電動汽車用磷酸鐵鋰電池脈沖加熱性能研究

摘 要：低溫環境下磷酸鐵鋰電池性能下降，導致電動汽車充電時間延長、動力性衰減，嚴重影響用戶體驗。基于脈沖加熱的電池自加熱技術能夠有效改善低溫環境下電池性能，并具有加熱速度快、溫差小的優勢，因而受到廣泛的關注。本文通過脈沖加熱性能專項試驗，研究了磷酸鐵鋰電池在不同起始荷電狀態（SOC）、初始溫度、截止溫度、電量等條件下的溫升效果，明確了環境溫度、電池狀態與溫升速率之間的關系，解決了電池、電驅關鍵參數及狀態同脈沖加熱效果之間關系不明的問題。本研究為電動汽車在低溫環境下的電池熱管理提供了有效的技術路線，具有重要的工程應用前景。

關鍵詞：電動汽車 磷酸鐵鋰電池 脈沖加熱 低溫 性能

1 緒論

近年來，在政策持續護航、技術不斷創新、產業逐漸成熟等多重利好疊加作用下，新能源汽車銷量呈爆發式增長。2024年上半年銷量達494.4萬輛，同比增長32%，滲透率達35.2%[1]。我國新能源汽車產銷量占全球總銷量一半以上，連續八年成為全球最大新能源汽車產銷國。

新能源汽車銷量快速增長的同時，低溫續航里程衰減、充電時間長、安全性差、成本高等問題依然突出。尤其是低溫環境下，整車續航里程、動力性、充電時間等指標下降明顯，成為制約新能源汽車普及的關鍵因素，阻礙了產業的進一步發展，“電動汽車難過山海關”成為行業桎梏。

鋰電池作為新能源汽車的能源載體，其性能直接決定整車性能表現。低溫下鋰離子在正、負極中擴散和遷移能力變差，難以穿過電極和電解液之間的鈍化膜，在電解質中的遷移速度降低，這導致了電池內阻增大、充放電容量與功率降低，整車充電時間延長、動力性下降[2]。另外，電池在低溫下工作時易產生“枝晶”，當“枝晶”刺破隔膜時可能導致電池內短路引發起火、爆炸[3]。

為改善鋰電池低溫性能，行業研究了多種電池加熱方法，量產應用中最常用的有正溫度系數熱敏電阻（PTC）加熱、液熱、熱泵等，不同加熱方式的加熱效果、技術難度差異較大，參見表1。PTC加熱技術成熟、成本低，但能耗高、電池溫差大，主要應用于入門級車型。加熱膜加熱的溫度均勻性相對較好、加熱效率較高，但需要精確的溫度控制系統，且高溫時一定程度上會影響電池單體的散熱。循環液體加熱是利用液體與外界進行冷熱交換把熱量送入電池，一般在電池模組間或者底部布置管線，可采用水、乙二醇、油，甚至制冷劑等作為傳熱介質，具有導熱率的優勢，但對電池系統的密封與絕緣要求高、結構復雜。相變材料加熱是利用相變材料的熔化（凝固）潛熱來工作，在低溫環境中，相變材料通過從液態轉變程固態過程中釋放存儲的熱量，可對電池進行加熱和保溫。相變材料的導熱系數普遍較低，需要加熱高導熱材料增加其導熱能力，導致成本增高[4-5]。熱泵是一種通過逆卡諾循環實現高效加熱的裝置，通常可以實現比PTC更高的加熱效率，具有高安全性和可靠性[6]。

脈沖加熱通過控制對電池施加高頻交變的脈沖激勵，利用電池在低溫環境下內阻遠大于常溫內阻的電化學特性，當電流通過電池時產生焦耳熱，從而實現電池自加熱。脈沖加熱有效解決了當前低溫條件下電池加熱膜加熱和PTC加熱速率慢、溫度一致性差、布置復雜，且大功率加熱存在析鋰現象等問題，已成為電池低溫加熱技術的重要方向，不少企業已在產品中量產應用[7]。但目前脈沖加熱的加熱效果及其影響因素大多基于臺架試驗而來，還缺少真實環境下的實車驗證數據。鑒于此，本文基于多款搭載不同電量磷酸鐵鋰電池的電動汽車進行了加熱效果實測，研究了脈沖加熱的溫升速率與電池關鍵參數之間的關系，為進一步優化脈沖加熱性能奠定了基礎。

2 試驗方案

為提高試驗數據的可靠性，本次試驗進行了多車型樣本的數據采集及對比。本次使用表2所示的5輛具備脈沖加熱功能的新能源汽車，其中3輛為插電式混動、2輛為純電動，利用2023年冬季至2024年初極低溫度條件，在黑龍江省黑河市進行了多輪次溫升效果測試。5輛車均搭載不同電量的磷酸鐵鋰電池，以及160kW永磁同步電機。

電池加熱效果與工作電流大小、頻率相關，工作電流越大、加熱效果越好，頻率越低、加熱效果越高。但同時，頻率過低，電池有析鋰風險[7]。工作頻率選擇也受到NVH效果的限制，頻率選擇不當可能引起脈沖加熱工作時產生較大聲音，影響用戶體驗。為保證加熱效果，兼顧電池安全性、NVH效果，本次參試車型的脈沖加熱關鍵參數按表3設定。

脈沖加熱關鍵參數確定后，工作時長不同，則加熱能夠達到的截止溫度也不同，但工作時間延長，消耗的電量也會增加。本次試驗設定2個工作時間及其對應的截止保護溫度值，具體參數設定見表4。當脈沖加熱工作時長、截止溫度任一條件達到，脈沖加熱即停止工作。

為準確記錄試驗過程，試驗過程中采用表5所示的主要測試設備記錄測試數據。

3 試驗結果

3.1 加熱效果對比

基于不同工作時長對溫升速率的影響，非連續性開展多次試驗。表6、表7分別為脈沖加熱工作時長t=15min、t=5min的溫升速率對比試驗。

電池電量與溫升速率的關系：表6中，插混車型A脈沖加熱最大工作時長15min時，溫差4-5℃，平均溫升速率2.3-2.7℃/min。純電動車型E最大工作時長5min時，溫差5℃，平均溫升速率1.3℃/min。表7中，純電動車型D、E最大工作時長5min時，溫差1-3℃，平均溫升速率1.0-1.2℃/min。基于上述測試數據分析，純電動車型搭載的電池電量大于插混車型，電池電量越大、溫升速率越低。

起始SOC與溫升速率的關系：表6中，插混車型A開展了高、中、低不同SOC范圍的溫升速率測試，插混車型B開展了高、中SOC范圍的測試，插混車型C開展了低SOC范圍的測試，測試結果發現，起始SOC與溫升速率無明顯關聯關系，各SOC范圍溫升速率基本一致。

起始溫度與溫升速率的關系：表6中，插混車型A共開展5次不同溫度、不同SOC測試，由于SOC與溫升速率無明顯關聯關系，從測試數據發現，-19℃～-18℃時，平均溫升速率為2.3～2.4℃/min，-26℃～-23℃時，平均溫升速率為2.4-2.7℃/min。基于上述測試數據分析，隨著初始溫度逐漸降低、溫升速率逐步提高。

工作時長與溫差的關系：表6中各車加熱時長在15分鐘內，平均溫差在3-5℃，表7中各車加熱時長在5分鐘內，平均溫差在1-3℃。基于上述測試數據分析，工作時長越長、電池溫差越大。

3.2 溫升速率差異原因分析

根據電池產熱焦耳定律，電池加熱量可表示為，，其中IRMS為脈沖加熱有效電流，R為電池總成的內阻，t為時間。另外，考慮電池溫升與熱量Q之間的關系，，其中c為電池比熱容。這里由于電池外包裹一層保溫材料，因此忽略了電池與環境換熱導致的熱量損失。電池溫升可進一步表示成

根據以上分析，電池的溫升與電流有效值、電池內阻成正比，與電池比熱、質量成反比。在脈沖加熱關鍵參數確定的情況下，產熱量一定，電量增多、電池包質量大，即產生的熱量需要用來加熱更多電池，故電池能夠被加熱的溫度值就降低，加熱速率降低。

由于電池溫度越低，其內部活性越低、極化內阻越大，且隨著溫度降低，內阻增大數倍。參考公式（1）可知，對于某一特定電池包，其比熱容、質量一定，當溫度越低、電池內阻就越大，則產熱量就越多，故電池被加熱的溫度就越高，加熱速率增大。

3.3 不同截至溫度對整車動力性、充電性能的影響

通過低溫加熱技術，電池溫度升高，其充、放電功率也將提升，電動汽車動力性、充電時間等性能隨之改善。

動力性改善：以E、F等2車為例，通過整車動力性仿真發現，在SOC=50%時，脈沖加熱截止溫度由-10℃提升至0℃，0-100km/h加速時間降低，動力性分別提升4.5%、11%。

充電性能改善：以E、F等2車為例，通過充電時間仿真，可以發現，在SOC=30%時，脈沖加熱截止溫度由-10℃提升至0℃，30%-80%SOC充電時間分別可以減少16%、28.2%。

4 結論

脈沖加熱作為一種電池自加熱技術，憑借加熱速度快、溫差小等優勢受到青睞，已成為新能源車企、電池企業競相開發的熱點技術。本文研究了在一套動力系統中，磷酸鐵鋰電池的脈沖加熱性能與初始SOC、初始溫度、截止溫度、電量之間的關系。根據試驗結果發現：

（1）初始SOC與加熱速率無直接關系；

（2）相同SOC下，起始溫度越低、則加熱速率越高；

（3）整體加熱速率隨加熱時間增長而呈下降趨勢；

（4）電池包電量增大，則溫升速率降低；

（5）脈沖加熱工作時間越長，則電池單體間溫差越大。

本文通過多輛車、多輪次試驗，證實了脈沖加熱具有較好加熱效果。另外，本文討論了電動汽車用磷酸鐵鋰電池在低溫環境下的脈沖加熱性能，結果表明，脈沖加熱技術顯著提升了電池的低溫放電能力和熱均勻性，減少了低溫對電池性能的負面影響。脈沖加熱技術為電動汽車在低溫環境中的可靠運行提供了新的解決方案，具有重要的工程應用前景和推動新能源汽車產業發展的潛力。

參考文獻：

[1]鄭雪芹.2024年上半年新能源汽車銷量494.4萬輛[J].汽車縱橫，2024（8）：106-107.

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[3]沈馨，張睿，趙辰孜，等.金屬鋰電池中力-電化學機制研究進展[J].儲能科學與技術，2022，11（09）：2781-2797.

[4]朱建功，孫澤昌，魏學哲，等.車用鋰離子電池低溫特性與加熱方法研究進展[J].汽車工程，2019，41：571-589.

[5]王軍，阮琳，邱彥靚.鋰離子電池低溫快速加熱方法研究進展[J].儲能科學與技術，2022，11（05）：1563-1574.

[6]黃向輝.基于熱泵的電動汽車空調系統及電池低溫加熱研究[D].重慶：重慶大學，2022.

[7]Jiangong Zhu， Zechang Sun， Xuezhe Wei， et al. An alternating current heating method for lithium‐ion batteries from subzero temperatures[J].International Journal of Energy Research，2016，40（13）：1869-1883.