我們討論的動(dòng)力鋰電池低溫預(yù)熱，是最近兩年才逐漸被重視起來(lái)的，而之前的大部分電動(dòng)汽車(chē)，基本沒(méi)有預(yù)熱功能，甚至可能電池包內(nèi)部根本沒(méi)有加熱設(shè)施。那么，這類電動(dòng)汽車(chē)，就只有靠自身放電的發(fā)熱量給自己加熱了。現(xiàn)在已經(jīng)有非常多的研究證明，低溫充電尤其是較大電流充電會(huì)帶來(lái)壽命衰減，原因如下：

低溫環(huán)境只能小電流充電，其失效的重要原因是在低溫環(huán)境充電過(guò)程中出現(xiàn)鋰枝晶。鋰金屬在低溫下或在高速充電期間在石墨陽(yáng)極表面上沉淀，并進(jìn)一步與電解質(zhì)反應(yīng)。因此，可用的電解質(zhì)和鋰離子都會(huì)丟失，電池體積發(fā)生變化，導(dǎo)致活性物質(zhì)與集電器之間接觸不良。電解質(zhì)和鋰離子的嵌入加速了石墨顆粒的剝離。集電器和粘合劑的腐蝕都會(huì)降低電池容量，最終導(dǎo)致電池永久性損壞。

而低溫放電的問(wèn)題則重要表現(xiàn)在放電平臺(tái)電壓下降，能量縮水和效率降低上，不會(huì)出現(xiàn)永久容量損失，典型的低溫放電表現(xiàn)和原因分析如下：

當(dāng)環(huán)境溫度從25℃降至-20℃時(shí)，電池的平均容量降低了一半，而容量的標(biāo)準(zhǔn)方差增大了6倍。降低環(huán)境溫度會(huì)明顯增大電池的阻抗，特別是電荷轉(zhuǎn)移阻抗，同時(shí)，電池間的阻抗差異也被放大；電池放電容量與其阻抗之間存在線性關(guān)系。因此，低溫下電池容量方差的增大是由于電池阻抗方差的增大引起的，而其中，電荷轉(zhuǎn)移阻抗起了重要用途。

有研究者基于這樣的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)：低溫充電危害大，低溫放電則不會(huì)造成太大的損害。討論了鋰離子電池放電自加熱模型，分析到底以多大電流放電，才能帶來(lái)最高的加熱效率，在一定程度上節(jié)約能源。當(dāng)然，低溫下大電流放電，是否會(huì)直接造成加速老化問(wèn)題，我們?cè)谄渌恼轮欣^續(xù)尋找答案。

過(guò)針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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結(jié)論先行：論文認(rèn)為，放電率和加熱時(shí)間呈指數(shù)下降趨勢(shì)，與放電率和功耗相似。當(dāng)選擇2C放電率時(shí)，電池溫度可以在280秒內(nèi)從-10C上升至5C。在這種情況下，加熱過(guò)程的功耗不超過(guò)額定容量的15％。隨著排放率逐漸降低，加熱過(guò)程的加熱時(shí)間和功耗新增緩慢。當(dāng)放電率為1C時(shí)，加熱時(shí)間超過(guò)1080s，功耗接近額定容量的30％。放熱速率對(duì)加熱過(guò)程中加熱時(shí)間和功率消耗的影響在不到1C時(shí)顯著增強(qiáng)。當(dāng)放電率為1C時(shí)，加熱時(shí)間超過(guò)1080s，功耗接近額定容量的30％。放熱速率對(duì)加熱過(guò)程中加熱時(shí)間和功率消耗的影響在不到1C時(shí)顯著增強(qiáng)。當(dāng)放電率為1C時(shí)，加熱時(shí)間超過(guò)1080s，功耗接近額定容量的30％。放熱速率對(duì)加熱過(guò)程中加熱時(shí)間和功率消耗的影響在不到1C時(shí)顯著增強(qiáng)。

1引言

鋰離子電池由于其優(yōu)點(diǎn)，如污染減少，壽命周期長(zhǎng)，能量密度高，功率性能好等，已成為電動(dòng)汽車(chē)的重要?jiǎng)恿υ碵1]。但是，鋰離子電池在低溫下的性能很差。當(dāng)溫度降低時(shí)，電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻同時(shí)新增[2]。例如，-5C下充電的LiFePO4電池的歐姆電阻是室溫下的5倍[3]。當(dāng)溫度低于-10C時(shí)，電池容量和功率性能都顯著下降[4]。在這種環(huán)境下，電池充電比放電更困難。假如電池被迫充電，其負(fù)極上會(huì)出現(xiàn)鋰沉積物和樹(shù)枝狀晶體，從而導(dǎo)致內(nèi)部短路[5]（譯者注：有其他文獻(xiàn)闡述，可以利用較小的電流充電而不會(huì)出現(xiàn)鋰單質(zhì)沉積問(wèn)題）。到目前為止，通過(guò)使用創(chuàng)新材料來(lái)解決鋰離子電池的低溫性能問(wèn)題已經(jīng)很困難[6]。因此，在低溫條件下使用電池之前，通常要將電池加熱到合適的工作溫度。

目前，在低溫環(huán)境下加熱電池的方法重要分為外部加熱和內(nèi)部加熱。WangFacheng等人[7]使用電熱絲加熱電池箱通風(fēng)道入口處的空氣，然后通過(guò)空氣對(duì)流加熱電池。Hyun-SikSongetal.等人[8]也通過(guò)空氣對(duì)流實(shí)現(xiàn)電池加熱。上述加熱方法可以使電池溫度迅速升高到適當(dāng)?shù)臏囟?，并且在低溫下電池性能顯著改善。然而，這種方法在加熱過(guò)程中造成不必要的能量損失，并且通過(guò)空氣對(duì)流加熱的技術(shù)的能量利用率低。ZhangChengning等人[9]使用寬線金屬薄膜加熱電池。與加熱前幾乎不能放電相比，電池在加熱后可以釋放50％的電能。

LiuCunshan等人[10]建立了動(dòng)力鋰電池的低溫加熱模型，并比較了正溫度系數(shù)（PTC）加熱器和電熱膜加熱器的影響。電熱膜加熱模式不影響電池的散熱，并在一定程度上具有絕緣性能。然而，用于電動(dòng)汽車(chē)輛的動(dòng)力鋰電池由多個(gè)單元組成，這些單元緊密排列在一起，串聯(lián)并聯(lián)[11]。在外部加熱模式下，電池單體不均勻加熱，導(dǎo)致局部溫度迅速升高。結(jié)果，電池的一致性惡化，電池組的壽命大大縮短。在更嚴(yán)重的情況下，某個(gè)電芯退化特別嚴(yán)重，則可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故。與外部加熱方法相比，內(nèi)部加熱的重要優(yōu)點(diǎn)是在充電/放電過(guò)程中使用由內(nèi)部電阻出現(xiàn)的熱量。內(nèi)部加熱方法的特點(diǎn)是能量效率高，可以實(shí)現(xiàn)電池均勻加熱。YanJi等人[12]模擬了一個(gè)擁有兩個(gè)電池模組的電池包，這些電池組在一定的頻率下交替充電和放電，利用DC/DC作為升壓裝置，最終獲得理想的溫升效應(yīng)。脈沖加熱消耗電池能量少并且不要傳熱系統(tǒng)。但是加熱過(guò)程中電池的充電電壓可能達(dá)到4.5V，這明顯高于充電截止電壓并新增形成鋰枝晶的可能性。張劍波等[5]建立了鋰離子電池的頻域模型，其額定容量為3.1Ah，并建議使用正弦交流電進(jìn)行內(nèi)部加熱。電池可以在15分鐘內(nèi)從-20C加熱到5C，溫度分布基本保持均勻。然而，加熱過(guò)程伴隨著瞬態(tài)過(guò)電壓現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)記錄的最大電池電壓為4.5V。假如在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法選擇合適的交流振幅和頻率，電池可能會(huì)處于過(guò)電壓狀態(tài)，從而導(dǎo)致電池出現(xiàn)損壞。ZhaoXiaowei等人[13]提出使用大電流脈沖加熱3.2V，12Ah磷酸鐵鋰離子電池。充電和放電截止電壓分別為2.1V和3.6V。加熱過(guò)程共包含18次充放電循環(huán)。在最后的實(shí)現(xiàn)中，電池溫度從-10C上升到3C。RuanHaijun等人[14]使用恒定極化電壓作為邊界條件，進(jìn)行高頻交流電加熱電池。最終，電池溫度可以在338秒內(nèi)從-15C升至5.6C。基于電熱耦合模型，管理恒定極化電壓，進(jìn)行電池加熱以在短加熱時(shí)間和對(duì)電池壽命的較小損害之間實(shí)現(xiàn)折衷。然而，由于該研究?jī)H證明在經(jīng)過(guò)30次重復(fù)的內(nèi)部加熱測(cè)試后電池沒(méi)有顯著的容量衰減，假如測(cè)試重復(fù)超過(guò)30次，則電池的整體健康狀況無(wú)法確定。盡管脈沖加熱可以有效地加熱電池，緩解低溫的影響，較大的電荷脈沖振幅導(dǎo)致陽(yáng)極表面更強(qiáng)的極化[15]。

無(wú)人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

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鋰離子電池失效的重要原因是，在低溫環(huán)境充電過(guò)程中出現(xiàn)鋰枝晶[16]。鋰金屬在低溫下或在高速充電期間在石墨陽(yáng)極表面沉淀，并進(jìn)一步與電解質(zhì)反應(yīng)。因此，可用的電解質(zhì)和鋰離子都會(huì)丟失，電池體積發(fā)生變化，導(dǎo)致活性物質(zhì)與集電器之間接觸不良[17]。電解質(zhì)和鋰離子的嵌入加速了石墨顆粒的剝離。集電極和粘合劑的腐蝕變質(zhì)都會(huì)降低電池容量[18]]，最終導(dǎo)致電池永久性損壞。充電則不同，盡管鋰離子電池的放電容量減少，放電平臺(tái)電壓下降，但在低溫條件下放電不會(huì)對(duì)電池造成永久性損壞。

在此基礎(chǔ)上，本研究開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)恒流放電在低溫下內(nèi)部預(yù)熱鋰離子電池的方法。電池放電期間內(nèi)部電阻出現(xiàn)的溫度用于在低溫環(huán)境下加熱電池。當(dāng)前，很難預(yù)測(cè)與低溫下鋰離子電池自熱過(guò)程相關(guān)的加熱時(shí)間和功耗。因此提出了考慮電池溫度和充電狀態(tài)（SOC）動(dòng)態(tài)變化的溫升模型。當(dāng)該模型與安培小時(shí)積分法相結(jié)合時(shí)，通過(guò)恒流放電實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部自熱的過(guò)程，放電倍率、加熱時(shí)間和功耗之間的定量關(guān)系得以被描述。此外，本文解決了預(yù)測(cè)低溫自加熱的加熱時(shí)間和功耗的問(wèn)題。

2.溫升模型

戴維寧模型用于分析放電過(guò)程。如圖1所示，Rr代表歐姆電阻，Ur是Rr上的電壓，Cp和Rp分別代表極化電容和極化電阻，Up是Cp和Rp上的電壓，UOCV是開(kāi)路電壓，E是端電壓，I是放電電流。在本文中，Rtotal相當(dāng)于Rr，Cp和Rp的組合，在溫升模型中將其標(biāo)注為R。

圖1.戴維寧模型

電池出現(xiàn)的熱量可分為不可逆熱量和可逆熱量。不可逆熱量包括焦耳熱和濃差極化熱?？赡鏌幔卜Q為反應(yīng)熱，是指在電化學(xué)反應(yīng)中釋放或吸收的能量，以維持反應(yīng)的能量平衡。參考文獻(xiàn)[19]，本文使用的簡(jiǎn)化發(fā)熱方程可表示為（1）：

其中，I是電池的工作電流（正充電，負(fù)放電），E是電池電壓，UOCV是開(kāi)路電壓，Qt是總發(fā)熱功率。QJ是不可逆的發(fā)熱功率，它代表電流流過(guò)時(shí)歐姆電阻出現(xiàn)的熱量和電池中材料轉(zhuǎn)移時(shí)因濃度差異出現(xiàn)的熱量之和。Qr是可逆熱或反應(yīng)熱，它取決于電流的方向和熵系數(shù)的符號(hào)。開(kāi)路電壓受電荷狀態(tài)（SOC）的很大影響，并隨不同的化學(xué)成分而變化[20]。當(dāng)電流流過(guò)時(shí)，電池端電壓和開(kāi)路電壓之間的差異是由內(nèi)部電阻出現(xiàn)的電壓出現(xiàn)的[21]。因此，不可逆熱量可以表示為等式（2），其中R是電池的等效內(nèi)部電阻。

電池溫度受發(fā)熱，熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散的影響[22]。除了內(nèi)部產(chǎn)熱之外，電池在低溫下工作時(shí)也會(huì)向外部散發(fā)熱量。有兩種重要的熱損失方法：對(duì)流和熱輻射。與熱對(duì)流相比，熱輻射非常小，因此被忽略[23]。散熱可以用（3）表示：

其中是等效傳熱系數(shù)，A是電池的表面積，T是電池溫度，并且T∞是環(huán)境溫度。因此，熱平衡方程可以按照下面的等式得到：

其中m是電池質(zhì)量，c是比熱容。從公式（4）可以看出，電池出現(xiàn)的總熱量受電流，電阻，開(kāi)路電壓，等效傳熱系數(shù)和電池溫度的影響。人們可以認(rèn)為，更大的電流和電阻會(huì)導(dǎo)致更大的熱量出現(xiàn)。相反，更高的等效傳輸系數(shù)和電池溫度導(dǎo)致更多的散熱，使得出現(xiàn)的總熱量減少。本文開(kāi)發(fā)的電池溫升模型將考慮電池加熱過(guò)程中電阻和開(kāi)路電壓的變化，以保證精度。