實(shí)驗(yàn)名稱：電池加熱與充電實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)意義：隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的快速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求與日俱增，在交通領(lǐng)域更甚。而在化石能源日益枯竭和環(huán)境污染的大背景下，新能源汽車具有廣闊的發(fā)展前景。近年來，以純電動(dòng)汽車為主的新能源汽車發(fā)展迅猛，有望取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車。鋰離子電池的性能直接影響電動(dòng)汽車的續(xù)航、安全性和可靠性。低溫環(huán)境下，鋰離子電池功率特性變差、循環(huán)壽命衰減、可用容量降低，同時(shí)面臨低溫充電難、充電易析鋰等問題，這些因素阻礙了電動(dòng)汽車的發(fā)展。低溫加熱技術(shù)是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的核心技術(shù)之一，是緩解動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下性能衰減的關(guān)鍵。

　　實(shí)驗(yàn)原理：本實(shí)驗(yàn)是基于交流加熱法的電池加熱和充電測(cè)試，交流加熱法通過給電池施加交流電流產(chǎn)生熱量，從內(nèi)部加熱電池，并且在交流信號(hào)上疊加直流分量，在加熱的同時(shí)給電池進(jìn)行充電，交流加熱法使用外部交流電源，使得加熱過程不消耗電池自身能量，在形式各樣的交流電波形中，正弦交流電應(yīng)用最為廣泛。本實(shí)驗(yàn)使用安泰電子ATS-M1010C電流互感器作為驅(qū)動(dòng)電源，實(shí)驗(yàn)框圖和實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖如圖1，2所示。

　　圖1實(shí)驗(yàn)流程圖

　　圖2實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

　　測(cè)試設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器、ATS-M1010C電流互感器、示波器、可充電鋰電池、紅外測(cè)溫儀，萬用表

　　實(shí)驗(yàn)過程：使用信號(hào)發(fā)生器為ATS-M1010C電流互感器提供交流信號(hào)，首先在儀器空載時(shí)將交流和直流偏置預(yù)先設(shè)置好，本次實(shí)驗(yàn)所使用到鋰電池的充電電流為1-2A，信號(hào)發(fā)生器設(shè)置的參數(shù)為10kHz,812mVpp,+100mV(Offset)，通過電流互感器自帶的電流檢測(cè)口連接示波器觀測(cè)電流波形，設(shè)置好的電流波形如圖3所示。預(yù)先信號(hào)設(shè)置好后，使用未滿電的鋰電池進(jìn)行測(cè)試，在加電前使用紅外測(cè)溫儀和萬用表分別測(cè)試電池的溫度和電壓，初始溫度和電壓分別為16.4℃，0.264V，分別如圖4，圖5所示，接下來進(jìn)行加電測(cè)試，測(cè)試時(shí)間五分鐘。

　　圖3空載波形圖

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：加點(diǎn)測(cè)試五分種后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、7所示，電池的溫度和電壓分別為30.1℃，3.107V，結(jié)果表明，電池在經(jīng)過交流信號(hào)一段時(shí)間后會(huì)明顯被加熱，疊加的直流偏置也成功給電池充電，實(shí)現(xiàn)在給電池加熱的同時(shí)進(jìn)行充電。另外，改變交流電的幅值和頻率都將影響電池內(nèi)部產(chǎn)熱功率，進(jìn)而影響電池加熱速度，需要注意的是，直流分量是的電池的充電電流，在探究交流信號(hào)的頻率與幅值對(duì)加熱速率影響時(shí)應(yīng)保持不變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，較高的電流幅值、較低的電流頻率和良好的保溫條件有利于提高電池加熱速度，實(shí)測(cè)優(yōu)化之后的加熱方法，電池從16.4℃加熱到30.1℃僅需5min，加熱速率為2.74℃/min，溫度上升圖如圖8所示。

　　圖8電池溫度上升圖

　　對(duì)于電動(dòng)汽車應(yīng)用而言，低溫交流加熱法的研究仍處于初級(jí)階段。低溫環(huán)境下如何高效、安全的加熱電池仍充滿挑戰(zhàn)。為加快內(nèi)部加熱法和復(fù)合加熱法的工程應(yīng)用進(jìn)度，還存在以下幾個(gè)方面的問題亟待解決：

　　(1)現(xiàn)有研究中加熱策略對(duì)電池老化的研究不足，電流參數(shù)在電化學(xué)機(jī)理層面對(duì)電池壽命的影響有待深入研究。后續(xù)研究應(yīng)建立電池的電化學(xué)模型，從機(jī)理層面揭示電流參數(shù)對(duì)電池老化的影響，明確不同運(yùn)行條件下電池不發(fā)生老化的電流參數(shù)范圍，進(jìn)一步提高加熱效率和安全性。

　　(2)現(xiàn)有加熱方法研究中研究對(duì)象多為單體電池，對(duì)于電池模組、電池包層面的研究不足，而模組內(nèi)的溫度均勻性將在很大程度上影響電池組的性能及老化速率。電池產(chǎn)熱模型和熱模型是低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，后續(xù)研究應(yīng)進(jìn)一步從單體電池、電池模組、電池包等層面研究準(zhǔn)確、高效的電-熱耦合模型，考慮電池不一致性的影響，提高溫度預(yù)測(cè)的精度和速度，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、加熱控制策略設(shè)計(jì)提供理論支撐。

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