0 引言
汽车是近代人类使用最为广泛的交通工具之一,人类对汽车的依赖与日俱增。传统的燃油汽车会产生CO、HC、NOx、微粒等排气污染,破坏环境。纯电动汽车作为一种无污染、低噪声、能源效率高的新型交通工具,逐渐受到人们的关注以及大规模的应用[1]。锂离子电池作为电动汽车最常用的动力来源,其性能将直接影响整车的性能[2]。在锂离子电池充放电过程中,会发生一系列化学反应,这些化学反应与温度密切相关[3],无论是在高温环境还是低温环境下,都会对电池的性能造成一定程度的影响。在低温环境下,导致电池性能较差的主要原因有以下三点：低温下电解液的黏度增大,电导率降低;电解液/电极界面膜阻抗和电荷转移阻抗增大;锂离子在活性物质本体中的迁移速率降低,由此造成低温下电极极化加剧,充放电容量减小[4]。
Fig. 1 Commonly used simulation modeling methods图1 常用的仿真建模方法 |
1 电池外部加热策略
根据对电池施加的热源位置,现有的低温加热策略主要分为电池外部加热和电池内部加热两大类,具体分类如图2所示。对于电池外部加热策略,均采用外置加热设备,对电池表面进行加热,加热设备产生的热量通过电池表面向电池内部传递。这种加热策略通常是基于原有的冷却回路上做出简单的改进,或直接在电池外部布置电热元件,实现起来相对容易。但由于是由外至内加热电池,会不可避免地使电池沿传热路径出现较大的温度梯度。
Fig. 2 Classification of low temperature heating strategies图2 低温加热策略的分类 |
1.1 与冷却方式一体型
电池热管理系统既要保证电池在高温下的冷却,也要保证电池在低温下的加热。本文主要聚焦于低温环境下对电池进行加热的研究策略。根据加热介质的不同,可将加热系统大致分为四类：基于空气的加热系统、基于液体的加热系统、基于相变材料（phase change material, PCM）的加热系统和基于热管的加热系统。
1.1.1 基于空气的加热系统
基于空气的加热系统,通常是将空气预热,再使被加热的空气流经电池表面,与电池进行热交换。这种加热策略只需在原有的空气回路上增加一个产热装置即可实现,因此结构较为简单。此外,由于空气的密度较小,这种加热系统的质量也通常较轻。但由于空气的传热性能较差,将电池加热至目标温度会产生较多的功耗。
JI等[13]使用电池对风扇和电阻式加热器供电,同时由于电池放电,其内部也将产生热量,实现电池内、外同时加热。该方案将电池从 -20℃加热至20℃仅需85 s,但会消耗较多的电池容量。
LV等[14]提出一种可以使被加热的空气在封闭的环境中循环流动的加热方案。虽然这种封闭-循环式空气加热方法相较于开放式的环境的加热性能更好,但该方法会使电池组所处的流场紊乱,增大电池的温差。因此,需要通过增加更多的风扇来改善流场的均匀性,但此举无疑会消耗更多的系统功率。
虽然基于空气的加热系统具有较轻的质量、简单易实现的结构,但由于空气的比热容和导热系数较低,要达到理想的加热效果,还需要引入其他加热方案辅助,以提高加热效率。此外,还需要设计合理的空气流道,保证被加热的空气按照预期的路径流经电池后,再被排放至系统外。因此,基于空气的加热系统在工程应用中还将面临一些挑战。
1.1.2 基于液体的加热系统
ZHU等[17]基于原车自带的液冷电池热管理系统,主要添加了三个正温度系数（positive temperature coefficient, PTC）加热器,在电池充电前对管路中的液体进行分段加热,再利用这些被加热的液体流经加热管,预热电池。
由于液体的传热能力优于空气,因此基于液体的加热系统通常表现出更出色的加热能力。但液体的密度大于气体,这意味着基于液体的加热系统的质量更大。此外,当液体的容器结构发生疲劳、老化或碰撞等失效时,还有可能出现漏液的风险。因此,对于采用液体为传热介质的加热系统,还需要保障盛放液体的容器的可靠性。
1.1.3 基于PCM的加热系统
基于PCM的加热系统考虑的应用场景是电动汽车运行后搁置再进行冷启动时的加热。该应用场景利用了PCM的储热特性。但PCM储热的时效性和热量的释放时机是限制其应用的最大问题[18]。
LING等[19]提出了一种可以控制PCM相变时机的加热策略,通过控制热量释放装置,改变PCM内的局部压力,激活加热功能,使过冷PCM迅速发生相变并释放所储存的潜热,实现7.5℃/min的加热速率。该方法不仅解决了相变潜热的释放时机问题,还有效避免了在无需对电池加热时,热量散失到外界环境。
基于PCM的加热系统,必须要解决储热的时效性和潜热释放的时机这两大难题,才能被真正推广至工程应用中。因此,该加热策略目前仍处于探索阶段。但作为一种被动加热系统,基于PCM的加热系统不会消耗电动车辆本身的电能,有利于能源的经济性。此外,基于PCM的加热系统还应考虑PCM在相变过程中的体积变化。若盛放PCM的容器未考虑到PCM在相变过程中的体积变化,可能会导致容器膨胀破损而发生PCM泄漏。因此在设计过程中还需要考虑到相变过程中的体积变化。
1.1.4 基于热管的加热系统
基于热管的加热系统是利用热管内部工质的相变来传递热量。通过加热片来加热热管内的工质使其气化,高温气体流向热管顶部后,再放热液化,回流至热管底部,形成循环。其结构如图3所示。
Fig. 3 Schematic diagram of the heat pipe based heating system图3 基于热管的加热系统结构示意图 |
WANG等[20]将平板状热管紧贴在电池的最大表面上,热管底部与加热片贴合。该加热策略可在20 min内将电池组在 -30℃的环境温度下提高至0℃,且温差小于3.03℃。
梁佳男等[21]将加热膜位于电池底部的传统加热方案与基于平板热管的加热方案进行了对比,发现平板热管的加热效果优于传统的底部加热,在相同时间内电池温升更高,电池均温性更好。
1.2 热电元件加热型
基于热电元件加热的策略,相对于与冷却方式一体型的电池加热系统,会额外引入专门的加热元件,与原有的散热系统相对独立,具有更强的可靠性。按照生热原理可以大致分为两类：一类是向电阻元件通以电流,产生焦耳热来加热电池;另一类是利用帕尔帖效应,即当电流通过两种不同导体组成的回路时,改变电流的方向可以实现在这两种导体的结点处吸收或释放热量的切换。
1.2.1 基于电阻元件的加热系统
RUAN等[26]提出了电池内部和外部电加热膜同时加热的系统。该系统具有32.49℃/min的高加热速率,并且使电池的可用功率和能量分别提高7.4倍和109.9%。
HUANG等[27]提出了加热-保温协同的策略,以5℃为步长,逐步增大电加热膜的温度。结果表明在消耗较低的电池容量下,可以将电池在371 s内从 -41.4℃快速加热到 -14.0℃,仅消耗标称容量的6.1%。
HUANG等[28]建立了电池最大允许放电电流的预测模型,将电加热膜的功率最大化。该策略所消耗的电池容量仅为标称容量的4.7%,且可在330 s内将电池组从 -40℃加热到 -20℃。
LEI等[29]对采用宽线金属膜加热方案的LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2电池建立了瞬态三维加热有限元模型,仿真结果表明,在启动加热的12.5 s后,电池的最大温差高达34.4 K。
1.2.2 基于帕尔帖效应的加热系统
Fig. 4 Working principle of heating system based on Peltier element图4 基于帕尔帖元件的加热系统工作原理图 |
外部加热策略均存在一个较为明显的缺点,即由于传热路径的原因,电池内部会出现明显的温度梯度。本文将各外部加热策略的优缺点总结于表1。
Table 1 Advantages and disadvantages of external heating strategies表1 外部加热策略的优点与缺点 |
| 加热策略 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 基于空气 | 质量轻,结构简单 | 加热效率低 |
| 基于液体 | 加热效率高 | 质量重 |
| 基于PCM | 被动冷却,能耗低 | 储热时间、加热时间难以控制 |
| 基于热管 | 加热效率高 | 质量重、结构复杂 |
| 基于电阻元件 | 加热效率高 | 电池温差大 |
| 基于帕尔帖效应 | 结构简单 | 加热效率低 |
2 电池内部加热策略
对于电池内部加热策略的研究,一般分为使用电流加热电池和电池内部安装加热元件（自加热）两种主要的策略。采用电流加热的系统在整个加热过程中引起的电池温差通常较小,且相比于外部加热,消除了由于热传导而产生的大量热量损失,避免了加热设备中的热量积累,加热效率更高,电池老化程度更低[33]。对于电池自加热,该加热策略可以对电池内部进行高效地加热,温升速率也远大于电流加热策略。但电池本身的结构发生了改变,且在放电初期会造成较大的温差。
2.1 电流加热策略
按照加热电流的性质,电流内部加热策略可以分为直流电流加热、交流电流加热、脉冲电流加热和混合电流加热。对于直流加热方案,在低温下容易发生锂离子沉积的现象[34],因此直流加热方案存在一定的局限性。而采用其他电流加热的方案,都是针对电流的频率和幅值这两个参数对生热速率的影响展开研究。
2.1.1 直流电流加热
直流加热方案是利用锂离子电池自身放电产生热量的特性来加热电池,这种加热策略在加热过程中会消耗电池较多的电量,因此需要平衡加热速率与电量损失之间的影响[35]。
QU等[33]分别使用11 A、9.5 A、8 A的直流电流对2 000 mA∙h的18650电池进行持续性加热,除使用8 A加热的案例之外,其他两种方案都还未将电池从 -10℃加热至10℃,电压就已经低于截止电压。而8 A直流电流将电池加热至目标温度所用时间也大于脉冲加热的时间。
WU等[36]提出了一种在18650圆柱形锂离子电池外包裹一层保温性较好的纳米多孔气凝胶材料,利用电池恒流放电产生的热量对电池实现加热。该方案可以有效防止电池产热的散失,改善了电池在低温下的放电工作环境。但这种方法还是不可避免地会出现热量流失。
若采用大电流恒流放电策略对电池进行加热,还未将电池加热至目标温度,电池的电压就会低于截止电压。而且在低温下对电池进行大电流放电会加剧电池的锂沉积和容量衰减,对电池产生不可逆转的损害。因此对于直流加热策略,只能采用小电流进行加热,这样加热效率较低。因此在工程应用中很少采用直流加热策略。
2.1.2 交流电流加热
SHANG等[41]提出了一种适用性较强的高频交流加热策略。研究结果表明,增大交流加热频率和均方根电流的大小均可提高加热的速率。增大电流较增大频率能更有效地提高加热速率,但却可能会引发更多的锂离子沉积,对电池的寿命造成负面的影响。然而,在合适的均方根电流大小和电池的寿命之间找到平衡,还需做进一步的研究。
SHANG等[42]基于谐振LC转换器,提出了一种交流加热装置,将电池输出的直流电流转换成正弦电流。在此基础之上,又添加了一个LC转换器,与原有的LC转换器并联。这样就能实现对偶数个电池模块的交替加热,成倍提高加热速率,且不影响电池寿命。
ZHANG等[39]通过控制由半导体材料制成的金属-氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide- semiconductor field-effect transistor, MOSFET）的开闭,将电池输出的直流电转化成交流电。并基于粒子群算法计算出了最优的交流电流频率。该加热策略可以在132 s内将电池从 -20℃升温至0℃,且仅消耗5.4%的电池能量。
RUAN等[43]对比了变频交流加热和恒频交流加热的效果,结果表明两种加热方式的加热效果几乎相同,但变频交流加热的工程实现更为困难。
交流电流加热是较为理想的一种加热策略,不仅保障了加热的效率,同时对电池的损害较小。且这种加热策略引入的系统易于布置,是一种极具工程应用潜力的加热策略。
2.1.3 脉冲电流加热
吴晓刚等[46]以1℃为步长,计算电池在不同温度下使生热率达到最大的脉冲电流频率,保证电池在每次升高1℃的时间内都是以最高的生热率来产热,达到快速加热电池的目的。该方案将电池从 -20℃加热至5℃仅用时368 s,且最大温差仅为1.1℃。相对于恒频率脉冲电流加热,该方案的温升速率有所提升。该方案对电池的荷电状态、容量衰减影响较小。
QU等[33]设计了一个可将电池输出的直流电流转换为脉冲电流的电路模块,对电池进行加热。对比持续性直流加热策略,这种加热策略在保证电池电压不低于截止电压的前提下,有效地提高了加热速率,也降低了热量向外界的散失。该加热策略可将电池从 -10℃加热至10℃,且加热时间仅为175 s。
熊瑞等[47]提出了一种锂离子电池进行大电流自放电的低温加热方法,通过控制开关来调整自放电的工况,避免出现不可控的加热。此外,还建立了低温下电池的电化学-热耦合模型,对电池颗粒内部的锂离子浓度进行了研究,发现所提出的加热策略对活性颗粒的影响较小。
QIN等[48]采用不同的正、负脉冲电流,对电池进行双向脉冲加热。这种方式提高了加热速度,并且负脉冲可以降低锂电镀,减小了低温下镀锂的风险。即使以11 ℃/min的加热速率连续加热170 h,容量衰减也仅为1%。
2.1.4 混合电流加热
混合电流加热是将不同类型的电流叠加后再通入电池。这种加热策略在能快速加热电池的前提下,对电池寿命影响较小,且电池的端电压不超出截止电压。同样由于电流的复杂性,对控制系统的要求较高。
GUO等[49]将交流电流与恒流电流叠加,形成新的混合电流对低温下的高荷电状态的电池进行加热,分别对电池单体和模组进行了实验。发现所提出的加热策略可将电池从 -20℃加热至10℃,温升速率分别为4.07℃/min和4.6℃/min,最大温差也控制在理想范围内。目前,混合电流的研究还处于发展阶段,该策略在未来还有进一步的研究价值。
2.2 自加热型
自加热策略的加热效率高,但由于是在电池内部安装加热元件,改变了电池原有的结构,存在一定的安全隐患。此外,在加热电池的过程中会造成较大的温度梯度,不利于电池的健康。
WANG等[50]提出向棱柱形锂离子电池内部插入50 μm厚的镍箔的全气候电池。镍箔的两个极耳一个与电池中的负极焊接,另一个延伸至电池外部,形成控制电池自加热的启动端子。低温环境下,启动端子与电池正极间的开关接通,电流流过镍箔,产生焦耳热,加热电池。当启动端子与电池正极之间的开关断开时,镍箔被断路,全气候电池又转变为传统的锂离子电池,不影响锂离子电池正常工作。但这种全气候电池在放电前期的温差较大,且在制造时需要改变电池的内部结构,电池安全性会降低。
前文分析了各种内部加热策略的优点与弊端,现将各内部加热策略的优缺点总结于表2。
Table 2 Advantages and disadvantages of internal heating strategies表2 内部加热策略的优点与缺点 |
| 加热策略 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 直流加热 | 直流电流获取简单,成本低 | 加热效率较低,锂沉积 |
| 交流加热 | 加热效率高,温度均匀性较好,对电池寿命影响较小 | 需额外电气元件将直流电流转换为交流电流 |
| 脉冲电流加热 | 加热效率较高,温度均匀性较好 | 需额外电气元件将直流电流转换成脉冲电流,控制电路复杂 |
| 混合电流加热 | 加热效率较高,温度均匀性较好 | 需额外电气元件将直流转换成混合电流 |
| 自加热 | 加热效率高,无需额外电气设备 | 需改变电池自身结构,温度均匀性不佳 |
3 总结与展望
3.1 总结
对目前低温加热策略的仿真建模方法进行了介绍,简述了不同建模方法的原理。对低温加热策略进行了系统的分类,并对最新的低温加热策略进行了综述,分析各低温加热策略的优点与缺点。结论如下：
（1）电池外部加热策略通常是在原有散热系统的冷却回路中添加某种产热元件,如电阻和PTC电阻,实现将加热功能集成到原有的散热系统中。但该加热策略对原有散热回路的依赖性较大,若原有散热回路出现故障或失效,系统的加热性能也必然会受到影响,甚至失效。另一方面,由于外部加热策略的传热路径都是从电池外部传递至电池内部,因此在电池加热过程中,沿传热路径方向会不可避免地形成较大温差,对电池健康造成负面影响。
（2）电池内部加热策略通常可分为电流加热策略和自加热策略。自加热型低温加热策略能在短时间内将电池加热至目标温度,由于这种加热策略改变了电池的内部结构,存在一定的安全隐患,且在加热初期温升速率非常大,会引起电池内部较大的温差。对于电流加热策略,直流加热电池的加热速率较低,且容易对电池造成不可逆的损伤。故通常都是采用交流电流或脉冲电流对电池进行加热,这两种加热策略的温升速率较大,且能实现对电池的均匀加热,减小加热过程中的温差。
3.2 展望
低温下电池的性能下降严重,限制了电动汽车在寒冷地区的推广。基于这一困境,提出两种将电池低温技术在车辆上的使用场景。
（1）在车辆内部增加相关模块,利用开关电容控制MOSFET或者结合电机特性等方式来使用电池自放电产生交流电对电池本身进行交流电流加热。这种方式会消耗一定的电量,由于在较短的时间内可以将电池温度加热到一定温度,因此耗电量较小,可以接受。且这种方式对车辆整体的布局改动很小,容易实现。
（2）在车辆启动或充电之前,利用交流加热策略的外部设备或充电桩对车辆电池系统进行加热。该加热方式不会消耗电池本身的电量,且不受车辆本身硬件设备响应速度的约束,同时可以实现对电池的均匀加热,且能在充电场站实现大规模的应用。
