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锂电池低温加热技术:外部加热和内部加热

钜大LARGE  |  点击量:1468次  |  2023年09月06日  

锂电池由于其比能量大、循环寿命长及重量轻等特点,正在被越来越多地应用在电动汽车领域。但锂离子电池低温性能并不理想,如磷酸铁锂电池在-20℃低温充电条件下,实际容量仅为25℃时同等充电条件下容量的70%。即使是低温效应较好的锰酸锂电池,在-20℃低温下充电容量也仅为常温下的80%左右。低温环境降低了锂电池的有效使用电量,限制了锂离子动力电池在北方寒冷地区的推广应用。


对锂电池进行预加热,是解决锂电池低温特性问题的有效方法之一。利用锂电池自己的电量为加热设备提供电源是常用的电池加热方法,但这种方法会在加热过程中消耗掉相当一部分电池能量,在一定程度上降低了锂电池放电的有效容量。


低温环境下对锂电池充电或使用前,必须对电池进行预加热。锂电池管理系统(BMS)对锂电电池加热的方式大体可分外部加热与内部加热两大类。外部加热方式有空气加热、液体加热、相变材料加热,以及热阻加热器或者热泵加热。这些加热方式一般位于电池包中,或者设置在热循环介质的容器中。内部加热法加热电池,则是通过交流电流激励电池内部电化学物质,使电池本身产生热量。


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锂电池低温加热:外部加热


关于用空气加热的方式,有研究人员利用电池与一套大气模拟系统进行了实验,实验结果表明,相对于裸露在低温环境中的电池,周围空气被加热的电池能够放出更多的容量。


比起空气加热,液体加热具有更好的导热率与更高的热转化效率。但是液体加热需要更复杂的加热系统。液体加热在电动汽车与混合动力汽车中的应用已经有不少实际案例。比如:在雪佛兰 Volt 汽车中,环绕电池组热交换液,由360V的加热器加热。


相变材料加热电池也已经被使用。当电池温度降到相变材料的相变温度点之后,相变材料储存的热量会被释放出来,保持环境温度恒定,也就是向电池组传递热量。相变材料的主要优势在于其可以用在温度变化较迅速的环境中。


锂电池低温加热:内部加热


交流激励加热,相比于外部加热来说,另外一种常用的加热方法,结构设计上会比较简单,就是通过交变的电流加热电池。它不需要进行传热结构的设计,只是在电池正负极加载一定频率的交流激励,激励作用在电池内部电化学物质上,相当于循环往复小幅值充放电的效果。


与直流加热电流相比,交流电流或正负方波电流在放电和充电周期内都可以加热电池,使得电池温度上升,而电池荷电状态(SOC)基本上是不变的。由于这些特性,交流内部预热方法成为一个研究较多的领域。2004 年,国外一个研究者率先提出使用交变的电流直接对锂离子电池加热,仅仅利用电池内部的电阻效应产热。他们对不同的SOC 状态下和不同温度下(-20℃~40℃)的不同的电池做了一些测试。测试结果表明,在一定倍率的电流下,所有电池都会快速产热。


美国一个团队对加热频率对加热效果的影响进行了研究,他们在 0.01Hz 到2KHz不同频率下做了仿真,并将结果与外部加热方式做了比较,认为内部加热具有明显的优势。


相比外部加热方法,内部加热避免了长路径的热传导和靠近加热装置的地方局部热点的形成。因此,内部加热可以以更高的效率,更均匀地加热电池以达到更好的加热效果且更容易实现。不同的加热方式总结如下表:


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目前对内部交流预热方案研究大多集中在加热速度与效率上,加热策略对预防锂沉积等副反应的发生还很少有明确的考虑。实现预热过程中预防锂沉积的产生,需要BMS 能实时估计并控制锂沉积产生的条件。需要基于模型的控制电池低温下加热技术,才能实现上述功能。随着新能源汽车的发展,动力锂电池的使用量也与日俱增,锂电池低温下使用急需解决电池预热问题,这是一个距离实际应用非常近的领域。


另外,交流加热,调动电化学物质产生运动,对于电池使用寿命的影响,暂时还没有看到获得怎样的结论,也是值得持续关注的问题。


锂电池充电预加热装置:电池箱、电源管理系统和充电器


锂电池或锂电池模组位于电池箱内,其特征是:在所述电池箱内设置电阻加热丝和温度探测器;所述电源管理系统包括:加热电路开关、充放电保护开关、温度测量电路、加热系统控制电路、电源管理系统微处理器、充放电开关控制电路和电源管理系统通信端口,温度测量电路的输入端连接温度探测器,温度测量电路的输出端连接电源管理系统微处理器,电源管理系统微处理器的一个输出端通过加热系统控制电路连接到加热电路开关的控制端,电源管理系统微处理器的另一输出端通过充放电开关控制电路连接到充放电保护开关的控制端。


所述加热电路开关连接在电阻加热丝—端和充电器的负输出端之间,所述充放电保护开关连接在锂电池或锂电池模组负极和充电器的负输出端之间,电阻加热另一端以及锂电池或锂电池模组正极连接到充电器的正输出端;


所述电源管理系统通信端口与电源管理系统微处理器相连,并对外连接充电器通信端口;所述充电器包括:调压及开关电路、恒流源、转换及检测电路、充电器通信端口和充电器微处理器,所述调压及开关电路的输入端连接市电,调压及开关电路的输出端一方面直接连接到转换及检测电路,另一方面通过恒流源连接转换及检测电路,由转换及检测电路输出连接到充电器的正、负输出端,并连接充电器微处理器的输入端,充电器微处理器的输出端连接调压及开关电路的输入端,充电器微处理器与充电器通信端口相连。


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