子電池在充電狀態(tài)下的加熱方法，并提出了在正極和激活極之間施加脈沖電流的控制策略。通過實驗研究了不同環(huán)境溫度下該加熱策略的加熱效果及其對電池循環(huán)壽命的影響。結(jié)果表明，該加熱控制策略能夠分別在-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃環(huán)境溫度下分別在54 s、77 s、90 s 內(nèi)將電池加熱至10 ℃，加熱過程耗能低于2%的電池容量。

圖1 全氣候電池Fig.1 All-climate battery

自加熱鋰離子電池可以在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量，并且薄鎳片產(chǎn)生的熱量占主導(dǎo)。然而，電芯的疊層結(jié)構(gòu)使電池在厚度方向僅有很小的傳熱系數(shù)，造成電池內(nèi)部形成了從薄鎳片指向電池外表面的很大的溫度梯度。電池內(nèi)部不均勻的溫度分布進一步造成了電流分布不均勻，影響加熱效率及電池壽命[34]。為提高加熱過程電池內(nèi)部的溫度均勻性，Yang 等[34]提出了鎳片多片并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即在電池內(nèi)部不同位置處并聯(lián)布置多個鎳片，如圖1(d)所示。采用所提出的多片并聯(lián)加熱結(jié)構(gòu)能夠顯著提高電池內(nèi)部溫度均勻性。當(dāng)采用三片并聯(lián)結(jié)構(gòu)時，電池內(nèi)部的最大溫差可以控制在5 ℃以內(nèi)。同時，采用多片并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以顯著降低能量消耗，當(dāng)采用三片并聯(lián)結(jié)構(gòu)時，加熱能量消耗相比于單片結(jié)構(gòu)降低了27%。Lei 等[35]提出了間歇性加熱策略以提高自加熱鋰離子電池的溫度均勻性。具體來說，電池的加熱過程并不是持續(xù)進行的，而是加熱過程和靜置過程周期交替進行的。將電池在-20 ℃環(huán)境下加熱30 s 后，采取持續(xù)加熱策略的電池內(nèi)部溫差可達11 ℃，而采取加熱0.1 s、靜置0.3 s的間歇性加熱策略的溫差僅為2 ℃。

盡管自加熱鋰離子電池內(nèi)部在加熱過程中會產(chǎn)生一定的溫度梯度，但其溫均性和加熱速度相較于傳統(tǒng)外部加熱方法仍具有顯著優(yōu)勢。Yang 等[36]以一塊容量40 Ah、厚度34 mm 的鋰電池為研究對象，從加熱速率、局部最高溫度兩方面比較了內(nèi)部自加熱法、外部電阻加熱法、自加熱鋰離子電池的性能。在相同條件下，自加熱鋰離子電池的加熱速度約為60 ℃/min，而外部電阻加熱法的加熱速率僅為1 ℃/min。盡管增大外部電阻的加熱功率可以提高加熱速度，但電池厚度方向的低導(dǎo)熱系數(shù)卻可能導(dǎo)致熱量在電池表面積聚而發(fā)生局部過熱。Lei等[37]建立了三維有限元模型研究雙片并聯(lián)結(jié)構(gòu)自加熱鋰離子電池和寬線金屬薄膜加熱法的暫態(tài)熱特性。仿真分析結(jié)果表明，在相同條件下，寬線金屬薄膜加熱法的最大溫差是雙片并聯(lián)結(jié)構(gòu)自加熱鋰離子電池的三倍。研究發(fā)現(xiàn)，降低加熱功率、減小電池厚度、延長靜置時間等策略可以進一步提高自加熱鋰離子電池的溫度均勻性。

自加熱鋰離子電池具有相當(dāng)高的加熱速度并且能量利用效率高，延長了低溫環(huán)境下電池的循環(huán)壽命。同時，對正極與激活極之間的開關(guān)施加不同的控制策略可使自加熱鋰離子電池適用于放電加熱、充電加熱、正常行駛加熱等多個應(yīng)用場景。盡管自加熱鋰離子電池可能會造成電池內(nèi)部溫度分布不均勻，但通過多片并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計或間歇式加熱策略可有效控制最大溫差。然而，自加熱鋰離子電池需要改動電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了電池的能量密度。同時，一旦電池發(fā)生熱失控，嵌入電池內(nèi)部的高活性鎳片將使電池面臨嚴(yán)重的安全風(fēng)險。因此，自加熱鋰離子電池需要采取謹(jǐn)慎而有效的控制策略并且準(zhǔn)確監(jiān)控和預(yù)測電池內(nèi)部溫度，防止電池發(fā)生過熱威脅駕駛安全。

1.4 交流加熱法

交流加熱法通過對電池施加交流電流產(chǎn)生熱量，從內(nèi)部加熱電池。周期性的充、放電過程能夠快速加熱電池，并使得電池SOC 保持不變。交流加熱法可使用外部交流電源，使得加熱過程不消耗電池自身能量。在形式各樣的交流電波形中，正弦交流電應(yīng)用最為廣泛。

明確交流電流的參數(shù)對加熱性能的影響對于交流加熱法的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。Hande 等[38-39]設(shè)計了高頻變流器產(chǎn)生10～20 kHz 交變電流，并首先提出了以高頻交流電加熱NIMH 電池的加熱策略。通過實驗研究了交流電流的幅值、SOC和環(huán)境溫度對電池加熱時間的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著電流幅值的增加，加熱到相同溫度所需要的時間縮短。Ji等[21]建立了交流加熱法基于時間的電化學(xué)-熱耦合模型，從電化學(xué)機理的角度進一步探究了交流電頻率對加熱性能的影響。為研究交流電頻率的影響，采用V(t)=3.8-cos(2πft)的交流電壓信號在-20 ℃環(huán)境下加熱電池。其中，電壓頻率試驗值分別設(shè)為0.01 Hz、0.1 Hz、1 Hz、60 Hz和1000 Hz。實驗結(jié)果表明，電池加熱時間隨著交流電壓頻率的增加而減少。

改變交流電的幅值和頻率都將影響電池內(nèi)部產(chǎn)熱功率，進而影響電池加熱速度。為縮短加熱時間，需要對交流電參數(shù)的選取作進一步研究和優(yōu)化。Zhang等[40]建立了基于頻域的電池等效電路模型，如圖2(a)所示。以電池產(chǎn)熱模型為熱源，建立了電池集總參數(shù)熱模型以預(yù)測電池溫度。通過電-熱耦合模型，研究了不同熱邊界條件下交流電流幅值和頻率對加熱速度的影響。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，較高的電流幅值、較低的電流頻率和良好的保溫條件有利于提高電池加熱速度。并且，通過合理選取交流電流參數(shù)，可有效提高加熱速度、降低電池發(fā)生析鋰的風(fēng)險。Ruan 等[41]發(fā)現(xiàn)采用固定參數(shù)的交流電對電池加熱時電池的升溫速度隨時間降低，并將之歸因于電池極化電壓的降低。為最大化加熱速度，以Jiang 等[42]提出的電池簡化等效電路模型為基礎(chǔ)，建立了產(chǎn)熱量與極化電壓、阻抗的關(guān)系式。并由此提出了固定極化電壓幅值，以不同溫度下的最佳頻率值實時調(diào)整交流電流幅值的優(yōu)化加熱方法。采用優(yōu)化之后的加熱方法，電池從-15.4 ℃加熱到5.6 ℃僅需338 s，加熱速率為3.73 ℃/min。Li等[43]以電池安全電壓為限制，通過實驗揭示了不同溫度下電流幅值和內(nèi)阻、頻率之間的依賴關(guān)系，并得到了電池產(chǎn)熱功率隨頻率的變化曲線。實驗發(fā)現(xiàn)，在不同溫度下，存在最佳電流頻率和幅值組合使得電池產(chǎn)熱功率取到最大值?；趯嶒灲Y(jié)論，Li 等[44]提出了一種交流電參數(shù)溫度自適應(yīng)的交流電加熱優(yōu)化控制策略。在電池加熱過程中，依據(jù)電池溫度，梯級調(diào)整交流電的頻率和幅值。結(jié)果表明，利用所提出的優(yōu)化加熱方法使得電池最大加熱速度達到2.31 ℃/min。Zhang等[45]進一步研究了交流電參數(shù)梯級調(diào)整的頻率對加熱性能的影響。實驗結(jié)果表明，更高的梯級調(diào)整頻率有利于縮短加熱時間，從而達到的最大加熱速率高于4 ℃/min。

當(dāng)采用交流電流激勵對電池加熱，一般認(rèn)為降低交流電流頻率有利于提高加熱速度。然而，Shang等[46]研究表明在高頻范圍內(nèi)(通常高于10 kHz)，提高交流電流的頻率同樣可以提高加熱速度。Shang等[46]提出了基于LC 諧振電路產(chǎn)生高頻正弦交流電的交流加熱方法，實驗研究了高頻電流的幅值和頻率對加熱速度的影響。實驗結(jié)果表明，在高頻范圍內(nèi)(通常高于10 kHz)，增加交流電的頻率和幅值都可以提高加熱速度。為優(yōu)化高頻交流加熱法的加熱效率，Shang等[47]建立了考慮高頻下電荷傳輸產(chǎn)熱影響的電-熱耦合模型，用于指導(dǎo)選取高頻交流電的幅值和頻率。采用優(yōu)化高頻交流電參數(shù)，最大加熱速率達到3.57 ℃/min，并且不會發(fā)生析鋰。

在實際工程應(yīng)用中調(diào)節(jié)交流電頻率難以實現(xiàn)。因此，通常采取固定交流電頻率，調(diào)節(jié)交流電幅值的方法提高加熱速度。但是，在低溫環(huán)境下，過大的交流電幅值可能會造成負(fù)極析鋰。因此，需要限定交流電幅值的范圍。Ge 等[48]以防止析鋰作為交流電幅值的限制條件。以電池SOC為0.5時的負(fù)極平衡電位為電池過電位的極限值，計算得到不同溫度和頻率下的最大允許電流值。提出了固定電流頻率，根據(jù)電池溫度實時調(diào)節(jié)電流幅值的梯級加熱方法。Mohan等[28]以電池制造商提供的電流和電壓限制為約束條件，采用預(yù)測控制的方法調(diào)整交流電流的幅值。Ruan 等[41]以電池極化電壓作為計算電流幅值的約束條件，其值設(shè)為0.5 V。Guo 等[49]以防止電池過充、過放為目標(biāo)，確定了路端電壓安全范圍，提出了以安全路端電壓為約束，實時計算最大允許電流幅值的階梯電流加熱法。在后續(xù)研究中，Guo等[50]提出了以防止析鋰和電池過充、過放作為確定電流幅值的約束條件，并以兩種約束條件下算得的最小值作為電流幅值最優(yōu)值。Jiang 等[51]以防止析鋰為約束條件，推導(dǎo)了不發(fā)生析鋰的電池過電壓閾值，并以此確定電流幅值范圍。結(jié)果表明，增大電流頻率有利于降低發(fā)生析鋰的風(fēng)險，但同時也會減少產(chǎn)熱量。

交流加熱法也可與外部加熱法相結(jié)合，進一步提高加熱速度、降低加熱能耗。Sun等[52]提出將外部電源供能的電加熱薄膜貼于電池底面，以電池充、放電過程和電加熱薄膜產(chǎn)生的熱量同時對電池加熱。在-17 ℃和-27 ℃環(huán)境下，對比分析了加熱和不加熱情況下的電池放電曲線，采用所提出的復(fù)合加熱方法可以大幅提高電池放電容量。熊瑞等[53]提出一種結(jié)合交流電內(nèi)加熱和寬線金屬膜外加熱的復(fù)合加熱方法，如圖2(b)所示。當(dāng)電池需要加熱時，溫控開關(guān)打開，外部電源施加的交流電流依次流經(jīng)寬線金屬薄膜和電池。當(dāng)電池溫度達到預(yù)設(shè)溫度時，溫控開關(guān)閉合，寬線金屬薄膜被短路，動力電池正常充、放電。相較于交流電加熱法，該復(fù)合加熱方法的加熱能耗降低了23%，加熱速度提高了22%。

車載交流加熱方法中以電池放電產(chǎn)生交流電流的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同樣受到研究者們關(guān)注。Jiang等[51]以電池包自身為電源，設(shè)計了一種軟開關(guān)LC 諧振電路用于產(chǎn)生交流電流，如圖2(c)所示。該諧振電路產(chǎn)生了交流電流和直流電流疊加的電流波形，利用該疊加電流可以提高對電池內(nèi)部阻抗的利用率，縮短加熱時間。采用所提出的方法加熱電池包，電池包溫度在600 s 內(nèi)從-20.8 ℃加熱至2.1 ℃，加熱速度達到2.29 ℃/min。加熱過程僅消耗6.64%的電池能量，且電池包內(nèi)的溫差僅為1.6 ℃。Shang等[47]基于LC諧振電路設(shè)計了車載高頻交流電流發(fā)生器，利用所產(chǎn)生的高頻交流電對電池加熱，使加熱速度達到3.57 ℃/min。Li等[54]提出利用現(xiàn)有的車載變頻器電路和電機組成交流電流發(fā)生器，如圖2(d)所示。通過晶閘管的通斷，實現(xiàn)電流在電池和電機之間的流動，快速加熱電池和電機。當(dāng)電流幅值為4 C時，電池加熱速度可達到8.6 ℃/min。

圖2 交流加熱法Fig.2 AC heating method

調(diào)節(jié)交流電的幅值和頻率可以改變交流加熱法的加熱速度，但交流電參數(shù)對于電池老化的影響尚不明確。為此，Zhu 等[55]通過實驗進一步研究了交流電幅值、頻率對于電池溫升及電池老化的影響。研究發(fā)現(xiàn)，更高的電流頻率及更低的電流幅值有利于降低電池老化風(fēng)險。如圖3(a)所示，在高頻電流作用下，電池激發(fā)時間極短，不發(fā)生電荷的轉(zhuǎn)移和擴散過程，因此不會發(fā)生析鋰。隨著電流頻率的降低，電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移和擴散。此時，若電流幅值較低，充電過程嵌入負(fù)極固相顆粒的鋰離子能夠在放電過程中完全脫嵌，因此不會產(chǎn)生死鋰，如圖3(b)；若電流幅值較高，充電過程產(chǎn)生的鋰離子不能完全嵌入負(fù)極固相顆粒，如圖3(c)。經(jīng)過多次充、放電循環(huán)之后，即會發(fā)生析鋰，造成電池容量的不可逆損失。Zhu 等[56]以不同幅值和頻率的交流電對電池循環(huán)加熱數(shù)百次，檢測了電池的容量、直流電阻和電化學(xué)阻抗，以此來評估電池的健康狀態(tài)。同時，通過對電池拆解，利用掃描電子顯微鏡和能量色散X射線光譜技術(shù)研究了電池的內(nèi)部微觀形態(tài)。結(jié)果表明，在合理電壓閾值限制下，即使在低頻范圍(0.5 Hz)內(nèi)，交流加熱方法也不會明顯加劇電池容量衰減。

圖3 交流加熱法的低溫老化行為示意圖Fig.3 Schematic of low-temperature aging behavior with AC heating method

綜上所述，交流加熱法具有加熱速度快、能量利用效率高、溫均性好等顯著優(yōu)勢，發(fā)展前景廣闊。在具有外部交流電源的情況下，交流加熱法的加熱回路十分簡單，易于實現(xiàn)。對于車載交流加熱法而言，需要考慮外部交流電流發(fā)生器電路對系統(tǒng)成本和體積的影響。交流電頻率和幅值可調(diào)的特性，使得加熱過程可控，且存在進一步優(yōu)化的空間。此外，充分研究和理解交流電流對電池老化的影響有利于實現(xiàn)高效、安全的加熱方法。然而，現(xiàn)有研究中，交流加熱法對電池老化的研究僅停留在對電池容量的分析，還需要進一步從電化學(xué)機理的角度研究。此外，目前文獻中交流加熱方法的應(yīng)用對象大多是電池單體，以電池模組和電池包為研究對象的文獻較少?？紤]到電池成組之后的不一致性，僅以電池單體為研究對象而發(fā)展的交流加熱法可能會導(dǎo)致電池組或電池包內(nèi)產(chǎn)熱不均勻，產(chǎn)生內(nèi)部溫度梯度，加速電池老化。

1.5 低溫快速加熱方法總結(jié)

以能量消耗、加熱速度、溫差(溫度均勻性)和電池老化作為性能指標(biāo)，對上述加熱方法進行了詳細(xì)對比，如表1所示。

表1 低溫快速加熱方法總結(jié)Table 1 summary of rapid heating method

低溫快速加熱方法從內(nèi)部加熱電池，縮短了傳熱路徑，能夠達到快速加熱的目的。其中，自加熱鋰離子電池以內(nèi)部薄鎳片加熱電池，造成溫度均勻性較差。交流加熱法使用外部電源，其他加熱方法均需要消耗電池自身能量。能量消耗是評價加熱方法性能的重要指標(biāo)。加熱過程中可能發(fā)生的電池老化是低溫快速加熱方法的主要關(guān)注點。對于內(nèi)部自加熱法和自加熱鋰離子電池，其加熱過程電池處于放電狀態(tài)，雖然不會發(fā)生負(fù)極析鋰等直接損傷，但長期高倍率放電會加速老化。對于MPH 加熱法，需要避免在低頻率、高SOC 工況下使用，以降低電池負(fù)極析鋰風(fēng)險。對于交流加熱法，使用高頻電流有利于降低老化風(fēng)險；而低頻電流應(yīng)謹(jǐn)慎使用，并需加以額外的限制(如電壓限制)避免對電池的不可逆損壞。

2 電池低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)

低溫環(huán)境下，為恢復(fù)鋰離子電池的功率和容量、避免發(fā)生析鋰，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)需要提前將電池加熱至適宜溫度。然而，將電池從低溫加熱至適宜溫度需要消耗大量能量，這使得電池加熱技術(shù)相比于電池冷卻技術(shù)更加困難[57]。對于能量儲存有限的電動汽車而言，電池加熱所消耗的能量將直接影響電動汽車的續(xù)航能力。因此，為保證乘員艙舒適性和減少能量消耗，需要優(yōu)先考慮電池加熱方法的能量優(yōu)化控制策略[58]。

對于實際應(yīng)用而言，電動汽車冬季預(yù)熱時間不宜過長。通常以設(shè)置合理的預(yù)熱目標(biāo)溫度及加熱功率縮短預(yù)熱時間。對于電池汽車的冷啟動工況，目標(biāo)溫度一般設(shè)置為略高于0 ℃，此時電池已經(jīng)可以恢復(fù)大部分功率性能。而對于電池汽車的快充工況，為防止負(fù)極發(fā)生析鋰，則需要設(shè)置更高的預(yù)熱目標(biāo)溫度[59]。

電池、電池模組、電池包的性能除了與溫度相關(guān)，還與其溫度均勻性相關(guān)。不均勻的溫度分布將導(dǎo)致電流和SOC 分布不均勻，進而導(dǎo)致電池包容量下降、功率性能衰減、局部加速老化[60-61]。為此，加熱策略的設(shè)計需要考慮加熱過程中電池、電池模組及電池包的溫度分布均勻性，通常整體溫度差異需要控制在5 ℃以內(nèi)[62]。

電池不僅在低溫環(huán)境有加熱需求，在高溫環(huán)境也存在冷卻需求[63]。而在電池包中，加熱系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)共用工作空間，存在相互影響的可能性。因此，設(shè)計電池加熱系統(tǒng)時應(yīng)將不影響電池冷卻系統(tǒng)的工作和性能作為重要考慮因素，保證電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能夠高效執(zhí)行加熱和冷卻模式。

此外，電動汽車的低溫加熱策略還需要考慮系統(tǒng)的成本、復(fù)雜度、可靠性等因素。綜上所述，電動汽車低溫加熱策略的設(shè)計主要考慮以下因素：

（1）加熱策略的能量消耗；

（2）加熱策略的預(yù)熱時間；

（3）加熱過程中電池、電池模組、電池包的溫度均勻性；

（4）加熱策略對電池老化的影響；

（5）保證冷卻系統(tǒng)的性能；

（6）包括建設(shè)成本、工作成本、維持成本在內(nèi)的系統(tǒng)綜合成本；

（7）考慮加熱系統(tǒng)設(shè)備、重量、體積的系統(tǒng)復(fù)雜度；

（8）系統(tǒng)的安全性和可靠性。

低溫快速加熱方法主要以電池自身發(fā)熱達到加熱目的，一般不會對現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此，選取電池加熱策略設(shè)計目標(biāo)中的能量消耗、加熱速度、溫度均勻性、電池老化、系統(tǒng)復(fù)雜度、安全可靠性作為評價指標(biāo)，以自加熱鋰離子電池的性能指標(biāo)作為基準(zhǔn)，依據(jù)表1對不同加熱方法進行定性比較，如圖4所示。經(jīng)分析可知，交流加熱法相比于其他方法更具優(yōu)勢，尤其在能量消耗和電池老化方面。

圖4 不同方法性能對比Fig.4 Comparison of performance for various heating method

3 結(jié) 論

在低溫環(huán)境下，鋰離子電池的性能顯著下降。為提高動力電池低溫性能，對其進行加熱尤為重要。本文系統(tǒng)地綜述了低溫快速加熱方法的最新研究進展，提出了電池加熱策略的設(shè)計目標(biāo)。最后，以電池加熱策略設(shè)計目標(biāo)的部分因素作為評價指標(biāo)，橫向?qū)Ρ攘瞬煌椒ǖ膬?yōu)勢和不足。

低溫快速加熱方法在溫度均勻性、能量消耗及加熱速度等方面具有顯著優(yōu)勢。其中，內(nèi)部自加熱法可以應(yīng)用于處于行駛狀態(tài)的車輛，電池放電能量可用于驅(qū)動其他車載用電設(shè)備。MPH 加熱法以電池、儲能元件、可控開關(guān)器件組成回路以產(chǎn)生脈沖電流，優(yōu)化脈沖電流的幅值和頻率可實現(xiàn)安全、高效的加熱過程。自加熱鋰離子電池具有加速速度快、能量消耗低的優(yōu)勢，但其需要改造電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，安全可靠性有待驗證。交流加熱法則需以準(zhǔn)確的電池模型為基礎(chǔ)，目前僅在單電池層面取得了較多的研究成果，對于電池模組/電池包層面的相關(guān)理論和模型仍需深入研究。

對于電動汽車應(yīng)用而言，低溫快速加熱方法的研究仍處于初級階段。低溫環(huán)境下如何高效、安全地加熱電池仍充滿挑戰(zhàn)。為加快內(nèi)部加熱法和復(fù)合地?zé)岱ǖ墓こ虘?yīng)用進度，還存在以下幾個方面的問題亟待解決。

（1）現(xiàn)有研究中加熱策略對電池老化的研究不足，電流參數(shù)在電化學(xué)機理層面對電池壽命的影響有待深入研究。后續(xù)研究應(yīng)建立電池的電化學(xué)模型，從機理層面揭示電流參數(shù)對電池老化的影響，明確不同運行條件下電池不發(fā)生老化的電流參數(shù)范圍，進一步提高加熱效率和安全性。

（2）現(xiàn)有加熱方法研究中研究對象多為單體電池，對于電池模組、電池包層面的研究不足，而模組內(nèi)的溫度均勻性將在很大程度上影響電池組的性能及老化速率。電池產(chǎn)熱模型和熱模型是低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)，后續(xù)研究應(yīng)進一步從單體電池、電池模組、電池包等層面研究準(zhǔn)確、高效的電-熱耦合模型，考慮電池不一致性的影響，提高溫度預(yù)測的精度和速度，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、加熱控制策略設(shè)計提供理論支撐。