低溫鋰離子電池加熱方法有哪些？

低溫對(duì)鋰電池的影響比較大，過低會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池性能下降，甚至失去工作的能力。為滿足鋰離子電池能在低溫環(huán)境下工作，需要對(duì)電池做加熱處理，目前有對(duì)低溫電池加熱方法如下：

一、外部加熱

外部加熱法是目前應(yīng)用最為廣泛的一種加熱方式，主要是通過外部的熱源對(duì)電池進(jìn)行加熱，主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)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(shí)也容易在電池內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部衰降速度的不一致，影響鋰離子電池的使用壽命。

（1）液體預(yù)熱

相比于空氣，液體具有更高的熱導(dǎo)率和熱容，因此導(dǎo)熱效率更高，但是相比之下液體預(yù)熱系統(tǒng)的復(fù)雜程度更高。根據(jù)加熱的時(shí)候電池是否與導(dǎo)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(gè)典型的液體預(yù)熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示，目前非接觸式液體預(yù)熱系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在電動(dòng)汽車之上，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(yù)熱的方式為電池組加熱。

（2）空氣預(yù)熱

以空氣為介質(zhì)的溫控系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，因此廣泛的應(yīng)用在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，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(tǒng)升溫后在風(fēng)扇的作用下進(jìn)入到電池組之中，從而為電池加熱。一般來說，空氣預(yù)熱的方式可以實(shí)現(xiàn)0.5-3℃/min的升溫速度。氣流的速度和溫度會(huì)對(duì)空氣預(yù)熱的效果產(chǎn)生影響，相關(guān)研究表明提升氣流速度要比提升空氣溫度的效果更加明顯。同時(shí)提升空氣溫度也可能會(huì)在電池內(nèi)部產(chǎn)生更為顯著的溫度梯度，從而對(duì)電池壽命產(chǎn)生負(fù)面的影響。目前該種預(yù)熱方式已經(jīng)被應(yīng)用的本田的Insight車型和豐田的普銳斯車型上，但是這種方法目前仍然存在很多的不足，例如噪音問題，效率問題等。

（3）相變材料預(yù)熱

無論是空氣預(yù)熱，還是液體預(yù)熱方式都需要在電池內(nèi)增加較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如管道、泵和加熱器等，會(huì)增加電池組的成本和設(shè)計(jì)難度。而相變材料為電池組的預(yù)熱提供了一種更為簡單的方法，這種方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(shí)現(xiàn)為電池組加熱和冷卻的目的，但是相變材料的熱導(dǎo)率通常比較低，不利于將熱量快速傳遞到電池上，為了解決這一問題，人們提出了加入碳納米管和金屬框架等方法，但是目前這一方法還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，尚未得到實(shí)際應(yīng)用。

（4）電熱器預(yù)熱

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

Peltier效應(yīng)加熱器

這種加熱器是通過半導(dǎo)體的Peltier效應(yīng)在其兩個(gè)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(shí)現(xiàn)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(jìn)行控制。通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)0.6-1℃/min的升溫速度，預(yù)熱電池消耗的能量約占電池能量的2.5%。

電熱片預(yù)熱

在采用電熱片的加熱方式中，電熱片通常會(huì)被放置于電池的頂端或低端，電熱片產(chǎn)生的熱量直接傳遞到電池上，通常來說電熱片會(huì)采用正溫度系數(shù)材料（PTC）來制作，隨著溫度的升高，電阻增加，從而實(shí)現(xiàn)自主控溫的目的。

研究表明采用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，電池仍然可以放出90%以上的容量。這種方法在早期的電動(dòng)汽車上曾得到應(yīng)用，例如三菱汽車的i-MiEV和日產(chǎn)的LEAF車型上都曾采用該技術(shù)，但是這一方法需要較長時(shí)間為電池預(yù)熱，同時(shí)還會(huì)在電池內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，不利于電池壽命的提升。

電熱套

電熱套最早由Chery Automobile公司的提出，該方法是采用熱電阻制作一個(gè)保護(hù)套，套在電池的四周，通過電池組的BMS系統(tǒng)監(jiān)控電池組的溫度變化，從而控制為電池進(jìn)行預(yù)熱。該方法能夠?qū)㈦姵亟M在10min中內(nèi)預(yù)熱到工作溫度，并保持良好的溫度均勻性。

電熱膜

電熱膜一般是由金屬箔與絕緣材料復(fù)合后制成，使用時(shí)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(shù)材料的電熱片預(yù)熱方式，該方法能夠在較低的能量消耗的情況下，實(shí)現(xiàn)更高的升溫速率。

二、內(nèi)部加熱

相比于外部加熱，內(nèi)部加熱有更快的加熱速度和更高的加熱速率，因此內(nèi)部加熱方式對(duì)鋰離子電池進(jìn)行預(yù)熱也得到了廣泛的關(guān)注，但是內(nèi)部加熱的控制機(jī)理相對(duì)比較復(fù)雜，并且一些內(nèi)加熱的方法還存在一定的安全隱患。內(nèi)部加熱方式可以分為兩大類：自加熱和電流激發(fā)，下表為一些常見的內(nèi)加熱方法的對(duì)比。

1、自加熱方法

從上表中可以看到自加熱方法在升溫速度上占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，這種方法是將一個(gè)Ni箔放入到電池內(nèi)部，然后在電池外部引出極柱，通過外電路控制電池的加熱。實(shí)驗(yàn)表明這種方法在將電池從-30℃加熱到0℃時(shí)的升溫速率可達(dá)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(nèi)部的溫度梯度，可以在電池內(nèi)部加入多片Ni箔進(jìn)行加熱，研究表明在電池內(nèi)部加入兩片Ni箔能夠?qū)㈦姵貜?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(dá)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?qū)崿F(xiàn)有效的降低電池內(nèi)部的溫度梯度，同時(shí)能夠也能夠有效的提升電池的加熱速度。

2、外部電流激發(fā)方法

這種方法可以分為直流電預(yù)熱法、交流電預(yù)熱法和脈沖預(yù)熱等幾種方法。

3、直流電預(yù)熱法

這種方法主要是直接為電池施加一個(gè)直流的放電電流，通過放電過程中電池產(chǎn)生的熱量為電池加熱。Qu等人研究表明在18650電池上采用這種方式進(jìn)行預(yù)熱，可以實(shí)現(xiàn)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(shí)電池的極化較大，因此會(huì)導(dǎo)致電池容量衰降速度的增加，研究表明在這樣的預(yù)熱方式下電池可能僅有81次左右的循環(huán)壽命。

4、交流電預(yù)熱法

交流電加熱方法是在電池兩端施加一個(gè)交流電，利用鋰離子電池的內(nèi)部阻抗實(shí)現(xiàn)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(shí)相比于直流電加熱方式，交流方式的加熱速度更快，同時(shí)效率也更高。研究表明，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。

5、脈沖電流預(yù)熱法

脈沖電流預(yù)熱法是通過不連續(xù)的大電流放電的方式，通過鋰離子電池內(nèi)部的歐姆阻抗產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池的預(yù)熱。相比于空氣預(yù)熱的方式，脈沖放電預(yù)熱的方式能夠?qū)崿F(xiàn)電池內(nèi)部更為均勻的溫度分布（溫度梯度小于2℃），從而有效的減少因?yàn)殡姵貎?nèi)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(jìn)行預(yù)熱，需要在電池組內(nèi)增加一個(gè)放電回路，從而導(dǎo)致電池成本的增加，因此目前這種預(yù)熱方式還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，尚未有商業(yè)化的應(yīng)用。