為推動電動汽車關鍵共性技術發展，服務于成員單位技術研發需求，自成立以來，聯盟一直持續開展整車及關鍵零部件前沿、共性技術研究工作，形成了大批研究成果，推動了電動汽車產業技術創新和進步。2023聯盟共立項共性技術課題22項，為推動課題交流和成果共享，聯盟將持續發布在研課題研究進展和成果，最大化發揮課題研究價值。
動力電池低溫快速加熱技術研究課題由武漢理工大學汽車工程學院余慶華教授承擔，課題面向低溫環境下，動力電池充放電容量顯著降低、壽命衰減加劇、循環倍率性能差等問題，構建適用于動力電池的低溫快速加熱策略，研發兼具耐久性、快速性、節能性的電池低溫快速加熱電流控制系統，在保證電池溫度均勻性的前提下，實現動力電池低溫快速加熱。
（一） 建立了寬溫域范圍的動力電池電化學-熱耦合模型
鋰離子電池的產熱與電化學反應之間是相互影響的，基于非均勻電化學熱源的鋰離子電池電化學-熱耦合模型先通過電化學控制方程計算得到鋰離子電池各部分的生熱率反饋給熱模型，作為電芯對應部分的生熱率；再將電池產熱控制方程計算得到的電芯各部分的溫度引入到電化學模型對應部分，并作為電化學反應的溫度。電化學-熱耦合模型通過建立偏微分方程來描述電池工作時內部的反應過程，將內部電場和溫度場耦合，更為精確地進行生熱特性研究。基于非均勻電化學熱源的鋰離子電池電化學-熱耦合模型的耦合原理及控制方程如圖1所示。
通過開展寬溫域范圍的動力電池充放電實驗驗證了模型的有效性。實驗將額定容量為40Ah的三元鋰電池分別暴露在298.15K和253.15K的恒溫環境中，在溫度為298.15K的環境中，分別以0.5C、1.0C、1.5C和2.0C的倍率進行放電；在溫度為253.15K的環境中，先分別以0.1C、0.2C和0.5C的倍率進行恒流充電至截止電壓4.2V后恒壓充電至電流低于0.05C時結束，監測充放電過程中電池的電壓和溫度變化情況。如圖2所示為環境溫度為298.15K時的電壓-時間和溫度-時間驗證結果，如圖3所示為環境溫度為253.15K時的電壓-時間和溫度-時間驗證結果。仿真結果與實驗數據的擬合程度較好，誤差基本控制在5%以內，模型具有較高的準確性。
（二） 脈沖加熱參數對鋰離子電池電化學和熱特性的影響規律分析
1. 波形對鋰離子電池電化學特性和熱特性的影響（相同脈沖加熱參數）
仿真了初始SOC為80%的三元鋰電池，分別在環境溫度為263.15K、273.15K下，通過不同波形的脈沖加熱300s后的電化學特性參數（電壓變化、SOC變化、電極電流密度分布、負極鋰離子濃度分布）以及熱特性參數（溫升速率、溫度分布、溫度均勻性）。脈沖加熱的最大振幅為4C和5C，不同波形的周期為4s，占空比為50%。不同波形的示意圖如圖4所示。
在環境溫度為263.15K時，不同波形4C與5C脈沖加熱的電池電化學參數變化如表1、表2所示。
表1 263.15K時4C振幅下不同波形脈沖加熱電池電化學參數變化
表2 263.15K時5C振幅下不同波形脈沖加熱電池電化學參數變化
比較不同的波形加熱結果，可知相同脈沖加熱參數下，方波加熱SOC損失較多；脈沖加熱振幅越大，電壓及SOC損失越多。
1.2 方波對鋰離子電池單體電極電流密度、負極鋰離子濃度的影響
在環境溫度為263.15K時，4C與5C振幅的方波在不同加熱時長后的電極電流密度、負極鋰離子濃度分布如圖5所示，流線部分為電池電極電流。
圖5 263.15K時方波加熱電池電極電流密度、負極鋰離子濃度分布
1.3 方波對鋰離子電池單體電極電位的影響
在環境溫度為263.15K時，4C與5C振幅的方波在不同加熱時長后的電極電位分布如圖6所示。
振幅為4C和5C的脈沖加熱結束時，正極電極電位分別為3.52V和3.50V，負極電極電位為0V；電極表面箭頭代表電極電流矢量，在電池內部，電流從負極流向正極，因此正極電極電流表現為流入，負極電極電流表現為流出；電極電流矢量疏密程度與脈沖振幅有關，大振幅條件下，極耳附近的電極電流更為密集。
1.4 波形對鋰離子電池單體溫升速率與溫度分布的影響
研究了環境溫度為263.15K與273.15K時，不同波形的脈沖加熱對電池溫升速率的影響，電池平均溫度的變化如圖7，300s內不同波形脈沖加熱的平均溫升速率如圖8。相同脈沖加熱參數條件下方波加熱具有更高的溫升速率；電池正極耳附近溫度高于其他區域；隨著脈沖加熱的進行，電池溫差逐漸增大，方波加熱的溫度均勻性更好。
圖7 不同波形脈沖加熱電池平均溫度變化
研究了環境溫度為263.15K時，4C和5C振幅下的方波脈沖加熱對電池溫度分布的影響，結果如圖9所示。大振幅能夠顯著提高電池溫升速率，但會造成較大的溫差。
圖9 263.15K時不同振幅的方波脈沖加熱電池溫度分布
2 波形對鋰離子電池電化學特性和熱特性的影響（保證SOC損失基本相同）
仿真了初始SOC為80%的三元鋰電池，分別在環境溫度為263.15K、273.15K下，通過不同波形的脈沖加熱300s后的電化學特性參數以及熱特性參數。脈沖加熱的最大振幅，方波為2C和2.5C，正弦波與三角波為4C和5C。不同波形的周期為4s，占空比為50%。
在環境溫度為263.15K時，不同波形脈沖加熱的電池電化學參數變化如表3、表4所示。由于一個加熱周期內正弦波加熱的放電容量略高于另外兩種波形，正弦波加熱SOC損失略多。脈沖加熱振幅越大，電壓及SOC損失越多。
表3 263.15K時2C/4C振幅下不同波形脈沖加熱電池電化學參數變化
表4 263.15K時2.5C/5C振幅下不同波形脈沖加熱電池電化學參數變化
研究了環境溫度為263.15K與273.15K時，不同波形的脈沖加熱對電池溫升速率的影響，300s內不同波形脈沖加熱的平均溫升速率如圖10。由圖10可見，在保證SOC損失基本相同時,三種波形的溫升速率相近。
對比分析了在環境溫度為273.15K時，采用1C、2C、3C、4C單向脈沖與雙向脈沖加熱的初始SOC為80%的三元鋰電池單體的電壓與溫度變化，單向脈沖周期為4s，占空比為50%，雙向脈沖正負電流各占50%周期。采用單、雙向脈沖加熱對電池單體溫度的影響如圖11。
圖11 273.15K時單向與雙向脈沖加熱電池單體溫度變化
（三）鋰離子電池低溫內外部耦合脈沖快速加熱策略構建與效果評價
開展了一系列低溫加熱實驗，包括單向脈沖加熱、電加熱膜加熱、內外混合加熱，探究不同加熱方式對電池電化學和熱特性參數的影響。實驗電池相關參數如表5所示，實驗變量設置如表6所示。實驗設備與連接示意圖如圖12所示。
1.1 不同脈沖周期對電池電化學特性和熱特性參數的影響
環境溫度為-20℃，電池初始SOC為100%，對電池單體進行振幅為2.5C，占空比為80%，周期為4s、8s、12s、16s的單向脈沖加熱實驗，電化學特性參數與熱參數分別如圖13、圖14所示，可見周期對加熱效果的影響并不明顯。
圖13 電池電化學特性參數
1.2 不同占空比對電池電化學特性和熱特性參數的影響
環境溫度為-20℃，電池初始SOC為100%，對電池單體進行振幅為2.5C，占空比為50%、60%、70%、80%，周期為4s的單向脈沖加熱實驗，相關電化學特性參數變化如表7所示。同樣條件下周期為16s的單向脈沖加熱實驗對比如圖15與圖16。相同振幅和周期條件下占空比越高，電池SOC和能量損失越大；相同振幅和周期條件下，高占空比的波形具有更好的加熱效率。
圖15 不同占空比對周期4s與16s的脈沖加熱電化學特性參數的影響
圖16 不同占空比對周期4s與16s的脈沖加熱熱特性參數的影響
不同的脈沖加熱參數對電池的影響程度示意圖如圖17所示。
環境溫度為-20℃，電池初始SOC為100%，對電池單體進行振幅為2.5C，占空比為80%，周期為4s、8s、12s、16s的單向脈沖與加熱膜混合加熱實驗，熱特性參數對比如圖18。在占空比為80%時，不同的脈沖電流周期對混合加熱效果影響不大；隨著周期減小，內部加熱效果有輕微的下降，而加熱膜的加入緩解了這一趨勢。
圖18 不同周期對脈沖加熱熱特性參數的影響
環境溫度為-20℃，電池初始SOC為100%，對電池單體進行振幅為2.5C，占空比為50%、60%、70%、80%，周期為4s、16s的單向脈沖與加熱膜混合加熱實驗，熱特性參數對比如圖19。
