动力电池低温加热方法分类.docx

1、动力电池低温加热方法分类动力电池低温加热方法分类如图7-1所示，国内外对动力电池低温加热的研究主要 分为两类：内部加热和外部加热。其中，外部加热主要有 空气加热法、宽线金属膜加热法以及其他的外部加热方 式；内部加热则主要有交流电加热法和内部自加热法。图7-1低温加热方法分类7.1.1空气加热法该方法采用先对空气进行加热，再通过热空气对动力电池组进行加热的电池加热方法。加热空气的能量来自车内 空气调节系统。常见的空气加热策略如图7-2所示。在低 温情况下，外界空气经由车载加热器进行加热，在车内流 动后再与动力电池组之间产生热交换，实现对动力电池组 的加热。图7-2以空气为介质的电池热管理系统原理

2、图7.1.2宽线金属膜加热法该方法通过电流流经宽线金属膜时产生的热量对动力 电池进行加热。如图7-3所示，宽线金属膜采用1mm 厚 的FR4板材，板材两面覆上0.035mm 厚的铜膜，一面为 完整矩形，另一面是由一条连续的、具有一定宽度的铜线 组成的铜膜，电源与铜线的两端相接，在两铜膜表面覆上 绝缘耐磨层。由于铜线具有电阻，电流通过铜线时，铜线 发热，产生的热量通过另一侧的铜膜平面均匀地传给电 池，从而实现对动力电池的加热。图7-3宽线金属膜加热法原理图7.1.3动力电池内部交流电加热法该方法是一种通过交流电直接对电池内部进行加热的 电池加热方法。如图7-4所示，在低温情况下，交流电源 输出交

3、流电，使得电流不断流经电池内部的阻抗，产生热 量，从而实现对电池内部的加热。交流加热有较长的发展 历史，目前采用交流加热的温升速率可以达到3 C /min , 是一类具有重要研究意义的动力电池低温快速加热方法。 7.2节将以该加热方法为例，详细叙述加热策略的设计。II %匸 acQg,图7-4电池内部交流电加热法原理图7.1.4动力电池内部自加热法如图7-5所示，该方法是一种通过电流流经电池内部加 设的镍片产生欧姆热实现对电池自身加热的电池加热方 法。采用在电池内部加装一片镍片的结构，当温度低于设 定温度时，开关断开，电流流经镍片产生热量；当温度高 于设定值时，开关闭合，停止加热，从而实现对锂

4、离子动 力电池低温加热的可控性。该方法由美国宾夕法尼亚州立 大学王朝阳教授在其发表在Nature 的一篇文章中提出。 实验结果表明，该方法可在1min内将动力电池从-30 C 加热到0 C以上，温升速度极高，但是该方法需要改变动 力电池内部结构，实施过程具有挑战性。图7-5动力电池内部自加热法原理图及结构示意图a）原理图b）结构示意图7.1.5其他加热法除上述的加热策略之外，还有帕尔贴效应加热和热泵加 热等低温加热策略。图7-6所示的帕尔贴效应加热是一种 通过帕尔贴效应对动力电池进行加热的方法。帕尔贴效应 是指当有电流通过不同的半导体组成的回路时，在两个接 头处随着电流方向的不同会分别出现吸热

5、、放热现象。图 7-7所示的热泵加热是一种利用热泵原理，通过消耗电能 从外界空气中获取热量对电池进行加热的方法。热泵是一 种以逆循环方式迫使热量从低温物体流向高温物体的机 械装置，它仅消耗少量的逆循环净功，就可以得到较大的供热量，可以有效地把难以应用的低品位热能利用起来， 从而达到节能的目的力电池纽空气图7-6帕尔贴效应加热法原理图图7-7热泵加热法原理图7.2交流加热原理721锂离子动力电池的生热机理锂离子动力电池的热量由反应热、焦耳热、极化热和副 反应热4部分组成。1.反应热反应热是锂离子动力电池在充放电过程中，锂离子嵌入 和脱出电极时发生电化学反应所产生的热量，表达式为r dE(7-1)

6、=阳/山式中，Eocv为电极材料的开路电势；dr为电极材料的熵热系数2.焦耳热焦耳热是电流流经动力电池时，电池欧姆内阻产生的热 量。电池欧姆内阻包括导电极耳、集流体、活性物质间的 接触电阻，电极内阻和电解液内阻。焦耳热是电池充放电 过程中生热量的主要部分，表达式为Q = J 淋小 (7-2)3.极化热电流流经锂离子动力电池时，电池会因负载电流的通过 而出现电极电位偏离平衡电极电位的现象，在此过程中产 生的热量即为极化热，表达式为Qn =陰心山 (7-3)4.副反应热副反应热包括动力电池的电解液分解、自放电、过充电、过放电等过程中产生的热量。锂离子动力电池在正常工作 范围内的副反应热可以忽略不计

7、。综上，锂离子动力电池的总生热量为Qz = G + (7-14)在t+ At时刻的动力电池端电压Ut、极化电压Ud可以表示为（|口+山 - im）恥一私）匕尸山=oCj+Af -叫+Ar _(7-15)(7-16)由式（7-15）和式（7-16）可以得到t+ At时刻的交流激励电流幅值it+ At为最优激励电流幅值iopt,t+ At为=皿山（匚0叫心(7-21)需要说明的是，Ri、Cd、io由参数辨识方法得到，具体计算流程参考第3章。模型的离散化表达式为二 % 心&=ia a F (7 -22)务山W)7決inh(等以-3)733自适应梯度加热流程该方法是在保证动力电池使用寿命和操作安全的前

8、提 下，尽量减小供能系统能量损耗并缩短加热时间。该方法 根据传感器获取当前动力电池的温度、端电压及环境温度 等数据信息，及时计算和更新交流激励电流幅值并施加给 动力电池，使激励电流处于动力电池允许的承载电流范围 内，以确保动力电池的端电压不超限，提高动力电池低温 工作性能，保障动力电池的可靠运行。其加热流程如图 7-14所示，具体实施步骤如下：图7-14自适应梯度加热流程图1动力电池数据实时采集。开展交流加热前，传感器测 量当前动力电池温度和环境温度。2交流加热预判断。判断是否需要进行交流加热：当动 力电池的温度高于设定阈值时，不需要进行交流加热，汽 车可正常启动或工作；当动力电池的温度低于设

9、定阈值（阈 值一般为0 C、5 C、10 C等）时，则需要进行交流加热。3算法启动，系统参数获取。获取动力电池当前SOC、 温度、端电压等信息，根据理论模型及实验数据，获取 Cd、io、Rd值。车辆起动预热前，一般经过至少6h的泊 车时间，此时动力电池的端电压值趋近于开路电压值。因 此，将预热前的动力电池端电压作为当前时刻的开路电压 初始值。4最优激励电流幅值计算。根据式（7-19）式（7-21）, 计算最优的激励电流幅值。5执行交流激励。将步骤中得到的最优激励电流幅值 施加给动力电池，开展交流激励。6加热终止条件判定。判断动力电池是否达到目标温 度，若是，则停止交流加热；若否，则跳转执行步骤

10、。734算例分析以动力电池8-单体01（初始SOC=50%） 及单体0205 组成的四串动力电池组（初始SOC=50%） 开展定频率自适 应梯度加热方法的评估（为保证动力电池较快的温升速率， 同时兼顾动力电池的寿命安全，选取10Hz定频加热）。本 示例使用的实验测试平台如图7-15所示，双极性电源提 供交流激励，恒温箱提供稳定的低温外部环境，配套测试 设备实时测量电流、电压、温度。图7-15低温加热测试平台EIS实验数据（见图7-16）在-20 C10 C温度区间（每隔2 C ）下获得，以计算10Hz不同温度下动力电池的实部 阻抗。图7-16不同温度下的EIS实验结果（见彩插）交流加热前，将动

11、力电池在-20 C静置4h以上，以确 保动力电池内外部温度分布一致，然后开展自适应梯度加 热方法评估，记录动力电池的温升。每经历10个加热循 环，测试一次动力电池容量。需要说明的是，因交流加热 设备无法实现自动控制，故开展每隔2C计算更新一次激 励电流幅值的加热实验。图7-17所示为动力电池8-单体01在不同温度下的激励电流曲线。图7-18所示为加热温图7-17动力电池单体激励电流曲线(图7-18动力电池单体加热温升曲线图7-19所示为四串动力电池组的加热温升曲线。图7-20所示为40次加热循环后动力电池充放电容量的衰减 情况。图7-19四串动力电池组加热温升曲线如图7-18和图7-19所示，自适应梯度加热方法在13.7min 和12.4min 内分别将单体动力电池和四串动力电池组从-20.3 C加热到10.02 C,温升速率分别为2.21 C /min 和2.47 C /min ,且四串动力电池组的温升一致性较 好。因此，自适应梯度加热方法可以实现较为理想的短时高效的温升效果，同时对动力电池寿命无明显影响，可以 考虑作为动力电池在低温环境下应用的预热方法。0 10 20 30 40循环次数52.图7-20循环加热后动力电池充放电容量