低溫環(huán)境下電池?zé)峁芾硌芯窟M(jìn)展*

霍宇濤，饒中浩，趙佳騰，劉臣臻

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

低溫環(huán)境下電池?zé)峁芾硌芯窟M(jìn)展*

霍宇濤，饒中浩?，趙佳騰，劉臣臻

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)（Electric vehicle,EV）的重要組件，在低溫環(huán)境下存在能量密度和功率密度下降等問(wèn)題。為提高低溫條件下動(dòng)力電池的性能，需要合適的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。本文介紹了動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下的放電特性，整理歸納了現(xiàn)有的各種電池加熱方式，并綜述了低溫環(huán)境下電池?zé)峁芾硌芯窟M(jìn)展，對(duì)電池低溫下熱管理的進(jìn)一步研究具有指導(dǎo)意義。

低溫；電池?zé)峁芾?；加?/p>

0 引 言

電動(dòng)汽車(chē)憑借低能耗和零排放雙重優(yōu)勢(shì)[1,2]，正逐步取代傳統(tǒng)燃油汽車(chē)成為主要交通運(yùn)輸工具[3]。Andersen等[2]的研究表明，電動(dòng)汽車(chē)相對(duì)于燃油汽車(chē)在溫室氣體排放上可以減少20%。Chau等[4]指出，為EV提供電能所產(chǎn)生的排放物中，CO2、CO、NOx排放量分別為燃油汽車(chē)排放量的76%，2%和56%。 電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力由車(chē)載動(dòng)力電池放電提供，動(dòng)力電池性能受到其工作溫度制約。電池在高溫環(huán)境下工作會(huì)使電池溫度過(guò)高而導(dǎo)致熱失控，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)闺姵匕l(fā)生爆炸[5]；在低溫環(huán)境下，由于電解液粘度增加，阻礙電荷載體的移動(dòng)，影響電流產(chǎn)生，極端情況下，電解液甚至凍結(jié)，造成電池?zé)o法放電，使電動(dòng)汽車(chē)無(wú)法啟動(dòng)。因此，為保證電池的正常輸出功率、延長(zhǎng)電池循環(huán)壽命，必須對(duì)電池進(jìn)行熱管理，維持電池的正常工作溫度，提高低溫環(huán)境下電動(dòng)汽車(chē)的整體性能[6-8]。

1 低溫環(huán)境下的電池放電特性

動(dòng)力電池放電過(guò)程的本質(zhì)是電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程[9]，以鋰離子電池（正極材料為L(zhǎng)iCoO2）為例，電池的電流由以下電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生[10]：

可以看出，電池放電過(guò)程即為電解液電子和離子在正負(fù)極間的轉(zhuǎn)移過(guò)程，受電解液電導(dǎo)率σ的影響，而電解液的電導(dǎo)率隨著環(huán)境溫度的變化而變化，如圖1所示[11]。從圖1可以看出，在環(huán)境溫度下降至?50℃以下，σ接近0，此時(shí)電池放電已經(jīng)十分困難，其相對(duì)容量?jī)H為0.02。

圖1 電解液電導(dǎo)率和電池相對(duì)容量隨溫度變化曲線(xiàn)[11]Fig. 1 Relative capacity of Li-ion cell and ionic conductivity of electrolyte as a function of temperature[11]

2 低溫環(huán)境下電池?zé)峁芾?/h2>

電池在低溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)放電深度較淺甚至無(wú)法放電的現(xiàn)象，為保證電動(dòng)汽車(chē)在低溫環(huán)境下的正常使用，必須對(duì)電池進(jìn)行加熱和保溫。根據(jù)加熱方式的不同，低溫環(huán)境下電池加熱可以分為常規(guī)空氣加熱方式、相變材料加熱方式、電加熱方式、帕爾貼效應(yīng)加熱方式和其它加熱方式。

2.1 常規(guī)空氣加熱方式

在電池間布置風(fēng)道，通過(guò)風(fēng)扇輸送的熱空氣在風(fēng)道中與電池的對(duì)流換熱，對(duì)電池進(jìn)行加熱，稱(chēng)為常規(guī)空氣加熱方式。熱空氣可以利用電機(jī)散發(fā)出來(lái)的熱量以及車(chē)內(nèi)功率較大的電子電器加熱獲??；對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)，還可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)提供加熱空氣的能量。常規(guī)空氣加熱方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和運(yùn)行成本低，但在某些極端情況下不能滿(mǎn)足需求。

Zhang等[12]在低溫環(huán)境下利用熱空氣對(duì)電池進(jìn)行加熱，加熱空氣來(lái)自車(chē)內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在一次空氣循環(huán)中，空氣經(jīng)由駕駛室，對(duì)駕駛室進(jìn)行加熱，后輸送至蓄電池箱，對(duì)箱中電池組進(jìn)行對(duì)流換熱，保持電池正常工作溫度。但Zhang等通過(guò)熱力學(xué)第一定律和第二定律研究發(fā)現(xiàn)，利用空氣直接對(duì)電池箱進(jìn)行加熱的方式對(duì)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)負(fù)荷較大，經(jīng)濟(jì)性不高。

Ji等[13]建立了如圖2所示的空氣對(duì)流加熱系統(tǒng)，利用車(chē)載動(dòng)力電池的放電電流通過(guò)加熱元件時(shí)所產(chǎn)生的熱量加熱元件周?chē)諝?，熱空氣通過(guò)風(fēng)扇輸送至電池組，對(duì)電池組進(jìn)行加熱和保溫。由于電池存在內(nèi)阻，在放電過(guò)程中，除了空氣與電池間的對(duì)流換熱之外，電池自身的產(chǎn)熱也會(huì)加快電池的溫度上升速率。Ji等研究了在環(huán)境溫度為?20℃時(shí)，加熱元件的電阻對(duì)系統(tǒng)加熱性能的影響。研究表明，加熱元件的電阻越小，系統(tǒng)的加熱速率越快，效率越高。在加熱電阻為0.4 ?時(shí)，電池從?20℃被加熱至20℃所需時(shí)間為54 s，而加熱元件的溫度達(dá)到了50℃。當(dāng)加熱元件電阻分別為0.6 ?和0.8 ?時(shí)，將電池加熱至20℃所需要的時(shí)間分別為110 s和165 s。在系統(tǒng)對(duì)電池加熱至50 s時(shí)，加熱元件電阻為0.4 ?、0.6 ?、0.8 ?所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)效率分別為0.79、0.70、0.65。

圖2 空氣對(duì)流換熱示意圖[13]Fig. 2 Schematic of convective heating[13]

2.2 相變材料加熱方式

相變材料（Phase change material,PCM）在從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過(guò)程中會(huì)吸收大量熱量，可以對(duì)電池進(jìn)行散熱[15-17]。而在低溫環(huán)境下，PCM通過(guò)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)過(guò)程中釋放存儲(chǔ)的熱量，可對(duì)電池進(jìn)行加熱和保溫，且在相變過(guò)程中，PCM溫度維持在相變溫度，利用這個(gè)特性可有效解決動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下溫度過(guò)低的問(wèn)題[18]。但PCM的導(dǎo)熱系數(shù)普遍較低，需要加入高導(dǎo)熱材料如膨脹石墨、碳納米管等增加其導(dǎo)熱能力[15]，導(dǎo)致成本增加。

Zhang等[12]設(shè)計(jì)了一種基于相變懸浮液（Phase change slurry,PCS）的循環(huán)鋰離子電池冷卻/加熱系統(tǒng)，如圖3所示。PCS在循環(huán)過(guò)程中，先在駕駛室內(nèi)吸收熱量，懸浮液中的PCM發(fā)生相變，在泵的輸送下，懸浮液被運(yùn)送至蓄電池箱，PCM在溫差作用下發(fā)生相變，放出熱量，加熱電池。系統(tǒng)所采用的PCM為十五烷（C15H31，相變潛熱為207 kJ·kg?1，相變溫度為9.9℃），通過(guò)熱力學(xué)第一定律分析的結(jié)果顯示，在熱損耗為0.2 kW時(shí)，基于PCS的循環(huán)鋰離子電池加熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷與環(huán)境溫度無(wú)關(guān)，而當(dāng)熱損耗增加時(shí)，系統(tǒng)的熱負(fù)荷呈線(xiàn)性增加。

圖3 基于PCS循環(huán)鋰離子電池冷卻/加熱系統(tǒng)示意圖[12]Fig. 3 Li-ion battery cooling/heating system based on PCS cycle[12]

Rao等[19]建立了低溫環(huán)境下基于PCM（熔點(diǎn)為45℃）的三維傳熱模型，并利用FLUENT軟件對(duì)其進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明，常規(guī)空氣加熱所需的冷啟動(dòng)（?30℃～10℃）時(shí)間是PCM加熱的4.2倍。在不同PCM導(dǎo)熱系數(shù)的模擬中，PCM的導(dǎo)熱系數(shù)增加至5倍時(shí)，PCM的溫差從9.9℃下降至4.6℃。

2.3 電加熱方式

電池內(nèi)部電解液在低溫下粘度增加，阻礙了電荷載體的移動(dòng)，導(dǎo)致電池內(nèi)部電阻增加，極端情況下電解液甚至?xí)鼋Y(jié)。但是，利用電池在低溫條件下電阻增加的特性，可以采用電加熱的方式來(lái)保持電池的工作溫度。電加熱是利用電流通過(guò)電阻值不為零的導(dǎo)體所產(chǎn)生的焦耳熱來(lái)加熱電池的一種方式。Pesaran等[20]對(duì)電加熱和空氣加熱進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)電加熱所需能量更少，經(jīng)濟(jì)性更高。Cosley等[21]使用交流電加熱器防止鉛酸電池溫度過(guò)低。根據(jù)提供電流的電源不同，可以分為內(nèi)部電源加熱和外部電源加熱；而根據(jù)電流種類(lèi)，電加熱可以分為直流電加熱和交流電加熱。直流電加熱方式在加熱過(guò)程中所產(chǎn)生的大電流和低溫環(huán)境下的巨大內(nèi)阻會(huì)使電解液過(guò)度氣化，使電池內(nèi)部壓力過(guò)大，嚴(yán)重時(shí)可能發(fā)生爆炸。相比于直流電加熱方式，交流電加熱方式由于其交流電特性，可以有效防止氣體的產(chǎn)生。電加熱方式對(duì)設(shè)備要求低、加熱速率快、適用性好，是主要的低溫環(huán)境電池?zé)峁芾硌芯糠较颉?/p>

Ji等[13]建立了如圖4所示的電池自加熱和相互脈沖加熱兩種加熱系統(tǒng)，與圖2中所示的空氣對(duì)流加熱系統(tǒng)進(jìn)行比較。在相互脈沖加熱系統(tǒng)中，電池組分為m和n兩組，某一時(shí)刻m為放電組，對(duì)充電組n進(jìn)行放電，在下一時(shí)刻，m為充電組，接收n放出的能量進(jìn)行充電，如此反復(fù)，其中DC-DC變換器的作用是把放電組的輸出電壓提升至適合充電組的充電電壓。結(jié)果顯示，電池自加熱和相互脈沖加熱方式加熱速率和效率隨著放電電壓的減小而增加，其中，相互脈沖加熱方式的效率最高，在初始溫度為 ?20℃時(shí)，把電池加熱至20℃僅消耗電池容量的5%。

急性化膿性中耳炎是由于感染細(xì)菌所引起，因此在治療方面以抗感染為主，既可選擇口服或靜脈輸注等方式以全身給藥，亦可采用外用滴耳法局部給藥。本研究即采用鹽酸洛美沙星滴耳液進(jìn)行局部治療，并與氧氟沙星滴耳液進(jìn)行效果比較。氧氟沙星屬于喹諾酮類(lèi)抗生素，其可抑制局部細(xì)菌繁殖，快速清除致病菌。

圖4 （a）電池自加熱；（b）相互脈沖加熱示意圖[13]Fig. 4 Schematics of self-internal heating(a) and mutual pulse heating (b)[13]

Hande等[22-25]對(duì)日本松下NiMH電池組（單體電池額定功率為6.5 A·h）進(jìn)行交流電加熱試驗(yàn)，交流電頻率為（10～20）kHz。實(shí)驗(yàn)前，電池組在測(cè)試溫度下靜置5 h以上。交流電大小是影響加熱速率的關(guān)鍵因素，在環(huán)境溫度為 ?20℃，采用對(duì)流裝置前電池的電阻為1 ?，取電池組SOC=55%，不同交流電大小條件下電池的溫度變化曲線(xiàn)如圖5所示。當(dāng)交流電為60 A rms時(shí)，加熱5 min后電池組的溫度上升至10℃，此時(shí)電阻降低為0.33 ?。隨著電流大小增加，加熱的速率加快，交流電為70 A rms時(shí)，加熱至10℃需要3.5 min，而交流電為80 A rms時(shí)，僅需2 min就可以將電池從?20℃加熱至10℃。Hande等的研究結(jié)果還表明，隨著電池SOC增加，系統(tǒng)的加熱速率增加，在電池SOC為25%、55%和75%時(shí)，6 min后分別將電池從?30℃加熱至0℃、10℃、15℃?；陔姵貎?nèi)阻和溫度的關(guān)系，Hande還提出通過(guò)測(cè)量電阻獲得電池內(nèi)部溫度的方法[24]。

圖5 不同交流電大小下電池溫度變化[22-25]Fig. 5 Evolutions of temperature of the battery with different AC[22-25]

張承寧等[26]利用寬線(xiàn)金屬膜對(duì)電池進(jìn)行電加熱，寬線(xiàn)金屬膜由FR-4板材鍍上銅膜和絕緣耐磨層制作而成，通過(guò)銅線(xiàn)電阻發(fā)熱對(duì)電池進(jìn)行加熱。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用寬線(xiàn)金屬膜可在1 h內(nèi)將電池從?40℃加熱至0℃。

Ludovic[27]利用1 kW的正溫度系數(shù)加熱裝置與電池直接接觸，加熱混合動(dòng)力汽車(chē)車(chē)載動(dòng)力電池，并分別研究了在兩種工況下是否設(shè)置正溫度系數(shù)加熱裝置對(duì)電池溫度的影響。在混合動(dòng)力模式、環(huán)境溫度為 ?20℃時(shí)，采用加熱裝置后，在500 s左右電池溫度升至10℃，不采用加熱裝置的電池溫度為?16℃；在純電力驅(qū)動(dòng)模式且環(huán)境溫度為?5℃時(shí)，經(jīng)過(guò)200 s后，加熱裝置能將電池加熱至10℃，而不采用加熱裝置的電池溫度僅為?1℃。

2.4 帕爾貼效應(yīng)加熱方式

取兩種不同的導(dǎo)體組成回路，通以直流電，在兩種導(dǎo)體的連接處會(huì)產(chǎn)生吸熱或者放熱現(xiàn)象，形成高溫區(qū)和低溫區(qū)，這就是帕爾貼效應(yīng)，也稱(chēng)為熱電第二效應(yīng)。帕爾貼效應(yīng)可以看作是塞貝克效應(yīng)（熱電第一效應(yīng)）的反效應(yīng)，形成電流的自由電子（電荷載體）在不同導(dǎo)體材料中所處能級(jí)不同，當(dāng)其從高能級(jí)向低能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)向外界釋放能量；反之則需要吸收能量，即改變電流方向可以改變熱量的傳遞方向[28]。利用帕爾貼效應(yīng)制成帕爾貼元件（Peltier element,PE），可以將熱量從低溫處轉(zhuǎn)移至高溫處，達(dá)到加熱和冷卻的效果[29]。帕爾帖加熱方式能將電池從較低溫度加熱至正常工作溫度，在極端低溫條件下具有良好的發(fā)展前景。

Troxler等[30]利用PE通電后傳遞熱量的特性，控制鋰離子電池的溫度分布。圖6為帕爾貼元件示意圖，帕爾貼元件所產(chǎn)生的熱量由熱沉散熱器帶出，熱沉散熱器所使用的冷卻劑為水。在研究電池溫差對(duì)電池電阻的影響時(shí)，Troxler等利用PE一端吸熱另一端放熱的特性，對(duì)電池的兩端分別進(jìn)行加熱和冷卻，使電池的一端溫度較高，另一端溫度較低。實(shí)驗(yàn)表明，運(yùn)用PE能讓電池的最大溫差達(dá)到40℃。

圖6 帕爾貼元件示意圖[30]Fig. 6 Schematic of PE[30]

Alaoui等[31,32]設(shè)計(jì)了基于帕爾貼效應(yīng)的電池加熱系統(tǒng)，分別對(duì)車(chē)載電池（車(chē)前和車(chē)后）和駕駛室進(jìn)行加熱。由帕爾貼元件所產(chǎn)生的熱量傳遞給熱沉散熱器，然后通過(guò)空氣分別輸送至駕駛室，對(duì)車(chē)前和車(chē)后電池進(jìn)行加熱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著經(jīng)過(guò)帕爾貼加熱裝置的電流增加，系統(tǒng)的加熱效率增加，COP減小。在環(huán)境溫度為17℃、電流為4 A時(shí)，加熱20 min后，車(chē)后電池（遠(yuǎn)離帕爾貼加熱裝置）的溫度上升至29℃，而車(chē)前電池（靠近帕爾貼加熱裝置）的溫度上升至37℃，所消耗的電池容量為1.5 A·h（電池總?cè)萘繛?8 A·h），加熱系統(tǒng)的COP值達(dá)到1.036；而當(dāng)電流增加至7 A，相同條件下車(chē)前電池的最高溫度上升至44℃，此時(shí)加熱系統(tǒng)的COP值下降為0.6。

2.5 其他加熱方式

Lee等[33]在電動(dòng)公交車(chē)上采用熱泵來(lái)加熱車(chē)載裝置，熱泵的熱源為公交車(chē)所產(chǎn)生的余熱，利用這種加熱方式可以保證電池的正常工作溫度。袁昊等[34]設(shè)計(jì)了基于U型管液體冷卻/加熱板電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，在電池冷卻研究中，選取出最優(yōu)設(shè)計(jì)，管徑為4 mm，管間間距為20 mm，并對(duì)最優(yōu)設(shè)計(jì)進(jìn)行電池加熱實(shí)驗(yàn)和模擬研究。電池的初始溫度為40℃，進(jìn)口液體的溫度為93℃，在起始階段，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果中的溫度上升速率差別較大，但在140 s左右，模擬和實(shí)驗(yàn)中電池溫度均達(dá)到了80℃。

3 結(jié) 論

電池在低溫環(huán)境下工作時(shí)，電解液電導(dǎo)率降低，放電困難，影響電動(dòng)汽車(chē)的正常工作。低溫電池?zé)峁芾砜梢蕴岣唠姵氐墓ぷ鳒囟?、改善電池工作環(huán)境，對(duì)提高電動(dòng)汽車(chē)在低溫環(huán)境下的性能有重要意義。在所有的低溫電池?zé)峁芾矸绞街校Ｒ?guī)空氣加熱方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低，但是加熱效率不高，極端情況下不能滿(mǎn)足需求；相變材料加熱方式的加熱效率受相變材料性質(zhì)影響，為了提高加熱效率，需要提高相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)致成本增加；電加熱方式對(duì)設(shè)備要求低、加熱速率快、效率高，是主要的研究方向；帕爾帖效應(yīng)加熱方式能將電池從較低的溫度加熱至正常工作溫度，其適用性好，具有良好的發(fā)展前景。

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Research Development of Battery Thermal Management at Low Temperature

HUO Yu-tao,RAO Zhong-hao,ZHAO Jia-teng,LIU Chen-zhen
(School of Electric Power Engineering,China University of Mining and Technology,Jiangsu Xuzhou 221116 China)

As the important component of electric vehicle (EV),the power battery encounters issues such as decrease of energy density and power density at low temperature. For the purpose of improving the performance of power battery at low temperature,a suitable battery thermal management (BTM) system is indispensable. In this paper,the performance of power battery at low temperature was introduced,the current heating strategies of battery were overviewed,and the research development of BTM at low temperature was summarized,which have guiding significance for the research of battery heating.

low temperature；battery thermal management；heating

TK0；TM912

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.01.009

2095-560X（2015）01-0053-06

霍宇濤（1992-），男，碩士研究生，主要從事新能源汽車(chē)動(dòng)力電池?zé)峁芾硌芯俊?/p>

饒中浩（1985-），男，博士，教授，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院工程熱物理研究所常務(wù)副所長(zhǎng)，日本北海道大學(xué)JSPS Fellow。2014年入選中國(guó)礦業(yè)大學(xué)第九批校級(jí)優(yōu)秀青年骨干教師，2013年入選中國(guó)礦業(yè)大學(xué)第六批青年教師“啟航計(jì)劃”培養(yǎng)對(duì)象，先后獲得吳仲華優(yōu)秀學(xué)生獎(jiǎng)，教育部博士研究生學(xué)術(shù)新人獎(jiǎng)以及華南理工大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文、廣東省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文，主要從事動(dòng)力電池儲(chǔ)能、相變儲(chǔ)能過(guò)程中的多尺度傳熱傳質(zhì)問(wèn)題研究。

趙佳騰（1990-），男，碩士研究生，主要從事新能源汽車(chē)動(dòng)力電池?zé)峁芾硌芯俊?/p>

劉臣臻（1989-），男，博士研究生，主要從事相變儲(chǔ)能材料與動(dòng)力電池?zé)峁芾矸矫娴难芯抗ぷ鳌?/p>

2014-10-24

2014-11-14

國(guó)家自然科學(xué)基金（51406223）；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金（BK20140190)

? 通信作者：饒中浩，E-mail：raozhonghao@cumt.edu.cn