電動汽車動力電池低溫脈沖加熱技術研究

鄒岱江　唐小波　秦宇迪　曹晟閣　李香杰

摘 要：電池在低溫環境中面臨衰減和安全問題。在低溫充電條件下，活化阻抗的增加導致了負極表面電位的下降，同時伴隨著析鋰副反應發生。此外，電解液的鋰離子電導率也會下降，這意味著在活性材料中鋰離子的擴散速率也會減緩。因此，為實現電池低溫充電速度提升，本文提出電動汽車動力電池低溫脈沖加熱技術研究，開發電池系統低溫快速加熱方法，實現低溫環境下電池的安全快速充電。

關鍵詞：動力電池 脈沖加熱 低溫脈沖

0 引言

隨著電動汽車動力電池產業規模不斷擴大，發現脈沖充電在減少電池極化、延長電池壽命、減少電池析鋰等方面存在潛在的優勢，該方法不僅可能應用于大功率快速充電領域，因其在耐久性方面的特點在其他應用方面也有潛在的商用化可能[1]。其次，脈沖充電的波形、頻率等存在極大的多樣性。脈沖充電的不同頻率選擇會影響電池的阻抗，既可以在低溫情況下利用脈沖充電產生大量熱，將電池迅速升溫，同時利用脈沖充電對電池壽命沒有負面影響的特點[2]。因此，本文針對低溫脈沖加熱技術進行研究，通過系統的實驗探究，得到脈沖參數與脈沖加熱速率的基本規律，也初步證明脈沖加熱方法的可行性。然后，搭建基于二階RC電路的熱電耦合模型，成功對脈沖加熱過程予以模擬，實現了對低頻低倍率脈沖加熱過程的精確仿真。最后，開展電池的耐久性實驗，探究脈沖參數對電池容量衰減的影響。通過參比電極實驗進一步證明脈沖幅值和溫度對電池壽命的影響與對加熱速率的影響。

1 電池低溫脈沖加熱技術分析

1.1 脈沖加熱的基本產熱原理

鋰離子電池產生熱量的原因主要有兩個方面。首先，電池會產生焦耳熱，這是由于電池內部發生的電化學反應而產生的熱能。其次，電池還會產生反應熱，這是由于電池正負極材料之間的化學反應所釋放出的熱量。此外，電池內部物質的濃度變化也會導致混合過程中的熱量釋放[3]。還有一些副反應，除了鋰離子的嵌入和脫嵌反應之外，也會產生額外的熱能。總的來說，混合熱和副反應熱的數值通常較小，但仍然需要考慮在電池設計和運行中的影響。

電池的焦耳熱可表示為：

其中； 表示為電池的焦耳熱；表示為電池的極化產熱；表示為電池的歐姆內阻； 表示為電池的極化內阻； 表示為流過電池的電流。

電池的反應熱可表示為：

為電池的反應熱，為電池的絕對溫度，為電池的開路電壓， 為流過電池的電流，稱為電池的熵變。

則電池的產熱功率可表示為：

由上述產熱來源分析可知，低溫時電池的內阻急劇增加，從25℃到-20℃內阻會增大一個數量級左右，電池的焦耳產熱會增加對應倍數。另外，電池的焦耳熱相較電池的反應熱大兩個數量級左右，因此電池產熱功率主要來自與電池的焦耳熱，即電池的內阻產熱。對鋰離子電池利用自身內阻加熱的功率可進行初步估算，若電流為2C，外部環境-20℃，內阻20mΩ，則可產生約為200W的熱功率，考慮上述實驗測得的比熱容和質量，則約4-5s即可將電池加熱1℃。4C幅值下周期對溫升速率的影響如圖1所示：

圖1 4C幅值下周期對溫升速率的影響

脈沖加熱速率隨著周期的增大而增大，在周期時長為秒級別（1s左右至10s左右）的實驗中，選取多個脈沖參數，重復3次實驗，結果顯示上述規律有較好的重復性。在600s的時間內，周期為0.8s和周期為12.8s的組別溫升相差2℃，總溫升則分別為6℃與8℃，則初步表明脈沖周期對于脈沖加熱速率有較大的影響。在600s時，0.1s和0.8s相差4.1℃，總溫升分別為34.5℃和38.6℃。通過以上分析，可得到大倍率下溫升速率更快的初步結果。

1.2 電池低溫特性測試

電池的充放電容量會隨著溫度的降低而降低，即鋰離子電池的低溫可用容量降低，在實際應用中將導致低溫環境下可充入電量降低甚至無法正常充電，可放出的電量也隨之下降，這也是冬季用車里程焦慮的主要原因。該鋰離子電池在常溫下容量為52.34Ah（Battery A）和52.27Ah（Battery B）。隨環境溫度的下降，可用容量的降低十分明顯。不同溫度和倍率下電池的容量變化如圖２所示：

溫度從25℃到0℃，容量降低約11%；溫度降至-20℃時，則至少有30%的降低。另外，隨著倍率減小，電池容量有所上升。主要原因為電池的極化電壓隨倍率上升和溫度降低而增大，過早到達截止電壓，實際循環中的充放電容量有所減少。

2 熱電耦合模型搭建

2.1 二階RC電路的熱電耦合分析

熱電耦合模型主要由鋰離子電池的電路模型或電化學模型，與產熱和傳熱模型組成。脈沖過程的電模型使用二階RC模型構建[4]。二階RC模型如圖３所示：

其中，圖2中的 表示為理想電壓源； 表示為歐姆內阻； 、 表示為兩階極化內阻； 、 表示為兩個與極化內阻相并聯的電容。在二階RC模型中，上述六個參數共同決定了在某一電流作用下電池的電壓響應。現有的二階RC模型的參數辨識方法有基于最小二乘法的辨識、基于遺傳算法的辨識等。

在本研究中，種族大小設定為200，代數設定為1000代，容忍度設置為。二階RC模型的極化電阻兩端的瞬態電壓可表示為：

其中為仿真步長， 與 為時間常數。

則電池的端電壓可表達為：

通過上述關系，即可基于實驗測得的電流數據計算上述電壓值，從而得到基于二階RC模型的估計電壓。

2.2 低頻低倍率脈沖加熱實驗分析

進行幅值為1C，正負幅值比1：1，周期為40s的脈沖加熱實驗，電池SOC為50%，溫箱環境為-16.6℃。將實驗電流數據輸入前述構建完成的二階RC電路模型和與其耦合的熱模型，得到低頻低倍率端電壓估計結果如圖４所示：

在加熱初期，估計溫度偏高。在加熱后期，估計溫度偏低。主要原因可能是電池的散熱情況，即決定熱模型熱交換功率的部分存在一定的誤差。對流換熱系數在實際過程中，會因為溫箱的運行狀態和出風口的流量、溫度而存在一定的波動[5]。

2.3 耐久性實驗

將脈沖電流持續作用于被測試電池，在一定時長后通過基本的充放電循環，測試電池的容量衰減情況。本文選擇10塊被測電池，均處于50%SOC，分別予以不用的脈沖參數與環境溫度。10塊電池的具體參數和穩定的測試溫度如表1所示。

在低溫環境充分靜置、脈沖加熱到一定溫度或持續一定時長、撤去脈沖靜置冷卻、再低溫靜置并準備開始下一次加熱等過程較為耗時，其中有效加熱過程一般為5-10min，而前后的充分靜置和散熱過程需要5-8h。本研究將溫箱設定為某一溫度后，將電池在某一參數下進行持續的脈沖作用，最終電池的溫升與散熱達到穩定值，電池溫度不再顯著上升，繼續在此狀態下持續產熱。

觀察電池A～J容量衰減情況如圖５所示：

在相同的脈沖參數下，溫度越低壽命衰減越快，但相同參數溫度不同的電池之間的衰減情況差別不大，相比之下幅值和周期對于壽命的影響更為明顯。首先以電池A和電池C為例，當周期從4s變為40s擴大10倍后，電池C有明顯的容量下降趨勢，700h左右衰減1.2%，而電池A則沒有明顯的容量衰減跡象。以電池A和電池I為例，二者溫度基本一致，周期相同，幅值分別為2C和4C，I的衰減明顯快于A，100h時I比A多衰減0.6%。以電池D和電池J為例，二者溫度基本一致，幅值均為4C，周期分別為1.8s和8s，170h時J比D多衰減1.8%。

綜上，脈沖周期、脈沖幅值和溫度對電池的壽命都有較為明顯的影響，其中周期和幅值的影響更為顯著。因此也可得出電池在脈沖加熱作用下的溫升速率與壽命存在權衡取舍這一結論。

3 結論

本文的研究對象是低溫脈沖加熱技術。通過進行系統的實驗探究，得到了脈沖參數與脈沖加熱速率之間的基本規律。同時，也初步證明了脈沖加熱方法的可行性。這項研究對于深入了解低溫脈沖加熱技術的特點和應用具有重要意義，為進一步優化和改進該技術提供了有價值的參考。在進行電池耐久性實驗時，旨在研究脈沖參數對電池容量衰減的影響。此外，本文還通過參比電極實驗進行了進一步的驗證，以證明脈沖幅值和溫度對電池壽命的影響與對加熱速率的影響存在著相反的關系。實驗結果表明，增加脈沖幅值和降低溫度會延長電池的壽命。這一技術研究在電池研究領域具有重要的理論和實際意義。

參考文獻

[1]王小林.新能源汽車動力電池安全問題分析及解決策略[J].時代汽車，2023（24）：112-114.

[2]張計軍，葛家琪，潘漢平，等.新能源汽車動力電池散熱技術綜述[J].時代汽車，2023（24）：122-124.

[3]吳曉剛，李凌任，高鑫家，等.鋰離子電池脈沖頻率優化的低溫預熱[J].電機與控制學報，2021，25（11）：56-65.DOI：10.15938/j.emc.2021.11.007.

[4]廉玉波，凌和平，馬晴嬋，等.電動汽車鋰離子電池脈沖加熱技術研究進展[J].汽車工程，2023，45（02）：169-174.DOI：10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.02.001.

[5]蔣東輝，倪金鳳.脈沖加熱氣相色譜低溫除氫法測定高氫鉭粉中氧[J].分析試驗室，1987（12）：35-37+32.