1.4 交流加熱法
交流加熱法通過(guò)給電池施加交流電流產(chǎn)生熱量，從內(nèi)部加熱電池。周期性的充、放電過(guò)程能夠快速加熱電池，并使得電池 SOC 保持不變。交流加熱法可使用外部交流電源，使得加熱過(guò)程不消耗電池自身能量。在形式各樣的交流電波形中，正弦交流電應(yīng)用最為廣泛。
明確交流電流的參數(shù)對(duì)加熱性能的影響對(duì)于交流加熱法的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。Hande 等設(shè)計(jì)了高頻變流器產(chǎn)生 10~20kHz 交變電流，并首先提出了以高頻交流電加熱 NIMH 電池的加熱策略。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了交流電流的幅值、SOC 和環(huán)境溫度對(duì)電池加熱時(shí)間的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著電流幅值的增加，加熱到相同溫度所需要的時(shí)間縮短。Ji 等建立了交流加熱法基于時(shí)間的電化學(xué)-熱耦合模型，從電化學(xué)機(jī)理的角度進(jìn)一步探究了交流電頻率對(duì)加熱性能的影響。為研究交流電頻率的影響，采用改變交流電的幅值和頻率都將影響電池內(nèi)部產(chǎn)熱功率，進(jìn)而影響電池加熱速度。為縮短加熱時(shí)間，需要對(duì)交流電參數(shù)的選取作進(jìn)一步研究和優(yōu)化。Zhang 等建立了基于頻域的電池等效電路模型，如圖2(a)所示。以電池產(chǎn)熱模型為熱源，建立了電池集總參數(shù)熱模型以預(yù)測(cè)電池溫度。通過(guò)電-熱耦合模型，研究了不同熱邊界條件下交流電流幅值和頻率對(duì)加熱速度的影響。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，較高的電流幅值、較低的電流頻率和良好的保溫條件有利于提高電池加熱速度。并且，通過(guò)合理選取交流電流參數(shù)，可有效提高加熱速度、降低電池發(fā)生析鋰的風(fēng)險(xiǎn)。Ruan 等發(fā)現(xiàn)采用固定參數(shù)的交流電對(duì)電池加熱時(shí)電池的升溫速度隨時(shí)間降低，并將之歸因于電池極化電壓的降低。為最大化加熱速度，以 Jiang提出的電池簡(jiǎn)化等效電路模型為基礎(chǔ)，建立了產(chǎn)熱量與極化電壓、阻抗的關(guān)系式。并由此提出了固定極化電壓幅值，以不同溫度下的最佳頻率值實(shí)時(shí)調(diào)整交流電流幅值的優(yōu)化加熱方法。采用優(yōu)化之后的加熱方法，電池從-15.4℃加熱到 5.6℃僅需 338s，加熱速率為 3.73℃/min。Li 等以電池安全電壓為限制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示了不同溫度下電流幅值和內(nèi)阻、頻率之間的依賴(lài)關(guān)系，并得到了電池產(chǎn)熱功率隨頻率的變化曲線。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同溫度下，存在最佳電流頻率和幅值組合使得電池產(chǎn)熱功率取到最大值。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)論，Li 等提出了一種交流電參數(shù)溫度自適應(yīng)的交流電加熱優(yōu)化控制策略。在電池加熱過(guò)程中，依據(jù)電池溫度，梯級(jí)調(diào)整交流電的頻率和幅值。結(jié)果表明，利用所提出的優(yōu)化加熱方法使得電池最大加熱速度達(dá)到2.31℃/min。Zhang 等進(jìn)一步研究了交流電參數(shù)梯級(jí)調(diào)整的頻率對(duì)加熱性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，更高的梯級(jí)調(diào)整頻率有利于縮短加熱時(shí)間，從而達(dá)到的最大加熱速率高于 4℃/min。
圖 2 交流加熱法
當(dāng)采用交流電流激勵(lì)對(duì)電池加熱，一般認(rèn)為降低交流電流頻率有利于提高加熱速度。然而，Shang等研究表明在高頻范圍內(nèi)（通常高于 10kHz），提高交流電流的頻率同樣可以提高加熱速度。Shang等提出了基于 LC 諧振電路產(chǎn)生高頻正弦交流電的交流加熱方法，實(shí)驗(yàn)研究了高頻電流的幅值和頻率對(duì)加熱速度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高頻范圍內(nèi)（通常高于 10kHz），增加交流電的頻率和幅值都可以提高加熱速度。為優(yōu)化高頻交流加熱法的加熱效率，Shang 等建立了考慮高頻下電荷傳輸產(chǎn)熱影響的電-熱耦合模型，用于指導(dǎo)選取高頻交流電的幅值和頻率。采用優(yōu)化高頻交流電參數(shù)，最大加熱速率達(dá)到3.57℃/min，并且不會(huì)發(fā)生析鋰。
在實(shí)際工程應(yīng)用中調(diào)節(jié)交流電頻率難以實(shí)現(xiàn)。因此，通常采取固定交流電頻率，調(diào)節(jié)交流電幅值的方法提高加熱速度。但是，在低溫環(huán)境下，過(guò)大的交流電幅值可能會(huì)造成負(fù)極析鋰。因此，需要限定交流電幅值的范圍。Ge 等以防止析鋰作為交流電幅值的限制條件。以電池 SOC 為 0.5 時(shí)的負(fù)極平衡電位為電池過(guò)電位的極限值，計(jì)算得到不同溫度和頻率下的最大允許電流值。提出了固定電流頻率，根據(jù)電池溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流幅值的梯級(jí)加熱方法。Mohan 等以電池制造商提供的電流和電壓限制為約束條件，采用預(yù)測(cè)控制的方法調(diào)整交流電流的幅值。Ruan 等以電池極化電壓作為計(jì)算電流幅值的約束條件，其值設(shè)為 0.5V。Guo 等以防止電池過(guò)充、過(guò)放為目標(biāo)，確定了路端電壓安全范圍。提出了以安全路端電壓為約束，實(shí)時(shí)計(jì)算最大允許電流幅值的階梯電流加熱法。在后續(xù)研究中，Guo 等提出了以防止析鋰和電池過(guò)充、過(guò)放作為確定電流幅值的約束條件，并以?xún)煞N約束條件下算得的最小值作為電流幅值最優(yōu)值。Jiang 等以防止析鋰為約束條件，推導(dǎo)了不發(fā)生析鋰的電池過(guò)電壓閾值，并以此確定電流幅值范圍。結(jié)果表明，增大電流頻率有利于降低發(fā)生析鋰的風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)也會(huì)減少產(chǎn)熱量。
交流加熱法也可與外部加熱法相結(jié)合，進(jìn)一步提高加熱速度、降低加熱能耗。Sun 等提出將外部電源供能的電加熱薄膜貼于電池底面，以電池充、放電過(guò)程和電加熱薄膜產(chǎn)生的熱量同時(shí)對(duì)電池加熱。在-17℃和-27℃環(huán)境下，對(duì)比分析了加熱和不加熱情況下的電池放電曲線，采用所提出的復(fù)合加熱方法可以大幅提高電池放電容量。熊瑞等提出一種結(jié)合交流電內(nèi)加熱和寬線金屬膜外加熱的復(fù)合加熱方法，如圖 2(b)所示。當(dāng)電池需要加熱時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)打開(kāi)，外部電源施加的交流電流依次流經(jīng)寬線金屬薄膜和電池。當(dāng)電池溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)閉合，寬線金屬薄膜被短路，動(dòng)力電池正常充、放電。相較于交流電加熱法，該復(fù)合加熱方法的加熱能耗降低了 23%，加熱速度提高了 22%。
車(chē)載交流加熱方法中以電池放電產(chǎn)生交流電流的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同樣受到研究者們關(guān)注。Jiang 等以電池包自身為電源，設(shè)計(jì)了一種軟開(kāi)關(guān) LC 諧振電路用于產(chǎn)生交流電流，如圖 2(c)所示。該諧振電路產(chǎn)生了交流電流和直流電流疊加的電流波形，利用該疊加電流可以提高對(duì)電池內(nèi)部阻抗的利用率，縮短加熱時(shí)間。采用所提出的方法加熱電池包，電池包溫度在 600s 內(nèi)從-20.8℃加熱至 2.1℃，加熱速度達(dá)到2.29℃/min。加熱過(guò)程僅消耗 6.64%的電池能量，且電池包內(nèi)的溫差僅為 1.6℃。Shang 等基于 LC 諧振電路設(shè)計(jì)了車(chē)載高頻交流電流發(fā)生器，利用所產(chǎn)生的高頻交流電對(duì)電池加熱，使加熱速度達(dá)到3.57℃/min。Li 等提出利用現(xiàn)有的車(chē)載變頻器電路和電機(jī)組成交流電流發(fā)生器，如圖 2(d)所示。通過(guò)晶閘管的通斷，實(shí)現(xiàn)電流在電池和電機(jī)之間的流動(dòng)，快速加熱電池和電機(jī)。當(dāng)電流幅值為 4C 時(shí)，電池加熱速度可達(dá)到 8.6℃/min。
調(diào)節(jié)交流電的幅值和頻率可以改變交流加熱法的加熱速度，但交流電參數(shù)對(duì)于電池老化的影響尚不明確。為此， Zhu 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了交流電幅值、頻率對(duì)于電池溫升及電池老化的影響。研究發(fā)現(xiàn)，更高的電流頻率及更低的電流幅值有利于降低電池老化風(fēng)險(xiǎn)。如圖 3（a）所示，在高頻電流作用下，電池激發(fā)時(shí)間極短，不發(fā)生電荷的轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散過(guò)程，因此不會(huì)發(fā)生析鋰。隨著電流頻率的降低，電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散。此時(shí)，若電流幅值較低，充電過(guò)程嵌入負(fù)極固相顆粒的鋰離子能夠在放電過(guò)程中完全脫嵌，因此不會(huì)產(chǎn)生死鋰，如圖 3（b）；若電流幅值較高，充電過(guò)程產(chǎn)生的鋰離子不能完全嵌入負(fù)極固相顆粒，如圖 3（c）。經(jīng)過(guò)多次充、放電循環(huán)之后，即會(huì)發(fā)生析鋰，造成電池容量的不可逆損失。Zhu 等以不同幅值和頻率的交流電對(duì)電池循環(huán)加熱數(shù)百次，檢測(cè)了電池的容量、直流電阻和電化學(xué)阻抗譜，以此來(lái)評(píng)估電池的健康狀態(tài)。同時(shí)，通過(guò)對(duì)電池拆解，利用掃描電子顯微鏡和能量色散 x 射線光譜技術(shù)研究了電池的內(nèi)部微觀形態(tài)。結(jié)果表明，在合理電壓閾值限制下，即使在低頻范圍（0.5Hz）內(nèi)，交流加熱方法也不會(huì)明顯加劇電池容量衰減。
圖 3 交流加熱法的低溫老化行為示意圖
綜上所述，交流加熱法具有加熱速度快、能量利用效率高、溫均性好等顯著優(yōu)勢(shì)，發(fā)展前景廣闊。在具有外部交流電源的情況下，交流加熱法的加熱回路十分簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。對(duì)于車(chē)載交流加熱法而言，需要考慮外部交流電流發(fā)生器電路對(duì)系統(tǒng)成本和體積的影響。交流電頻率和幅值可調(diào)的特性，使得加熱過(guò)程可控，且存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。此外，充分研究和理解交流電流對(duì)電池老化的影響有利于實(shí)現(xiàn)高效、安全的加熱方法。然而，現(xiàn)有研究中，交流加熱法對(duì)電池老化的研究?jī)H停留在對(duì)電池容量的分析，還需要進(jìn)一步從電化學(xué)機(jī)理的角度研究。此外，目前文獻(xiàn)中交流加熱方法的應(yīng)用對(duì)象大多是電池單體，以電池模組和電池包為研究對(duì)象的文獻(xiàn)較少。考慮到電池成組之后的不一致性，僅以電池單體為研究對(duì)象而發(fā)展的交流加熱法可能會(huì)導(dǎo)致電池組或電池包內(nèi)產(chǎn)熱不均勻，產(chǎn)生內(nèi)部溫度梯度，加速電池老化。
1.5 低溫快速加熱方法總結(jié)
以能量消耗、加熱速度、溫差（溫度均勻性）和電池老化作為性能指標(biāo)，對(duì)上述加熱方法進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比，如表 1 所示。
表 1 低溫快速加熱方法總結(jié)
低溫快速加熱方法從內(nèi)部加熱電池，縮短了傳熱路徑，能夠達(dá)到快速加熱的目的。其中，自加熱鋰離子電池以?xún)?nèi)部薄鎳片加熱電池，造成溫度均勻性較差。交流加熱法使用外部電源，其他加熱方法均需要消耗電池自身能量。能量消耗是評(píng)價(jià)加熱方法性能的重要指標(biāo)。加熱過(guò)程中可能發(fā)生的電池老化是低溫快速加熱方法的主要關(guān)注點(diǎn)。對(duì)于內(nèi)部自加熱法和自加熱鋰離子電池，其加熱過(guò)程電池處于放電狀態(tài)，雖然不會(huì)發(fā)生負(fù)極析鋰等直接損傷，但長(zhǎng)期高倍率放電會(huì)加速老化。對(duì)于 MPH 加熱法，需要避免在低頻率、高 SOC 工況下使用，以降低電池負(fù)極析鋰風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于交流加熱法，使用高頻電流有利于降低老化風(fēng)險(xiǎn)；而低頻電流應(yīng)謹(jǐn)慎使用，并需加以額外的限制（如電壓限制）避免對(duì)電池的不可逆損壞。
02 電池低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)
低溫環(huán)境下，為恢復(fù)鋰離子電池的功率和容量、避免發(fā)生析鋰，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)需要提前將電池加熱至適宜溫度。然而，將電池從低溫加熱至適宜溫度需要消耗大量能量，這使得電池加熱技術(shù)相比于電池冷卻技術(shù)更加困難。對(duì)于能量?jī)?chǔ)存有限的電動(dòng)汽車(chē)而言，電池加熱所消耗的能量將直接影響電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力。因此，為保證乘員艙舒適性和減少能量消耗，需要優(yōu)先考慮電池加熱方法的能量?jī)?yōu)化控制策略。
對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言，電動(dòng)汽車(chē)冬季預(yù)熱時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。通常以設(shè)置合理的預(yù)熱目標(biāo)溫度及加熱功率縮短預(yù)熱時(shí)間。對(duì)于電池汽車(chē)的冷啟動(dòng)工況，目標(biāo)溫度一般設(shè)置為略高于 0℃，此時(shí)電池已經(jīng)可以恢復(fù)大部分功率性能。而對(duì)于電池汽車(chē)的快充工況，為防止負(fù)極發(fā)生析鋰，則需要設(shè)置更高的預(yù)熱目標(biāo)溫度。
電池、電池模組、電池包的性能除了與溫度相關(guān)，還與其溫度均勻性相關(guān)。不均勻的溫度分布將導(dǎo)致電流和 SOC 分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致電池包容量下降、功率性能衰減、局部加速老化。為此，加熱策略的設(shè)計(jì)需要考慮加熱過(guò)程中電池、電池模組及電池包的溫度分布均勻性，通常整體溫度差異需要控制在 5℃以?xún)?nèi)。
電池不僅在低溫環(huán)境有加熱需求，在高溫環(huán)境也存在冷卻需求。而在電池包中，加熱系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)共用工作空間，存在相互影響的可能性。因此，設(shè)計(jì)電池加熱系統(tǒng)時(shí)應(yīng)將不影響電池冷卻系統(tǒng)的工作和性能作為重要考慮因素，保證電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能夠高效執(zhí)行加熱和冷卻模式。
此外，電動(dòng)汽車(chē)的低溫加熱策略還需要考慮系統(tǒng)的成本、復(fù)雜度、可靠性等因素。綜上所述，電動(dòng)汽車(chē)低溫加熱策略的設(shè)計(jì)主要考慮以下因素：(1)加熱策略的能量消耗；(2)加熱策略的預(yù)熱時(shí)間；(3)加熱過(guò)程中電池、電池模組、電池包的溫度均勻性；(4)加熱策略對(duì)電池老化的影響；(5)保證冷卻系統(tǒng)的性能；(6)包括建設(shè)成本、工作成本、維持成本在內(nèi)的系統(tǒng)綜合成本；(7)考慮加熱系統(tǒng)設(shè)備、重量、體積的系統(tǒng)復(fù)雜度；(8)系統(tǒng)的安全性和可靠性；
低溫快速加熱方法主要以電池自身發(fā)熱達(dá)到加熱目的，一般不會(huì)對(duì)現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此，選取電池加熱策略設(shè)計(jì)目標(biāo)中的能量消耗、加熱速度、溫度均勻性、電池老化、系統(tǒng)復(fù)雜度、安全可靠性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以自加熱鋰離子電池的性能指標(biāo)作為基準(zhǔn)，依據(jù)表 1 對(duì)不同加熱方法進(jìn)行定性比較，如圖 4 所示。經(jīng)分析可知，交流加熱法相比于其他方法更具優(yōu)勢(shì)，尤其在能量消耗和電池老化方面。
圖 4 不同方法性能對(duì)比
03 結(jié)論
在低溫環(huán)境下，鋰離子電池的性能顯著下降。為提高動(dòng)力電池低溫性能，對(duì)其進(jìn)行加熱尤為重要。本文系統(tǒng)地綜述了低溫快速加熱方法的最新研究進(jìn)展，提出了電池加熱策略的設(shè)計(jì)目標(biāo)。最后，以電池加熱策略設(shè)計(jì)目標(biāo)的部分因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，橫向?qū)Ρ攘瞬煌椒ǖ膬?yōu)勢(shì)和不足。
低溫快速加熱方法在溫度均勻性、能量消耗及加熱速度等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。其中，內(nèi)部自加熱法可以應(yīng)用于處于行駛狀態(tài)的車(chē)輛，電池放電能量可用于驅(qū)動(dòng)其他車(chē)載用電設(shè)備。MPH 加熱法以電池、儲(chǔ)能元件、可控開(kāi)關(guān)器件組成回路以產(chǎn)生脈沖電流，優(yōu)化脈沖電流的幅值和頻率可實(shí)現(xiàn)安全、高效的加熱過(guò)程。自加熱鋰離子電池具有加速速度快、能量消耗低的優(yōu)勢(shì)，但其需要改造電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，安全可靠性有待驗(yàn)證。交流加熱法則需以準(zhǔn)確的電池模型為基礎(chǔ)，目前僅在單電池層面取得了較多的研究成果，對(duì)于電池模組/電池包層面的相關(guān)理論和模型仍需深入研究。
對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用而言，低溫快速加熱方法的研究仍處于初級(jí)階段。低溫環(huán)境下如何高效、安全的加熱電池仍充滿挑戰(zhàn)。為加快內(nèi)部加熱法和復(fù)合加熱法的工程應(yīng)用進(jìn)度，還存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題亟待解決：
(1) 現(xiàn)有研究中加熱策略對(duì)電池老化的研究不足，電流參數(shù)在電化學(xué)機(jī)理層面對(duì)電池壽命的影響有待深入研究。后續(xù)研究應(yīng)建立電池的電化學(xué)模型，從機(jī)理層面揭示電流參數(shù)對(duì)電池老化的影響，明確不同運(yùn)行條件下電池不發(fā)生老化的電流參數(shù)范圍，進(jìn)一步提高加熱效率和安全性。(2) 現(xiàn)有加熱方法研究中研究對(duì)象多為單體電池，對(duì)于電池模組、電池包層面的研究不足，而模組內(nèi)的溫度均勻性將在很大程度上影響電池組的性能及老化速率。電池產(chǎn)熱模型和熱模型是低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，后續(xù)研究應(yīng)進(jìn)一步從單體電池、電池模組、電池包等層面研究準(zhǔn)確、高效的電-熱耦合模型，考慮電池不一致性的影響，提高溫度預(yù)測(cè)的精度和速度，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、加熱控制策略設(shè)計(jì)提供理論支撐。
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