中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：5月24～26日，由工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司與國(guó)家能源局能源節(jié)約和科技裝備司聯(lián)合指導(dǎo)，中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)主辦并聯(lián)合240余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十三屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)在杭州召開。
來(lái)自行業(yè)主管機(jī)構(gòu)、國(guó)內(nèi)外駐華機(jī)構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機(jī)構(gòu)等不同領(lǐng)域的1011余家產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈企業(yè)，5417位嘉賓參加了本屆大會(huì)，其中245家企業(yè)展示了儲(chǔ)能產(chǎn)品，可謂盛裝出席，涵蓋系統(tǒng)集成、電芯、PCS、BMS、集裝箱、消防、檢測(cè)認(rèn)證等新型儲(chǔ)能全產(chǎn)業(yè)鏈。
5月25日下午，武漢理工大學(xué)教授劉芙蓉受邀在鋰離子電池與儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)專場(chǎng)分享了主題報(bào)告，報(bào)告題目為《鋰離子電池極寒狀態(tài)下超快速預(yù)熱方法》。以下是報(bào)告主要內(nèi)容：
劉芙蓉：我的分享分為四部分，首先，為什么要快速預(yù)熱，對(duì)鋰電池為什么需要預(yù)熱。
鋰離子電池現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于現(xiàn)代能源體系，尤其在發(fā)電側(cè)和用電側(cè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，鋰離子的使用，最早是用于消費(fèi)電子和交通運(yùn)輸，近兩年電動(dòng)汽車獲得了爆發(fā)式發(fā)展，已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)從政策驅(qū)動(dòng)到市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)變。
鋰離子電池一個(gè)重要的特性就是對(duì)溫度很敏感，低溫的時(shí)候，低溫性能差，所以為了保持鋰電池的性能，在低溫的時(shí)候就需要對(duì)它進(jìn)行預(yù)熱，低溫預(yù)熱首先是在電動(dòng)汽車這個(gè)領(lǐng)域開展的。電動(dòng)汽車零下溫度充電會(huì)變得非常困難，容量保持率低，零度的時(shí)候，容量保持率是25度的60%-70%，溫度低到-10度的時(shí)候，是25度的40%-50%，如果溫度更低，電池的容量保持率就會(huì)更加降低。
冬季的時(shí)候，特別是中國(guó)的北方地區(qū)，因?yàn)闅鉁氐停囯x子電池的低溫性能差，主要表現(xiàn)在，一方面隨著溫度的降低，石墨負(fù)極阻抗會(huì)急劇增大，導(dǎo)致充放電性能變差，容量減小，充電慢，動(dòng)力性能差。另一方面，低溫充電極易引發(fā)析鋰，影響壽命，造成安全隱患。
鋰離子電池-10度下輸出的最大電流是25度的1/8-1/10，這一點(diǎn)導(dǎo)致汽車的動(dòng)力性能變差，電驅(qū)制動(dòng)轉(zhuǎn)距極大減少，極易形成追尾或因緊急制動(dòng)失效造成車毀人亡等嚴(yán)重交通事故。
我們從這邊的電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速和電流的波形可以看出來(lái)，在啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中，需要給電機(jī)提供最大的電流。
除了在行車過(guò)程中需要對(duì)電池升溫保持正常的工作溫度以外，在泊車的時(shí)候也有低溫預(yù)熱的需求。冬季在充電前和充電中都需要快速預(yù)熱提升電池工作溫度、減少低溫充放電對(duì)電池壽命的不良影響。雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要數(shù)量龐大的純電車群體廣泛參與V2G。冬季夜間低溫導(dǎo)致車載電池容量大幅縮水，必須在充放電前以及充放電過(guò)程中實(shí)現(xiàn)快速升溫，發(fā)揮車載電池的可用容量潛力。
總而言之，鋰離子電池適宜的工作溫度是20-35度，超快速預(yù)熱可以極大減少熱車時(shí)間，顯著改善用戶體驗(yàn)，節(jié)能，增加續(xù)時(shí)里程。
下面，給大家分享一下我們做的研究。我們的研究成果主要是依托湖北省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，依托這個(gè)項(xiàng)目我們做了兩方面的工作，一方面是通過(guò)對(duì)低溫自加熱過(guò)程的電池電-熱-老化耦合特性的研究，獲得了極速預(yù)熱不析鋰邊界條件，通過(guò)優(yōu)化預(yù)熱電流增強(qiáng)電流耐久性。另一方面做了應(yīng)用研究，主要是通過(guò)對(duì)電池低溫自加熱生熱率和預(yù)熱電路集成方法研究，獲得了高寒下電池極速預(yù)熱的低成本的實(shí)現(xiàn)方法。
電池的低溫預(yù)熱，它的方法主要是分為兩類：一類是對(duì)電池進(jìn)行外部加熱，比較常見的就是空氣加熱、液體加熱、熱管加熱、寬線金屬膜加熱，以及PTC加熱，這是屬于外部加熱方面。 還有一類方法電池的內(nèi)部加熱方法，讓電池通過(guò)電流的時(shí)候，在電池內(nèi)部產(chǎn)熱，因此需要設(shè)計(jì)一些電路來(lái)產(chǎn)生預(yù)熱電流。
外部預(yù)熱和內(nèi)部預(yù)熱這兩類預(yù)熱方法，它在節(jié)能性、均溫性和快速性上有顯著的差異。這張圖表示的是用外部預(yù)熱的方法，是外部熱源的熱量通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流，傳給中間的電池，這種方法的缺點(diǎn)是能耗高，效率低，電池的均溫性差，升溫慢，這些短板是所有外部預(yù)熱的共同缺點(diǎn)。而內(nèi)部預(yù)熱方法，它是對(duì)電池構(gòu)造一個(gè)閉環(huán)的電路，來(lái)產(chǎn)生電流，讓電流在電池內(nèi)部產(chǎn)熱，讓電池從內(nèi)部加熱。這個(gè)方法的熱傳導(dǎo)路徑短，效率高，均溫性好，而且溫升快。
鋰離子電池的內(nèi)部預(yù)熱技術(shù)的發(fā)展，是和電動(dòng)汽車行業(yè)的需求緊密相連的，最先用于電動(dòng)汽車，而且現(xiàn)在仍然在研究開發(fā)中。現(xiàn)在大部分車企都在開始自研或者委外在做這方面的技術(shù)創(chuàng)新。它的技術(shù)發(fā)展進(jìn)程，從預(yù)熱電流的產(chǎn)生來(lái)說(shuō)，分為幾個(gè)階段，最開始預(yù)熱電流是由外部電源提供的，后來(lái)預(yù)熱電流是由電池本體和變換電路來(lái)產(chǎn)生，現(xiàn)在車廠都是采用用電動(dòng)汽車三電集成來(lái)產(chǎn)生預(yù)熱電流，目的就是降低成本。
在理論研究方面，研究怎么樣產(chǎn)生更多的熱量，也就是增加生熱率，研究生熱率和什么有關(guān)，電池內(nèi)部預(yù)熱的生熱機(jī)理，研究不同的電流波型的生熱率有什么不同，受哪些控制因素的影響。現(xiàn)在理論方面走到了上面的這一步，也就是研究升溫速率的影響因子，低溫預(yù)熱對(duì)電池老化的影響，低溫預(yù)熱過(guò)程的能耗，從這些方面來(lái)開展理論和實(shí)踐研究。采用的手段就是建模、實(shí)驗(yàn)和多目標(biāo)優(yōu)化。
這是文獻(xiàn)或者是各方提出來(lái)的一些低溫預(yù)熱的車載實(shí)現(xiàn)電路。
我們團(tuán)隊(duì)做的工作可以分為理論研究和應(yīng)用研究?jī)蓚€(gè)部分，在理論研究方面，我們主要是把實(shí)驗(yàn)研究和仿真建模結(jié)合起來(lái)。我們研究了直流脈沖預(yù)熱的生熱機(jī)理、模型以及生熱率的受控敏感度，也研究了交流預(yù)熱的生熱機(jī)理及生熱率影響因子，目的就是研究怎么樣才能更快地升溫。另一方面，我們研究了電池不析鋰的預(yù)熱電流邊界條件，做這方面研究的目的是減少預(yù)熱過(guò)程對(duì)電池壽命的不良影響，因?yàn)楸娝苤?，低溫的時(shí)候，電池的主要老化機(jī)理是析鋰。
在應(yīng)用研究方面，我們主要研究的是怎么樣產(chǎn)生預(yù)熱電流，所以我們申請(qǐng)的專利就是關(guān)于產(chǎn)生預(yù)熱電流的電路結(jié)構(gòu)及控制方法。
我們把我們這些產(chǎn)生電流的方法集成到電動(dòng)汽車上，與三電集成應(yīng)用于電動(dòng)汽車的低溫預(yù)熱。目前大部分車企采用的預(yù)熱方法仍然是外部預(yù)熱，雖然大家都在研究，但是真正走到公告那一步的還是少數(shù)，就是現(xiàn)在大家還在成果轉(zhuǎn)化過(guò)程中。PTC加熱，它的升溫速率是每分鐘0.6度左右，從-20度升到0度的時(shí)候電池的最大溫差可能會(huì)在10度以上，這是外部預(yù)熱。內(nèi)部預(yù)熱，它的普遍優(yōu)點(diǎn)就是均溫性好，最大溫差可以控制在3度左右。內(nèi)部預(yù)熱，現(xiàn)在大部分的研發(fā)采用的是與電機(jī)電控集成，溫升速率是每分鐘1-2度，我們的方法當(dāng)然也是要通過(guò)與電路的集成以及優(yōu)化，可以達(dá)到每分鐘6度。
我們做了一些理論研究和應(yīng)用研究，現(xiàn)在在尋求合作、尋求成果轉(zhuǎn)化，提供定制化的方案設(shè)計(jì)，協(xié)助甲方共同完成硬件集成、軟件集成、預(yù)熱電流、優(yōu)化控制以及析鋰邊界的估算。
在儲(chǔ)能電站中的應(yīng)用，我個(gè)人認(rèn)為內(nèi)部預(yù)熱的技術(shù)是可以考慮把它應(yīng)用于儲(chǔ)能電站的。左邊的這張圖，上面的是我們采用的低溫預(yù)熱產(chǎn)生預(yù)熱電流的電路，可以看出來(lái)，這個(gè)產(chǎn)生預(yù)熱電流的電路，和儲(chǔ)能電站當(dāng)中的PCS，在結(jié)構(gòu)上是可以找到很多相似的地方。比如說(shuō)，左下角的含DC/DC的PCS，和上面的圖就非常的相象。右邊的鏈?zhǔn)絻?chǔ)能變換器的電路拓?fù)?，可以看到它與產(chǎn)生低溫預(yù)熱的電路也是很相似。在儲(chǔ)能電站當(dāng)中的應(yīng)用，我個(gè)人認(rèn)為想要工程應(yīng)用，最大的障礙、它的核心就是如何降低成本，應(yīng)該說(shuō)成本是首要的考慮因素，也就是如何復(fù)用現(xiàn)有的PCS的硬件結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)低溫預(yù)熱。
最后，介紹我們先進(jìn)儲(chǔ)能與雙碳實(shí)驗(yàn)室。先進(jìn)儲(chǔ)能與雙碳實(shí)驗(yàn)室有3名教授，6名副教授，碩博研究生有70余人，現(xiàn)在已經(jīng)成長(zhǎng)為國(guó)內(nèi)具有新能源及新能源汽車系統(tǒng)集成及控制優(yōu)化的重要研發(fā)及技術(shù)人才儲(chǔ)備基地。
以上是我的匯報(bào)。
