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低溫鋰離子電池加熱方法有哪些?

低溫對鋰電池的影響比較大,過低會導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境下工作,需要對電池做加熱處理,目前有對低溫電池加熱方法如下:

鋰離子電池

一、外部加熱

外部加熱法是目前應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產生溫度梯度,從而導致電池內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。根據加熱的時候電池是否與導熱液體接觸,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應用在電動汽車之上,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熱的方式為電池組加熱。

(2)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,因此廣泛的應用在電動汽車領域,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升溫后在風扇的作用下進入到電池組之中,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產生影響,相關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。同時提升空氣溫度也可能會在電池內部產生更為顯著的溫度梯度,從而對電池壽命產生負面的影響。目前該種預熱方式已經被應用的本田的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,會增加電池組的成本和設計難度。而相變材料為電池組的預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現為電池組加熱和冷卻的目的,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驗室階段,尚未得到實際應用。

(4)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。

Peltier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%。

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,電熱片產生的熱量直接傳遞到電池上,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汽車上曾得到應用,例如三菱汽車的i-MiEV和日產的LEAF車型上都曾采用該技術,但是這一方法需要較長時間為電池預熱,同時還會在電池內部產生溫度梯度,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保護套,套在電池的四周,通過電池組的BMS系統監控電池組的溫度變化,從而控制為電池進行預熱。該方法能夠將電池組在10min中內預熱到工作溫度,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?。?-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,該方法能夠在較低的能量消耗的情況下,實現更高的升溫速率。

二、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離子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,并且一些內加熱的方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方法的對比。

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的優勢,這種方法是將一個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。實驗表明這種方法在將電池從-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,研究表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、外部電流激發方法

這種方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方法。

3、直流電預熱法

這種方法主要是直接為電池施加一個直流的放電電流,通過放電過程中電池產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,研究表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。

4、交流電預熱法

交流電加熱方法是在電池兩端施加一個交流電,利用鋰離子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,通過鋰離子電池內部的歐姆阻抗產生的熱量,實現對鋰離子電池的預熱。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均勻的溫度分布(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,需要在電池組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實驗室階段,尚未有商業化的應用。

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