锂离子电池变频变幅交流低温自加热策略

　　摘要:低温下锂离子电池的可用容量和功率大幅下降，而且充电困难。对锂离子电池进行低温加热是改善其性能的有效途径。该文建立了电池的热-电耦合模型，设计了一种变频变幅交流自加热策略，在保证极化电压幅值不变的条件下，以加热功率最大为目标，根据电池在各个温度下得到的最佳加热频率实时调整交流激励的频率和幅值。

　　对比不同策略发现，采用变频变幅交流自加热策略，电池在700s内上升了47.67℃，相比恒频变幅加热策略，其温升速率最大可提高21.85%。所设计的变频变幅交流自加热策略具有良好的加热效果，有利于促进电动汽车在寒冷环境下的推广应用。

　　关键词：锂离子电池,低温自加热,热-电耦合模型,变频变幅

　　0引言

　　能源危机和环境保护的双重压力助推了电动汽车的快速发展[1]。锂离子电池因能量密度高、使用寿命长、节能环保等优点而成为电动汽车动力电池的首选[2]。但由于参数随条件的变化，锂离子电池在实际应用中仍然存在一些挑战。低温环境下锂离子电池的可用容量急剧下降[3]，会直接影响电动汽车的续航里程，而且电池充电变得更加困难，输出功率大幅下降，严重时难以达到正常工况要求[4]。

　　锂离子电池的使用寿命与众多因素相关[5]，低温下按常规策略充电容易出现析锂现象，这将严重影响电池的寿命。因此，对锂离子电池进行低温加热，改善低温充电性能和使用性能十分必要。目前对电池进行加热的方式主要分为两种：外部加热和内部加热。外部加热主要是通过热传导或热对流的途径实现，通过PTC材料或加热膜等[6-7]在外部对电池进行加热。

　　但该方式受热不均匀且加热效率较低。内部加热直接在电池内部产生热量，故其加热效率更高，受热更加均匀。JinXin等[8]分别在HPPC及恒流放电工况下实验，对比外部加热和内部加热，发现内部加热的温升速度明显高于外部加热。ZhangGuangsheng等[9]设计了一种自加热结构的锂离子电池(Self-HeatingLithium-ionBattery,SHLB)，采用2片镍箔的设计使温度分布更加均匀，温升更快，但短路引起的大电流是否对电池的寿命造成影响需要进一步讨论。

　　且该方法需要改变电池结构，实现较为困难，故应考虑通过电池自身阻抗产热以达到加热电池的目的。JiYan等[10]对各种加热方式进行比较，发现交流电加热电池温度均匀性好，能够保持荷电状态(StateofCharge,SOC)基本恒定;而直流放电自加热虽然成本低，但受制于起始SOC的大小，且过大的直流会对电池寿命造成一定影响[11]。

　　由此可知，相比于外部加热方式，交流加热实现起来较为容易，能够保持荷电状态基本恒定，且加热速度较快，加热均匀性好。T.A.Stuart等[12]提出在低温环境下对电池施加交流电进行内部自加热的策略，且探讨了交流信号的参数对加热效果的影响，但仅讨论了60Hz和10~20kHz两个频率段的结果，对于两个频率段之间的频率未做分析。

　　ZhangJianbo等[13]更加详细地指出交流信号的频率与加热效果有关，同一电流幅值下，频率越低，加热时间越短，但并未指出如何选择交流激励的幅值与频率使得加热速度最大化，且没有考虑寿命衰退问题;同时发现在使用交流加热后，电池SOC没有明显变化。

　　在恒定电流幅值的交流加热下，交流电流的频率过低，半波周期过程接近于直流充放电过程，无法体现交流加热的优势。另外，由于极化电压与电池的电化学反应存在一定的关系[14]，在一定的极化电压下充电不会明显影响电池寿命[15]，故为了避免电池产生不良的反应，有必要控制电池的极化电压。RuanHaijun等[16]提出并证明了锂离子电池在恒极化电压条件下存在最佳加热频率，进行了恒定频率与变化幅值(ConstantFrequencyandVariable-Amplitude,CFVA)下的电池交流自加热实验，但没有随着电池温度的升高而改变频率以使每个温度点下的产热率最大。

　　对此，在恒定极化电压交流加热的情况下，为在交流加热过程中能保持最大的产热率，交流信号的频率需实时调整。目前已有文献仅涉及交流电流恒频恒幅或恒频变幅的加热实验，没有研究交流电流变频的加热策略，而频率在锂离子电池的自加热过程中起到关键性的作用。故本文设计了一种变频变幅(VariableFrequencyandVariable-Amplitude,VFVA)锂离子电池低温自加热策略，通过软件仿真和实验测试的对比，验证了该策略的可行性与有效性。

　　1实验设计

　　由高低温实验箱、测试电池、电化学工作站(Bio-logic公司VMP300)、温度采集仪和上位机(Labview软件)组成。将测试电池置于高低温实验箱中使电池达到所需温度，电池信息通过温度采集仪及电化学工作站反馈至上位机，并根据上位机的指令实时改变电化学工作站的输出信号。电化学工作站的电化学阻抗谱EIS(electrochemicalimpedancespectroscopy)频率测量范围为10μHz~3MHz(1%精度)。

　　单通道最大电流为±500mA，电流范围为1μA~1A，共7个挡位，精度为当前电流挡满量程的±0.1%。通过增流器可使单通道的电流范围提高至10A，两个以上通道并联能够增大设备的输出电流。温度采集仪为日置公司的数据采集仪LR8410-30，使用热电偶可采集的温度范围为(−200~2000)℃，最高分辨率为0.01℃，实验采用K型热电偶进行温度采集，采集精度为±0.5℃。高低温实验箱的温度可调范围为(−40~130)℃。

　　室温下使用Arbin设备多次测量电池容量并取平均值，测得电池实际放电容量为2708mA·h，并将电池放电至50%SOC状态，以避免电池SOC对加热实验造成影响。进行电池低温加热实验前，将其置于−28℃的高低温实验箱5h以上，以保证其内部温度与箱内温度一致。通过温度采集仪将电池温度信息实时传送至上位机，电池温度变化时，上位机发送指令，改变电化学工作站的输出，从而实现低温加热的闭环控制。

　　2变频变幅交流加热策略

　　2.1热-电耦合模型

　　目前常用的电学模型主要有Rint模型、DP模型和Thevenin模型等[17]。本文基于Thevenin模型建立电-热耦合模型。

　　2.1变幅过程

　　研究表明，恒定电池极化电压幅值可降低自加热对电池寿命的影响[15]，因此需保证电池端电压交流分量的幅值为恒定值。自加热过程中电池内部阻抗随加热时间变化的曲线，电池内部阻抗随温度上升而下降。为保证电池极化电压幅值恒定，需根据电池内阻实时调整所施加的电流幅值，此过程称为变幅过程。

　　2.2加热策略的在线实现

　　使用Bio-logic电化学工作站的GEIS(Galvanoelectrochemicalimpedancespectroscopy)功能输出恒定幅值和频率的正弦电流信号，每隔一定的温度变化测量电池的EIS，计算并得到补偿的电流幅值和最佳加热频率，将该幅值与频率作为下次GEIS输出的参数。由此得到变频变幅的交流自加热策略。

　　3结果与讨论

　　3.1变频变幅自加热策略实验验证

　　低温下电池寿命衰退的主要原因是电池析锂[19]，故在选择交流电参数时，不仅要考虑其对电池产热功率的影响，还需考虑其是否造成电池析锂。在变频变幅交流加热后期，最佳加热频率下电池内阻较小，若保证恒定的极化电压，则电流幅值较大。

　　但影响析锂的主要因素是法拉第电流的幅值，由于电池的大电流幅值是瞬时的，且大部分电流都是通过非法拉第路径(电双层)，故法拉第电流非常小，析锂的可能性很低。另外，在高频交流电下，电化学极化及浓差极化将得到抑制[20]，电池的电压变化主要是由欧姆压降引起的，这不会造成电池析锂，故恒定极化电压的交流加热不会产生电池析锂[16]。

　　参考电池的工作电压范围，为避免极化电压对电池产生不良影响，且有较快的温升速度，选定极化电压的幅值为0.45V。加热策略设计为每隔1℃改变一次电流幅值和频率。加热过程前期的极化电压幅值变化较大，但不超过10mV，后期幅值变化小于2mV，可认为极化电压幅值恒定。

　　电池在700s内上升47.67℃，且由电池模型仿真得到的温升曲线与实际曲线重合度较高，两者温差不超过2℃，模型的准确性较高。比较两条曲线可看出，由电池模型得到的最佳加热频率与实测的最佳加热频率十分接近，说明该模型具有较高的精度。

　　3.2讨论

　　为比较VFVA加热策略的加热效果，在各实验条件下进行VFVA及不同加热频率的CFVA电池自加热实验。其中，3500Hz和1700Hz分别为电池在−20℃和10℃下的最佳加热频率。各仿真模型的温升与实验温升的绝对误差不超过2.5℃，相对误差不超过6.2%。说明该模型用于模拟电池温升的效果较好。

　　电池产热率决定电池的温升速率，同时，电池温升速率的不同导致在CFVA自加热策略下最佳加热频率作用时间存在差异，故电池产热率的差值与最佳加热频率作用时间的长短共同决定加热策略之间的加热效果差异。对流传热系数较小时，产热率占主导位置;对流传热系数较大时，最佳加热频率占主导位置。需综合考虑两者之间的关系才能判断VFVA自加热策略的优势。

　　4结论

　　本文以快速加热电池、同时不对电池产生不良影响为原则，在保证极化电压幅值恒定的条件下，基于热-电耦合模型设计了一种电流频率和幅值时变的低温交流自加热策略。通过Labview软件在线实测，进行了多项实验验证。通过所建立的电池热-电耦合模型及其仿真结果证明了最佳加热频率的存在。

　　仿真与实验得到的最佳加热频率结果基本一致，电池温升曲线误差较小，均在9%以内。通过变频变幅与1700Hz和3500Hz恒频变幅交流自加热策略的对比实验可看出，变频变幅自加热策略加热效果最优，3500Hz的恒频变幅自加热策略优于1700Hz的恒频变幅自加热策略。

　　其中，变频变幅及1700Hz、3500Hz恒频变幅交流自加热策略在700s内的电池温升分别为47.67℃、40.83℃和44.01℃，能够满足电池在低温下的加热需求。不同条件下变频变幅交流自加热策略与恒频变幅交流自加热策略在700s内电池温升差异最大为6.84℃，温升速率差异最大值为21.85%，说明变频变幅交流自加热策略具有较明显的优势。

　　参考文献

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