隨著電動汽車的推廣和普及，越來越多的動力電池應(yīng)用在電動汽車上，動力鋰離子電池面臨的一個很大的問題是冬季續(xù)航里程急劇減少，這主要與鋰離子電池的特性有關(guān)。鋰離子電池在低溫下動力學(xué)條件變差，因此容量、倍率性能，特別是充電性能都有很大的下降，這一點在寒冷的北方冬季就變的尤為嚴(yán)重，因此為了保證電動汽車在冬季的使用性能，電池組一般都會增加加熱系統(tǒng)，但是目前的加熱系統(tǒng)的效率比較低(通常需要耗時數(shù)十分鐘加熱電池)，嚴(yán)重影響電動汽車的使用的便利性。因此鋰離子電池的低溫下的熱管理問題是我們在電池設(shè)計、電池組設(shè)計過程中都需要著重考慮的問題。

近日美國賓夕法尼亞大學(xué)的Guangsheng Zhang等提出了一種基于鋰離子電池內(nèi)部加熱的電池組熱管理策略，能夠在短時間內(nèi)將鋰離子電池恢復(fù)到常溫性能，例如在-40℃下僅僅需要112s就可以使得鋰離子電池的性能完全恢復(fù)，該技術(shù)也使得電動汽車的續(xù)航里程顯著增加，例如在-40℃下能夠使電動汽車的續(xù)航里程提高49%。


該技術(shù)的核心是自加熱電池，該電池設(shè)計如上圖所示，需要在電池內(nèi)部置入兩片Ni片，每片Ni片的阻抗為78mW，分別放置在電池的1/4和3/4厚度處，兩片Ni片之間以并聯(lián)形式連接在一起，并通過一個開關(guān)與正負(fù)極連接在一起，用于控制鋰離子電池的是否加熱。Guangsheng Zhang在上述自加熱電池的基礎(chǔ)上設(shè)計了控制方案，能夠根據(jù)電動汽車的負(fù)載情況控制加熱開關(guān)的開啟和關(guān)閉。

我們知道在電動汽車的使用過程中，除了正常行駛外，還會發(fā)生剎車等情況，電動汽車在剎車等過程中一般都會進行能量回收，在鋰離子電池溫度足夠的時候，這部分能量會直接存儲在鋰離子電池中，但是當(dāng)鋰離子電池溫度過低時，為了防止鋰離子電池在低溫下充電造成負(fù)極表面析鋰，這部分能量通常被浪費掉。Guangsheng Zhang利用自加熱電池快速自加熱的特性，設(shè)計了低溫下的制動能量回收管理程序，在電池溫度較低時，回收能量會首先用于加熱電池，當(dāng)電池溫度加熱到合適溫度后，然后會將回收的能量存儲到電池。

下圖為模擬駕駛情況下，鋰離子電池在操作過程中電流和功率等參數(shù)的變化，從圖d可以注意到在外部放電電流存在時，電池電流與其相同，只有在電池充電和電池處于擱置狀態(tài)時管理器才會利用內(nèi)部電流對鋰離子電池進行加熱，功率曲線也顯示了相同的特點，這表明該管理策略并不會對影響電動汽車的使用。同時該策略也使得剎車回收的能量得到了充分的應(yīng)用，首先是用在了電池的加熱上，然后是對電池進行充電。圖c為電池的溫度和內(nèi)阻圖，從圖上可以注意到由于內(nèi)加熱電池快速加熱的特點，電池溫度從-40℃升高到10℃，僅用了112s，與此同時電池的內(nèi)阻也快速從125mW下降到10 mW，這對于在低溫下快速恢復(fù)鋰離子電池的性能密切相關(guān)。得益于如此快速的加熱速度，鋰離子電池從0，-10，-20和-30℃恢復(fù)到10℃僅僅需要13s，33s，46s和56s，這對于在冬季使用電動汽車具有重要的意義。


下圖為使用自加熱電池和使用普通電池的對照組在-40℃下使用過程中的電流、功率、電池溫度和電池電壓等數(shù)據(jù)曲線，其中左邊為采用自加熱電池的實驗組，右邊為空白對照組。從電池溫度上看(圖c實驗組，圖g對照組)，自加熱電池的溫度升高速度要遠遠快于對照組，實驗組緊緊用了112s就恢復(fù)到了20℃，并且實現(xiàn)了全部的剎車能量的回收，而對照組電池用了3000s，溫度才恢復(fù)到了0℃，從而導(dǎo)致無法回收剎車能量。


下圖為實驗組和對照組電池在使用的過程中各個部分消耗的能量的占比，可以看到相比于對照組，實驗組能夠用于駕駛(紅色)的能量大大增多，這其中很重要的一部分原因是由于實驗組電池的溫度升高很快，因此回收的剎車能量要遠遠多于對照組，因此明顯提高汽車的駕駛里程。

下圖為下圖為自加熱實驗組電池在不同的溫度下能夠用于駕駛的能量變化曲線，從圖上可以看到，在-30，-20，-10和0℃下，電池能夠用于駕駛的能量分別為常溫下的78%，80%，85%和90%。同時自加熱電池設(shè)計和管理策略對于未來的高比能電池仍然十分有效，計算表明，當(dāng)鋰離子電池的比能量提高到300Wh/kg，在-40℃下電池用于加熱的能量會從現(xiàn)在的8.7%下降到4.8%，熱量損失能夠從11.9%下降到6.6%，可用于駕駛的能量能夠從74%，提高到85%，通過進一步改善電池的保溫性能，還能降電池可用于駕駛的能量進一步從85%提高到94%。

Guangsheng Zhang利用自加熱電池快速加熱的特性和配合相應(yīng)的管理策略，能夠使的鋰離子電池閑置的時間內(nèi)快速從低溫下恢復(fù)的常溫，從而幫助鋰離子電池快速恢復(fù)電化學(xué)性能，并且不影響電動汽車的正常駕駛，對于提高電動汽車在高寒地區(qū)的使用便利性具有重要的意義。同時快速恢復(fù)鋰離子電池的溫度，也意味著能夠在短時間內(nèi)使的鋰離子電池能夠接受充電，從而實現(xiàn)對剎車能量充分和有效回收，這也能夠顯著的增加鋰離子電池可用于驅(qū)動電動汽車的能量，從而顯著的提高電動汽車的續(xù)航里程。總的來說Guangsheng Zhang設(shè)計的電池管理策略，充分利用了自加熱電池的特點，對于提升電動汽車使用的便利性和增加電動汽車在低溫下的續(xù)航里程具有重要的意義。