power-sonic蓄电池通过定向交流电直接加热大型锂离子电池单体
2026-04-17 21:45:58 点击： 次
通过定向交流电加载实现锂离子电池的交流加热技术，为传统外部加热方法提供了极具前景的替代方案——尤其适用于大型车用动力电池。本研究提出一种创新方法，利用谐振高频电流实现电动汽车电池的高效加热，且不影响车辆其他系统。基于等效电路模型（ECM），我们系统研究并验证了电流波形、频率、温度及荷电状态（SOC）等关键参数对加热速率的影响机制。此外，研究表明当多个电流分量叠加时，加热速率可线性叠加，从而证实了叠加原理的适用性。基于这些发现，一种用于车辆集成加热器的专利电路概念被实现并通过实验验证。%% 针对不同化学体系的锂离子电池开展了耐久性测试，旨在探究高频高电流幅值条件下是否会出现老化及伴随的性能衰减。%% 这些研究结果为基于频率的大容量电池加热技术的实际适用性提供了新见解，并为车辆运行期间电池系统的预热策略开辟了新途径。
引言
随着电动出行加速发展，锂离子电池作为纯电动汽车(BEVs)的核心部件，必须在宽温度范围内保持可靠工作[1]。电化学储能系统尤为关键：低温环境下，其性能与续航里程显著掉落[1][2]，且锂析出风险及其他有害老化过程加剧[2][3][4]。因此，电池加热成为重大技术瓶颈，这对快速充电场景尤为重要[1][4][5]。
电动汽车电池组的外部加热技术已在实践中广泛应用，并作为低温热管理系统的组成部分见诸文献。此类方法通过外部装置与介质从电池外部进行加热[6]。
采用外部器件的热管理方案包括基于热管和相变材料的技术体系。热管通过内部相变传递热量，无需额外电力输入，具有高效导热率和低维护特性，但其接触面积有限，且作为独立系统无法实现全面温控[7]。基于相变材料的系统通过相变过程储存热能来缓冲温度波动，可在无功耗条件下维持近恒温状态；然而该技术存在导热系数偏低、体积质量增大等缺陷，当添加导电填料时还可能引发安全隐患[7]。此外，电阻箔加热器仍作为一种高效主动加热方式被广泛应用，最新研究正探索其与其他材料的复合使用以提升电池在低温环境下的性能表现[8]。
在原始装备制造商（OEM）中，外部电池加热通常通过加热中间介质实现，该介质随后将热量传递至电池包。早期纯电动汽车（BEV）设计多采用空气热管理系统，利用座舱空气或车载空调结合风扇强制对流进行加热[5]。
空气加热系统具有结构简单、成本低廉且易于维护的优点；然而，空气的热容较低且由此导致的温度不均匀性严重制约了加热性能。因此，现代纯电动汽车已普遍弃用空气加热方案，转而采用液基热管理系统[9]。
液态冷却相较于空气加热，外部加热能提供更高的导热系数和对流传热速率，从而实现更均匀的电池温度分布及更高的加热效率。冷却剂（无论直接接触电芯或通过冷却板隔离）通常由外部水加热器进行升温[10]。虽然此类策略已有充分研究[11]，但核心挑战在于冷却剂自身的加热方式，这一问题将在下文展开讨论。
基于热泵的冷却液加热系统正日益受到整车制造商的青睐，因其能提供高效的热管理性能[9]。通过调节压缩机转速，可实现加热功率的精准调控。这种技术不仅能优化能源利用效率，还可实现对电池冷却液温度的精确控制，因而被宝马、特斯拉、奥迪和日产等多家制造商所采用[7][12]。当利用电驱动系统（如通过刻意让电机或功率电子器件在低效工况点运行）产生的余热时，热泵系统的效能尤为显著。“余热模式加热电池”等概念已在整车制造商的专利文献及车辆实施方案中得到明确记载[13]。
正温度系数（PTC）加热器加热器是集成在液体冷却回路中的电阻装置，用于预热电池冷却液，在某些架构中还用于预热车厢空气。凭借其自调节特性，PTC水加热器作为辅助电池加热器被广泛应用于纯电动汽车热管理系统[14]。基于薄膜元件的高压冷却液加热器则是一种紧凑型、高功率密度的冷却液加热方案，相关研究见文献[7][11]。
外部加热方式相对缓慢且效率较低，因为可用热量不仅传递至电池系统，还会散逸至车辆其他区域[6][15]。作为效率对比的基准，本研究采用基于PTC元件的外部冷却液加热方案。文献[11]表明，对由252个电芯组成、热容为243 kJ/K的电池组进行11 K温升加热，需要消耗0.74 kWh热能。对应的电能需求为2.56 kWh，相当于47 kWh电池组5.4%的荷电状态(SOC)。其效率可由下式表示：