隨著電動汽車的推廣和普及, 越來越多的動力電池應用在電動汽車上, 動力鋰離子電池面臨的一個很大的問題是冬季續航裡程急劇減少, 這主要與鋰離子電池的特性有關. 鋰離子電池在低溫下動力學條件變差, 因此容量, 倍率性能, 特別是充電性能都有很大的下降, 這一點在寒冷的北方冬季就變的尤為嚴重, 因此為了保證電動汽車在冬季的使用性能, 電池組一般都會增加加熱系統, 但是目前的加熱系統的效率比較低 (通常需要耗時數十分鐘加熱電池) , 嚴重影響電動汽車的使用的便利性. 因此鋰離子電池的低溫下的熱管理問題是我們在電池設計, 電池組設計過程中都需要著重考慮的問題.
近日美國賓夕法尼亞大學的Guangsheng Zhang等提出了一種基於鋰離子電池內部加熱的電池組熱管理策略, 能夠在短時間內將鋰離子電池恢複到常溫性能, 例如在-40℃下僅僅需要112s就可以使得鋰離子電池的性能完全恢複, 該技術也使得電動汽車的續航裡程顯著增加, 例如在-40℃下能夠使電動汽車的續航裡程提高49%.
該技術的核心是自加熱電池, 該電池設計如上圖所示, 需要在電池內部置入兩片Ni片, 每片Ni片的阻抗為78mW, 分別放置在電池的1/4和3/4厚度處, 兩片Ni片之間以並聯形式連接在一起, 並通過一個開關與正負極連接在一起, 用於控制鋰離子電池的是否加熱. Guangsheng Zhang在上述自加熱電池的基礎上設計了控制方案, 能夠根據電動汽車的負載情況控制加熱開關的開啟和關閉.
我們知道在電動汽車的使用過程中, 除了正常行駛外, 還會發生刹車等情況, 電動汽車在刹車等過程中一般都會進行能量回收, 在鋰離子電池溫度足夠的時候, 這部分能量會直接存儲在鋰離子電池中, 但是當鋰離子電池溫度過低時, 為了防止鋰離子電池在低溫下充電造成負極表面析鋰, 這部分能量通常被浪費掉. Guangsheng Zhang利用自加熱電池快速自加熱的特性, 設計了低溫下的制動能量回收管理程序, 在電池溫度較低時, 回收能量會首先用於加熱電池, 當電池溫度加熱到合適溫度後, 然後會將回收的能量存儲到電池.
下圖為類比駕駛情況下, 鋰離子電池在操作過程中電流和功率等參數的變化, 從圖d可以注意到在外部放電電流存在時, 電池電流與其相同, 只有在電池充電和電池處於擱置狀態時管理器才會利用內部電流對鋰離子電池進行加熱, 功率曲線也顯示了相同的特點, 這表明該管理策略並不會對影響電動汽車的使用. 同時該策略也使得刹車回收的能量得到了充分的應用, 首先是用在了電池的加熱上, 然後是對電池進行充電. 圖c為電池的溫度和內阻圖, 從圖上可以注意到由於內加熱電池快速加熱的特點, 電池溫度從-40℃升高到10℃, 僅用了112s, 與此同時電池的內阻也快速從125mW下降到10 mW, 這對於在低溫下快速恢複鋰離子電池的性能密切相關. 得益於如此快速的加熱速度, 鋰離子電池從0, -10, -20和-30℃恢複到10℃僅僅需要13s, 33s, 46s和56s, 這對於在冬季使用電動汽車具有重要的意義.
下圖為使用自加熱電池和使用普通電池的對照組在-40℃下使用過程中的電流, 功率, 電池溫度和電池電壓等數據曲線, 其中左邊為採用自加熱電池的實驗組, 右邊為空白對照組. 從電池溫度上看 (圖c實驗組, 圖g對照組) , 自加熱電池的溫度升高速度要遠遠快於對照組, 實驗組緊緊用了112s就恢複到了20℃, 並且實現了全部的刹車能量的回收, 而對照組電池用了3000s, 溫度才恢複到了0℃, 從而導致無法回收刹車能量.
下圖為實驗組和對照組電池在使用的過程中各個部分消耗的能量的佔比, 可以看到相比於對照組, 實驗組能夠用於駕駛 (紅色) 的能量大大增多, 這其中很重要的一部分原因是由於實驗組電池的溫度升高很快, 因此回收的刹車能量要遠遠多於對照組, 因此明顯提高汽車的駕駛裡程.
下圖為下圖為自加熱實驗組電池在不同的溫度下能夠用於駕駛的能量變化曲線, 從圖上可以看到, 在-30, -20, -10和0℃下, 電池能夠用於駕駛的能量分別為常溫下的78%, 80%, 85%和90%. 同時自加熱電池設計和管理策略對於未來的高比能電池仍然十分有效, 計算表明, 當鋰離子電池的比能量提高到300Wh/kg, 在-40℃下電池用於加熱的能量會從現在的8.7%下降到4.8%, 熱量損失能夠從11.9%下降到6.6%, 可用於駕駛的能量能夠從74%, 提高到85%, 通過進一步改善電池的保溫性能, 還能降電池可用於駕駛的能量進一步從85%提高到94%.
Guangsheng Zhang利用自加熱電池快速加熱的特性和配合相應的管理策略, 能夠使的鋰離子電池閑置的時間內快速從低溫下恢複的常溫, 從而幫助鋰離子電池快速恢複電化學性能, 並且不影響電動汽車的正常駕駛, 對於提高電動汽車在高寒地區的使用便利性具有重要的意義. 同時快速恢複鋰離子電池的溫度, 也意味著能夠在短時間內使的鋰離子電池能夠接受充電, 從而實現對刹車能量充分和有效回收, 這也能夠顯著的增加鋰離子電池可用於驅動電動汽車的能量, 從而顯著的提高電動汽車的續航裡程. 總的來說Guangsheng Zhang設計的電池管理策略, 充分利用了自加熱電池的特點, 對於提升電動汽車使用的便利性和增加電動汽車在低溫下的續航裡程具有重要的意義.
