電動(dòng)汽車鋰離子電池脈沖加熱技術(shù)研究進(jìn)展*

廉玉波，凌和平，馬晴嬋，任強(qiáng)，賀 斌

（比亞迪汽車工業(yè)有限公司，深圳 518118）

前言

隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大［1］，鋰離子電池作為電動(dòng)汽車主要?jiǎng)恿?lái)源，其綜合性能受到越來(lái)越多的關(guān)注［2］。鋰離子電池綜合性能受環(huán)境溫度的影響顯著，尤其是在低溫環(huán)境下，容易出現(xiàn)充電困難、放電效率降低和循環(huán)壽命衰減等問(wèn)題［3-4］。因此，在低溫環(huán)境下對(duì)鋰離子電池進(jìn)行加熱，確保鋰離子電池在適宜的溫度范圍內(nèi)工作，對(duì)于提升鋰離子電池在低溫環(huán)境下的綜合性能有極其重要的意義。

低溫加熱方法主要分為兩大類：外部加熱法和內(nèi)部加熱法。外部加熱法指利用電池組以外的熱源，例如熱流體［5-6］、相變材料［7-8］和電熱元件［9］，通過(guò)熱對(duì)流或熱傳導(dǎo)的方式對(duì)電池組進(jìn)行加熱，但外部加熱法傳熱路徑長(zhǎng)，熱損失大，電池溫升速率慢，溫均性差。相比于外部加熱法，內(nèi)部加熱法是利用電池內(nèi)部阻抗產(chǎn)熱對(duì)電池進(jìn)行加熱，能量利用率高，溫均性好，而且極大地降低了加熱系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。內(nèi)部加熱法包括三電極自加熱［10］、直流加熱［11］、交流加熱［12］和脈沖加熱［13-30］。三電極自加熱指在電池內(nèi)部嵌入金屬箔形成第三電極并通過(guò)控制電極開(kāi)關(guān)導(dǎo)通金屬箔進(jìn)行加熱。該方法加熱速率非?？?，但電池內(nèi)部新增的鋁箔和控制開(kāi)關(guān)會(huì)對(duì)其能量密度、循環(huán)壽命和使用安全性造成較大的影響，同時(shí)也增加了電池生產(chǎn)制造過(guò)程中的難度。直流加熱法是指在電池內(nèi)部通過(guò)恒定直流電來(lái)加熱電池，無(wú)需額外設(shè)備，成本較低，并且相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，但較大的電流會(huì)造成電池極化增加，導(dǎo)致電池壽命嚴(yán)重衰減。交流加熱法是通過(guò)對(duì)電池正負(fù)極施加一定頻率和幅值的交流電產(chǎn)熱，對(duì)電池的壽命影響較小，且可以實(shí)現(xiàn)溫度均勻分布，但需要增加外部電源。脈沖加熱法則是通過(guò)對(duì)電池施加一定的脈沖激勵(lì)來(lái)加熱電池，具有加熱速率高、溫均性好和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景廣闊。

脈沖加熱方法是解決鋰離子電池在低溫環(huán)境下性能衰減的有效方法，但對(duì)于電動(dòng)車應(yīng)用而言，脈沖加熱技術(shù)的研究仍存在很多難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。一方面，如何在電池組內(nèi)產(chǎn)生脈沖電流并進(jìn)一步提升加熱速率需深入研究。另一方面，脈沖激勵(lì)對(duì)電池老化的影響缺乏深層次的機(jī)理研究，安全性有待進(jìn)一步解決。此外，為了尋求加熱速率、電池壽命和系統(tǒng)能耗之間的平衡，脈沖加熱策略需要進(jìn)一步優(yōu)化。脈沖加熱方法仍有很多難點(diǎn)需要解決，相關(guān)理論和特性的最新研究進(jìn)展亟須進(jìn)一步總結(jié)。鑒于此，本文中首先闡述了脈沖加熱技術(shù)的機(jī)理，介紹了現(xiàn)有的脈沖加熱；其次，總結(jié)了不同脈沖參數(shù)（頻率、幅值和波形）下電池的性能特性；最后，對(duì)不同的脈沖加熱策略進(jìn)行了比較，旨在為后續(xù)脈沖加熱技術(shù)的研究提供參考。

1 脈沖加熱機(jī)理

為了探究脈沖加熱機(jī)理，需要明晰在施加外部脈沖激勵(lì)下鋰離子電池電特性和熱特性，可通過(guò)電池等效電路模型和內(nèi)部各阻抗焦耳熱體現(xiàn)。

鋰離子電池1 階Thevenin 等效電路模型如圖1所示。由于需要考慮溫度和脈沖頻率對(duì)電池的影響，等效電路模型中各參數(shù)均與溫度T和頻率f相關(guān)，等效電路的數(shù)學(xué)模型描述為

圖1 Thevenin等效電路模型

式中：Uoc為開(kāi)路電壓；R0為歐姆內(nèi)阻；Rp、Cp和Up分別為極化內(nèi)阻、極化電容和極化電壓；I、U分別為回路的電流和端電壓。

鋰離子電池在充放電過(guò)程中產(chǎn)熱，但只有焦耳熱可以用來(lái)對(duì)電池進(jìn)行加熱，焦耳熱由歐姆熱和極化熱組成。對(duì)電池施加脈沖激勵(lì)時(shí)，若將電池看做是一個(gè)整體，則可將電池交流內(nèi)阻等效為一個(gè)實(shí)部阻抗和一虛部阻抗，電池內(nèi)電流I可表達(dá)為

式中：Z為電池等效交流阻抗；Re為電池等效實(shí)部阻抗；Im為電池等效虛部阻抗；Up為電池極化電壓。

根據(jù)Thevenin 等效電路模型和焦耳定律，鋰離子電池施加脈沖激勵(lì)的過(guò)程中，內(nèi)部等效實(shí)部阻抗產(chǎn)生焦耳熱的表達(dá)式為

將鋰離子電池極化電壓限制在一定范圍內(nèi)時(shí)，產(chǎn)熱率僅與Re/ |Z|2成正相關(guān)，令G（f，T）為Re/ |Z|2的函數(shù)：

式中：f為脈沖頻率；T為環(huán)境溫度。

綜上，脈沖加熱方法利用了鋰離子電池在低溫環(huán)境下內(nèi)部阻抗產(chǎn)熱，而在不同環(huán)境溫度和脈沖頻率下電池內(nèi)部阻抗不同，因此不同工況下電池最大產(chǎn)熱不同，需對(duì)脈沖加熱方法進(jìn)行研究。

針對(duì)脈沖加熱方法的研究已有相關(guān)報(bào)道，主要集中在脈沖加熱方案、脈沖加熱參數(shù)和脈沖加熱策略3個(gè)方面。

2 脈沖加熱方案

脈沖加熱方案的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何在電池組內(nèi)產(chǎn)生脈沖電流，現(xiàn)有的脈沖加熱方案可根據(jù)脈沖電流的來(lái)源劃分為外部電源加熱和獨(dú)立電池脈沖加熱。

在外部電源加熱方面，林雨婷等［13］提出利用充電站電網(wǎng)對(duì)電池進(jìn)行脈沖加熱，在實(shí)現(xiàn)電池最大加熱效果的同時(shí)減少了鋰離子電池本身的能量消耗，但該方法嚴(yán)重依賴于外部電源，使用范圍受限。為此，孫澤昌等［14］提出一種鋰離子電池低溫加熱電路，如圖2 所示，該電路主要由電池、溫度傳感器、二極管、微控制器和電感組成。相比于其他加熱方法，有能耗小、安全性高和有效地避免低溫充放電過(guò)程中枝晶形成的優(yōu)勢(shì)。

圖2 低溫加熱電路

為了提高加熱速率，Qu 等［15］提出一種脈沖加熱電路，如圖3 所示，該電路主要由三級(jí)放大晶體管、金氧半場(chǎng)效晶體管、霍爾元件和控制器組成。其中脈沖電流由晶體管的開(kāi)關(guān)交替產(chǎn)生，晶體管的開(kāi)啟和閉合間隔可由金氧半場(chǎng)效晶體管調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明脈沖加熱方法可以實(shí)現(xiàn)鋰離子電池在低溫下快速加熱，從-10 加熱到10 ℃僅需175 s，而在直流加熱方法下則需280 s。

圖3 脈沖加熱電路

Yu 等［16］提出了一種基于RLC 非振蕩網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生雙極電流脈沖加熱電路，如圖4 所示。相比于其他加熱方法，該方法優(yōu)勢(shì)在于雙通道半橋RLC 并聯(lián)結(jié)構(gòu)可增大加熱功率，提高了加熱速度和效率，并通過(guò)改變占空比可以實(shí)現(xiàn)自由調(diào)節(jié)加熱功率的大小。

圖4 雙極脈沖加熱電路

上述脈沖加熱方法需要設(shè)置額外電路用于產(chǎn)生和控制脈沖電流，系統(tǒng)較為復(fù)雜。相比之下，獨(dú)立電池脈沖加熱不依賴外部加熱電源，可以實(shí)時(shí)對(duì)鋰離子電池進(jìn)行加熱，同時(shí)減少了外部加熱電路的設(shè)計(jì)，因此更具應(yīng)用價(jià)值?；阡囯x子電池的車載應(yīng)用場(chǎng)景，Du 等［17］提出利用電機(jī)定子的電感特性和電機(jī)控制器的開(kāi)關(guān)特性在電池中形成脈沖電流，實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有任何額外硬件的情況下對(duì)電池進(jìn)行低溫加熱。雖然該方法可使電池平均溫升速率達(dá)到2.88 ℃/min，但加熱速率仍偏低。Li等［18］提出一種三模塊分離逆變（TMSI）模式來(lái)快速加熱電池組，如圖5所示，該方法將電池組分為3個(gè)獨(dú)立的模塊，分別與逆變器的3個(gè)電橋相連，在汽車停車期間驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生脈沖電流，使電池升溫；而在汽車行駛過(guò)程中通過(guò)逆變器調(diào)節(jié)脈沖電流大小來(lái)保持電池適當(dāng)?shù)臏囟取Ｋ岢龅腡MSI 模式不僅具有可以與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路兼容的優(yōu)點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)8.6 ℃/min的溫升速率。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路加熱原理圖

為了實(shí)現(xiàn)更高的加熱速率和溫均性，吳曉剛等［19］提出采用雙向DC/DC 變換器在兩組電池間產(chǎn)生交變激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)兩組電池交互加熱的系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)有著加熱速率快和溫均性好的優(yōu)勢(shì)。

圖6 脈沖交互加熱系統(tǒng)

綜上，脈沖電流可由充電站電網(wǎng)、外電路、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和雙向DC/DC 變換器產(chǎn)生，但脈沖加熱參數(shù)（頻率、幅值和波形）直接影響了鋰離子電池的溫升速率、容量衰減和系統(tǒng)能耗，因此對(duì)鋰離子電池采用脈沖加熱時(shí)，須對(duì)脈沖加熱參數(shù)和脈沖控制策略進(jìn)行研究。

3 脈沖加熱參數(shù)

為了研究脈沖加熱參數(shù)對(duì)電池溫升速率的影響，Zhu 等［20］分別研究了脈沖電流頻率、幅值和波形對(duì)電池溫升速率的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬研究發(fā)現(xiàn)高電流幅值和低頻率可以有效地提升電池的溫升速率，采用正弦脈沖波形加熱的電池溫升速率為3.18 ℃/min，而采用矩形脈沖波形加熱的電池溫升速率為4.98 ℃/min。但并未考慮對(duì)電池容量衰減的影響。Wu 等［21］根據(jù)鋰離子電池在不同溫度下的電化學(xué)阻抗（EIS），建立了鋰離子電池的電熱模型，并基于該模型研究了脈沖電流頻率和幅值對(duì)電池加熱性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高電流幅值和低頻率有利于電池溫升速率的提升，且多次循環(huán)后容量?jī)H減少了0.035%。Qin等［22］研究了雙向脈沖電流頻率和幅值對(duì)電池加熱速率和容量衰減的影響，脈沖電流由正電流和負(fù)電流兩部分組成，電池充電或放電過(guò)程中會(huì)引起極化反應(yīng)，而負(fù)電流有助于降低正脈沖引起的極化電壓，并使其在相反方向極化，進(jìn)而降低電池在低溫下鋰鍍層和其他安全風(fēng)險(xiǎn)，增加電池的循環(huán)使用壽命。結(jié)果表明經(jīng)過(guò)170 h連續(xù)加熱后，電池容量?jī)H衰減了1%，而且高幅值、低頻率脈沖電流有利于平衡電池加熱速率和容量衰減。

以上研究都未考慮對(duì)電池溫差的影響，而溫度一致性對(duì)于電池循環(huán)使用壽命有著重要的影響。

Qin 等［23］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了雙向脈沖電流參數(shù)對(duì)電池溫升速率和溫差的影響。結(jié)果表明，在-20 ℃下，高脈沖電流幅值和低頻率可實(shí)現(xiàn)電池5.2 ℃/min的溫升速率，且溫差僅為3.4 ℃。Zhu等［24］研究了交流脈沖電流頻率和幅值對(duì)電池溫升速率的影響。結(jié)果表明高電流幅值和低電流頻率有利于電池的溫升，并且由嵌入的熱電偶發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)部和表面具有良好的溫均性，經(jīng)過(guò)數(shù)百次加熱循環(huán)后不會(huì)對(duì)電池容量造成較大的損傷。Du 等［25］基于充電容量、充電過(guò)程中的溫度變化和循環(huán)充電期間電池使用壽命的變化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估了脈沖電流幅值和頻率對(duì)電池低溫加熱性能的影響。結(jié)果表明，高脈沖幅值和低頻率有利于提升電池溫升速率，且對(duì)容量衰減影響較小。

綜上研究，雖然高脈沖幅值和低頻率有利于提升鋰離子電池溫升速率，但不同工況下，鋰離子電池最大產(chǎn)熱、系統(tǒng)最低能耗所對(duì)應(yīng)的最佳脈沖參數(shù)不同。因此，為了提升鋰離子電池低溫性能并降低系統(tǒng)能耗，須對(duì)脈沖加熱策略做進(jìn)一步的研究。

4 脈沖加熱策略

為達(dá)到更高的加熱速率并減少加熱過(guò)程中電池容量衰減和能量損耗，吳曉剛等［26］提出一種基于脈沖頻率優(yōu)化的脈沖加熱策略。通過(guò)對(duì)電池施加0.1～10 kHz頻率范圍的脈沖激勵(lì)，測(cè)得電池阻抗、電池溫度與脈沖頻率的關(guān)系，對(duì)脈沖頻率進(jìn)行優(yōu)化，得出在不同溫度下最大產(chǎn)熱的脈沖頻率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的脈沖加熱優(yōu)化策略可以在168 s 內(nèi)將電池從-25 加熱到5 ℃，且經(jīng)過(guò)多次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后電池容量?jī)H減少了0.16%。Lyu 等［27］將抑制鋰沉積的判據(jù)轉(zhuǎn)化為不同溫度和荷電狀態(tài)下的電流約束，搭建了具有閉環(huán)脈沖電流控制功能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行100 次加熱循環(huán)后發(fā)現(xiàn)電池容量沒(méi)有明顯的下降。為了縮短加熱時(shí)間同時(shí)降低容量衰減，Jiang等［28］提出了一種用于鋰離子電池低溫加熱的最佳脈沖加熱策略。通過(guò)建立電池電熱老化耦合模型，以加熱時(shí)間和容量損失為約束目標(biāo)，通過(guò)粒子群優(yōu)化（PSO）算法對(duì)最佳脈沖電流進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，所提出的加熱策略可以有效縮短加熱時(shí)間，且不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的容量損失。為了平衡加熱時(shí)間、容量衰減和加熱系統(tǒng)能耗，Huang 等［29］提出一種新型的鋰離子電池脈沖加熱策略，可以根據(jù)鋰離子電池的初始SOC，確定脈沖電流的最大幅值，在電量充足（SOC＞80%）時(shí)，消耗較多能量以達(dá)到最短的加熱時(shí)間，當(dāng)電量不足（SOC＜30%）時(shí)，延長(zhǎng)加熱時(shí)間，當(dāng)鋰離子電池SOC 處于中間值時(shí)，平衡加熱時(shí)間和能耗，期間可以動(dòng)態(tài)調(diào)整脈沖幅值，達(dá)到提高加熱速度和降低容量損失的目的。與恒幅脈沖加熱策略相比，該策略可以將加熱時(shí)間縮短2～4 min，能耗降低50%。

以上脈沖策略的研究都旨在優(yōu)化電池產(chǎn)熱速率，未考慮電池溫度和SOC一致性，而鋰離子電池組大都由多個(gè)電芯排列組成，電芯間溫度和SOC 一致性是其輸出設(shè)計(jì)性能的必要條件。

因此，為實(shí)現(xiàn)溫度和SOC 一致性，提高低溫性能，Vu 等［30］提出一種交互脈沖加熱策略，對(duì)電池包內(nèi)的電芯進(jìn)行分層加熱，在外側(cè)區(qū)域的加熱過(guò)程中增加一段“延時(shí)”時(shí)間。對(duì)電池加熱時(shí)，先激活內(nèi)側(cè)脈沖加熱，一段延時(shí)時(shí)間后再激活外側(cè)區(qū)域，在相同的加熱時(shí)間后，內(nèi)外側(cè)可以達(dá)到相同的溫度狀態(tài)，同時(shí)可以確保SOC的一致性。

5 展望

脈沖加熱技術(shù)具有較高的加熱速率、能量利用率和易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)鋰離子電池低溫加熱技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，但要推動(dòng)脈沖加熱技術(shù)在電動(dòng)汽車上規(guī)?；瘧?yīng)用，在以下幾方面開(kāi)展技術(shù)優(yōu)化至關(guān)重要。

（1）目前脈沖電流可通過(guò)充電站產(chǎn)生，該方法最簡(jiǎn)單，但需要增加雙向充電器；為電池引入有源均衡電流可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)加熱，缺陷在于成本昂貴；采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法可以在不增加其他加熱器件下對(duì)電池進(jìn)行加熱，極大地減小了系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本，但產(chǎn)生的脈沖電流幅值較小，溫升速率較慢。因此，對(duì)于脈沖電流的產(chǎn)生來(lái)源應(yīng)做進(jìn)一步的技術(shù)優(yōu)化。

（2）雖然脈沖加熱技術(shù)可以提升電池在低溫下的加熱速率，但電池內(nèi)部產(chǎn)熱與極化電壓呈正相關(guān)，極化電壓過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部電流過(guò)大，在低溫環(huán)境下對(duì)鋰離子電池循環(huán)壽命產(chǎn)生不利影響，因此，鋰離子電池的極化電壓須進(jìn)行限制，確保在一定范圍內(nèi)不會(huì)對(duì)電池使用壽命產(chǎn)生較大的影響。此外，高脈沖電流幅值和低頻率有利于電池溫升速率，但其安全性和噪聲舒適性有待進(jìn)一步優(yōu)化。

（3）現(xiàn)有的脈沖加熱策略僅在單一工況下對(duì)脈沖參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，且多數(shù)旨在提高電池溫升速率。但要推進(jìn)鋰離子電池在低溫環(huán)境下廣泛應(yīng)用，需要確保電池在各工況下溫度始終保持在合適范圍內(nèi)并實(shí)現(xiàn)高性能輸出，同時(shí)降低加熱系統(tǒng)能耗。因此，后續(xù)研究應(yīng)進(jìn)一步從使用工況、加熱性能和系統(tǒng)能效等方面研究可實(shí)現(xiàn)多種工況、加熱速率、容量衰減和系統(tǒng)能耗動(dòng)態(tài)平衡的脈沖加熱策略。