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低温锂离子电池加热方法有哪些?

低温对锂电池的影响比较大,过低会导致锂离子电池性能下降,甚至失去工作的能力。为满足锂离子电池能在低温环境下工作,需要对电池做加热处理,目前有对低温电池加热方法如下:

锂离子电池

一、外部加热

外部加热法是目前应用最为广泛的一种加热方式,主要是通过外部的热源对电池进行加热,主要特点是结构比较简单,但是外部加热效率较低,因此消耗的电能较多,同时也容易在电池内部产生温度梯度,从而导致电池内部衰降速度的不一致,影响锂离子电池的使用寿命。

(1)液体预热

相比于空气,液体具有更高的热导率和热容,因此导热效率更高,但是相比之下液体预热系统的复杂程度更高。根据加热的时候电池是否与导热液体接触,液体加热可以分为两大类:1)非接触式加热;2)浸入式加热。一个典型的液体预热系统结构如下图所示,目前非接触式液体预热系统已经应用在电动汽车之上,例如Volt采用了360V的加热器为液体加热,然后传递到电池之中,特斯拉也太用了液体预热的方式为电池组加热。

(2)空气预热

以空气为介质的温控系统由于结构简单,成本较低,因此广泛的应用在电动汽车领域,其基本工作原理如下图所示,外界的空气首先通过加热系统升温后在风扇的作用下进入到电池组之中,从而为电池加热。一般来说,空气预热的方式可以实现0.5-3℃/min的升温速度。气流的速度和温度会对空气预热的效果产生影响,相关研究表明提升气流速度要比提升空气温度的效果更加明显。同时提升空气温度也可能会在电池内部产生更为显著的温度梯度,从而对电池寿命产生负面的影响。目前该种预热方式已经被应用的本田的Insight车型和丰田的普锐斯车型上,但是这种方法目前仍然存在很多的不足,例如噪音问题,效率问题等。

(3)相变材料预热

无论是空气预热,还是液体预热方式都需要在电池内增加较为复杂的结构,例如管道、泵和加热器等,会增加电池组的成本和设计难度。而相变材料为电池组的预热提供了一种更为简单的方法,这种方法主要是通过相变材料在相变过程中释放或吸取的热量实现为电池组加热和冷却的目的,但是相变材料的热导率通常比较低,不利于将热量快速传递到电池上,为了解决这一问题,人们提出了加入碳纳米管和金属框架等方法,但是目前这一方法还停留在实验室阶段,尚未得到实际应用。

(4)电热器预热

除了上述的预热方式外,大家还可以通过电热器为电池进行预热,电热器可以分为:1)Peltier效应加热器;2)电热片;3)电热套;4)电热膜。

Peltier效应加热器

这种加热器是通过半导体的Peltier效应在其两个表面分别形成热面和冷面,通过控制电流的方向可以控制冷热面的位置,从而实现为电池冷却或者加热的目的,而温度的高低则可以通过控制电流波幅的方式进行控制。通过这种方式可以实现0.6-1℃/min的升温速度,预热电池消耗的能量约占电池能量的2.5%。

电热片预热

在采用电热片的加热方式中,电热片通常会被放置于电池的顶端或低端,电热片产生的热量直接传递到电池上,通常来说电热片会采用正温度系数材料(PTC)来制作,随着温度的升高,电阻增加,从而实现自主控温的目的。

研究表明采用PTC电热片为电池加热能够显著提升电池在低温下的放电电压,提升电池的放电容容量,在-38℃下,电池仍然可以放出90%以上的容量。这种方法在早期的电动汽车上曾得到应用,例如三菱汽车的i-MiEV和日产的LEAF车型上都曾采用该技术,但是这一方法需要较长时间为电池预热,同时还会在电池内部产生温度梯度,不利于电池寿命的提升。

电热套

电热套最早由Chery Automobile企业的提出,该方法是采用热电阻制作一个保护套,套在电池的四周,通过电池组的BMS系统监控电池组的温度变化,从而控制为电池进行预热。该方法能够将电池组在10min中内预热到工作温度,并保持良好的温度均匀性。

电热膜

电热膜一般是由金属箔与绝缘材料复合后制成,使用时粘贴在电池的表面,这种加热方式的好处是加热膜比较薄(1-2mm),因此占用电池空间比较少。相比于采用正温度系数材料的电热片预热方式,该方法能够在较低的能量消耗的情况下,实现更高的升温速率。

二、内部加热

相比于外部加热,内部加热有更快的加热速度和更高的加热速率,因此内部加热方式对锂离子电池进行预热也得到了广泛的关注,但是内部加热的控制机理相对比较复杂,并且一些内加热的方法还存在一定的安全隐患。内部加热方式可以分为两大类:自加热和电流激发,下表为一些常见的内加热方法的对比。

1、自加热方法

从上表中可以看到自加热方法在升温速度上占有绝对的优势,这种方法是将一个Ni箔放入到电池内部,然后在电池外部引出极柱,通过外电路控制电池的加热。实验表明这种方法在将电池从-30℃加热到0℃时的升温速率可达60℃/min,而这一过程仅消耗5.5%的能量。

为了减少加热过程中电池内部的温度梯度,可以在电池内部加入多片Ni箔进行加热,研究表明在电池内部加入两片Ni箔能够将电池从-20℃到0℃的升温速率提升到96℃/min,能量消耗仅为2.9%,而单片Ni片在相同的条件下的加热速率仅能够达到60℃/min,且需要消耗4.1%的电能。由此可见多片Ni片的方式不但能够实现有效的降低电池内部的温度梯度,同时能够也能够有效的提升电池的加热速度。

2、外部电流激发方法

这种方法可以分为直流电预热法、交流电预热法和脉冲预热等几种方法。

3、直流电预热法

这种方法主要是直接为电池施加一个直流的放电电流,通过放电过程中电池产生的热量为电池加热。Qu等人研究表明在18650电池上采用这种方式进行预热,可以实现4.29℃/min的加热速度(8、9.5和11A放电)。但是为了满足快速升温的要求,这种方式需要采用大电流放电,此时电池的极化较大,因此会导致电池容量衰降速度的增加,研究表明在这样的预热方式下电池可能仅有81次左右的循环寿命。

4、交流电预热法

交流电加热方法是在电池两端施加一个交流电,利用锂离子电池的内部阻抗实现为电池加热,由于交流电的方向始终在快速变化,从而避免了直流电大电流放电加热过程造成的电池容量的衰降,同时相比于直流电加热方式,交流方式的加热速度更快,同时效率也更高。研究表明,通过提高交流电的电流,降低频率能够有效的提升交流电加热的效率。

5、脉冲电流预热法

脉冲电流预热法是通过不连续的大电流放电的方式,通过锂离子电池内部的欧姆阻抗产生的热量,实现对锂离子电池的预热。相比于空气预热的方式,脉冲放电预热的方式能够实现电池内部更为均匀的温度分布(温度梯度小于2℃),从而有效的减少因为电池内部温度梯度造成的容量衰降问题,但是采用这种方式为电池进行预热,需要在电池组内增加一个放电回路,从而导致电池成本的增加,因此目前这种预热方式还停留在实验室阶段,尚未有商业化的应用。

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