鋰電池低溫加熱技術全面解讀

溫度對于鋰電池有著緊要的影響，過低的溫度不僅會導致鋰電池性能下降，無法正常工作，低溫下充電還會導致負極析鋰現象的發生，引起電池容量快速衰降，極端情況下甚至會引起正負極短路。因此為了讓鋰電池在較低的溫度下正常工作，需要為鋰電池配備加熱裝置，以提升鋰電池的溫度。

近日，北京理工大學的ShujieWu（第一作者）和HailongLi（通訊作者）等人對目前的鋰電池預熱方式進行了總結和展望，對比了不同種類的加熱方式的優缺點。

從結構上講，目前的鋰電池的預熱系統主要可以分為兩類：1）外部加熱；2）內部加熱，其中外部加熱又可以分為兩種類型：一種是與冷卻系統結合在一起；一種是筆直采用電熱器進行加熱。內部加熱也同樣可以分為兩類：1）自加熱；2）電激發加熱。

1.外部加熱

外部加熱法是目前使用最為廣泛的一種加熱方式，主要是通過外部的熱源對電池進行加熱，主要特點是結構比較簡單，但是外部加熱效率較低，因此消耗的電能較多，同時也容易在電池內部萌生溫度梯度，從而導致電池內部衰降速度的不一致，影響鋰電池的使用壽命。

1.1加熱冷卻一體化設計

鋰電池的溫控系統不僅可以用來為鋰電池降溫，也可以實現為鋰電池加熱，依據溫控系統的工作介質不同又可以分為空氣、液體和相變材料三大類。

1.1.1空氣預熱

以空氣為介質的溫控系統由于結構簡單，成本較低，因此廣泛的使用在電動車范疇，其基本工作原理如下圖所示，外界的空氣首先通過加熱系統升溫后在風扇的作用下進入到電池包之中，從而為電池加熱。一般來說，空氣預熱的方式可以實現0.5-3℃/min的升溫速度。氣流的速度和溫度會對空氣預熱的效果萌生影響，相關研究聲明提升氣流速度要比提升空氣溫度的效果更加分明。同時提升空氣溫度也可能會在電池內部萌生更為顯著的溫度梯度，從而對電池壽命萌生負面的影響。目前該種預熱方式已經被使用的本田的Insight車型和豐田的普銳斯車型上，但是這種辦法目前依然存在很多的不足，例如噪音問題，效率問題等。

1.1.2液體預熱

相比于空氣，液體具有更高的熱導率和熱容，因此導熱效率更高，但是相比之下液體預熱系統的復雜程度更高。依據加熱的時候電池是不是與導熱液體接觸，液體加熱可以分為兩大類：1）非接觸式加熱；2）浸入式加熱。一個典型的液體預熱系統結構如下圖所示，目前非接觸式液體預熱系統已經使用在電動車之上，例如Volt采用了360V的加熱器為液體加熱，然后傳遞到電池之中，特斯拉也太用了液體預熱的方式為電池包加熱。

1.1.3相變材料預熱

無論是空氣預熱，還是液體預熱方式都需要在電池內增加較為復雜的結構，例如管道、泵和加熱器等，會增加電池包的成本和設計難度。而相變材料為電池包的預熱提供了一種更為簡單的辦法，這種辦法主要是通過相變材料在相變過程中釋放或吸收的熱量實現為電池包加熱和冷卻的目的，但是相變材料的熱導率通常比較低，不利于將熱量快速傳遞到電池上，為知道決這一問題，人們提出了加入碳納米管和金屬框架等辦法，但是目前這一辦法還停留在試驗室階段，尚未得到實際使用。

1.2電熱器預熱

除了上述的預熱方式外，我們還可以通過電熱器為電池進行預熱，電熱器可以分為：1）Peltier效應加熱器；2）電熱片；3）電熱套；4）電熱膜。

1.2.1Peltier效應加熱器

這種加熱器是通過半導體的Peltier效應在其兩個表面分別形成熱面和冷面，通過控制電流的方向可以控制冷熱面的位置，從而實現為電池冷卻或者加熱的目的，而溫度的高低則可以通過控制電流波幅的方式進行控制。通過這種方式可以實現0.6-1℃/min的升溫速度，預熱電池消耗的能量約占電池能量的2.5%。

1.2.2電熱片預熱

在采用電熱片的加熱方式中，電熱片通常會被放置于電池的頂端或低端，電熱片萌生的熱量筆直傳遞到電池上，通常來說電熱片會采用正溫度系數材料（PTC）來制作，隨著溫度的升高，電阻增加，從而實現自主控溫的目的。

研究聲明采用PTC電熱片為電池加熱能夠顯著提升電池在低溫下的放電電壓，提升電池的放電容容量，在-38℃下，電池依然可以放出90%以上的容量。這種辦法在早期的電動車上曾得到使用，例如三菱汽車的i-MiEV和日產的LEAF車型上都曾采用該技術，但是這一辦法需要較長時間為電池預熱，同時還會在電池內部萌生溫度梯度，不利于電池壽命的提升。

1.2.3電熱套

電熱套最早由CheryAutomobile公司的提出，該辦法是采用熱電阻制作一個保護套，套在電池的四周，通過電池包的BMS系統監控電池包的溫度變化，從而控制為電池進行預熱。該辦法能夠將電池包在10min中內預熱到工作溫度，并保持良好的溫度平均性。

1.2.4電熱膜

電熱膜一般是由金屬箔與絕緣材料復合后制成，使用時粘貼在電池的表面，這種加熱方式的好處是加熱膜比較薄（1-2mm），因此占用電池空間比較少。相比于采用正溫度系數材料的電熱片預熱方式，該辦法能夠在較低的能量消耗的情況下，實現更高的升溫速率。

2.內部加熱

相比于外部加熱，內部加熱有更快的加熱速度和更高的加熱速率，因此內部加熱方式對鋰電池進行預熱也得到了廣泛的關注，但是內部加熱的控制機理相對比較復雜，并且一些內加熱的辦法還存在一定的安全隱患。內部加熱方式可以分為兩大類：自加熱和電流激發，下表為一些常見的內加熱辦法的對比。

2.1自加熱辦法

從上表中可以看到自加熱辦法在升溫速度上占有絕對的優點，這種辦法是將一個Ni箔放入到電池內部，然后在電池外部引出極柱，通過外電路控制電池的加熱。試驗聲明這種辦法在將電池從-30℃加熱到0℃時的升溫速率可達60℃/min，而這一過程僅消耗5.5%的能量。

為了減少加熱過程中電池內部的溫度梯度，可以在電池內部加入多片Ni箔進行加熱，研究聲明在電池內部加入兩片Ni箔能夠將電池從-20℃到0℃的升溫速率提升到96℃/min，能量消耗僅為2.9%，而單片Ni片在相同的條件下的加熱速率僅能夠達到60℃/min，且需要消耗4.1%的電能。由此可見多片Ni片的方式不但能夠實現有效的降低電池內部的溫度梯度，同時能夠也能夠有效的提升電池的加熱速度。

2.2外部電流激發辦法

這種辦法可以分為直流電預熱法、交流電預熱法和脈沖預熱等幾種辦法。

2.2.1直流電預熱法

這種辦法主要是筆直為電池施加一個直流的放電電流，通過放電過程中電池萌生的熱量為電池加熱。Qu等人研究聲明在18650電池上采用這種方式進行預熱，可以實現4.29℃/min的加熱速度（8、9.5和11A放電）。但是為了滿足快速升溫的要求，這種方式需要采用大電流放電，此時電池的極化較大，因此會導致電池容量衰降速度的增加，研究聲明在這樣的預熱方式下電池可能僅有81次左右的循環壽命。

2.2.2交流電預熱法

交流電加熱辦法是在電池兩端施加一個交流電，利用鋰電池的內部阻抗實現為電池加熱，由于交流電的方向始終在快速變化，從而避免了直流電大電流放電加熱過程造成的電池容量的衰降，同時相比于直流電加熱方式，交流方式的加熱速度更快，同時效率也更高。研究聲明，通過提高交流電的電流，降低頻率能夠有效的提升交流電加熱的效率。

2.2.2脈沖電流預熱法

脈沖電流預熱法是通過不連續的大電流放電的方式，通過鋰電池內部的歐姆阻抗萌生的熱量，實現對鋰電池的預熱。相比于空氣預熱的方式，脈沖放電預熱的方式能夠實現電池內部更為平均的溫度分布（溫度梯度小于2℃），從而有效的減少因為電池內部溫度梯度造成的容量衰降問題，但是采用這種方式為電池進行預熱，需要在電池包內增加一個放電回路，從而導致電池成本的增加，因此目前這種預熱方式還停留在試驗室階段，尚未有商業化的使用。

空氣預熱和液體預熱辦法由于結構比較簡單，目前已經使用于電動車之中，其中空氣預熱方式由于較低的熱導率和較高的空間需求，因此只是使用在了一些早期的低能量密度的電動車上，而液體預熱方式因為較高的效率在電動車上的使用得到了越來越廣泛的使用。近期發展起來的內部加熱方式，憑借著超高的加熱效率得到了廣泛的關注，但是目前還尚未在電動車上使用。

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