车用锂离子电池低温特性与加热方法研究进展*

朱建功，孙泽昌，魏学哲，戴海峰，房乔华，唐 轩

（1.同济大学新能源汽车工程中心，汽车学院，上海 201804； 2.卡尔斯鲁厄理工学院，KIT-IAM-ESS，Karlsruhe 76344）

前言

新能源汽车作为响应节能和环保的时代主题，持续“爆发式增长”［1］。动力电池为整个新能源系统提供电力，是电动汽车的关键部件之一。但是，电动汽车在低温环境中运行时，其动力电池和电机等主要部件的性能会严重衰减，甚至出现动力故障不能运行的状况。据报道，日产Leaf、雪佛兰Volt、特斯拉Models、腾势、北汽新能源EV系列和江淮新能源IEV系列等纯电动汽车的续驶里程和充放电等性能均受到低温环境的严峻挑战。

在电动汽车的推广过程中，续航里程、充电时间和使用安全性均主要受动力电池特性的制约［2-4］。锂离子动力电池的特性受环境温度的影响显著，尤其是在低温环境中，其可用能量和功率衰减严重，且长期低温环境使用会加速动力电池的老化，缩短使用寿命。常用的电动汽车锂离子动力电池在-10℃时，容量和工作电压会明显降低［5-7］，-20℃时性能更加恶化，表现为其可用放电容量骤降，仅能保持常温时比容量的30%左右［8-10］。

同时，低温环境下，锂离子电池充电困难，且充电时其负极表面易堆积形成金属锂［6，11-14］。锂枝晶的生长会刺穿电池隔膜，造成电池内部短路，不仅对电池造成永久性损伤［4-6，15-18］，甚至会诱发电池热失控，导致其使用安全性大大降低。研究数据表明，低温导致的动力电池功率特性变差和充放电库伦效率下降等缺点是制约电动汽车技术优势发挥和实际应用的客观因素之一。因此，满足车用需求的低温加热技术得到了广泛的关注和应用［19］。

本文中主要关注目前低温环境下锂离子动力电池的性能及其衰减机理，通过电池单体测试研究，针对目前主流的镍钴锰体系（LiNi1／3Co1／3Mn1／3O2／C）和磷酸铁锂体系（LiFePO4／C）动力电池进行低温充放电测试，并结合文献，分析制约锂离子低温性能的关键因素。然后从动力电池管理系统角度出发，对目前低温加热技术的研究进展进行综述，旨在为改善车用动力电池低温性能，对车用低温热管理技术提供一定的指导。

1 锂离子电池低温特性

1.1 动力电池低温实验测试分析

选取不同规格、不同材料的3款动力电池进行测试，包含低温放电、充电和交流阻抗测试，电池样品参数见表1。

其中样品 A为 18650型镍钴锰体系（LiNi1／3Co1／3Mn1／3O2／C）动力电池，样品 B为磷酸铁锂体系（LiFePO4／C）动力电池，样品C为另一款镍钴锰体系（LiNixCoyMn1-x-yO2／C）动力电池。充放电测试使用Arbin（BT2000）充放电加载测试仪，电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）测试使用 Solartron（SI 1287，1255B）电化学工作站。测试前，3款电池均在25℃环境中，通过充放电使其SOC达到一致。比如，在放电测试中，3款电池均在25℃环境中使用恒流恒压充电使SOC到达100%，然后在帕特纳恒温箱的不同温度中静置4 h，等电池温度与设定温度达到一致后，进行相应的测试。

1.1.1 电池低温放电特性

图1为两种不同材料体系，不同规格的锂离子动力电池在不同温度、不同倍率（1C，2C）下放电电压曲线图。由于本研究使用的3款动力电池具有不同的额定容量，为方便对动力电池特性的对比，使用电流倍率来统一地对动力电池特性进行描述。从图1（a）和图1（b）可知，随着环境温度的降低，电池的放电电压曲线均表现为快速下降趋势，动力电池功率特性恶化；且随着温度的降低，动力电池达到截止电压的时间缩短，表明其可用容量衰减严重。对比发现，同等温度下，样品B动力电池的衰减速率显然高于样品A动力电池，其原因主要是材料性能决定的，磷酸铁锂材料固有的低温导电性差致使动力电池的低温特性衰减严重［20］。温度越低，动力电池的初始端电压降幅也越大。因为随着温度的降低，动力电池的阻抗增加，导致电池内阻的分压增大，因此电池的端电压降低。注意到动力电池进行低温放电初期，动力电池端电压有所回升，该现象主要是动力电池在放电过程中的产热导致。图1（c）和图1（d）为上述两款锂离子动力电池在环境温度为-10℃时，1C和2C放电倍率下的电压曲线图。在低温条件下，随着放电倍率的增加，动力电池的功率特性和容量特性均存在衰减严重的问题。

表1 测试电池样品的规格参数

为更直观地表达温度和放电倍率对动力电池功率及容量特性的影响，图2（a）和图2（b）示出两款动力电池在不同放电倍率（0.5C，1C，2C），不同温度（25，0，-5，-10，-15，-20，-25，-30℃）下的可用容量比，每款动力电池共24个测试工况点。可用容量比定义为

图1 动力电池的放电电压曲线

图2 不同放电倍率、不同放电温度下动力电池的放电容量比和放电初始电压比

从图中可看出，随着温度的降低，其可用容量衰减严重。动力电池容量随着环境温度的降低而大幅下降，样品A动力电池在-30℃的0.5C倍率放电和1C倍率放电容量均已衰减至25℃放电容量的50%左右，2C恒流放电容量为0。对比发现，同等温度下，样品B动力电池的衰减速率显然高于样品A，其原因为磷酸铁锂材料的低温导电性较差［20］。可见低温环境严重制约了动力电池的使用，是大幅缩短电动汽车续驶里程的主要原因，且放电倍率对动力电池容量的影响随温度降低而显著增加。

鉴于动力电池A的放电曲线没有明显的电压平台，且因自身产热的影响，在低温放电时存在电压回升的现象，见图1，故通过对比初始端电压来评价动力电池的功率特性与温度和放电倍率的关系。为此，引入初始端电压比ivol的概念，定义为

图2（c）和图2（d）为两款锂离子动力电池在不同环境温度和不同放电倍率下的初始端电压比图。从图2（c）和图2（d）可知，动力电池放电初始端电压不仅受温度影响而且受放电倍率的影响也十分明显。随着温度的下降，动力电池初始放电端电压持续下降，主要是因为温度降低，动力电池内阻增大导致动力电池内部分压增加。且随着温度的降低，动力电池在不同倍率下放电初始端电压的差异更加明显，温度-30℃，0.5C倍率放电初始电压比25℃时的初始电压仅仅下降了6.8%，1C倍率放电初始电压比25℃时的放电初始电压下降了将近12.7%，2C倍率放电初始电压比25℃时的放电初始电压下降了将近22.8%。低温大倍率放电时动力电池的输出电压衰减严重，影响动力电池的功率输出，在车用工况下，主要影响整车的加速和爬坡特性。

1.1.2 电池低温充电特性

图3 不同温度下动力电池的充电曲线和充电容量对比

动力电池的充电时间、充电深度和充电安全一直是电动汽车重点关注的问题。图3（a）和图3（b）为样品B和样品C两款动力电池以0.5C倍率充电电流，环境温度为25，-10和-20℃下的CC-CV充电曲线。对于两款动力电池，当充电刚开始时，电池端电压瞬间上升，且温度越低动力电池充电的起始电压就越高。低温下其端电压上升较快，很快达到截止电压，进入恒压充电阶段。随着温度的降低，动力电池的恒流充电时间缩短，而恒压阶段充电时间延长，充电总时间也变长（见图3，箭头所指为充电结束时刻）。表明充入同等电量下，动力电池所需要的充电时间将大大增加。

图3（c）和图3（d）为上述两款动力电池在不同温度环境中充电电量测试结果，分为恒流阶段充电电量和恒压阶段充电电量。从图中可知，对于同一电池设置相同的充电截止条件，随着温度的下降，动力电池整体充入电量呈下降趋势。在设定的CC-CV充电模式下，随着温度的降低，动力电池恒压阶段充入的电量增加。可以认为，温度的降低致使动力电池恒流充电电量缩减，主要依靠恒压进行充电，长时间的恒压阶段充电导致动力电池整体充电时间延长，使充电时间效率降低，且长时间的低温恒压充电也是导致动力电池发生副反应性能衰减的诱因之一。

1.1.3 电池低温电化学阻抗特性

电化学阻抗谱测量术EIS，也称交流阻抗谱测量术，是通过在一定频率范围内，对电化学体系依次施加一个小振幅正弦交流信号（电压或电流），而测得其随频率变化的交流电压与电流信号比值的方法。该方法能比其它常规的电化学方法得到更多的电极界面结构和动力学信息。因此被广泛应用于研究锂离子电池的内部机理［21-24］。本文中利用 EIS研究温度对动力电池电化学阻抗特性的影响。

图4 电池交流阻抗谱与温度的耦合关系

图4为两款测试样品在SOC为50%时，不同温度下的交流阻抗图谱。图中以阻抗实部为横坐标，阻抗虚部为纵坐标，按照频率从高频到低频绘制（测试频率为 100 kHz-0.01 Hz；激励电流幅值为1.5 A）。随着温度的降低，交流阻抗弧（直径）显著增大，具体来说，首先整个图谱表现为向右偏移，超高频区域欧姆阻抗增加；高频和中频阻抗弧随着温度的降低逐渐扩大，表示固液相界面（solid electrolyte interphase，SEI）膜阻抗和电荷迁移内阻的增加；低频区域表征扩散过程的斜线的斜率也发生较为明显的变化。低温下，对于样品A电池其扩散斜线在图谱中已经消失，且在-20℃时，阻抗已增大至常温下的数倍。

为进一步分析阻抗随温度的变化规律，利用基于电化学阻抗谱分析的等效阻抗模型进行定量分析。图5（a）为等效阻抗模型与阻抗图谱的对应关系［25-28］，具体说明如下。

（1）超高频区域（10 kHz以上） 表示电子通过活性材料颗粒间的输运和锂离子在活性材料颗粒空隙间电解液中的输运［29-30］，在EIS谱上表现为图谱与实轴的交点，定义为电化学欧姆内阻R0。

（2）高频区域 锂离子通过活性材料颗粒表面SEI膜的扩散和迁移，在阻抗图谱上表现为半圆弧［31-33］，该过程在阻抗模型中用 RSEI／CSEI并联结构进行等效替代。

（3）中频区域 与电化学反应相关的阻抗弧，包含电荷迁移和电双层充放电两个过程。电荷迁移过程发生在固相电极和电解液的相互交界处［34-35］。该过程遵循法拉第定律，因此该过程也称为法拉第过程。电荷迁移过程中，电荷的传递速度由法拉第电流来体现，一般可把电荷迁移过程等效成一个纯电阻，称为电荷迁移内阻或者法拉第电阻，用Rct表示。电双层充放电过程也称为非法拉第过程，同样该过程也发生在固相电极和液相电解液界面的交界处，构成了一个类似电容的物理结构，从而形成电极的界面电双层，用电容Cdl表示。

（4）低频区域 主要是锂离子在活性材料颗粒中的扩散过程［28，36-37］。当电化学反应发生时，法拉第电流流经固相电极和电解液界面，导致界面上会有反应物的消耗和生成物的累积，引起固液相上有浓度差出现。根据多孔电极理论［38-40］，固相电极假设为具有一定孔隙率的球形颗粒，随着反应的持续进行，颗粒内部的物质积累会越来越多，界面内外物质浓度梯度下降，同时物质扩散速度减慢。当电极上的物质扩散慢慢进入稳态时，这时就会产生稳定的浓差极化，即电池内部因锂离子浓度分布的差异而引起的极化现象。一般可用半无限扩散的阻抗韦伯阻抗ZW来表示扩散过程，考虑到电极表面几何因素（多孔和粗糙等）和吸附的存在，也用常相位元件来表示，用符号ZD表述。

（5）极低频区域（＜0.001 Hz） 锂离子在活性材料中的累积和消耗以及由此导致活性材料颗粒晶体结构的改变或新相的生成过程。

因EIS的测试范围为100 kHz-0.01 Hz，故在EIS谱中观察不到极低频区域活性材料颗粒晶体结构的改变或新相的生成相关的半圆。如图5（a）所示，借助交流阻抗谱分析软件ZView，对电池阻抗参数R0，RSEI和Rct进行拟合辨识，3个阻抗值可根据阻抗图谱的横轴分别计算获取。图5（b）为SOC为50%，样品A电池电化学欧姆内阻R0，SEI膜内阻RSEI和电荷迁移内阻Rct随温度的变化曲线。

图5 SOC为50%样品A电池电化学欧姆内阻、SEI膜内阻和电荷迁移内阻与温度的关系

从图5中可得出，阻抗均随着温度的降低而增加。其中R0和RSEI随温度变化较平稳，随温度的降低阻抗值增量较少。但Rct随温度下降而大幅上升。原因是R0和RSEI主要受电解液中离子电导率影响，其温度变化的规律与电解液离子电导率随温度变化的规律类似。在3个内阻成分中，Rct受温度的影响最为显著。随着温度的降低，Rct在整个动力电池阻抗中所占的比例逐步提升。当温度低于-20℃后，Rct在整个动力电池阻抗中所占比例基本已接近80%。因此，可以认为锂离子动力电池的低温性能主要受限于较大的电荷迁移内阻Rct。基于样品B动力电池在SOC为50%的阻抗数据重点对电荷迁移内阻进行分析，结果如图6所示。在阻抗图谱中，Rct多用来表示动力电池电化学反应能力，数值越小表明电化学反应速率越快。电池的阻抗表现出随着动力电池温度的降低显著增加，表明电池的化学反应速率显著降低。电荷迁移内阻与温度的关系可用Arrhenius方程来描述［41］：

式中：A1为电荷迁移内阻的指前因子；Ea为电化学反应活化能；R为气体常数；T为温度。

图6（b）为 ln（Rct）与绝对温度倒数的关系。从图中得出，ln（Rct）与1／T具有显著的线性关系。利用该规律进行Arrhenius定律作图，可求得反应活化能。

图6 样品B动力电池SOC为50%的电荷迁移内阻与温度的关系图

1.2 影响锂离子动力电池低温特性的关键因素

锂离子动力电池在低温使用中能量和功率特性衰减严重，参照文献并结合本文中实验研究分析，宏观上，锂离子动力电池的低温性能表现为随着温度的降低，动力电池的阻抗增大，放电电压平台降低，且电池的端电压下降较快，导致其可用容量和功率大大衰减；另外，动力电池在低温下不仅难以实现大电流放电，且因电池阻抗的增加［15］，导致充电电压迅速上升，使电池到达充电保护终止电压的时间缩短，因此存在充电困难和充电效率低［15，42］的缺点。在微观尺度上，锂离子动力电池低温特性可总结为主要受到以下关键因素的制约：

（1）低温下电池内部电解液离子电导率过低［43-45］；

（2）低温下电池负极石墨颗粒表面SEI膜的电导率降低［46-48］；

（3）低温下电池电极电化学反应速率降低［41，49-51］；

（4）低温下电池负极石墨材料颗粒中的锂离子固相扩散系数过低［44，47，52-54］。

具体来说，首先锂离子动力电池低温下的性能与电池电解液相关。动力电池电解液溶剂不仅直接影响电解液液相线温度范围，且直接参与到生成SEI膜的反应中。低温下电解液电导率降低，且低温充电导致析出的锂金属易与电解液反应，导致锂离子动力电池低温性能进一步恶化。

低温下电池内部电极SEI膜阻抗的增加是动力电池低温性能恶化的另一因素。低温下，电池内部电极SEI膜阻抗增加，动力电池可用功率下降。尤其在低温充电时，负极颗粒表面析出金属锂，锂金属与电解液反应致使SEI膜增厚。一方面增加了电池的SEI膜阻抗，另一方面，负极中可用活性锂离子的减少会导致动力电池容量不可逆的衰减。

低温下动力电池电化学反应速率降低，电荷迁移内阻显著增加。相比于电化学欧姆内阻和SEI膜阻抗，电池电化学反应过程受温度控制的作用更明显，电荷迁移内阻随着温度的降低呈指数增加，可以认为，低温电荷迁移内阻剧增是动力电池功率性能恶化的主要原因。

锂离子在负极石墨中的固相扩散系数减小也是导致动力电池低温性能变差的主要因素之一。低温下锂离子在负极石墨中的固相扩散系数减小，是导致动力电池容量特性变差的主要速度控制步骤。当电池进行低温充电时，较小的扩散系数会导致锂离子在负极石墨中的扩散过程受阻，从而易在负极颗粒表面产生“锂沉积”，对电池造成永久性损伤。

2 动力电池低温加热技术研究进展

为提高动力电池低温性能，在工程应用上，从动力电池管理系统角度出发，可根据车用需求，开发针对车用动力电池模块和动力电池包的新型低温加热技术，使动力电池在低温环境下能够保持在正常工作温度范围内，满足正常充放电的要求，从而使整车达到最佳性能状态。低温加热技术按照其热传导方式，主要可分为外部加热法和内部加热法。

2.1 外部加热方法

该方法依托车用热管理技术，通过在动力电池包或动力电池模块外部添加高温液体／气体、电加热板、相变材料及利用珀尔贴效应等手段来实现热量由外向内的热传导，主要有以下几种加热方式。

（1）循环高温气体加热［55-58］是指以空气作为介质直接穿过动力电池模块而达到加热动力电池组的目的。一般采用强制空气对流的方式，即通过外加风扇等装置将热空气送入动力电池箱，与动力电池进行热交换。热空气可由加热片产生，也可利用电机散发出来的热量和车内功率较大的电子电器加热装置获取。对于混合动力汽车，还可通过发动机提供加热空气的能量。这种方式要求尽可能增加空气与动力电池的热接触面积，具有成本低的优势。但动力电池的封装、安装位置和热接触面积需要重点设计来提高能量利用率和加热均匀性。文献［59］中表明，利用热空气直接对动力电池箱进行加热的方式对空气调节系统负荷较大，且经济性差。

（2）循环高温液体加热［60-61］与循环高温气体加热方法类似，但因液体边界层薄，具有导热率高的优势，故在相同流速下，直接接触式液体的热传导速率远高于空气。且在较为复杂的工况下，液体可更好地满足电动汽车动力电池的热管理要求。目前主要的方式是采用液体与外界进行热交换把热量送入动力电池组，可在模块间布置管线或围绕模块布置夹套，或把模块沉浸在液体中。若液体与模块间采用传热管和夹套等，可采用水、乙二醇、油甚至制冷剂等作为传热介质。若动力电池模块沉浸在介质传热液中，必须采用绝缘措施防止短路。传热介质和动力电池模块壁之间进行传热的速率主要取决于液体的热导率、黏度、密度和流动速度。目前液体加热方法对动力电池箱的密封和绝缘要求较高，会增加整个动力电池箱设计的复杂程度，在可靠性方面尚有许多问题需要解决。

（3）动力电池表面布置加热板、加热膜类加热法［62-67］加热板加热是指在动力电池包顶部或底部或之间添加电加热板，加热时，电加热板通电，加热板的一部分热量通过热传导方式直接传给动力电池。文献［68］中对动力电池组底部加热进行了研究。结果表明：采用加热板加热，加热时间长，加热后动力电池组温度分布不均匀，出现了较大温差。张承宁等［18，69］将宽线金属膜贴于动力电池单体的两个较大侧面进行加热，该方法的温度均匀性较好、加热效率较高，但需要精确地温度控制系统，且高温时，在一定程度上会影响动力电池单体的散热。

（4）动力电池模块填充相变材料或填充化学反应产热材料加热［70-71］示意图如图 7（a）［72］所示。相变材料（phase change material，PCM）由于其巨大的蓄热能力被应用于动力电池组热管理系统。相变冷却机理是靠相变材料的熔化（凝固）潜热来工作，利用PCM作为动力电池热管理系统时，把动力电池组浸在PCM中，PCM吸收动力电池放出的热量而使温度迅速降低，热量以相变热的形式储存在PCM中［73］。在低温环境下，PCM通过从液态转变为固态过程中释放存储的热量，可对动力电池进行加热和保温。在相变过程中，PCM温度维持在相变温度，利用这个特性可有效解决动力电池在低温环境下温度过低的问题［74］。但PCM的导热系数普遍较低，需要加入高导热材料如膨胀石墨、碳纳米管等增加其导热能力［75］，导致使用成本增加。

图7 几种电池加热方式示意图

（5）珀尔贴效应加热法［76-78］示意图如图7（b）所示。珀尔贴效应是指电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。利用珀尔贴效应这种特殊性质，通过改变电流的方向，可实现加热和制冷两种功能。加热和制冷的强度可通过调节电流的大小达到精确控制的目的。目前珀尔贴效应在电子设备上已经有一定的应用［79］，但其在动力电池上的应用研究还较少。Bartek和Marcin等［80］利用珀尔贴效应研制开发了主动式动力电池组热管理系统，且装配到某款电动汽车上，其热管理系统可有效地对动力电池进行冷却和加热，但文献中未给出热管理系统的具体结构形式。同时，研究［81］表明，利用珀尔贴效应进行动力电池热管理的效率相对较低，会增加电源的功耗。另外，基于珀尔贴效应的热管理系统，其加工制造工艺比较复杂，设计和使用成本较高。

对于混合动力汽车，专利文献［60-61，82］中使用发动机冷却液对动力电池模块加热，使动力电池升温至正常工作温度，以实现启动和正常充放电。该方法充分利用发动机热量，但其结构复杂，成本高，存在加热缓慢和动力电池内外温差大的缺点。专利文献［64-65，83］中利用电热丝加热密闭动力电池模块内空气或加热动力电池外表面实现动力电池温升，该方法加热效率较低，且需较大空间，对车辆布局影响较大。专利文献［84］中提出纯电动汽车可使用汽车空调对动力电池包进行热管理，当动力电池包温度低于一定阈值后，空调向动力电池包输送热风，该方法能量损失较大且加热效率低，系统加热响应也较为缓慢，同时还存在动力电池模块温度梯度较大的缺点。

2.2 内部加热方法

内部加热方法是利用电流通过有一定电阻值的导体所产生的焦耳热来加热动力电池，导体为动力电池本身。动力电池内部电解液在低温下黏度增加，阻碍了电荷载体的移动，导致动力电池内部阻抗增加，极端情况下电解液甚至会冻结。但是，利用动力电池在低温条件下阻抗增加的特性，可采用阻抗生热的方式来保持动力电池的工作温度。Pesaran等［42］对内部加热和空气加热进行比较，发现内部所需能量更少，经济性更高。根据电流的正负流向可具体分为充电加热法［85］、放电加热法［85-86］和交流激励加热法［87-95］；根据提供电流的电源不同，可分为自损耗型加热和外部能源供给加热。

Ashtiani等［89］提出动力电池低温充电加热方法，利用低温下动力电池阻抗增加的特性，在充电过程中的产热使动力电池恢复常温。专利文献［96］中提出充电和动力电池表面贴电热片并用的混合型加热方法。充电加热方法中，为避免电池产生过压，须对动力电池电压进行严格限制，此限制严重制约了其加热的灵活性和加热效果。

放电加热法是利用动力电池放电过程中的内部阻抗产热实现动力电池的升温。Ji等［87］建立了动力电池放电与空气对流综合加热系统，提出利用车载动力电池的放电电流通过加热元件时所产生的热量加热元件周围空气，热空气通过风扇输送至动力电池组，对动力电池组进行加热和保温。同时，动力电池自身的产热也会加快动力电池的温度上升速率。该文献中仿真研究了在环境温度为-20℃时，加热元件的电阻对系统加热性能的影响。结果表明，加热元件的电阻越小，系统的加热速率越快，效率越高。但放电加热方法随着放电时间增加，动力电池能量的损耗较大，且该方法需要调节负载对动力电池放电电流进行控制，对放电负载要求较高。当动力电池SOC较低时，该方法的使用有局限性。

Wang等［86］设计一种新型动力电池自发热结构，示意图见图7（c）。在单体动力电池内部埋设镍箔加热片，当检测到动力电池温度低于0℃时，会引导电子穿过镍箔产生热量加热电池自身。该方法通过动力电池放电产热和内部加热片综合升温，实验结果表明能在30 s内将锂离子动力电池从-30℃加热到0℃以上，具有较好的温升效果和加热效率，但须对动力电池单体结构进行较大的改动，一定程度上减小了电池的能量密度。

图7（d）为交流加热方法示意图，即对动力电池正负极施加一定频率和幅值的交流电，利用动力电池在低温下的自身阻抗产热升温。2004年，Stuart和 Hande［94，97-98］首先提出了利用交流激励对动力电池进行内部加热的方法，其实验对象为铅酸动力电池和镍氢动力电池。在其方案中，使用有效值为110 A，频率为60 Hz的交流电对低温-40℃下的12 V，13 A·h铅酸动力电池进行激励，6 min的时间即可将铅酸动力电池从-40℃加热至6℃；他们还对日本松下16组串联的镍氢动力电池组（单组动力电池额定容量为6.5 A·h）进行交流电加热实验，交流电频率为10～20 kHz。当交流电有效值为80 A时，仅需2 min即可将动力电池从-20℃加热至10℃，满足车用要求。

对于锂离子动力电池，Ji等［87］通过建立锂离子动力电池低温电化学热耦合模型，对内部加热和其它几种常用的外部加热法的加热效果进行仿真。分别以动力电池加热过程中的能量损失、加热时间、加热对动力电池系统的影响和加热系统的成本为指标，对几种不同的加热方案进行对比分析。结果显示，相互脉冲加热方式的效率最高，在初始温度为-20℃时，把动力电池加热至20℃仅消耗动力电池容量的5%。

Zhang等［99］采用正弦交流激励对18650型锂离子动力电池进行低温下的内部加热，利用集总参数热模型仿真与实验验证相结合，指出在一定范围内，正弦交流电的幅值越高，频率越低，则动力电池的升温速度越快。当正弦交流电的幅值为7 A（2.25C），频率为 1 Hz，而外部对流换热系数为15.9 W·m-2·K-1时，动力电池可在15 min内从-20℃升高到5℃，且动力电池内部温度分布均匀，验证了交流加热方法应用到锂离子动力电池的可行性。北京交通大学也使用交变电压激励的方法，利用测试台架实现某款18650型锂离子动力电池的有效加热［100］。

Zhu等［101-103］针对不同规格、不同材料体系动力电池单体进行交流加热寿命实验研究，提出在限压阈值保护的前提下，提高激励电流的频率是有效控制负极电势，避免“锂沉积”的有效方法。对于测试的 LiNi1／3Co1／3Mn1／3O2／C材料体系锂离子动力电池，交流加热的限压阈值为4.2 V／2.75 V，频率在10 Hz以上能够有效避免动力电池寿命衰减；对于测试的LiFePO4／C材料体系锂离子动力电池，通过电池拆解和电子扫描显微镜（SEM）测试发现，其具有较好的颗粒尺寸和孔隙率等电极结构，在交流加热测试、限压阈值为3.7 V／2.5 V，低频为0.5 Hz及以上均未表现出寿命衰减。

本文中分别从结构复杂度、加热速率、温升均匀性和使用安全性对上述几种主要加热方法进行总结，结果见表2。外部加热方法依靠外部加热源通过热传导来加热动力电池，比内部加热法安全。但它一般需要额外的组件，且有结构较为复杂、能耗较高、加热温度场分布不均匀和加热较慢的缺点，主要原因在于外部加热法采用的是动力电池外部热源，热量由动力电池外部传递到动力电池内部需要一定的时间且易形成温度梯度。内部加热方法依靠动力电池自身阻抗产热，具有加热快速且发热均匀的优势。放电和充电两种直流电加热方式对设备要求低，适用性好，具有速度快，效率高，温升均匀的优点，但直流电加热方式在加热过程中所产生的大电流和低温环境下的巨大内阻会使电池发生严重的副反应［19］，且低温持续充电易导致锂离子电池负极石墨产生“锂沉积”，造成动力电池寿命衰减过快，严重时“锂沉积”结晶会刺穿隔膜产生热失控。与直流电加热方式相比，交流加热方式由于其交流电特性，可有效降低对动力电池的副作用。总体来说，已有研究成果表明，内部加热方法对锂离子动力电池的适用性和加热效果具有很好的可行性，但内部加热方法应用于电动汽车的研究尚处于初级阶段，其使用安全性有待进一步的研究确认。

表2 动力电池不同加热方法性能对比

3 结论

随着温度的降低，锂离子动力电池的能量和功率特性严重衰减。通过低温下的放电特性、充电特性和电化学阻抗特性实验测试和综述文献分析得出了制约锂离子动力电池低温特性的关键因素为：低温下电解液离子电导率、负极颗粒表面SEI膜的低电导率、动力电池电化学反应速率和负极石墨材料颗粒中的锂离子固相扩散系数的降低。

为提高动力电池低温性能，需要对其进行加热。通过对不同加热方法的对比得到以下结论：外部加热方法依靠外部加热源通过热传导来加热动力电池，其结构较为复杂，能耗较高，加热温度场分布不均匀，加热速度较慢；内部加热方法依靠动力电池自身阻抗产热，具有加热快速且发热均匀的优点。其中交流加热方法具有对动力电池能耗小、温度场分布均匀、使用成本较低和加热效率较高的优势。但是，对于电动汽车应用来说，交流加热方法的研究仍处于初级阶段。一方面，该方法对动力电池的寿命和使用安全性的影响仍待考查；另一方面，从基础研究到电动汽车实际工程应用，还须设计可输出交流激励的工程样机。