在零下温度条件下，通过基于感应的液体加热和内部直流加热方式对锂离子电池单元进行加热的实验研究

《Journal of Energy Storage》：Experimental investigation of lithium-ion battery cell heating under subzero conditions using induction-based liquid and internal DC heating

锂离子电池极寒条件下混合加热策略研究，提出电磁感应与直流激励协同加热方案，通过三组功率（100/250/400W）和流速（0.22/0.30/0.50L/min）实验发现混合加热较纯直流加热升温快21.43°C/min，但低流速引发沸腾现象，需优化热管理平衡效率与稳定性。

　　在当今的电动交通和可再生能源系统中，锂离子电池扮演着至关重要的角色。然而，当电池处于极端低温环境时，其性能会显著下降，这对电动汽车的续航里程、储能系统的可靠性以及这些技术在寒冷地区的应用构成了挑战。为了应对这一问题，研究者们正在积极探索多种电池加热策略，以确保电池在低温条件下的稳定运行和高效性能。其中，一种结合了电磁感应加热与直接电流（DC）预热的混合加热方法引起了广泛关注。这种技术不仅能够快速提升电池温度，还能够在一定程度上改善电池的放电行为，为电动汽车在寒冷气候下的实际应用提供了新的可能性。

本研究主要关注的是在低温条件下，混合加热方法对锂离子电池的热和电性能的影响。具体来说，研究团队对一种新型的加热配置进行了实验，该配置结合了电磁感应加热和直流电流预热。实验对象是一节标准的18,650格式的NMC（镍锰钴）锂离子电池，通过调整三种不同的电磁感应功率（100 W、250 W、400 W）和三种不同的液体流量（0.22 l/min、0.30 l/min、0.50 l/min），评估了关键性能参数，包括加热速率、加热效率以及电池的放电行为。研究结果显示，混合加热方法相比单独使用直流电流加热，能够实现更快的加热速度。其中，当使用0.22 l/min的液体流量和400 W的电磁感应功率时，电池温度在43.3秒内上升至0°C，69.3秒内达到15°C，177.9秒内升至25°C，这一加热速率达到了21.43°C/min。然而，这种较低的液体流量导致了沸腾现象的出现，这可能会对系统的稳定性产生不利影响。

随着液体流量的增加，虽然热传导通过对流得到了改善，但加热速率略有下降，因为热接触时间变短。加热效率则在较低的功率和流量条件下达到最高，并随着功率的增加而降低。电压曲线的分析表明，在所有混合加热情况下，电池的放电性能得到了提升，从没有感应加热的902秒延长至0.22 l/min和250 W条件下的1037秒。这说明混合加热方法不仅能够提高电池的温度，还能有效延长其放电时间，提高整体效率。与现有的研究相比，本研究提出的系统在低温条件下实现了其中最快的加热速率（11.80°C/min），这为外部电池加热方法提供了一个新的参考标准。

研究团队指出，尽管混合加热方法在提升电池温度和延长放电时间方面表现出色，但其在现有电动汽车架构中的实际集成仍需进一步研究，尤其是在控制复杂性、安全合规性和组件小型化等方面。这些挑战是当前技术推广过程中必须解决的问题。例如，控制复杂性可能意味着需要更精细的系统设计，以确保在各种运行条件下都能实现最佳的加热效果。安全合规性则涉及如何防止加热过程中可能出现的过热现象，以及如何确保加热系统不会对电池或车辆的其他部件造成损害。组件小型化则是为了适应电动汽车的空间限制，同时保持加热系统的高效性能。

此外，研究还强调了电池加热系统在不同应用场景中的重要性。传统的电池加热方法通常分为内部加热和外部加热两种类型。内部加热方法利用电池自身的能量，通过特定的组件产生热量。例如，自加热方法能够通过电池内部的能量来提高其温度，但这种方法的效率依赖于电池的设计和材料。由于需要对电池内部结构进行修改，这种方法并不适用于现有的商业电池产品。相比之下，外部加热方法则通过在电池外部集成加热元件，例如加热垫或利用电动机和其他高功率电子组件产生的废热来实现电池加热。在混合车辆中，内燃机也可以作为辅助的热源。然而，这些方法通常伴随着较高的系统复杂性，特别是在液基热管理系统中，需要包括泵、加热源、热交换器、热传递介质和封闭的管道系统，以确保热能的有效传递。

除了这些传统的解决方案，研究者们还在探索其他替代技术，如相变材料和电阻加热元件（例如Peltier模块、电热板和热膜）。这些技术在调节电池温度方面具有一定的优势，但它们的应用也面临一定的挑战。例如，相变材料虽然能够在特定温度范围内提供稳定的热能，但其热传导能力相对较弱，需要较大的体积和质量来实现有效的温度调节。而电阻加热元件则能够提供快速的加热效果，但其安全性问题较为突出，尤其是在高温条件下可能会导致电池过热或热分布不均。

本研究提出的电磁感应加热方法则是一种新颖且较少被研究的途径。该方法通过在导电材料上施加高频交变磁场，产生涡电流，从而实现对流体的无接触加热。这种方法不仅能够提供快速和高效的热能输入，还能够在一定程度上减少对电池的直接热应力。然而，这种方法也存在一些挑战，如局部过热和流体域内的温度分布不均。这些挑战需要通过进一步的实验和优化来解决，以确保加热系统的安全性和可靠性。

在实验过程中，研究团队使用了一节标准的18,650格式的NMC锂离子电池，通过调整不同的电磁感应功率和液体流量，评估了加热系统对电池性能的影响。实验结果表明，混合加热方法在提升电池温度和延长放电时间方面具有显著优势。然而，研究也指出，当使用较低的液体流量时，可能会出现沸腾现象，这会对系统的稳定性产生不利影响。因此，在实际应用中，需要平衡加热速率和系统稳定性，以确保电池在低温条件下的正常运行。

此外，研究团队还强调了电池加热系统在不同应用场景中的重要性。例如，在电动汽车中，电池加热系统需要与车辆的其他系统（如电动机、电池管理系统等）协同工作，以确保在各种运行条件下都能实现最佳的加热效果。同时，加热系统还需要满足安全性和可靠性要求，以防止在加热过程中出现过热或其他安全隐患。因此，在设计和实施电池加热系统时，需要综合考虑多个因素，包括加热速率、系统复杂性、安全性、可靠性以及成本效益。

总的来说，本研究的成果表明，结合电磁感应加热和直流电流预热的混合加热方法在低温条件下具有较强的潜力，能够有效提升电池的温度和放电性能。然而，这一方法的实际应用还需要进一步的研究和优化，特别是在控制复杂性、安全合规性和组件小型化等方面。这些挑战的解决将有助于推动混合加热方法在电动汽车和其他需要低温电池性能的应用中的广泛应用。