棱柱式电源CTM蓄电池模块中正温系加热薄膜低温预热性能的实验研究

电池的性能直接影响车辆的热安全性能。本研究旨在通过实验测试，提升锂离子电池在低温条件下的热安全性，重点研究正温系数（PTC）加热膜对电池发热性能的影响。首先，加热电池的侧面和底部，分析单电池的热传递路径和模式。通过测试加热时间和温度一致性，研究了不同功率密度和几何位置对加热效应的影响。其次，针对电池模块，构建了低温加热热管理热传导模型，分析不同加热功率密度下加热膜的加热机制。最后，综合这些研究结果以获得最佳的加热功率密度。结果显示，对于电池来说，侧加热和底部加热的最佳功率密度为0.5瓦/厘米²以及0.4瓦/厘米²，分别。从−20°C到10°C的侧加热所需时间比底部加热慢730秒，最大温差低1.885°C。对于电池模块，功率密度为0.5 W/cm²适用于底部和侧面加热方式。由于电池组间存在热传导，电池模块将被快速且均匀地预热。在最佳功率密度下，侧加热时间为1459秒，最大温差为6.32°C;底部加热时间略长（1783秒），最大温差为6.221°C。 侧加热有助于电池模块的快速预热。本研究将有助于提升电池在寒冷环境中的性能和安全性。
作为一种清洁的交通工具，电动汽车（EV）已成为实现碳中和的重要方式[1]，因为它有潜力减少化石燃料消耗和碳排放[2]， [3]， [4]。电动汽车的核心部件是电池[5]、[6]，电池的性能直接影响车辆的续航里程、使用寿命和热安全性能。锂电池因其高能量密度、长周期寿命以及快速充放电能力，已成为电动汽车的主流储能解决方案[7]， [8]。然而，锂电池的性能特别受温度影响，温度过高或过低会直接影响锂离子电池的电化学性能和发热特性[9]、[10]。在低温下，电解液变得粘稠，锂电池的化学反应速度降低，从而降低电池容量并增加内部电阻。这一变化影响了电动汽车的续航里程，增加了电池的老化速度，并缩短了其使用寿命[11]、[12]、[13]。此外，低温可能增加充电时锂树突出现在电池内的风险，降低锂离子在电极和电解质中的扩散系数，相界面传输动力学差，电解质中锂离子溶剂能障碍较高，以及严重的锂涂层，影响电池安全。因此，锂电池在低温下的热管理至关重要，低温电池热管理系统的发展需考虑电池的电化学、机械和热力学特性，以及工作条件、电池健康状况、结构设计及其他因素[14]、[15]、[16]，特别是电池系统在低温下的快速平衡预热[17]。有效的低温加热系统可以在低温条件下快速加热电力电池，并保持良好的均匀温度分布，从而提高电源电池的热安全性和循环使用寿命[18]，[19]。简而言之，电池加热的问题涉及多个方面，包括温度控制、安全、性能、成本和技术限制。为解决这些问题，需全面考虑加热方式、低温供暖系统设计和工作环境等因素，以实现电池的最佳性能和安全性[19]。
根据热源的不同位置，电池的低温加热方法分为外部加热、内部加热和混合加热方式[20]、[21]。内部加热是通过在电池中通过化学反应或物理过程产生热量来提高其温度来实现的。内部加热方法包括放电加热、自加热锂离子电池和电流激励加热。放电加热法是一种常见的内部加热方法，通过电池放电过程产生热量，从而提高电池温度 [23]， [24]， [25]。自加热锂离子电池采用特殊的内部加热方法，电池内材料和化学反应在放电或充电时产生热量 [26]， [27]， [28]， [29]。然而，由于设备成本、安装空间等原因，这种方法加速了电池内部电离，缩短了电池寿命。电流激发加热法可以通过电磁感应高效地将电能转化为热能。凭借其高效、可控性和节能性能，适用于需要精确温度控制的加热过程，但也面临复杂系统、高成本和专业维护要求等挑战[30]， [31]， [32]， [33]。Cui 等[34]通过实验结果证明了高频交流加热结构和热电耦合模型，以验证不同交流电流加热频率的有效性。研究数据表明，最佳加热速率在800赫兹下可达到4.65 K/min，而不影响电池的使用寿命。Zhang 等人[35]研究了具有内部冷却/加热结构的锂离子电池的传热特性和低温性能。结果显示，在−20°C和1°C放电速率条件下，使用3.70瓦预热和同时加热功率，电池的放电容量和初始放电电压分别比未加热电池提高了46.0%和0.66伏。Qin 等[36]研究了脉冲加热法下锂离子电池模块与不均匀电池的温度分布。结果显示最大温差可控制在8.7以内。
^o在加热过程中，温度从20°C到5°C，需300秒，当某些电池电阻状态的功能范围接近标准值50%时，最大温差的变化控制在2°C以内。内部加热方法具有高温升温效率高、温度一致性良好、系统简单等优点，但也存在加速电池老化、高成本及潜在安全风险的缺点。
与内部加热方法不同，外部加热方法通常需要外部加热装置[37]，这种设备相对安全且易于实施。基于不同的传热介质，外部加热[38]通常包括空气加热、液体加热、相变材料（PCM）加热以及外部设备加热[39]、[40]。在空气加热中，空气预热后通过电池表面流动与电池交换热量，因此强制对流气体加热是常用的[41]。钟等人[42]开发了一种复合相变材料（cPCM）冷却/电阻线预热耦合系统，适用于设计的18650型电池模块。结果表明，通过耦合系统，电池内部中心温度可在300秒内提升40°C。一位等人[43]研究了双主动锂离子电池热管理系统在恶劣条件下的冷却和预热性能。数据显示，电池组的空间利用不仅在严酷的冷热环境条件下，保持了电池模块在适当范围内的最大温度。一例人[44]通过耦合液体和PCM冷却策略，研究了紧凑型锂离子电池热管理系统的冷却和预热行为。结果显示，当电池模块从−15°C加热到10°C时，20瓦和10W加热带有不同的脉宽调制加热策略，电池模块可在约6分钟内快速加热。Pan等人[45]对基于热电元件的电力电池预热系统进行了实验分析。研究数据显示，采用底部6伏、顶部9伏的热电系统，以及10伏的风扇电压，电池组可在824秒内高效加热至5°C至5°C。Xu等人[46]进行了基于散热板的低成本电池模块预热，集成了空气冷却。结果显示，电池模块在连续加热协议下的加热速率可达6.98°C/min，加热效率为69.8%。空气供暖存在诸如热量分布不均、效率低、响应缓慢、高能耗以及潜在的安全隐患等缺点，且尚未被广泛使用。由于液体具有优异的热导性和保温能力[47]、[48]，液体加热法的加热效率优于传统空气加热法。Chen 等人[49]提出了一种基于双向液体加热的电池模块，可以在极低温度环境（–40°C）下，短时间内将整个电池模块预热至工作温度高于 0°C。然而，这种加热方法相对复杂，对相关设备的密封和保温性能要求更高，以确保整个加热过程中不发生电气故障或短路。PCM加热系统利用PCM的特性在相变过程中吸收和释放能量，有效地在低温下加热电力电池[50]、[51]、[52]、[53]、[54]。Luo等人[55]研究并使用导电复合cPCM进行简单的热管理，使电池能够在极其恶劣的热环境中工作，从超低温（–40°C）到超高温（+50°C）。Ling 等人[56]开发了适用于低于5°C锂离子电池的PCM。 利用高热能储存能力，PCM可以储存热量并保持电池温暖。Lv等人[57]提出了两种低温电池加热策略：强制空气对流（FAC）和硅胶片加热（SP），并优化了PCM冷却电池模块的性能。实验显示，关闭电池组并增加风扇数量能改善FAC效应，90瓦SP策略实现了最佳的加热效率。PCM加热具有良好的温控和结构简洁[58]，但考虑到电动汽车在寒冷地区的恶劣环境，急需高过冷和低稳定储热温度的PCM。此外，PCM加热可能存在诸如复杂系统设计、确保PCM与电池之间有效热交换的特殊设计以及泄漏风险等缺点。与PCM加热法相比，加热膜加热法通过在电池表面贴上加热膜来均匀加热，具有良好的加热稳定性、易于安装和易于维护的优点。加热膜可以由金属、PTC、石墨烯、聚酰亚胺及其他材料制成。Han等人[59]选择了一种柔性聚酰亚胺加热膜来加热电池。模拟结果显示，在-20°C环境温度下，电网电源预热技术和电池电源分别降低了48.30%和44.89%的能耗，相较于非预热策略。E等人[60]将加热薄膜与预热PCM结合，基于仿真获得了耦合预热管理系统的最佳参数。最后，确定并研究了传统预热和低温快速预热的预热方案。Zhang 等人[61]提出了一种结合 PCM 和加热膜的耦合电池预热方法，发现大侧加热电池速度更快，但热均匀性较小侧差，且加热功率相同。Lv等人[62]基于金属加热薄膜和cPCM构建了集成电池热管理（IBTM）系统，采用创新的连续脉冲加热方法，预热阶段加热电压为14伏。该方法提供了更好的温度均匀性，最大温差仅为2.83°C。 Talele等人[63]通过模拟分析了柔性聚酰亚胺预热器的加热效率，结果显示前面板加热相比侧面和底部加热实现了均匀加热。谢等人[64]开发了一种复合薄膜，结合了液态金属、石墨纳米片和芳纶纳米纤维。实验显示，当两块商用18,650枚锂离子电池连续在1摄氏度和0°C低温下充放电时，电池表面温度可在600秒内迅速从0°C升至30°C。Tianet等人[65]制备了80重的石蜡（PA）/膨胀石墨（EG）复合材料和75瓦%的PA/硅气凝胶（SA），并与加热膜结合。结果显示，尽管PA/SA复合材料在加热过程中具有良好的加热性能，但它们在电池组上产生了更大的温差。PA/EG复合材料在加热薄膜加热末期会产生较大温差，但可以迅速恢复即电池组的均匀性。在当前国内市场，聚酰亚胺（PI）加热膜因其优异性能成为首选加热方案。然而，面对国际市场的竞争，国内私家影视行业必须提升技术水平和产品质量，主要在生产低技术要求的低端产品方面。PI加热膜也存在一些缺陷。首先，PI加热膜在极端温度下的性能可能受到影响，例如使用超过最高温度会导致材料变形，且在过低环境温度下会变得脆，影响其结构完整性。其次，PI加热膜的加热效率可能有限，导致加热不均，并对电池性能和寿命产生负面影响。正温系数（PTC）材料，也就是热敏感材料，因其电阻率随温度升高而增加，受到了研究人员的广泛关注。PTC加热膜具有正温度系数特性，使电阻在特定温度下显著增加，限制电流流动，内置温控功能，并提升安全性。Zhang 等人[66] 利用锂离子电池组放电为PTC材料供电，实现电池组的自热。结果显示，与外部电源加热的电池组相比，采用PTC自加热方法的电池组在放电容量，尤其是放电容量方面表现更佳。Wang 等人[67]建立了并实验验证了低居里点PTC材料的导电模型。结果显示，作为电防冰加热元件时，它表现出自适应的温控和优异的稳定性。Zhang 等人[68] 比较了PTC材料和金属电阻材料的加热方法。结果显示，在PTC底部加热过程中，系统的热稳定性得到了提升。Jiang等人[69]提出了一种采用感应加热操作的新型预热方法。感应加热对LIB的性能进行了评估，并与使用金属电阻薄膜和正温度系数（PTC）元件的传统加热方法进行了比较。相对结果显示，感应加热在电池预热方面表现更佳，温度递增快，温度分布均匀，效率高。采用夹心感应加热的电池在实验测试中获得了最高71.4°C/min的温度提升率，温度差小于6°C，加热效率为79.2%。在这些文献中，PTC在电池模块低温加热中的应用得到了研究。Jin等人[70]在论文中进行了电池和实验研究的PTC自加热方法。结果显示，充放电速率和容量恢复优于外部供电供暖。然而，考虑到加热功率、能耗和系统轻量化需求，PTC加热薄膜的最佳加热功率密度和电池模块内部的最佳加热几何形状仍不十分明确，研究和报告也不多。
为解决这些问题，本研究专注于研究PTC加热薄膜在电力电池低温加热热管理领域的应用。以方形电池和电池模块为研究对象，构建了低温加热热管理热传递模型。通过加热实验，将不同的加热功率密度应用于电池侧面和底部的不同几何位置。研究了这些因素对模型热传递定律和机制的影响。通过加热时间和最大温差等指标评估加热薄膜的加热效率，以确定最佳加热功率密度。这些实验结果将优化PTC加热薄膜在电源热管理中的应用，并为相关技术的进一步开发提供实验数据和理论支持。