武汉理工大学刘芙蓉：锂离子电池极寒状态下超快速预热方法

蓝狮平台网讯：5月24～26日，由工业和信息化部节能与综合利用司与国家能源局能源节约和科技装备司联合指导，中国化学与物理电源行业协会主办并联合240余家机构共同支持的第十三届中国国际储能大会在杭州召开。

??来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的1011余家产业链供应链企业，5417位嘉宾参加了本届大会，其中245家企业展示了储能产品，可谓盛装出席，涵盖系统集成、电芯、PCS、BMS、集装箱、消防、检测认证等新型储能全产业链。

??5月25日下午，武汉理工大学教授刘芙蓉受邀在锂离子电池与储能系统设计专场分享了主题报告，报告题目为《锂离子电池极寒状态下超快速预热方法》。以下是报告主要内容：

??刘芙蓉：我的分享分为四部分，首先，为什么要快速预热，对锂电池为什么需要预热。

??锂离子电池现在已经广泛用于现代能源体系，尤其在发电侧和用电侧应用越来越广泛，锂离子的使用，最早是用于消费电子和交通运输，近两年电动汽车获得了爆发式发展，已经成功地实现从政策驱动到市场驱动的转变。

??锂离子电池一个重要的特性就是对温度很敏感，低温的时候，低温性能差，所以为了保持锂电池的性能，在低温的时候就需要对它进行预热，低温预热首先是在电动汽车这个领域开展的。电动汽车零下温度充电会变得非常困难，容量保持率低，零度的时候，容量保持率是25度的60%-70%，温度低到-10度的时候，是25度的40%-50%，如果温度更低，电池的容量保持率就会更加降低。

??冬季的时候，特别是中国的北方地区，因为气温低，锂离子电池的低温性能差，主要表现在，一方面随着温度的降低，石墨负极阻抗会急剧增大，导致充放电性能变差，容量减小，充电慢，动力性能差。另一方面，低温充电极易引发析锂，影响寿命，造成安全隐患。

??锂离子电池-10度下输出的最大电流是25度的1/8-1/10，这一点导致汽车的动力性能变差，电驱制动转距极大减少，极易形成追尾或因紧急制动失效造成车毁人亡等严重交通事故。

??我们从这边的电机运行的转速和电流的波形可以看出来，在启动和制动过程中，需要给电机提供最大的电流。

??除了在行车过程中需要对电池升温保持正常的工作温度以外，在泊车的时候也有低温预热的需求。冬季在充电前和充电中都需要快速预热提升电池工作温度、减少低温充放电对电池寿命的不良影响。双碳目标的实现需要数量庞大的纯电车群体广泛参与V2G。冬季夜间低温导致车载电池容量大幅缩水，必须在充放电前以及充放电过程中实现快速升温，发挥车载电池的可用容量潜力。

??总而言之，锂离子电池适宜的工作温度是20-35度，超快速预热可以极大减少热车时间，显著改善用户体验，节能，增加续时里程。

??下面，给大家分享一下我们做的研究。我们的研究成果主要是依托湖北省重点研发项目，依托这个项目我们做了两方面的工作，一方面是通过对低温自加热过程的电池电-热-老化耦合特性的研究，获得了极速预热不析锂边界条件，通过优化预热电流增强电流耐久性。另一方面做了应用研究，主要是通过对电池低温自加热生热率和预热电路集成方法研究，获得了高寒下电池极速预热的低成本的实现方法。

??电池的低温预热，它的方法主要是分为两类：一类是对电池进行外部加热，比较常见的就是空气加热、液体加热、热管加热、宽线金属膜加热，以及PTC加热，这是属于外部加热方面。还有一类方法电池的内部加热方法，让电池通过电流的时候，在电池内部产热，因此需要设计一些电路来产生预热电流。

??外部预热和内部预热这两类预热方法，它在节能性、均温性和快速性上有显著的差异。这张图表示的是用外部预热的方法，是外部热源的热量通过传导和对流，传给中间的电池，这种方法的缺点是能耗高，效率低，电池的均温性差，升温慢，这些短板是所有外部预热的共同缺点。而内部预热方法，它是对电池构造一个闭环的电路，来产生电流，让电流在电池内部产热，让电池从内部加热。这个方法的热传导路径短，效率高，均温性好，而且温升快。

??锂离子电池的内部预热技术的发展，是和电动汽车行业的需求紧密相连的，最先用于电动汽车，而且现在仍然在研究开发中。现在大部分车企都在开始自研或者委外在做这方面的技术创新。它的技术发展进程，从预热电流的产生来说，分为几个阶段，最开始预热电流是由外部电源提供的，后来预热电流是由电池本体和变换电路来产生，现在车厂都是采用用电动汽车三电集成来产生预热电流，目的就是降低成本。

??在理论研究方面，研究怎么样产生更多的热量，也就是增加生热率，研究生热率和什么有关，电池内部预热的生热机理，研究不同的电流波型的生热率有什么不同，受哪些控制因素的影响。现在理论方面走到了上面的这一步，也就是研究升温速率的影响因子，低温预热对电池老化的影响，低温预热过程的能耗，从这些方面来开展理论和实践研究。采用的手段就是建模、实验和多目标优化。

??这是文献或者是各方提出来的一些低温预热的车载实现电路。

??我们团队做的工作可以分为理论研究和应用研究两个部分，在理论研究方面，我们主要是把实验研究和仿真建模结合起来。我们研究了直流脉冲预热的生热机理、模型以及生热率的受控敏感度，也研究了交流预热的生热机理及生热率影响因子，目的就是研究怎么样才能更快地升温。另一方面，我们研究了电池不析锂的预热电流边界条件，做这方面研究的目的是减少预热过程对电池寿命的不良影响，因为众所周知，低温的时候，电池的主要老化机理是析锂。

??在应用研究方面，我们主要研究的是怎么样产生预热电流，所以我们申请的专利就是关于产生预热电流的电路结构及控制方法。

??我们把我们这些产生电流的方法集成到电动汽车上，与三电集成应用于电动汽车的低温预热。目前大部分车企采用的预热方法仍然是外部预热，虽然大家都在研究，但是真正走到公告那一步的还是少数，就是现在大家还在成果转化过程中。PTC加热，它的升温速率是每分钟0.6度左右，从-20度升到0度的时候电池的最大温差可能会在10度以上，这是外部预热。内部预热，它的普遍优点就是均温性好，最大温差可以控制在3度左右。内部预热，现在大部分的研发采用的是与电机电控集成，温升速率是每分钟1-2度，我们的方法当然也是要通过与电路的集成以及优化，可以达到每分钟6度。

??我们做了一些理论研究和应用研究，现在在寻求合作、寻求成果转化，提供定制化的方案设计，协助甲方共同完成硬件集成、软件集成、预热电流、优化控制以及析锂边界的估算。

??在储能电站中的应用，我个人认为内部预热的技术是可以考虑把它应用于储能电站的。左边的这张图，上面的是我们采用的低温预热产生预热电流的电路，可以看出来，这个产生预热电流的电路，和储能电站当中的PCS，在结构上是可以找到很多相似的地方。比如说，左下角的含DC/DC的PCS，和上面的图就非常的相象。右边的链式储能变换器的电路拓扑，可以看到它与产生低温预热的电路也是很相似。在储能电站当中的应用，我个人认为想要工程应用，最大的障碍、它的核心就是如何降低成本，应该说成本是首要的考虑因素，也就是如何复用现有的PCS的硬件结构，来实现低温预热。

??最后，介绍我们先进储能与双碳实验室。先进储能与双碳实验室有3名教授，6名副教授，硕博研究生有70余人，现在已经成长为国内具有新能源及新能源汽车系统集成及控制优化的重要研发及技术人才储备基地。

??以上是我的汇报。

【责任编辑:孟瑾】