近日，重庆大学车辆动力系统团队胡晓松教授及合作者（牛津、伯克利、贝尔法斯特女王和马里兰大学）应美国斯坦福大学Hai Wang教授，德国杜伊斯堡-埃森大学Christof Schulz教授邀请，在能源领域国际顶级期刊Progress in Energy and Combustion Science（影响因子为26.467）上发表综述文章“Battery Warm-up Methodologies at Subzero Temperatures for Automotive Applications: Recent Advances and Perspectives”，从宏观和微观尺度总结了低温对电动汽车锂离子电池的影响以及动力电池低温预热过程中涉及的热学问题，并从电池单体、电池模组/包、动力系统层面提出了设计电池低温热管理系统需要考虑的因素，还系统阐述了现阶段所有可能的动力电池低温预热方法及其最新研究进展，探讨了不同预热方法的优势以及面临的难点，并从不同角度展望了锂离子动力电池低温热管理的研究方向。
论文概述
研究意义
为促进可持续能源发展以及应对日益增长的能源需求，电动汽车的发展受到全世界的广泛关注。动力电池作为电动汽车核心技术之一，其性能直接影响到电动汽车的性能，安全性和经济性。然而，低温问题成为了全球电动汽车发展面临的关键技术难点，严重制约着电动汽车的发展。低温下，锂离子动力电池的放电容量和功率大幅度降低，内阻急剧增加，使得电动汽车出现续驶里程缩短，动力不足和充电困难等问题。另外，低温下电池负极的析锂现象更加显著，负极表面锂枝晶的生长引起电池寿命缩短以及潜在的安全隐患。尽管通过改善电池材料能在一定程度上提升锂离子电池的低温性能，但是要保证电池的整体性能在全温度范围内（–20 °C ~ 60 °C）提升还需要较长时间的研究。而电池热管理系统（BTMS），通过在电池使用之前对其进行预热从而提升动力电池的性能，成为当前突破动力电池低温技术瓶颈的另一种选择。因此，本文将为低温环境下车用动力电池的热管理和控制提供有力支撑。
低温对锂离子电池的影响
在宏观尺度，即电池单体层面，低温对锂离子电池的影响主要表现在电池的放电容量、可用能量降低，内阻增加，以及内阻增加导致的对外输出功率降低。另外，低温下电池不仅充电接受能力大幅度下降，低温充电还会导致负极出现析锂现象，造成电池容量的不可逆损失。因此，低温下为避免析锂，充电倍率通常很低，使得充电时间大幅增加。这些电池单体层面的性能退化现象可通过微观尺度的电池材料属性变化进行解释。在微观尺度，低温对电池负极、正极和电解液材料产生的影响如图1所示，主要包括：（1）负极的界面现象，例如石墨颗粒表面的SEI膜对Li+的通透性降低；（2）电极中缓慢的动力学，如电荷转移电阻（Rct）和晶间电阻增加（–20 °C下的Rct比室温值高出300%），以及固相Li+扩散速率降低；（3）电解液的粘度增加以及电导率下降。
图1 低温下锂离子电池性能退化机理微观尺度示意图
低温预热过程中涉及的热学问题
由于对电池材料的改进无法在短时间内提升动力电池在全温度范围内的整体性能，对电池单体及以上层级采用热管理，即通过预热将电池组温度控制在合适的范围内来消除低温引起的负面效应，是当前解决低温问题最有效的方式。这样，改善电池的低温性能成为一个与热学相关的问题。为了在低温下有效地预热动力电池，充分了解电池的热性能以及电池单体、电池模组和电池包层级的相关传热特性必不可少。同时，电池内部或外部的产热，热传导或热对流过程，都需要进行准确的建模、测量和控制以便有效调节电池的温升。通常情况下，动力电池的低温预热系统需要消耗一定的能量。因此，需要基于热学的理论和方法综合设计预热系统中的传热方式和路径，来减少预热过程中的热损失，从而减少预热过程的能耗。低温下，动力电池预热的主要原理如图2所示。
图2 动力电池低温预热的主要原理
动力电池低温预热系统的设计要点
低温下对动力电池进行预热的目的是短时间内快速恢复电池的可用能量和功率，同时尽可能减少电池负极的析锂现象。为了实现快速预热同时避免电池加速老化，预热的目标温度通常设置为0 °C，使得电池在该温度范围内能够恢复大部分的可用能量和功率，而如果在快充之前进行预热，目标温度通常需要远高于0 °C来避免高倍率充电引起负极析锂现象。因此，本文对动力电池低温预热需要考虑的因素主要归纳为以下几点：（1）电能消耗；（2）预热时间；（3）预热对电池老化影响；（4）电池单体，模组和包的温度均匀性；（5）预热系统的成本；（6）预热带来的系统复杂度增加；（7）预热系统的安全性和可靠性。另外，对于不同的电池系统集成度（电池单体，模组/包和动力系统），设计过程中所需要考虑的侧重点也不同，如下图3所示：
图3 不同电池集成度下的低温BTMS设计侧重点（改编自Tarascon JM, Armand M. Issues and challengesfacing rechargeable lithium batteries. Nature. 2001; 414: 359-67.）
动力电池低温预热方法分类
动力电池的低温预热方法可根据预热过程中主要热源的位置来进行分类，以电池单体作为边界可将低温预热方法主要分为两大类，如图4所示，包括外部预热和内部预热。外部预热中，预热所需的热量主要由外部热源（如电阻丝或其他电热元件）提供，并通过对流或者传导的方式将热量传递到动力电池实现预热，该过程可由电池或外部电源（如充电桩）供能。目前，大多数的商业化实车预热方法为此类。内部预热通常通过电池放电或者在电池两端施加交流电，利用电池自身内阻进行产热从而直接加热电池，避免了复杂的传热过程以及传热过程中的热量损失。一种特殊的内部预热方法，如自加热电池，通过改变电池结构以及在电池内部加入产热元件（如镍片），能够显著提高电池内部的产热率。目前，大多数研究集中于内部预热。
图4 动力电池低温预热方法分类
外部预热
通常，外部预热方法需要针对电池组设计专门的BTMS，以便在预热过程中更好地将热量从外部热源传递到电池。其中，热量传递的方式和路线，电池单体的几何形状和电池组的布局，传热路径中介质的热性能都会对预热过程产生影响。常规的BTMS，例如空气（如图5所示）和液体预热系统，通常基于原有的热管理系统进行改进，具有较高的安全性和可靠性，因此被广泛应用在商用电动汽车上。但是，常规的BTMS面临较低的传热率和加热效率，传热过程热量损失多等问题，导致预热时间较长和预热能耗增加，特别是在加热大型锂离子动力电池时。此外，电池单体中和模组/包中较大的温差也是常规BTMS所面临的一大问题，它受到电池几何形状，加热元件放置位置以及传热介质热导率等因素的影响。
未来研究可以通过提高外部预热系统中的加热效率来解决上述问题。具体而言，在对流加热中，提高BTMS中的传热率具有重要意义，具体可以通过改变传热介质的流动方式，使用具有更高导热率的新型传热流体（如纳米流体），以及优化传热介质流动通道的几何形状来实现更高的传热率。对于传导加热，可以通过以下几种方法实现更好的性能：（1）优化电池组的排布来增加加热元件和电池的有效接触面积；（2）使用具有更高加热性能（例如CNT加热薄膜）或COP更高的新型加热元件；（3）增加导热介质的热导率，例如纳米PCM在BTMS中的应用。除此之外，良好的隔热措施还有助于减少热传递过程中的热损失，节省电池预热期间的能源消耗。
图5 空气预热系统原理（改编自Ji Y, Wang CY. Heating strategies for Li-ion batteries operated from subzero temperatures. Electro-chimica Acta. 2013; 107: 664-74.）
内部预热
内部预热策略由于通过电池内部直接产热，因此预热系统通常不需要太多的控制元件。另外，内部预热不需要设计诸如外部预热的传热方式以及传热路径，因此预热系统相对比较简单。内部预热方法通常可以更快，更均匀地加热电池，并在能耗，温度均匀性和成本方面具有一定优势（如图6所示的自加热电池）。然而，由于该类预热技术在电池模组/包层面上不够成熟，目前尚未商业化。同时，内部预热策略还需要研究的一个主要问题是预热过程是否会加速电池老化，因为预热过程伴随着电流充放电。具体来说，内部自加热和自加热电池加热都是通过电池放电完成，因此在负极一般不会发生析锂现象，但是较高的放电倍率仍然会影响电池的老化速率。对于相互脉冲加热，应避免使用低频的电流脉冲对电池预热以及在初始SOC较高的状态下预热，这两种情况都会增加电池负极析锂的风险。对于交流电加热，需要对预热电流的参数（频率，幅值）进行谨慎选择，并且施加限制（例如电压限制），以免造成电池加速老化或者负极析锂。
图6 自加热电池及其工作原理图（摘自Zhang G, Ge S, Xu T, Yang X-G, Tian H, Wang C-Y. Rapid self-heating and internal temperature sensing of lithium-ion batteries at low temperatures. Electrochimica Acta. 2016; 218: 149-55.）
展望
目前，针对动力电池低温预热策略的研究已经取得了一定的进展，如何在电动汽车上有效地将电池组从零下摄氏度加热仍然是一个挑战。因此，未来研究可以从以下几个方面出发来寻求更多突破：
（1）从热学的角度出发，对电池预热系统的传热过程进行综合设计，以提高热管理系统的加热性能，尤其对于外部预热。可以通过对传热路径和传热方式进行优化来有效减小传热距离，提高热传递系数和减小传热过程中的热损失。因此，更好的隔热设计，添加导热性能更好的传热材料（如纳米流体和CPCM）以及使用加热效率更高的热源（如热泵，CNT加热薄膜），可以更好提升预热系统的性能。
（2）在BTMS中开发基于模型的控制策略实现预热过程的最优控制。当前的研究主要集中于预热系统的设计和新型加热方法的探索，以及预热系统中固有的热学参数对加热的影响，很少有研究通过控制加热过程来提升预热效果。然而，基于模型的预热控制策略通常对模型的精确度和计算复杂度有要求，因此，建立准确、高效的预热模型非常关键。同时，这类面向控制的电池模型需要考虑电池在单体，模组和包层级的产热以及BTMS中的热传递特性。
（3）由于电池组中温度均匀性对电池组的整体性能以及老化过程至关重要，因此需要进一步研究面向电池模组/包层级的预热策略。如果电池组在预热过程中没有产热，即电池预热只是单纯的传热问题，则可以研究电池组和周围环境的热交换对电池组温度均匀性的影响。如果电池组内部存在产热，则需要考虑电池单体内阻不一致引起的电池组内产热不一致性以及电池组内可能存在的温度梯度。
（4）低温预热对电池老化的影响还有待进行系统研究，尤其对于交流电加热，需要从锂离子电池内部电化学机理的角度研究电流参数（如幅度和频率）对电池老化的影响，如图7所示。可以建立交流负载下关于电池电极动力学以及传质过程的电化学模型，来揭示电流参数对老化的影响。这样，可以通过模型得到预热电流的幅值上限和频率下限，在不损害电池的情况下，提高预热效率。
图7 不同交流电参数对锂离子电池老化的影响（摘自Zhu J, Sun Z, Wei X, Dai H. An alternating current heating method for lithium-ion batteries from subzero temperatures. International Journal of Energy Research. 2016; 40: 1869-83.）
出版信息
文献来源：
Xiaosong Hu*, Yusheng Zheng, David A. Howey, Hector Perez, Aoife Foley, and Michael Pecht, "Battery warm-up methodologies at subzero temperatures for automotive applications: Recent advances and perspectives", Progress in Energy and Combustion Science, 77: 100806, 2020.
全文链接：sciencedirect.com/science/article/pii/S0360128519301169
扩展介绍
《能源与燃烧科学进展》
《能源与燃烧科学进展》（Progress in Energy and Combustion Science, PECS）是能源与燃烧领域的顶级期刊，专门邀请能源领域世界知名专家撰写高水平综述论文，不接受自由投稿。每年出版6期，每期发表4-6篇文章。最新公布的PECS期刊5年影响因子为26.747，在机械工程（132个期刊）和热力学（58个期刊）两个领域排名榜首。