随着电动汽车的推广和普及, 越来越多的动力电池应用在电动汽车上, 动力锂离子电池面临的一个很大的问题是冬季续航里程急剧减少, 这主要与锂离子电池的特性有关. 锂离子电池在低温下动力学条件变差, 因此容量, 倍率性能, 特别是充电性能都有很大的下降, 这一点在寒冷的北方冬季就变的尤为严重, 因此为了保证电动汽车在冬季的使用性能, 电池组一般都会增加加热系统, 但是目前的加热系统的效率比较低 (通常需要耗时数十分钟加热电池) , 严重影响电动汽车的使用的便利性. 因此锂离子电池的低温下的热管理问题是我们在电池设计, 电池组设计过程中都需要着重考虑的问题.
近日美国宾夕法尼亚大学的Guangsheng Zhang等提出了一种基于锂离子电池内部加热的电池组热管理策略, 能够在短时间内将锂离子电池恢复到常温性能, 例如在-40℃下仅仅需要112s就可以使得锂离子电池的性能完全恢复, 该技术也使得电动汽车的续航里程显著增加, 例如在-40℃下能够使电动汽车的续航里程提高49%.
该技术的核心是自加热电池, 该电池设计如上图所示, 需要在电池内部置入两片Ni片, 每片Ni片的阻抗为78mW, 分别放置在电池的1/4和3/4厚度处, 两片Ni片之间以并联形式连接在一起, 并通过一个开关与正负极连接在一起, 用于控制锂离子电池的是否加热. Guangsheng Zhang在上述自加热电池的基础上设计了控制方案, 能够根据电动汽车的负载情况控制加热开关的开启和关闭.
我们知道在电动汽车的使用过程中, 除了正常行驶外, 还会发生刹车等情况, 电动汽车在刹车等过程中一般都会进行能量回收, 在锂离子电池温度足够的时候, 这部分能量会直接存储在锂离子电池中, 但是当锂离子电池温度过低时, 为了防止锂离子电池在低温下充电造成负极表面析锂, 这部分能量通常被浪费掉. Guangsheng Zhang利用自加热电池快速自加热的特性, 设计了低温下的制动能量回收管理程序, 在电池温度较低时, 回收能量会首先用于加热电池, 当电池温度加热到合适温度后, 然后会将回收的能量存储到电池.
下图为模拟驾驶情况下, 锂离子电池在操作过程中电流和功率等参数的变化, 从图d可以注意到在外部放电电流存在时, 电池电流与其相同, 只有在电池充电和电池处于搁置状态时管理器才会利用内部电流对锂离子电池进行加热, 功率曲线也显示了相同的特点, 这表明该管理策略并不会对影响电动汽车的使用. 同时该策略也使得刹车回收的能量得到了充分的应用, 首先是用在了电池的加热上, 然后是对电池进行充电. 图c为电池的温度和内阻图, 从图上可以注意到由于内加热电池快速加热的特点, 电池温度从-40℃升高到10℃, 仅用了112s, 与此同时电池的内阻也快速从125mW下降到10 mW, 这对于在低温下快速恢复锂离子电池的性能密切相关. 得益于如此快速的加热速度, 锂离子电池从0, -10, -20和-30℃恢复到10℃仅仅需要13s, 33s, 46s和56s, 这对于在冬季使用电动汽车具有重要的意义.
下图为使用自加热电池和使用普通电池的对照组在-40℃下使用过程中的电流, 功率, 电池温度和电池电压等数据曲线, 其中左边为采用自加热电池的实验组, 右边为空白对照组. 从电池温度上看 (图c实验组, 图g对照组) , 自加热电池的温度升高速度要远远快于对照组, 实验组紧紧用了112s就恢复到了20℃, 并且实现了全部的刹车能量的回收, 而对照组电池用了3000s, 温度才恢复到了0℃, 从而导致无法回收刹车能量.
下图为实验组和对照组电池在使用的过程中各个部分消耗的能量的占比, 可以看到相比于对照组, 实验组能够用于驾驶 (红色) 的能量大大增多, 这其中很重要的一部分原因是由于实验组电池的温度升高很快, 因此回收的刹车能量要远远多于对照组, 因此明显提高汽车的驾驶里程.
下图为下图为自加热实验组电池在不同的温度下能够用于驾驶的能量变化曲线, 从图上可以看到, 在-30, -20, -10和0℃下, 电池能够用于驾驶的能量分别为常温下的78%, 80%, 85%和90%. 同时自加热电池设计和管理策略对于未来的高比能电池仍然十分有效, 计算表明, 当锂离子电池的比能量提高到300Wh/kg, 在-40℃下电池用于加热的能量会从现在的8.7%下降到4.8%, 热量损失能够从11.9%下降到6.6%, 可用于驾驶的能量能够从74%, 提高到85%, 通过进一步改善电池的保温性能, 还能降电池可用于驾驶的能量进一步从85%提高到94%.
Guangsheng Zhang利用自加热电池快速加热的特性和配合相应的管理策略, 能够使的锂离子电池闲置的时间内快速从低温下恢复的常温, 从而帮助锂离子电池快速恢复电化学性能, 并且不影响电动汽车的正常驾驶, 对于提高电动汽车在高寒地区的使用便利性具有重要的意义. 同时快速恢复锂离子电池的温度, 也意味着能够在短时间内使的锂离子电池能够接受充电, 从而实现对刹车能量充分和有效回收, 这也能够显著的增加锂离子电池可用于驱动电动汽车的能量, 从而显著的提高电动汽车的续航里程. 总的来说Guangsheng Zhang设计的电池管理策略, 充分利用了自加热电池的特点, 对于提升电动汽车使用的便利性和增加电动汽车在低温下的续航里程具有重要的意义.
