电动汽车动力电池低温脉冲加热技术研究

邹岱江　唐小波　秦宇迪　曹晟阁　李香杰

摘 要：电池在低温环境中面临衰减和安全问题。在低温充电条件下，活化阻抗的增加导致了负极表面电位的下降，同时伴随着析锂副反应发生。此外，电解液的锂离子电导率也会下降，这意味着在活性材料中锂离子的扩散速率也会减缓。因此，为实现电池低温充电速度提升，本文提出电动汽车动力电池低温脉冲加热技术研究，开发电池系统低温快速加热方法，实现低温环境下电池的安全快速充电。

关键词：动力电池 脉冲加热 低温脉冲

0 引言

随着电动汽车动力电池产业规模不断扩大，发现脉冲充电在减少电池极化、延长电池寿命、减少电池析锂等方面存在潜在的优势，该方法不仅可能应用于大功率快速充电领域，因其在耐久性方面的特点在其他应用方面也有潜在的商用化可能[1]。其次，脉冲充电的波形、频率等存在极大的多样性。脉冲充电的不同频率选择会影响电池的阻抗，既可以在低温情况下利用脉冲充电产生大量热，将电池迅速升温，同时利用脉冲充电对电池寿命没有负面影响的特点[2]。因此，本文针对低温脉冲加热技术进行研究，通过系统的实验探究，得到脉冲参数与脉冲加热速率的基本规律，也初步证明脉冲加热方法的可行性。然后，搭建基于二阶RC电路的热电耦合模型，成功对脉冲加热过程予以模拟，实现了对低频低倍率脉冲加热过程的精确仿真。最后，开展电池的耐久性实验，探究脉冲参数对电池容量衰减的影响。通过参比电极实验进一步证明脉冲幅值和温度对电池寿命的影响与对加热速率的影响。

1 电池低温脉冲加热技术分析

1.1 脉冲加热的基本产热原理

锂离子电池产生热量的原因主要有两个方面。首先，电池会产生焦耳热，这是由于电池内部发生的电化学反应而产生的热能。其次，电池还会产生反应热，这是由于电池正负极材料之间的化学反应所释放出的热量。此外，电池内部物质的浓度变化也会导致混合过程中的热量释放[3]。还有一些副反应，除了锂离子的嵌入和脱嵌反应之外，也会产生额外的热能。总的来说，混合热和副反应热的数值通常较小，但仍然需要考虑在电池设计和运行中的影响。

电池的焦耳热可表示为：

其中； 表示为电池的焦耳热；表示为电池的极化产热；表示为电池的欧姆内阻； 表示为电池的极化内阻； 表示为流过电池的电流。

电池的反应热可表示为：

为电池的反应热，为电池的绝对温度，为电池的开路电压， 为流过电池的电流，称为电池的熵变。

则电池的产热功率可表示为：

由上述产热来源分析可知，低温时电池的内阻急剧增加，从25℃到-20℃内阻会增大一个数量级左右，电池的焦耳产热会增加对应倍数。另外，电池的焦耳热相较电池的反应热大两个数量级左右，因此电池产热功率主要来自与电池的焦耳热，即电池的内阻产热。对锂离子电池利用自身内阻加热的功率可进行初步估算，若电流为2C，外部环境-20℃，内阻20mΩ，则可产生约为200W的热功率，考虑上述实验测得的比热容和质量，则约4-5s即可将电池加热1℃。4C幅值下周期对温升速率的影响如图1所示：

图1 4C幅值下周期对温升速率的影响

脉冲加热速率随着周期的增大而增大，在周期时长为秒级别（1s左右至10s左右）的实验中，选取多个脉冲参数，重复3次实验，结果显示上述规律有较好的重复性。在600s的时间内，周期为0.8s和周期为12.8s的组别温升相差2℃，总温升则分别为6℃与8℃，则初步表明脉冲周期对于脉冲加热速率有较大的影响。在600s时，0.1s和0.8s相差4.1℃，总温升分别为34.5℃和38.6℃。通过以上分析，可得到大倍率下温升速率更快的初步结果。

1.2 电池低温特性测试

电池的充放电容量会随着温度的降低而降低，即锂离子电池的低温可用容量降低，在实际应用中将导致低温环境下可充入电量降低甚至无法正常充电，可放出的电量也随之下降，这也是冬季用车里程焦虑的主要原因。该锂离子电池在常温下容量为52.34Ah（Battery A）和52.27Ah（Battery B）。随环境温度的下降，可用容量的降低十分明显。不同温度和倍率下电池的容量变化如图２所示：

温度从25℃到0℃，容量降低约11%；温度降至-20℃时，则至少有30%的降低。另外，随着倍率减小，电池容量有所上升。主要原因为电池的极化电压随倍率上升和温度降低而增大，过早到达截止电压，实际循环中的充放电容量有所减少。

2 热电耦合模型搭建

2.1 二阶RC电路的热电耦合分析

热电耦合模型主要由锂离子电池的电路模型或电化学模型，与产热和传热模型组成。脉冲过程的电模型使用二阶RC模型构建[4]。二阶RC模型如图３所示：

其中，图2中的 表示为理想电压源； 表示为欧姆内阻； 、 表示为两阶极化内阻； 、 表示为两个与极化内阻相并联的电容。在二阶RC模型中，上述六个参数共同决定了在某一电流作用下电池的电压响应。现有的二阶RC模型的参数辨识方法有基于最小二乘法的辨识、基于遗传算法的辨识等。

在本研究中，种族大小设定为200，代数设定为1000代，容忍度设置为。二阶RC模型的极化电阻两端的瞬态电压可表示为：

其中为仿真步长， 与 为时间常数。

则电池的端电压可表达为：

通过上述关系，即可基于实验测得的电流数据计算上述电压值，从而得到基于二阶RC模型的估计电压。

2.2 低频低倍率脉冲加热实验分析

进行幅值为1C，正负幅值比1：1，周期为40s的脉冲加热实验，电池SOC为50%，温箱环境为-16.6℃。将实验电流数据输入前述构建完成的二阶RC电路模型和与其耦合的热模型，得到低频低倍率端电压估计结果如图４所示：

在加热初期，估计温度偏高。在加热后期，估计温度偏低。主要原因可能是电池的散热情况，即决定热模型热交换功率的部分存在一定的误差。对流换热系数在实际过程中，会因为温箱的运行状态和出风口的流量、温度而存在一定的波动[5]。

2.3 耐久性实验

将脉冲电流持续作用于被测试电池，在一定时长后通过基本的充放电循环，测试电池的容量衰减情况。本文选择10块被测电池，均处于50%SOC，分别予以不用的脉冲参数与环境温度。10块电池的具体参数和稳定的测试温度如表1所示。

在低温环境充分静置、脉冲加热到一定温度或持续一定时长、撤去脉冲静置冷却、再低温静置并准备开始下一次加热等过程较为耗时，其中有效加热过程一般为5-10min，而前后的充分静置和散热过程需要5-8h。本研究将温箱设定为某一温度后，将电池在某一参数下进行持续的脉冲作用，最终电池的温升与散热达到稳定值，电池温度不再显著上升，继续在此状态下持续产热。

观察电池A～J容量衰减情况如图５所示：

在相同的脉冲参数下，温度越低寿命衰减越快，但相同参数温度不同的电池之间的衰减情况差别不大，相比之下幅值和周期对于寿命的影响更为明显。首先以电池A和电池C为例，当周期从4s变为40s扩大10倍后，电池C有明显的容量下降趋势，700h左右衰减1.2%，而电池A则没有明显的容量衰减迹象。以电池A和电池I为例，二者温度基本一致，周期相同，幅值分别为2C和4C，I的衰减明显快于A，100h时I比A多衰减0.6%。以电池D和电池J为例，二者温度基本一致，幅值均为4C，周期分别为1.8s和8s，170h时J比D多衰减1.8%。

综上，脉冲周期、脉冲幅值和温度对电池的寿命都有较为明显的影响，其中周期和幅值的影响更为显著。因此也可得出电池在脉冲加热作用下的温升速率与寿命存在权衡取舍这一结论。

3 结论

本文的研究对象是低温脉冲加热技术。通过进行系统的实验探究，得到了脉冲参数与脉冲加热速率之间的基本规律。同时，也初步证明了脉冲加热方法的可行性。这项研究对于深入了解低温脉冲加热技术的特点和应用具有重要意义，为进一步优化和改进该技术提供了有价值的参考。在进行电池耐久性实验时，旨在研究脉冲参数对电池容量衰减的影响。此外，本文还通过参比电极实验进行了进一步的验证，以证明脉冲幅值和温度对电池寿命的影响与对加热速率的影响存在着相反的关系。实验结果表明，增加脉冲幅值和降低温度会延长电池的寿命。这一技术研究在电池研究领域具有重要的理论和实际意义。

参考文献

[1]王小林.新能源汽车动力电池安全问题分析及解决策略[J].时代汽车，2023（24）：112-114.

[2]张计军，葛家琪，潘汉平，等.新能源汽车动力电池散热技术综述[J].时代汽车，2023（24）：122-124.

[3]吴晓刚，李凌任，高鑫家，等.锂离子电池脉冲频率优化的低温预热[J].电机与控制学报，2021，25（11）：56-65.DOI：10.15938/j.emc.2021.11.007.

[4]廉玉波，凌和平，马晴婵，等.电动汽车锂离子电池脉冲加热技术研究进展[J].汽车工程，2023，45（02）：169-174.DOI：10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.02.001.

[5]蒋东辉，倪金凤.脉冲加热气相色谱低温除氢法测定高氢钽粉中氧[J].分析试验室，1987（12）：35-37+32.