基于液体加热与脉冲加热技术用于锂离子电池模块的低温预热方法研究

《Journal of Energy Storage》：Research on low-temperature preheating methods for lithium-ion battery modules based on liquid and pulse heating technologies

　　梁雄|李志远|余庆华|王博睿 中国武汉理工大学汽车工程学院 湖北省汽车零部件先进技术重点实验室 摘要：为解决锂离子电池在低温环境下的性能下降及安全风险问题，本文提出一种结合液体加热与脉冲加热技术的新型复合预热策略。该策略并非简单地将两种加热方式物理叠加，而是通过按照预设时间顺序依次进行液体加热和脉冲加热，充分发挥各自优势，从而有效解决单一加热模式下难以平衡加热速率与温度均匀性的核心矛盾。本研究建立了实验平台，在-20℃条件下开展了四因素四水平的正交试验，系统分析了占空比、加热介质流速、加热介质温度以及液体预热时间对平均升温速率、温度均匀性、最低温度和能耗的影响。结果表明，加热介质流速和液体预热时间是影响升温性能的主要因素，而加热介质温度对能耗的影响最为显著；最优方案可在5分钟内实现5.495℃/分钟的平均升温速率，最低温度可提升至5.743℃，最大温差控制在5℃以内。本研究有助于深入理解复合预热的协同机制，为低温环境下动力电池的高效、均匀且安全的预热提供宝贵的理论依据和工程实践参考。引言：在全球碳中和目标以及清洁能源转型迫切需求的推动下，高效可持续的能源技术发展已成为重中之重[1]。锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命以及优异的充放电性能，已成为能源系统中的关键组成部分，广泛应用于新能源汽车、可再生能源存储以及便携式电子设备等领域[2][3]。然而，锂离子电池在低温环境下的性能会显著下降[4]。具体而言，在低温条件下，锂离子电池的电解质粘度会增加，离子导电性急剧降低，这会大幅提高离子迁移的欧姆阻抗[5][6][7]，从而导致放电容量下降和循环性能减弱[8]。此外，低温还会阻碍锂离子在石墨负极中的嵌入，使得金属锂沉积在负极表面[9][10]。这种锂镀层现象不仅会导致活性锂的不可逆损失，还可能形成锂枝晶，进而穿透隔膜引发内部短路，带来严重的安全风险[11][12][13]。因此，通过有效的电池热管理系统确保锂离子电池在低温环境下的安全高效运行至关重要。目前，电池的低温热管理方法主要分为外部加热和内部加热两类[14]。外部加热方法是将外部热能传递给电池以提升其温度，这类方法又可分为两类：一类是利用珀尔帖器件或电热膜等电加热元件直接接触电池表面；另一类则是依靠空气、相变材料或液体等流体介质将热量传递到电池外部[15]。基于电加热元件的加热方法在系统结构简单和响应速度快方面具有优势。Alaoui等人[16]利用基于珀尔帖效应的热电泵来调节电动汽车电池舱和乘客舱的温控，实验结果表明，该系统在加热模式下可将电池舱温度提升至52℃，在冷却模式下则可降至9.5℃。Lei等人[17]采用宽带金属膜在-40℃环境下对外部锂离子电池组进行加热，经过90–240W功率下15分钟的加热后，电池组在1C倍率下的放电容量可恢复到接近室温水平。不过，由于传导和対流在传热效率上的固有差异，基于电元件的接触式加热在温度均匀性方面通常不如基于流体循环的加热方式，后者能够通过流体流动更有效地实现热量均匀分布[18]。Liu等人[19]研究了一种适用于动力电池和车辆车厢的热泵驱动空气加热装置，该装置在0℃环境温度下约需720秒即可将电池温度提升至15℃，在-10℃环境下则需要约1000秒，对应的升温速率分别为1.25℃/分钟和1.5℃/分钟。Liu等人[20]开发了一种创新的间接液体加热方法，用于缩短低温环境下锂离子电池组的充电时间，该方法能在80分钟内将电池温度从-2.5℃提升至42.5℃，升温速率为1.78℃/分钟，与传统不加热的充电方式相比，该技术分别可减少16%的充电时间和15%的能耗。Ling等人[21]提出了一种基于相变材料的低温环境电池加热策略，该策略可使电池的升温速率达到7.5℃/分钟，同时使电池的放电容量和功率分别提升9.87%和7.56%。在这些加热方法中，液体介质因其出色的导热性和较高的比热容而表现出更优的热性能，因此在实际应用中具有更广阔的发展前景[22]。内部加热方法则利用锂离子电池在低温下的高内阻特性，通过欧姆加热和电化学反应加热两种方式实现电池的自我加热[23]。这些内部加热方法主要包括自热型锂离子电池和电流激励加热，后者还可进一步分为直流加热、交流加热和脉冲电流加热。自热型锂离子电池最早由Wang等人[24]提出，是一种具备全天候工作能力的棱柱形电池，其中嵌入了特定电阻值的镍箔，该镍箔作为内部加热元件从内部为电池加热。研究结果表明，这种全天候电池能够在19.5秒内将自身温度从-20℃提升至0℃，升温速率为61.2℃/分钟，且仅消耗电池容量的3.8%。然而，内置加热元件的存在会增加电池的结构复杂性，一旦发生热失控还可能带来严重的安全风险。Ruan等人[25]提出了一种针对低温环境优化后的直流内部加热策略，该策略能够在103秒内将锂离子电池的温度从-30℃提升至2.1℃，经过500次循环后电池容量仅损失1.4%，说明电池老化程度极低。不过，在直流加热过程中，必须严格控制电流幅值和加热时间，以避免锂镀层形成和电池加速老化[26]。Oehl等人[27]基于升压变换器拓扑结构开发了一种用于锂离子电池的高频交流加热方法，该方式能使18,650型号电池在38℃/分钟的升温速率下从-10℃提升至10℃，且仅导致3.5%的电量损失。但在-10℃环境下经过1800次交流加热循环后，电池的容量下降了15%，表明其性能出现了明显衰退。Zhu等人[28]研究了交流加热过程中电流频率、幅值和电压限制对电池温度的影响，他们的研究发现，只要设置适当的电压保护限值，交流加热不会加速电池性能的衰退。此外，电流方向的频繁切换还能有效防止因持续单向放电或充电造成的电池损伤。不过，交流加热的升温速率受到安全放电电流幅值的限制，且严重依赖外部电源支持，因此其应用场景较为有限。脉冲电流加热与交流加热有相似之处，但能实现更高的能源利用率，它还能抑制负极上固体电解质界面层的增厚，减少正极活性材料的损失。Qu等人[29]研究表明，在脉冲放电加热过程中，电池能够在175秒内从-10℃提升至10℃，而在相同条件下，恒流加热则需要280秒，且放电电压接近截止阈值。他们的研究结果表明，脉冲放电加热具有更快的升温速率，尤其是在电池初始电量较高的情况下。Qin等人[30]提出了一种双向脉冲电流加热方法，实验结果显示，在11℃/分钟的升温速率下加热170小时后，电池的容量仅下降了1%。此外，他们还发现，幅值更高、频率更低、占空比更大的双向脉冲电流能够带来更好的加热效果。目前大多数双向脉冲电路都需要外部电源来提供充电电流，这增加了低温加热应用中的系统复杂度。为了解决这一问题，Cai等人[31]开发了一种无需外部电源即可工作的双向脉冲电流自热电路，该电路通过让两个电池模块交替处于充电和放电状态，为每个模块生成双向脉冲加热电流，最终成功在120秒内将一个电池模块的温度从-10℃提升至0℃。综上所述，在各种外部加热方法中，液体加热由于其出色的传热能力而具备最佳的热性能，但其整体效率仍低于内部加热方法。内部加热方法能够在电池内部直接产热，从而从根本上提升效率和加热速度。在这些内部加热方法中，脉冲加热技术因其精确的能量控制能力而脱颖而出，它不仅具有最高的加热效率，对电池寿命的影响也最小。不过在实际应用中，由于脉冲加热过程中产生的焦耳热主要源自电池内部，这些热量容易在电池核心区域积聚，从而形成由内而外的温度梯度。这种不均匀的温度分布会导致局部应力产生以及不同的老化速率，进而影响电池的整体循环寿命[32]。为了解决加热速率与温度均匀性之间的矛盾，本文提出了一种结合液体加热与脉冲加热技术的复合加热策略。该策略首先利用液体介质对电池进行整体预热，快速提升电池的平均温度和表面温度，随后再引入脉冲电流产生内部热量，从而优化电池的温度分布，实现高效且均匀的加热效果。简单的物理叠加往往忽视了这两种加热方式在电热耦合特性方面的深刻关联。本文提出的复合预热策略本质上并非简单的并行加热，而是一种基于“时间协同”和“优势互补”的深度耦合机制。具体而言，该策略构建了“外部源预热——内部源温度均衡”的协同效应：前期的液体加热能为脉冲加热创造一个“安全电压窗口”——在低温环境下，电池的内阻极高，直接施加脉冲电流会导致严重的欧姆电压降，很容易触发电压截止限制，迫使加热过程中断。作为“前置工序”，液体加热通过降低电池表面与环境之间的热势差，显著降低了极化内阻，从而“支撑”电池的工作电压，为后续注入高倍率脉冲电流提供必要的电化学环境基础。与此同时，脉冲加热则可以弥补液体加热的“热惯性缺陷”：由于受到流体热容量和传热边界层的限制，液体加热无法快速将热量从表面传递到电池内部，容易导致模块表面过热而核心区域温度较低的“温度梯度”现象。脉冲加热则利用电池内部化学能向热能的直接转换，突破了外部传热的物理限制。在液体加热为电池建立起一定的基础温度后，脉冲加热便起到“温度均衡作用”，凭借其体积式热源的特性，从内部向外传递热量，有效抵消了液体加热所造成的径向温度差异。因此，本研究旨在通过这种“先外部后内部”的时间控制方式，实现从“物理组合”到“机制协同”的突破，解决单一加热模式下难以平衡的“加热速率”与“温度均匀性”之间的矛盾。本研究建立了一个电池加热实验平台，以电池模块作为测试对象，开展了低温条件下的正交实验。评估指标包括平均温度上升率（VˉT）、温度均匀性、加热结束时的最低温度（Tendmin）以及系统能耗（W）。通过对实验数据进行分析，再通过综合平衡分析确定最优的加热参数组合。本研究为实际应用提供了坚实的理论基础和实用指导。

实验平台
如图1所示，实验中使用的锂离子电池模块由三个40 Ah的棱柱形NMC电池（148毫米×91毫米×27毫米）串联组成。该模块采用冷板夹层结构进行组装，液冷板与电池单元交替排列成层状结构。具体而言，每两个液冷板之间放置一个电池单元，并通过固定装置将整个结构固定，以模拟紧密堆积的状态。

正交实验结果与分析
基于2.3节中建立的正交实验设计及评估体系，16次实验的结果如表3所示，各组平均温度及最大温度差的变化情况则见图2。

方案1的分析
在这种加热方案下，系统能耗为0.207千瓦时，其中脉冲加热阶段耗能0.054千瓦时，对应的电池模块容量损失约为4.32 Ah。在该方案下，电池模块的局部温度、平均温度及温度均匀性情况见图7。从图7(a)可以看出，在初始加热阶段（前60秒），电池模块温度上升迅速，之后加热速率逐渐减慢。

结论
本研究通过提出一种结合液冷与脉冲电流加热技术的混合预热方法，解决了低温环境下锂离子电池模块的预热问题。通过正交实验，系统研究了不同操作参数对加热性能及能耗的影响。主要研究结论如下：
(1) 各种因素对预热性能的影响具有显著差异。

作者贡献声明
熊亮：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究、数据整理。李志远：可视化、研究、形式分析、数据整理。余庆华：撰写——审稿与编辑、验证、概念构建、资金获取、监督。王博瑞：撰写——审稿与编辑、验证、概念构建、资金获取。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了湖北省自然科学基金联合资助项目（项目编号2023AFD187）以及中央高校基本科研业务费项目（项目编号104972026RSCbs0179）的支持。