陶 政，彭紀昌，孟高軍，譚文軼

(南京工程學院，江蘇南京 211100)

能源安全與環(huán)境保護已成為21 世紀人類面臨的重要問題。新能源因具有低碳環(huán)保等優(yōu)點，得到廣泛應用。截至2020 年底，國家電網(wǎng)公司經(jīng)營區(qū)新能源裝機7.1 億千瓦，已成為第二大電源[1]。而鋰離子電池因環(huán)保、壽命長、高能量密度和高耐久性等優(yōu)勢，在新能源產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應用。

但在實際應用中，鋰離子電池的性能明顯受溫度的影響：當溫度低于0 ℃時，電解液電導率低、電荷轉移動力學緩慢等原因使得電池內(nèi)部阻抗大幅增加，電池的輸出功率和可用容量急劇下降。由于鋰離子電池內(nèi)的動力學和傳輸過程高度依賴于溫度，電池性能在預熱后恢復。因此，寒冷天氣條件下將鋰離子電池在充電、放電之前進行預熱，對保持其高性能非常重要。

國內(nèi)外已有許多針對各種預熱技術的研究，但尚未對電池預熱技術的進展進行全面綜述。本文的目的是對現(xiàn)有的預熱方法和技術進行梳理和回顧：首先，對現(xiàn)有預熱方法進行了概述和分類；其次，回顧外部加熱方法和內(nèi)部加熱方法的進展，針對各加熱方法的特點提出適用場景，并對不同方法的性能進行比較；最后，總結出低溫下對鋰離子電池進行預熱所面臨的機遇和挑戰(zhàn)。

1 外部加熱法

外部加熱方法是較早應用于鋰離子電池預熱的方法，且相對容易實現(xiàn)。在外部加熱策略中，加熱功率從外部熱源傳輸?shù)戒囯x子電池，通常采用電阻絲并通過空氣、液體等介質對電池進行外部加熱[2]，或者利用加熱板、加熱薄膜等加熱元件直接與鋰離子電池表面連接，進行加熱。表1 為不同外部加熱方法的總結[3-7]。

1.1 空氣預熱

空氣通常由外部加熱裝置[8]或車載空調(diào)[9]加熱，并由風扇強制預熱電池，原理如圖1 所示。

圖1 空氣預熱原理

與提高空氣溫度相比，加快空氣流速能夠縮短加熱時間，但由此帶來電池內(nèi)電化學反應不平衡，損壞電池內(nèi)部結構并縮短電池的使用壽命。王發(fā)成等[3]建立了電池箱串聯(lián)加熱方式，簡便、低成本地實現(xiàn)了21 min內(nèi)從-15 ℃升溫至0 ℃的目的。

空氣預熱方法具有結構簡單、系統(tǒng)復雜度低等優(yōu)點，可滿足大部分使用場景，在電動汽車與電化學儲能電站中已得到廣泛應用[10]。然而，空氣的低熱傳導率和低熱容量導致了傳熱系數(shù)較低，使得加熱時間長、能量損失大。

1.2 液體預熱

液體與空氣相比具有更高的熱導率和熱容，但需要更復雜的系統(tǒng)[11]。常用的液體預熱電池溫度管理系統(tǒng)主要由加熱器、換熱器、泵和循環(huán)管組成，熱交換器與蓄電池直接接觸。當液體介質通過熱交換器時，熱量從液體傳遞到蓄電池[12]，原理如圖2 所示。在實際使用中，很難保證良好的密封性。此外，為了降低短路風險，液體介質應具有良好的電氣絕緣性能。

圖2 液體預熱原理

羅玉濤等[13]發(fā)現(xiàn)在有保溫層且對油液進行循環(huán)的工況下，預熱至0 ℃的時間呈線性變化趨勢，且預熱后電池組放電電壓和放電時間得以改善。李罡等[4]針對插電式混合動力汽車上的動力電池包，在原有液冷散熱系統(tǒng)的基礎上進行改進，通過在新標歐洲循環(huán)測試(NEDC)工況下的仿真和實驗，驗證了液冷結構動力電池包低溫加熱系統(tǒng)的有效性。不足之處在于加熱器功率是通過充電槍或發(fā)動機怠速時提供，使用范圍具有一定的局限性。

液體預熱可在原有液冷系統(tǒng)基礎上進行改造，構成電池溫度管理系統(tǒng)，可滿足電動汽車或家庭熱電聯(lián)供中電池組的預熱要求。液體預熱是一種非接觸式液體加熱方式，特斯拉汽車[14]采用該方法對電池進行加熱。但液體預熱方法對系統(tǒng)的密封性、絕緣性要求較高，可能存在短路的風險，因此實際應用較少。

1.3 電熱元件預熱

1.3.1 珀耳帖效應元件

珀耳帖效應是指電流流過兩種不同導體界面時，從外界吸收熱量或放出熱量。通過改變電流的方向可以實現(xiàn)加熱和冷卻，且加熱或冷卻的強度可以通過電流的振幅來控制，理論上可以實現(xiàn)電池始終在理想溫度條件下工作。Teoxler等[15]采用珀耳帖元件進行電池預熱，基本原理如圖3 所示。

圖3 珀爾貼效應元件預熱原理

Chakib 和Salameh[5,16]則對通過珀耳帖元件的電流對預熱效率的影響進行了實驗研究。結果表明，利用珀耳帖元件進行預熱，溫升速率可達1 ℃/min，預熱過程消耗的總能量占電池總能量的2.5%。該方法能夠通過調(diào)整電流精確地控制升溫速率，因此已應用于SAM EVⅡ電動汽車的電池預熱，但是對電池組一致性的影響有待進一步研究。

1.3.2 電熱板

電熱板是通過正溫度系數(shù)(PTC)材料實現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié)。

Zhang 等[17]在雙源無軌電車的電池模塊下放置PTC 預熱裝置，實現(xiàn)了對外部電池平均溫升速率為4.09～4.60 ℃/h，內(nèi)部電池為2.10～3.44 ℃/h 的加熱目的。Jin 等[6]將PTC 電阻帶嵌入電池之間的開槽鋁板中，溫升速率高達0.35 ℃/min。PTC 預熱可顯著提高放電電壓，并提高電池的放電容量；在-38 ℃條件下，容量可恢復至標稱容量的90%。

PTC 的使用可以在加熱過程中保持恒定的溫度，有助于避免過熱并確保電池運行安全。在早期的電動汽車中，已有部分廠商曾使用該方法預熱電池組，如三菱i-MiEV 和日產(chǎn)LEAF。但是，由于電熱板體積較大，影響電池組的整體布置，難以在電動汽車中推廣使用。并且這種方法需要很長時間來預熱電池，還可能存在電池組的溫度分布不均勻，加劇了電池的老化，影響使用壽命。

1.3.3 電熱薄膜

電熱膜通常由絕緣的金屬箔制成，并放置在每個電池的最大表面上，如圖4 所示。與電熱板相比，電熱膜的厚度較小，因此對電池盒布局的影響較小。

圖4 寬線金屬膜加熱原理及實物圖

雷治國等[7]提出了一種寬線金屬膜預熱電池方法，實現(xiàn)了2.33 ℃/min 的溫升速率。在-40 ℃時對電池組預熱15 min后，放電容量可以恢復到室溫下的容量，充電容量可恢復至室溫下的一半。

為了優(yōu)化電熱膜的預熱效果，郎春艷[18]比較了電熱膜在不同位置的加熱效果。由于散熱面積較小，將電熱膜放置在側面的溫升速率大于放置在電池頂部和底部時的溫升速率，但溫度一致性較差。此外，梁佳男等[19]在相同的加熱功率下，將電熱膜粘貼在超薄微熱管底部進行預熱取得了更高的預熱效率，且預熱經(jīng)濟性更好。

與利用電熱板預熱相比，電熱膜預熱具有更高的溫升速率和更低的能耗。在相同能耗條件下，電熱膜預熱和電熱板預熱的溫升速率分別為19.62 和3.41 ℃/h[20]。

電熱膜結構簡單，安裝方便。每個膜的厚度約為1～2 mm，對電池盒的體積影響可忽略不計。此外，電熱膜的預熱時間也比電熱板[20]的預熱時間短，能夠改善電池的充放電性能，具有低能量損耗和高溫度一致性的優(yōu)點。這種方法不足之處在于對溫度的實時控制受到電熱薄膜形狀限制；此外，關于電熱膜的安全性和可靠性還有待進一步研究。

2 內(nèi)部加熱法

在內(nèi)部加熱策略中，利用鋰電池在低溫下內(nèi)阻較大的特點，通過外部電源或電池自身能量產(chǎn)生焦耳熱，既消除了長路徑的熱傳導，也不會在加熱裝置附近形成局部過熱點。Pesaran 等[21]將內(nèi)部加熱法與外部加熱法進行對比，得出內(nèi)部交流加熱具有更快的加熱速度和更一致的溫升，且不受電池形狀的影響，具有更高的效率和更少的熱誘導老化應力。表2 對內(nèi)部加熱方法進行了總結。

表2 內(nèi)部加熱方法比較

2.1 電池自加熱法

Wang等[22]提出了一種自加熱鋰離子電池結構。將帶有兩個凸耳的鎳箔嵌入鋰離子電池中，以產(chǎn)生用于電池加熱的歐姆熱。一個凸耳與負極端子電連接，另一個凸耳延伸至蓄電池外部，形成第三個端子，也稱為激活端子，如圖5 所示。激活端子通過開關連接到負極端子，開關由蓄電池表面溫度控制。一旦電池表面溫度達到設定值，開關打開以停止加熱，自加熱鋰離子電池變?yōu)檎ｄ囯x子電池。該設計使得在-30 ℃加熱至0 ℃的過程中，電池的溫升速率可達60 ℃/min，預熱過程消耗的能量占電池自身總能量的5.5%。同時自加熱鋰離子電池這一設計使其還具有良好的耐久性和可靠性。

圖5 自加熱鋰離子電池結構

Zhang 等[26]在Wang 等人的研究基礎上，采用兩片厚度更小的鎳箔，在鎳箔總厚度不發(fā)生變化的情況下，實現(xiàn)了更快速、更高效的自加熱，并且改善了電池內(nèi)部的溫度均勻性，具有更小的溫度梯度。自加熱速度提高了45%～56%，能耗降低了18%～24%。首次證明了嵌入鎳箔的內(nèi)阻和溫度之間具有良好的線性關系。

鋰離子自加熱法是一種有效的預熱方法，利用電池自身剩余容量作為功率來源，無需外部電源的接入。與電熱膜預熱方法相比，溫升速率提高近40 倍；但改變了電池自身結構，不能直接應用于現(xiàn)有電池。在鎳箔的植入過程中，甚至存在短路等安全問題。該方法僅在實驗室環(huán)境中對電池單體進行了檢驗，尚未在實際應用場景下對動力電池組進行研究。且加熱為電池內(nèi)部自行控制，不同電芯加熱時間可能存在差異，導致各電池單體或電池包之間荷電量的不一致性，影響電池組的使用壽命。

2.2 電流勵磁法

2.2.1 交流預熱

交流預熱是在電池正極和負極上施加一定頻率和幅度的交流電，通過電池的內(nèi)阻抗產(chǎn)生熱量[27-28]。該方法還使得鋰離子在電極活性物質顆粒中交替擴散，避免直流連續(xù)充放電造成的鋰沉淀和容量損失[29]。

Zhang 等[30]在等效電路的基礎上建立了頻域發(fā)熱模型，并以此為源項，提出了一種集總能量守恒模型來預測溫升。通過在不同頻率(0.1/1/10 Hz)和電流幅度(3/5/7 A)下對18650型鋰離子電池進行預熱測試，驗證了模型的精確性。在振幅為7 A(2.25C)、頻率為1 Hz 的交流電流作用下，電池溫度可在15 min 內(nèi)從-20 ℃升至5 ℃。在重復進行預熱后，電池的容量無明顯降低，且溫度分布基本均勻。預熱速度可以隨著交流振幅的增加和頻率的降低而增加，如圖6 所示[30]。然而，該研究沒有說明如何選擇交流的振幅和頻率使得內(nèi)部加熱功率最大化以及對電池使用壽命的影響。

圖6 不同振幅和頻率下電池的溫度變化

由于電化學反應中存在極化現(xiàn)象[31]，在選擇交流信號的幅值時應考慮極化電壓，以保證電壓在合理范圍內(nèi)[32]。Ruan等[23]證明了電池在一定溫度、恒定極化電壓條件下存在最佳加熱頻率。為了縮短預熱時間，提高預熱效率，每升溫1 ℃，電流幅度就進行更新。何錫添等[33]在此基礎上，設計了一種變頻變幅加熱策略，使用電化學工作站輸出恒定幅值和頻率的正弦交流信號，每升溫1 ℃對電池的電化學交流阻抗頻譜(EIS)進行測量，通過計算得到補償?shù)碾娏鞣蹬c頻率，作為電化學工作站下次輸出正弦交流信號的參數(shù)。實驗結果表明，變頻變幅預熱方法與恒頻變幅預熱方法相比，溫升速率差異最大為21.85%，具有明顯優(yōu)勢。

交流預熱具有較快的溫升速率，避免了外部加熱時由于溫度不均勻導致的電池組一致性較差、局部老化等影響，可在儲能電站、家庭熱電聯(lián)供等易與市電聯(lián)結的場景得到應用，改善電池組的使用性能。然而，如何量化交流信號對電池健康狀態(tài)的影響仍未解決。

2.2.2 直流預熱

直流電預熱是以一定電流幅值在短時大電流自放電以產(chǎn)生焦耳熱，提高電池溫度，同時注意避免鋰電鍍和電池老化[34]。提高直流預熱的溫升速率可以通過降低截止電壓和提高放電速率[35]來實現(xiàn)。

陳澤宇等[24]對直流預熱過程進行了仿真，開發(fā)了加熱樣機測試平臺。該方法平均加熱速率為0.46 ℃/s，與交流預熱相比，預熱時間縮短了51.6%。但該研究僅將加熱時間作為唯一控制量，未對電流進行調(diào)節(jié)。

由于不需要額外的設備，因此成本較低，相對容易實施。然而，這種方法需要高放電率以縮短預熱時間，會增加電池容量損失和鋰電鍍的風險；放電電流幅值、時間也需嚴格控制。目前在實踐中較少使用。

2.2.3 脈沖預熱

通過電池內(nèi)部阻抗施加不連續(xù)恒定電流可實現(xiàn)脈沖預熱。與直流預熱相比，脈沖預熱可以通過更大的電流幅值，在相同截止電壓的條件下，溫升速率更快。

Wu 等[36]提出了一種基于容量衰減最小化的脈沖加熱方法，利用不同溫度下鋰電池的電化學阻抗譜，建立鋰離子電熱模型，得到了不同頻率、不同溫度下可施加脈沖電流的最大幅值。與未考慮容量衰減的脈沖預熱策略相比，該方法在進行30 次加熱循環(huán)后，容量僅衰減了0.035%，顯著提升了電池的使用壽命。

Zhu 等[25]發(fā)現(xiàn)電池的溫升速率是由電流幅值、頻率和限制電壓共同決定的。當熱電偶嵌入電池幾何中心時，在大電流的測試條件下，電池的最大溫差也不超過2 ℃。240 次循環(huán)加熱實驗后，電池容量、直流電阻和電化學阻抗譜無明顯退化。實驗結束后，將所有電池剖開，在掃描電子顯微鏡和能譜儀下進行檢測。結果證明，在正常電壓限制下的低頻范圍內(nèi)，脈沖預熱不會對電池造成不可逆損傷。

脈沖預熱方法需要搭建控制系統(tǒng)，提高了使用成本，僅在實驗室中進行了相關測試。

3 總結

本文對低溫下鋰離子電池預熱研究進行了梳理，通過分析現(xiàn)有方法的優(yōu)缺點，提出了各預熱方法的適用場景。低溫下預熱鋰離子電池是以提高電池組容量和大倍率充放電性能為最終目的，近年來雖然在加熱時溫升速率得到了提升，但尚未出現(xiàn)可同時滿足經(jīng)濟性、一致性和安全性等復雜需求的加熱方法。

外部加熱方法因技術復雜性較低，目前已在電動汽車、電化學儲能電站等領域得到了應用；但由于熱傳導路徑較長、加熱裝置中易出現(xiàn)熱量堆積等現(xiàn)象，從而帶來能量損失大、溫度分布不均勻等問題，限制了其在移動設備、后備電源等其他使用場景下的推廣。內(nèi)部加熱方法利用鋰電池在低溫下內(nèi)阻較大的特點，通過外部電源或電池自身能量，將電池本身作為熱源產(chǎn)生熱量。與外部加熱相比，內(nèi)部加熱能量損失小、溫度分布均勻、溫升速率高，但控制過程復雜，對電池組的壽命和使用安全性的影響尚未明確，目前仍處于實驗室研究階段。

考慮到不同使用場景下對電池組進行預熱的需求不同，未來可以進一步量化預熱方式對電池組使用壽命、功率特性的影響，將不同預熱方法結合使用，提高電池組使用性能。