低温加热

1. 低温加热介绍

随着新能源汽车的日益普及,冬季高寒地区使用新能源汽车所面临的续驶里程短、启动困难、充电难等问题变得日益严峻。锂离子动力电池工作特性对工作环境、工况和老化状态均较为敏感,特别是续驶里程在低温环境会明显下降,若使用热空调,续驶里程会明显不足。此外,动力电池在低温环境充电倍率小且难以实现满充,易造成负极析锂,对动力电池造成永久性损伤。因此,动力电池的低温加热与优化充电方法是保障新能源汽车全气候、全工况应用的关键技术。

2. 常用低温加热方法及分类

如图1所示,国内外对动力电池低温加热的方法按热源位置主要分为两类:内部加热和外部加热。其中,外部加热方法主要有空气对流式加热、液体对流式加热、相变材料式加热、电热元件类加热和珀尔帖效应元件等方法;内部加热方法则主要分为交流电加热、脉冲电流加热、全气候电池和电触发自加热等方法。在下一节将会介绍一种对低温下动力电池进行无损且快速的交流电加热策略的设计。

图1 低温加热方式分类

3. 低温加热原理

交流电加热法是一种通过交流激励直接对电池内部进行加热的电池加热方法。如图2所示,在低温情况下,交流电源输出交流电,使得电流不断流经电池内部的阻抗,产生热量,从而实现对电池内部的加热。

图2 电池内部交流电加热法原理图

动力电池加载交流激励时,锂离子在电极活性材料颗粒中的扩散过程交替进行,即动力电池发生嵌锂反应后,随即发生脱锂反应,嵌锂反应所生成的锂被随后发生的脱锂反应所消耗。因为每个周期生成和消耗的锂相平衡,所以可以降低容量永久性损伤的可能性,即该激励方法不会明显影响动力电池的使用寿命。

低温交流加热过程中,动力电池的温升速率随激励电流幅值增大而升高。但是若激励电流过大,会造成动力电池端电压超过其最大允许阈值,进而影响动力电池的使用寿命。在限定激励电流幅值的前提下,随着交流激励频率的提高,电化学反应周期变短,温升速率也会提高。动力电池在整个交流激励的过程中不会有析锂的积累。因此,应用交流激励对动力电池加热时,激励电流幅值和激励频率的取值不应仅关注其对温升速率的影响,还需兼顾动力电池安全性能和健康状态。基于此提出了一种定频率自适应梯度加热方法。

该方法是在保证动力电池使用寿命和操作安全的前提下,尽量减小供能系统能量损耗并缩短加热时间。该方法根据传感器获取当前动力电池的温度、端电压及环境温度等数据信息,及时计算和更新交流激励电流幅值并施加给动力电池,使激励电流处于动力电池允许的承载电流范围内,以确保动力电池的端电压不超限,提高动力电池低温工作性能,保障动力电池的可靠运行。

4. 数学方程

交流激励时,产热率q的计算公式为

(1)

该式中,i为激励电流幅值,为实部阻抗(与温度有关,可由EIS离线获取)。根据B-V方程,联立极化电流的数学表达式以及极化电压表达式。

(2)
(3)

经过离散化得到许用激励电流上下幅值

(4)

(5)

最优激励电流幅值

(6)

需要说明的是,由参数辨识方法得到。针对电池不同的外部环境温度,便可以依据以上公式对激励电流的幅值进行及时更新,图3为每隔2°C计算更新一次激励电流幅值加热实验中的激励电流幅值曲线图

图3 动力电池单体激励电流值

其加热流程如图4所示

图4 自适应梯度加热流程图

5. 主要结果

利用上述的加热实验方案,对四串动力电池组进行自适应梯度加热。图5结果表明:自适应梯度加热方法在12.4min内将四串动力电池组从-20.3°C加热到10.02°C,温升速率为2.47°C/min,可以实现较为理想的短时高效的温升效果,且四串动力电池组的温升一致性较好。

图5 4串动力电池组加热温升曲线

图6为动力电池经过40次自适应加热循环后充放电容量的变化。结果表明此自适应加热方法对动力电池寿命无明显影响,可以考虑作为动力电池在低温环境下应用的预热方法。

图6 循环加热后动力电池充放电容量

6. 参考文献

[1] 熊瑞. 动力电池管理系统核心算法[M]. 北京:机械工业出版社,2021. 第八章)

[2] 熊瑞*, 王侃, 郭姗姗. 锂离子动力电池低温复合加热方法[J]. 机械工程学报, 2019, 55(14): 53-59. (下载链接)

[3] R. Xiong, W. Sun, Q. Yu* and F. Sun, “Research progress, challenges and prospects of fault diagnosis on battery system of electric vehicles”, Applied Energy, vol. 279, pp.115855, Dec 2020. (下载链接)

[4] R. Xiong*, Y. Pan, W.X. Shen, H. Li and F. C. Sun, “Lithium-ion battery aging mechanisms and diagnosis method for automotive applications: Recent advances and perspectives”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 131, pp. 110048, Oct 2020. (下载链接)

[5] R. Xiong*, S. Ma, H. Li, F. Sun and J.Li, “Towards a Safer Battery Management System: A Critical Review on Diagnosis and Prognosis of Battery Short Circuit”, iScience, vol. 23, no. 4, pp. 101010, Apr 2020. (下载链接)

7. 可用资源

(1) 低温极快速加热资料: 点击下载(低温加热)

(2) 交流加热模型实例:资源申请表.pdf

(3) 授课讲稿: 资源申请表.pdf

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