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鋰電池低溫加熱技術:外部加熱和內部加熱

來源:恒帝 瀏覽量:2862 次 發布日期:2019-08-10

鋰電池由于其比能量大、循環壽命長及重量輕等特點,正在被越來越多地應用在電動汽車領域。但鋰離子電池低溫性能并不理想,如磷酸鐵鋰電池在-20℃低溫充電條件下,實際容量僅為25℃時同等充電條件下容量的70%。即使是低溫效應較好的錳酸鋰電池,在-20℃低溫下充電容量也僅為常溫下的80%左右。低溫環境降低了鋰電池的有效使用電量,限制了鋰離子動力電池在北方寒冷地區的推廣應用。

對鋰電池進行預加熱,是解決鋰電池低溫特性問題的有效方法之一。利用鋰電池自己的電量為加熱設備提供電源是常用的電池加熱方法,但這種方法會在加熱過程中消耗掉相當一部分電池能量,在一定程度上降低了鋰電池放電的有效容量。

低溫環境下對鋰電池充電或使用前,必須對電池進行預加熱。電動汽車車載的電池管理系統(BMS)對鋰電電池加熱的方式大體可分外部加熱與內部加熱兩大類。外部加熱方式有空氣加熱、液體加熱、相變材料加熱,以及熱阻加熱器或者熱泵加熱。這些加熱方式一般位于電池包中,或者設置在熱循環介質的容器中。內部加熱法加熱電池,則是通過交流電流激勵電池內部電化學物質,使電池本身產生熱量。

外部加熱

關于用空氣加熱的方式,有研究人員利用電池與一套大氣模擬系統進行了實驗,實驗結果表明,相對于裸露在低溫環境中的電池,周圍空氣被加熱的電池能夠放出更多的容量。

比起空氣加熱,液體加熱具有更好的導熱率與更高的熱轉化效率。但是液體加熱需要更復雜的加熱系統。液體加熱在電動汽車與混合動力汽車中的應用已經有不少實際案例。比如:在雪佛蘭 Volt 汽車中,環繞電池組熱交換液,由360V的加熱器加熱。

相變材料加熱電池也已經被使用。當電池溫度降到相變材料的相變溫度點之后,相變材料儲存的熱量會被釋放出來,保持環境溫度恒定,也就是向電池組傳遞熱量。相變材料的主要優勢在于其可以用在溫度變化較迅速的環境中。

內部加熱

交流激勵加熱,相比于外部加熱來說,另外一種常用的加熱方法,結構設計上會比較簡單,就是通過交變的電流加熱電池。它不需要進行傳熱結構的設計,只是在電池正負極加載一定頻率的交流激勵,激勵作用在電池內部電化學物質上,相當于循環往復小幅值充放電的效果。

與直流加熱電流相比,交流電流或正負方波電流在放電和充電周期內都可以加熱電池,使得電池溫度上升,而電池荷電狀態(SOC)基本上是不變的。由于這些特性,交流內部預熱方法成為一個研究較多的領域。2004 年,國外一個研究者率先提出使用交變的電流直接對鋰離子電池加熱,僅僅利用電池內部的電阻效應產熱。他們對不同的SOC 狀態下和不同溫度下(-20℃~40℃)的不同的電池做了一些測試。測試結果表明,在一定倍率的電流下,所有電池都會快速產熱。

美國一個團隊對加熱頻率對加熱效果的影響進行了研究,他們在 0.01Hz 到2KHz不同頻率下做了仿真,并將結果與外部加熱方式做了比較,認為內部加熱具有明顯的優勢。

相比外部加熱方法,內部加熱避免了長路徑的熱傳導和靠近加熱裝置的地方局部熱點的形成。因此,內部加熱可以以更高的效率,更均勻地加熱電池以達到更好的加熱效果且更容易實現。不同的加熱方式總結如下表:

目前對內部交流預熱方案研究大多集中在加熱速度與效率上,加熱策略對預防鋰沉積等副反應的發生還很少有明確的考慮。實現預熱過程中預防鋰沉積的產生,需要BMS 能實時估計并控制鋰沉積產生的條件。需要基于模型的控制電池低溫下加熱技術,才能實現上述功能。隨著新能源汽車的發展,動力鋰電池的使用量也與日俱增,鋰電池低溫下使用急需解決電池預熱問題,這是一個距離實際應用非常近的領域。

另外,交流加熱,調動電化學物質產生運動,對于電池使用壽命的影響,暫時還沒有看到獲得怎樣的結論,也是值得持續關注的問題。

鋰電池充電預加熱裝置:電池箱、電源管理系統和充電器
鋰電池或鋰電池模組位于電池箱內,其特征是:在所述電池箱內設置電阻加熱絲和溫度探測器;所述電源管理系統包括:加熱電路開關、充放電保護開關、溫度測量電路、加熱系統控制電路、電源管理系統微處理器、充放電開關控制電路和電源管理系統通信端口,溫度測量電路的輸入端連接溫度探測器,溫度測量電路的輸出端連接電源管理系統微處理器,電源管理系統微處理器的一個輸出端通過加熱系統控制電路連接到加熱電路開關的控制端,電源管理系統微處理器的另一輸出端通過充放電開關控制電路連接到充放電保護開關的控制端

所述加熱電路開關連接在電阻加熱絲—端和充電器的負輸出端之間,所述充放電保護開關連接在鋰電池或鋰電池模組負極和充電器的負輸出端之間,電阻加熱另一端以及鋰電池或鋰電池模組正極連接到充電器的正輸出端;

所述電源管理系統通信端口與電源管理系統微處理器相連,并對外連接充電器通信端口;所述充電器包括:調壓及開關電路、恒流源、轉換及檢測電路、充電器通信端口和充電器微處理器,所述調壓及開關電路的輸入端連接市電,調壓及開關電路的輸出端一方面直接連接到轉換及檢測電路,另一方面通過恒流源連接轉換及檢測電路,由轉換及檢測電路輸出連接到充電器的正、負輸出端,并連接充電器微處理器的輸入端,充電器微處理器的輸出端連接調壓及開關電路的輸入端,充電器微處理器與充電器通信端口相連。

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