隨著電動(dòng)汽車的推廣和普及 鋰離子電池的低溫下的熱管理問題丞待解決

隨著電動(dòng)汽車的推廣和普及，越來越多的動(dòng)力電池應(yīng)用在電動(dòng)汽車上，動(dòng)力鋰離子電池面臨的一個(gè)很大的問題是冬季續(xù)航里程急劇減少，這主要與鋰離子電池的特性有關(guān)。鋰離子電池在低溫下動(dòng)力學(xué)條件變差，因此容量、倍率性能，特別是充電性能都有很大的下降，這一點(diǎn)在寒冷的北方冬季就變的尤為嚴(yán)重，因此為了保證電動(dòng)汽車在冬季的使用性能，電池組一般都會(huì)增加加熱系統(tǒng)，但是目前的加熱系統(tǒng)的效率比較低（通常需要耗時(shí)數(shù)十分鐘加熱電池），嚴(yán)重影響電動(dòng)汽車的使用的便利性。因此鋰離子電池的低溫下的熱管理問題是我們?cè)陔姵卦O(shè)計(jì)、電池組設(shè)計(jì)過程中都需要著重考慮的問題。

近日美國賓夕法尼亞大學(xué)的Guangsheng Zhang等提出了一種基于鋰離子電池內(nèi)部加熱的電池組熱管理策略，能夠在短時(shí)間內(nèi)將鋰離子電池恢復(fù)到常溫性能，例如在-40℃下僅僅需要112s就可以使得鋰離子電池的性能完全恢復(fù)，該技術(shù)也使得電動(dòng)汽車的續(xù)航里程顯著增加，例如在-40℃下能夠使電動(dòng)汽車的續(xù)航里程提高49%。

該技術(shù)的核心是自加熱電池，該電池設(shè)計(jì)如上圖所示，需要在電池內(nèi)部置入兩片Ni片，每片Ni片的阻抗為78mW，分別放置在電池的1/4和3/4厚度處，兩片Ni片之間以并聯(lián)形式連接在一起，并通過一個(gè)開關(guān)與正負(fù)極連接在一起，用于控制鋰離子電池的是否加熱。Guangsheng Zhang在上述自加熱電池的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了控制方案，能夠根據(jù)電動(dòng)汽車的負(fù)載情況控制加熱開關(guān)的開啟和關(guān)閉。

我們知道在電動(dòng)汽車的使用過程中，除了正常行駛外，還會(huì)發(fā)生剎車等情況，電動(dòng)汽車在剎車等過程中一般都會(huì)進(jìn)行能量回收，在鋰離子電池溫度足夠的時(shí)候，這部分能量會(huì)直接存儲(chǔ)在鋰離子電池中，但是當(dāng)鋰離子電池溫度過低時(shí)，為了防止鋰離子電池在低溫下充電造成負(fù)極表面析鋰，這部分能量通常被浪費(fèi)掉。Guangsheng Zhang利用自加熱電池快速自加熱的特性，設(shè)計(jì)了低溫下的制動(dòng)能量回收管理程序，在電池溫度較低時(shí)，回收能量會(huì)首先用于加熱電池，當(dāng)電池溫度加熱到合適溫度后，然后會(huì)將回收的能量存儲(chǔ)到電池。

下圖為模擬駕駛情況下，鋰離子電池在操作過程中電流和功率等參數(shù)的變化，從圖d可以注意到在外部放電電流存在時(shí)，電池電流與其相同，只有在電池充電和電池處于擱置狀態(tài)時(shí)管理器才會(huì)利用內(nèi)部電流對(duì)鋰離子電池進(jìn)行加熱，功率曲線也顯示了相同的特點(diǎn)，這表明該管理策略并不會(huì)對(duì)影響電動(dòng)汽車的使用。同時(shí)該策略也使得剎車回收的能量得到了充分的應(yīng)用，首先是用在了電池的加熱上，然后是對(duì)電池進(jìn)行充電。圖c為電池的溫度和內(nèi)阻圖，從圖上可以注意到由于內(nèi)加熱電池快速加熱的特點(diǎn)，電池溫度從-40℃升高到10℃，僅用了112s，與此同時(shí)電池的內(nèi)阻也快速從125mW下降到10 mW，這對(duì)于在低溫下快速恢復(fù)鋰離子電池的性能密切相關(guān)。得益于如此快速的加熱速度，鋰離子電池從0，-10，-20和-30℃恢復(fù)到10℃僅僅需要13s，33s，46s和56s，這對(duì)于在冬季使用電動(dòng)汽車具有重要的意義。

下圖為使用自加熱電池和使用普通電池的對(duì)照組在-40℃下使用過程中的電流、功率、電池溫度和電池電壓等數(shù)據(jù)曲線，其中左邊為采用自加熱電池的實(shí)驗(yàn)組，右邊為空白對(duì)照組。從電池溫度上看（圖c實(shí)驗(yàn)組，圖g對(duì)照組），自加熱電池的溫度升高速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組緊緊用了112s就恢復(fù)到了20℃，并且實(shí)現(xiàn)了全部的剎車能量的回收，而對(duì)照組電池用了3000s，溫度才恢復(fù)到了0℃，從而導(dǎo)致無法回收剎車能量。

下圖為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組電池在使用的過程中各個(gè)部分消耗的能量的占比，可以看到相比于對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組能夠用于駕駛（紅色）的能量大大增多，這其中很重要的一部分原因是由于實(shí)驗(yàn)組電池的溫度升高很快，因此回收的剎車能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于對(duì)照組，因此明顯提高汽車的駕駛里程。

下圖為下圖為自加熱實(shí)驗(yàn)組電池在不同的溫度下能夠用于駕駛的能量變化曲線，從圖上可以看到，在-30，-20，-10和0℃下，電池能夠用于駕駛的能量分別為常溫下的78%，80%，85%和90%。同時(shí)自加熱電池設(shè)計(jì)和管理策略對(duì)于未來的高比能電池仍然十分有效，計(jì)算表明，當(dāng)鋰離子電池的比能量提高到300Wh/kg，在-40℃下電池用于加熱的能量會(huì)從現(xiàn)在的8.7%下降到4.8%，熱量損失能夠從11.9%下降到6.6%，可用于駕駛的能量能夠從74%，提高到85%，通過進(jìn)一步改善電池的保溫性能，還能降電池可用于駕駛的能量進(jìn)一步從85%提高到94%。

Guangsheng Zhang利用自加熱電池快速加熱的特性和配合相應(yīng)的管理策略，能夠使的鋰離子電池閑置的時(shí)間內(nèi)快速從低溫下恢復(fù)的常溫，從而幫助鋰離子電池快速恢復(fù)電化學(xué)性能，并且不影響電動(dòng)汽車的正常駕駛，對(duì)于提高電動(dòng)汽車在高寒地區(qū)的使用便利性具有重要的意義。同時(shí)快速恢復(fù)鋰離子電池的溫度，也意味著能夠在短時(shí)間內(nèi)使的鋰離子電池能夠接受充電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)剎車能量充分和有效回收，這也能夠顯著的增加鋰離子電池可用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的能量，從而顯著的提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程?？偟膩碚fGuangsheng Zhang設(shè)計(jì)的電池管理策略，充分利用了自加熱電池的特點(diǎn)，對(duì)于提升電動(dòng)汽車使用的便利性和增加電動(dòng)汽車在低溫下的續(xù)航里程具有重要的意義。