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摘 要 在低溫環(huán)境下，電池加熱是提升儲能系統(tǒng)性能、延長電池壽命以及確保其安全性的重要技術手段。針對儲能用高容量鋰離子電池的低溫加熱問題，本工作考慮電池的尺寸效應及其各向異性的熱傳導特性，結合數(shù)值模擬和實驗測試手段，提出了利用電熱膜對電池模組進行快速加熱的方法。探討了電池加熱功率、加熱部位及模組多維度錯位協(xié)同加熱方法對電池溫度場及其升溫速率的影響。結果表明，電池的溫升速率與加熱膜輸入功率之間呈現(xiàn)出線性關系。電池大面加熱功率為350 W時，電池平均溫度在118 s內可從-20 ℃上升至0 ℃，最大溫度達到39.4 ℃，且291 s后電池組溫度達到平衡。雙側面加熱相比大面加熱，其溫度提高了18%，但材料成本減少了38%。實驗結果驗證了仿真模型的準確性，表明了本方案加熱時間短、可靠性高，且可快速提升電池組溫度。研究結果對戶用儲能設備的熱管理技術開發(fā)及優(yōu)化等具有一定的參考意義。
關鍵詞 鋰離子電池；加熱膜；低溫環(huán)境；快速加熱
儲能設施是構建新型能源體系最重要的技術和基礎裝備之一，鋰離子電池因其能量密度高、壽命長、減少污染等優(yōu)點，成為儲能設備良好的組成單元。然而，在低溫環(huán)境中，儲能電池的性能大幅度降低，特別是電池低溫下充電發(fā)生析鋰現(xiàn)象，嚴重影響電池壽命，存在極大的安全隱患。對于可再生能源儲存的應用，加熱系統(tǒng)能夠確保電池在寒冷氣候條件下的可靠性和高效性，使其適應更廣泛的使用場景。因此，電池儲能設備需要研究低溫電池快速加熱策略，實現(xiàn)對儲能電池組的熱管理，確保鋰離子電池的溫度保持在適宜的范圍內。
為改善低溫電池的加熱效果，目前很多學者研究了可以對低溫電池加熱的方法，主要分為兩類，內部加熱法與外部加熱法。內部加熱方法包括交流加熱法、直流加熱法以及電池自加熱法；外部加熱方法包括空氣加熱法、加熱膜加熱法、相變材料加熱法等加熱方法。
內部加熱通常是在電池內部產生大量熱量，使電池升溫且受熱更加均勻。何錫添等設計了一種變頻變幅交流自加熱策略，相比于恒頻變幅加熱策略，其溫升速率最大可提高21.85 %。Wang 等提出了一種新的電池結構，通過在電池內部安裝加熱元件，實現(xiàn)了低溫下快速自加熱。外部加熱的主要原理是通過熱傳導或熱對流將熱量傳遞到電池內部實現(xiàn)加熱。張承寧等采用寬線金屬膜加熱法，通過加熱低溫電池顯著提高了電池的性能；E等設計了一種加熱膜和相變材料耦合預熱的方法，通過確定耦合的最佳參數(shù)，使預熱時間大大減小，預熱效果良好。Zhang等使用相變材料與加熱膜設計了兩種加熱方式，結果表明大面加熱的效果優(yōu)于側面加熱。熊瑞等]提出了一種加熱膜與交流加熱復合加熱方法，該方法的加熱效率為3.18 ℃/min，具有良好的溫度調整能力和加熱效果的一致性。
目前，國內外在鋰電池低溫加熱方面，對電池加熱的方式方法的研究尚不充分，加熱效果尚未達到預期水平，仍存在加熱效率低等問題。同時方形電池的熱傳導存在各向異性，在電池的不同表面加熱時，其加熱效果存在差異。本工作以方形電池為對象，通過對外部加熱功率及電池加熱方法的參數(shù)化分析，探究電池低溫下外部加熱策略，并通過實驗驗證了加熱策略的可行性與有效性。
1 方法
1.1 物理模型
為了建立電池熱模型，需要獲取電池單體的熱物性參數(shù)。以方形磷酸鐵鋰(LFP)電池為對象，文中鋰電池的熱物性參數(shù)通過實驗獲得，根據(jù)文獻[17]的方法得到單體鋰電池各部分的相關參數(shù)，電池基本參數(shù)如表1所示。
表1電池的規(guī)格參數(shù)
根據(jù)方形電池的對稱性，選擇電池的1/2對稱體積建立模型即可滿足仿真需要。簡化的電池組模型由2個半電池組成，電池大面相對放置，電池側面與剖面均設置為對稱表面。在低溫環(huán)境溫度下，本工作采用加熱膜在短時間內將電池模組加熱至適宜的工作溫度，并確保電池組良好的溫度均勻性，便于后續(xù)的正常充放電行為。加熱膜的基本參數(shù)見表2。根據(jù)加熱膜排布位置，分別在電池大面、側面和底面上粘貼加熱膜，電池模型見圖1。利用穩(wěn)壓電源向加熱膜輸入電信號，加熱膜產生熱量通過熱傳導由電池外表面?zhèn)鬟f至低溫電芯，為電池模組迅速升溫。
表2 加熱膜的基本參數(shù)
圖1 電池低溫加熱模型
實際電池組的結構比較復雜，在建立物理模型時需要對其結構進行簡化，忽略電池極柱、固定支架等結構，并假設電池的比熱容和密度均為常量。模型的網格生成在 ANSYS 軟件中完成，電芯與加熱膜均進行結構化網格劃分，通過由面到體的生成方法完成網格的劃分。
加密網格可以提高仿真計算的準確性。網格尺寸過大會使計算失真，甚至導致結果發(fā)散；網格尺寸過小則會增加計算時間，浪費計算資源。本研究針對電池模型劃分不同網格尺寸，分析了不同數(shù)量的網格對模型計算精度的影響。如圖2所示，當網格數(shù)超過120萬時，電池最大溫度趨于平穩(wěn)，因此確定網格模型共計4514415個節(jié)點、1229694個網格單元。
圖2網格無關性驗證
1.2 電池熱分析理論模型
2 數(shù)值仿真
2.1 加熱功率
將加熱膜粘貼在電池大面，加熱膜分別輸入不同的電參數(shù)，加熱功率從100 W增大到400 W，每組間隔50 W。初始溫度為-20 ℃，設定加熱膜的邊界條件為當電池平均溫度到達0 ℃時，加熱膜加熱功率變?yōu)?，電池的溫升結果如圖3所示。
圖3 不同加熱功率下電池的溫升結果
如圖3所示，隨著加熱功率的增大，電池平均溫度從-20 ℃線性升溫至0 ℃所需的預熱時間減少，之后電池平均溫度保持恒定；但電池最高溫度和最大溫差隨加熱功率的增大呈上升趨勢，在電池平均溫度為0 ℃的時刻達到峰值，后續(xù)電池最高溫度和溫差開始自由降溫至0 ℃。當加熱功率為350 W時，電池平均溫度由-20 ℃升至0 ℃僅需118 s，溫升速率為10.17 ℃ /min。此時，電池最高溫度和最大溫差分別為39.3 ℃和54.5 ℃。待電池加熱結束后，電池內部自發(fā)進行熱量傳遞，電池溫差迅速降低，電池的溫度均勻性趨于一致，且后續(xù)電池的溫度維持平穩(wěn)。
由加熱功率與電池溫升速率的關系(圖4)可發(fā)現(xiàn)，電池的溫升速率隨加熱功率的提高呈線性增長趨勢。對于加熱功率350 W及以上，電池加熱后溫差降至3 ℃以內的時間基本相同，說明功率持續(xù)增大對電池均溫的時間影響較小。通過加熱功率與加熱時間的關系，可以計算出不同加熱功率的耗電量均為11.47 Wh左右，故加熱消耗的電量轉化為電池自身的熱量，在不同功率下基本相同，耗電量對加熱速率無直接影響。
圖4 加熱功率與電池溫升速率的關系
2.2 加熱膜布置方式
方形鋰電池的熱導率呈現(xiàn)各向異性，在電池的不同方向上使用同一功率加熱，會產生不同的加熱效果。本工作分別采取了5種布置方案(圖5)來加熱電池單體，并觀察電池溫度變化情況。
圖5加熱膜布置圖
如圖6(a)所示，使用同一功率加熱電池，加熱膜布置方式不同，但電池平均溫度呈現(xiàn)相同的溫升趨勢，線性升溫至0 ℃，之后趨于穩(wěn)定。由圖6(b)、(c)可知，后3種方案最大溫度高于90 ℃，超過電池的正常工作溫度范圍，極大地影響了電池壽命。在相同的加熱功率下，后3種方案的加熱膜功率密度相比前2種方案增大數(shù)倍，短時間內電池傳熱速率比加熱速率慢，使得電池局部溫度激增，溫差升高。僅通過大面加熱的方案a1，電池的最高溫度和最大溫差分別控制在39.4 ℃和55.7 ℃以內，電池的低溫加熱性能最優(yōu)。其次，通過雙側面加熱的方案a2加熱電池，其電池的最高溫度和最大溫差與大面加熱方案相比提高了18%。但雙側面加熱方案與大面所使用的加熱膜相比，表面材料成本減少了38%。
圖6不同布置方式下電池的溫升結果
2.3 多維度協(xié)同加熱
對第2.2節(jié)不同的加熱膜布置方式進行組合，共采取了7種加熱膜組合加熱方案，具體方案詳情如圖7所示，分析加熱膜多維度協(xié)同加熱對電池溫升效果的影響。
圖7加熱膜協(xié)同布置方案圖
采用加熱膜多維度協(xié)同加熱方案時，加熱膜的功率相同，電池平均溫度變化一致，表明加熱膜的布置方式對電池總體傳熱情況的影響較小。圖8(b)(c)表明，方案b1、b3、b4的電池最高溫度和溫升曲線上升趨勢最平緩，最高溫度在42 ℃以內，該3組方案的加熱效果最佳。其中方案b6與b7加熱效果最差，溫升曲線基本相同，電池最高溫度達到104 ℃左右。此外，對比圖8(c)電池最大溫差的變化，方案b4的溫差在加熱118 s停止后，電池經過熱量傳遞，最大溫差仍在5 ℃以上，影響電池的使用性能。綜上，方案b1和方案b3的加熱效果更優(yōu)。
圖8不同加熱膜多維度協(xié)同下電池的溫升結果
3 實驗
3.1 實驗布置
電池低溫加熱測試系統(tǒng)主要包含上位機、數(shù)據(jù)采集儀、電池模組、穩(wěn)壓電源和高低溫試驗箱等設備，系統(tǒng)示意圖見圖9。本實驗對象為100 Ah的鋰離子電池，開展電池低溫加熱實驗時，電池組四周及底部用氣凝膠氈與珍珠棉組成的保溫隔熱材料包裹，電池模組大面或側面上分別布置0.2 mm的加熱膜。
圖9低溫加熱測試系統(tǒng)示意圖和實物圖
選用第2節(jié)中加熱效果良好的3種加熱膜布置方式(方案a1、方案b1和方案b3)開展實驗，對仿真結果進行驗證。為保證-20 ℃的低溫實驗環(huán)境條件，將電池模組放入高低溫試驗箱中靜置24 h均溫，待電池內外溫度保持穩(wěn)定時開展實驗。
由于電池內部無法內置熱電偶監(jiān)測電池溫度，因此將熱電偶(TC)布置在加熱膜的外表面，對比仿真與實驗時的加熱膜溫度數(shù)據(jù)，驗證電池低溫加熱方案的有效性。熱電偶的布置示意圖見圖10。
圖10熱電偶布置示意圖
3.2 實驗結果與討論
將2塊布置完成的目標電池放入試驗箱開展實驗，實驗用時600 s，據(jù)仿真結果，設定加熱膜的加熱時長為118 s，之后停止加熱。各仿真模型的溫升與實驗溫升的對比結果如圖11所示。
圖11電池低溫加熱的實驗與仿真溫升結果對比圖
結果指出，3組電池低溫加熱策略的仿真結果與實驗結果相吻合，平均溫差不超過2 ℃，表明模型的準確性較高。此外，實驗與仿真結果溫度偏差出現(xiàn)了兩次突增。首先，低溫加熱初期(10~50 s)，加熱膜為低溫狀態(tài)，電阻值較小，穩(wěn)壓電源的輸出功率高于預期值，仿真與實驗的溫差不斷增大。后續(xù)加熱膜升溫，電阻值變大，電源的輸出功率接近預期值，溫差下降。其次，電源加熱功率停止(120~130 s)時，仿真與實驗中加熱膜的溫差出現(xiàn)激增。這是由于熱電偶黏附在加熱膜表面會顯著抑制加熱膜散熱，使熱電偶處溫差驟升，在5 s之后溫差開始迅速下降，直至保持恒定，加熱膜的實驗溫度結果與仿真溫度結果趨于一致。
4 結 論
本工作使用外部加熱提高方形鋰電池的低溫性能，構建了方形鋰電池模型，數(shù)值研究了電池組模塊的溫升特性，并通過實驗驗證了電池加熱方案的可行性。得出以下主要結論：
（1）加熱膜輸入功率提升可縮短預熱時間，但加熱過程中的溫差增大。電池溫升速率與加熱膜功率呈線性關系。若加熱膜功率相同，電池平均升溫速率不受加熱膜布置方式的影響。
（2）加熱膜的加熱功率為350 W時，溫升速率為10.17 ℃ /min。且電池的大面加熱優(yōu)于其他布置方式，最大溫度為39.3 ℃，在291 s后電池的溫度達到動態(tài)平衡，低溫加熱速率有顯著提高。雙側面加熱相比于大面加熱，其溫度提高了18%，但材料成本減少了38%。
（3）對多維度協(xié)同加熱方法，大面與雙側面、大面與交叉?zhèn)让娴募訜岱椒ㄔ?18 s內的電池最大溫度分別為42.6 ℃和43.1 ℃，分別在307 s和346 s時電池內部溫度達到穩(wěn)定，均能夠滿足電池的低溫加熱需求。
（4）低溫加熱實驗充分驗證了仿真模型的準確性，最大溫差可控制在4 ℃以內，證明本工作提出的電池組快速預熱方案可行，能夠滿足電池預熱的實際需求。
