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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(shù)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(yīng)及其各向異性的熱傳導(dǎo)特性，結(jié)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(jìn)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(jié)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(guān)系。電池大面加熱功率為350 W時，電池平均溫度在118 s內(nèi)可從-20 ℃上升至0 ℃，最大溫度達(dá)到39.4 ℃，且291 s后電池組溫度達(dá)到平衡。雙側(cè)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(jié)果驗證了仿真模型的準(zhǔn)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(jié)果對戶用儲能設(shè)備的熱管理技術(shù)開發(fā)及優(yōu)化等具有一定的參考意義。
關(guān)鍵詞 鋰離子電池；加熱膜；低溫環(huán)境；快速加熱
儲能設(shè)施是構(gòu)建新型能源體系最重要的技術(shù)和基礎(chǔ)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(shè)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(yán)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(yīng)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(yīng)更廣泛的使用場景。因此，電池儲能設(shè)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(nèi)。
為改善低溫電池的加熱效果，目前很多學(xué)者研究了可以對低溫電池加熱的方法，主要分為兩類，內(nèi)部加熱法與外部加熱法。內(nèi)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(nèi)部加熱通常是在電池內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，使電池升溫且受熱更加均勻。何錫添等設(shè)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(jié)構(gòu)，通過在電池內(nèi)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(dǎo)或熱對流將熱量傳遞到電池內(nèi)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(shè)計了一種加熱膜和相變材料耦合預(yù)熱的方法，通過確定耦合的最佳參數(shù)，使預(yù)熱時間大大減小，預(yù)熱效果良好。Zhang等使用相變材料與加熱膜設(shè)計了兩種加熱方式，結(jié)果表明大面加熱的效果優(yōu)于側(cè)面加熱。熊瑞等]提出了一種加熱膜與交流加熱復(fù)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(diào)整能力和加熱效果的一致性。
目前，國內(nèi)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(dá)到預(yù)期水平，仍存在加熱效率低等問題。同時方形電池的熱傳導(dǎo)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?zé)崮Ｐ?，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(xiàn)[17]的方法得到單體鋰電池各部分的相關(guān)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(cè)面與剖面均設(shè)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(nèi)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(cè)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(chǎn)生熱量通過熱傳導(dǎo)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在建立物理模型時需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，忽略電池極柱、固定支架等結(jié)構(gòu)，并假設(shè)電池的比熱容和密度均為常量。模型的網(wǎng)格生成在 ANSYS 軟件中完成，電芯與加熱膜均進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，通過由面到體的生成方法完成網(wǎng)格的劃分。
加密網(wǎng)格可以提高仿真計算的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格尺寸過大會使計算失真，甚至導(dǎo)致結(jié)果發(fā)散；網(wǎng)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(wǎng)格尺寸，分析了不同數(shù)量的網(wǎng)格對模型計算精度的影響。如圖2所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過120萬時，電池最大溫度趨于平穩(wěn)，因此確定網(wǎng)格模型共計4514415個節(jié)點、1229694個網(wǎng)格單元。
圖2網(wǎng)格無關(guān)性驗證
1.2 電池?zé)岱治隼碚撃Ｐ?/strong>
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(shè)定加熱膜的邊界條件為當(dāng)電池平均溫度到達(dá)0 ℃時，加熱膜加熱功率變?yōu)?，電池的溫升結(jié)果如圖3所示。
圖3 不同加熱功率下電池的溫升結(jié)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(yù)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(dá)到峰值，后續(xù)電池最高溫度和溫差開始自由降溫至0 ℃。當(dāng)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(jié)束后，電池內(nèi)部自發(fā)進(jìn)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(guān)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(nèi)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(guān)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(zhuǎn)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(guān)系
2.2 加熱膜布置方式
方形鋰電池的熱導(dǎo)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(chǎn)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(nèi)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(nèi)，電池的低溫加熱性能最優(yōu)。其次，通過雙側(cè)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(cè)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(jié)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(jìn)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(nèi)，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(dá)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(jīng)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(jié)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(jī)、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(shè)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(cè)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(jié)果進(jìn)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(nèi)外溫度保持穩(wěn)定時開展實驗。
由于電池內(nèi)部無法內(nèi)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(jié)果與討論
將2塊布置完成的目標(biāo)電池放入試驗箱開展實驗，實驗用時600 s，據(jù)仿真結(jié)果，設(shè)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(jié)果如圖11所示。
圖11電池低溫加熱的實驗與仿真溫升結(jié)果對比圖
結(jié)果指出，3組電池低溫加熱策略的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合，平均溫差不超過2 ℃，表明模型的準(zhǔn)確性較高。此外，實驗與仿真結(jié)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(yù)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(yù)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(jié)果與仿真溫度結(jié)果趨于一致。
4 結(jié) 論
本工作使用外部加熱提高方形鋰電池的低溫性能，構(gòu)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(jié)論：
（1）加熱膜輸入功率提升可縮短預(yù)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(guān)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(dá)到動態(tài)平衡，低溫加熱速率有顯著提高。雙側(cè)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(cè)面、大面與交叉?zhèn)让娴募訜岱椒ㄔ?18 s內(nèi)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(nèi)部溫度達(dá)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(zhǔn)確性，最大溫差可控制在4 ℃以內(nèi)，證明本工作提出的電池組快速預(yù)熱方案可行，能夠滿足電池預(yù)熱的實際需求。
