储能用高容量锂离子电池低温快速加热方法研究

亮点：1.提出了一种采用电热膜对电池模组快速加热的方法。 2.研究了电池加热功率、加热部位及模组多维度错位协同加热方法对电池温度场及其升温速率的影响。

摘 要 在低温环境下，电池加热是提升储能系统性能、延长电池寿命以及确保其安全性的重要技术手段。针对储能用高容量锂离子电池的低温加热问题，本工作考虑电池的尺寸效应及其各向异性的热传导特性，结合数值模拟和实验测试手段，提出了利用电热膜对电池模组进行快速加热的方法。探讨了电池加热功率、加热部位及模组多维度错位协同加热方法对电池温度场及其升温速率的影响。结果表明，电池的温升速率与加热膜输入功率之间呈现出线性关系。电池大面加热功率为350 W时，电池平均温度在118 s内可从-20 ℃上升至0 ℃，最大温度达到39.4 ℃，且291 s后电池组温度达到平衡。双侧面加热相比大面加热，其温度提高了18%，但材料成本减少了38%。实验结果验证了仿真模型的准确性，表明了本方案加热时间短、可靠性高，且可快速提升电池组温度。研究结果对户用储能设备的热管理技术开发及优化等具有一定的参考意义。关键词锂离子电池；加热膜；低温环境；快速加热

储能设施是构建新型能源体系最重要的技术和基础装备之一，锂离子电池因其能量密度高、寿命长、减少污染等优点，成为储能设备良好的组成单元。然而，在低温环境中，储能电池的性能大幅度降低，特别是电池低温下充电发生析锂现象，严重影响电池寿命，存在极大的安全隐患。对于可再生能源储存的应用，加热系统能够确保电池在寒冷气候条件下的可靠性和高效性，使其适应更广泛的使用场景。因此，电池储能设备需要研究低温电池快速加热策略，实现对储能电池组的热管理，确保锂离子电池的温度保持在适宜的范围内。

为改善低温电池的加热效果，目前很多学者研究了可以对低温电池加热的方法，主要分为两类，内部加热法与外部加热法。内部加热方法包括交流加热法、直流加热法以及电池自加热法；外部加热方法包括空气加热法、加热膜加热法、相变材料加热法等加热方法。

内部加热通常是在电池内部产生大量热量，使电池升温且受热更加均匀。何锡添等设计了一种变频变幅交流自加热策略，相比于恒频变幅加热策略，其温升速率最大可提高21.85 %。Wang 等提出了一种新的电池结构，通过在电池内部安装加热元件，实现了低温下快速自加热。外部加热的主要原理是通过热传导或热对流将热量传递到电池内部实现加热。张承宁等采用宽线金属膜加热法，通过加热低温电池显著提高了电池的性能；E等设计了一种加热膜和相变材料耦合预热的方法，通过确定耦合的最佳参数，使预热时间大大减小，预热效果良好。Zhang等使用相变材料与加热膜设计了两种加热方式，结果表明大面加热的效果优于侧面加热。熊瑞等^]提出了一种加热膜与交流加热复合加热方法，该方法的加热效率为3.18 ℃/min，具有良好的温度调整能力和加热效果的一致性。

目前，国内外在锂电池低温加热方面，对电池加热的方式方法的研究尚不充分，加热效果尚未达到预期水平，仍存在加热效率低等问题。同时方形电池的热传导存在各向异性，在电池的不同表面加热时，其加热效果存在差异。本工作以方形电池为对象，通过对外部加热功率及电池加热方法的参数化分析，探究电池低温下外部加热策略，并通过实验验证了加热策略的可行性与有效性。

1 方法

1.1物理模型

为了建立电池热模型，需要获取电池单体的热物性参数。以方形磷酸铁锂(LFP)电池为对象，文中锂电池的热物性参数通过实验获得，根据文献[17]的方法得到单体锂电池各部分的相关参数，电池基本参数如表1所示。

表1电池的规格参数

根据方形电池的对称性，选择电池的1/2对称体积建立模型即可满足仿真需要。简化的电池组模型由2个半电池组成，电池大面相对放置，电池侧面与剖面均设置为对称表面。在低温环境温度下，本工作采用加热膜在短时间内将电池模组加热至适宜的工作温度，并确保电池组良好的温度均匀性，便于后续的正常充放电行为。加热膜的基本参数见表2。根据加热膜排布位置，分别在电池大面、侧面和底面上粘贴加热膜，电池模型见图1。利用稳压电源向加热膜输入电信号，加热膜产生热量通过热传导由电池外表面传递至低温电芯，为电池模组迅速升温。

表2加热膜的基本参数

实际电池组的结构比较复杂，在建立物理模型时需要对其结构进行简化，忽略电池极柱、固定支架等结构，并假设电池的比热容和密度均为常量。模型的网格生成在 ANSYS 软件中完成，电芯与加热膜均进行结构化网格划分，通过由面到体的生成方法完成网格的划分。

加密网格可以提高仿真计算的准确性。网格尺寸过大会使计算失真，甚至导致结果发散；网格尺寸过小则会增加计算时间，浪费计算资源。本研究针对电池模型划分不同网格尺寸，分析了不同数量的网格对模型计算精度的影响。如图2所示，当网格数超过120万时，电池最大温度趋于平稳，因此确定网格模型共计4514415个节点、1229694个网格单元。

1.2电池热分析理论模型

本研究为外部加热电池，电池自身内部无产热功率，电池升温来源于外部热源的热量传递。电池的温度变化是电池吸收的热量和电池散热的综合影响，因此锂离子电池的温升的表达式为

式中，为电池质量，kg；为电池比热容，J/(kg·K)；为电池温度，K；为环境温度，K；为电池吸热热量，J；为电池散热热量，J。

由于电池组不是绝热的，电池除了吸收热量外，还会向周围环境散热，需要考虑电池在预热过程中的热损失。对于锂离子电池来说，热量主要通过热对流传递到环境中。根据牛顿冷却定律，锂离子电池通过热对流从电池壳体传递到环境中的热量计算表达式为

式中，是对流换热系数，W/(m²·K)；是电池与环境的对流换热面积，m²。

电池的热量来自加热膜加热后与电池形成的温度差，通过热传导将加热膜热量传递到电池外壳。根据傅里叶定律，锂离子电池中以热传导形式传递的热量可表示为

式中，是热导率，W/(m·K)；是加热膜与电池的接触区域面积，m²；是电池等温面法线方向的温度梯度，K/m。

通过外部电源给加热膜输入功率，使加热膜快速升温，将热量传递给电池。根据能量守恒定律，加热膜与电池之间温度变化的计算公式为

式中，为加热膜加热功率，W；为加热时间，s；为加热膜质量，kg；为加热膜比热容，J/(kg·K)；为加热膜温度，K。

根据电池的预热行为，电池温度变化最终可由下列公式进行表述：

2 数值仿真

2.1加热功率

将加热膜粘贴在电池大面，加热膜分别输入不同的电参数，加热功率从100 W增大到400 W，每组间隔50 W。初始温度为-20 ℃，设定加热膜的边界条件为当电池平均温度到达0 ℃时，加热膜加热功率变为0，电池的温升结果如图3所示。

图3不同加热功率下电池的温升结果

如图3所示，随着加热功率的增大，电池平均温度从-20 ℃线性升温至0 ℃所需的预热时间减少，之后电池平均温度保持恒定；但电池最高温度和最大温差随加热功率的增大呈上升趋势，在电池平均温度为0 ℃的时刻达到峰值，后续电池最高温度和温差开始自由降温至0 ℃。当加热功率为350 W时，电池平均温度由-20 ℃升至0 ℃仅需118 s，温升速率为10.17 ℃ /min。此时，电池最高温度和最大温差分别为39.3 ℃和54.5 ℃。待电池加热结束后，电池内部自发进行热量传递，电池温差迅速降低，电池的温度均匀性趋于一致，且后续电池的温度维持平稳。

由加热功率与电池温升速率的关系(图4)可发现，电池的温升速率随加热功率的提高呈线性增长趋势。对于加热功率350 W及以上，电池加热后温差降至3 ℃以内的时间基本相同，说明功率持续增大对电池均温的时间影响较小。通过加热功率与加热时间的关系，可以计算出不同加热功率的耗电量均为11.47 Wh左右，故加热消耗的电量转化为电池自身的热量，在不同功率下基本相同，耗电量对加热速率无直接影响。

2.2加热膜布置方式

方形锂电池的热导率呈现各向异性，在电池的不同方向上使用同一功率加热，会产生不同的加热效果。本工作分别采取了5种布置方案(图5)来加热电池单体，并观察电池温度变化情况。

如图6(a)所示，使用同一功率加热电池，加热膜布置方式不同，但电池平均温度呈现相同的温升趋势，线性升温至0 ℃，之后趋于稳定。由图6(b)、(c)可知，后3种方案最大温度高于90 ℃，超过电池的正常工作温度范围，极大地影响了电池寿命。在相同的加热功率下，后3种方案的加热膜功率密度相比前2种方案增大数倍，短时间内电池传热速率比加热速率慢，使得电池局部温度激增，温差升高。仅通过大面加热的方案a1，电池的最高温度和最大温差分别控制在39.4 ℃和55.7 ℃以内，电池的低温加热性能最优。其次，通过双侧面加热的方案a2加热电池，其电池的最高温度和最大温差与大面加热方案相比提高了18%。但双侧面加热方案与大面所使用的加热膜相比，表面材料成本减少了38%。

图6不同布置方式下电池的温升结果

2.3多维度协同加热

对第2.2节不同的加热膜布置方式进行组合，共采取了7种加热膜组合加热方案，具体方案详情如图7所示，分析加热膜多维度协同加热对电池温升效果的影响。

采用加热膜多维度协同加热方案时，加热膜的功率相同，电池平均温度变化一致，表明加热膜的布置方式对电池总体传热情况的影响较小。图8(b)(c)表明，方案b1、b3、b4的电池最高温度和温升曲线上升趋势最平缓，最高温度在42 ℃以内，该3组方案的加热效果最佳。其中方案b6与b7加热效果最差，温升曲线基本相同，电池最高温度达到104 ℃左右。此外，对比图8(c)电池最大温差的变化，方案b4的温差在加热118 s停止后，电池经过热量传递，最大温差仍在5 ℃以上，影响电池的使用性能。综上，方案b1和方案b3的加热效果更优。

图8不同加热膜多维度协同下电池的温升结果

3 实验

3.1实验布置

电池低温加热测试系统主要包含上位机、数据采集仪、电池模组、稳压电源和高低温试验箱等设备，系统示意图见图9。本实验对象为100 Ah的锂离子电池，开展电池低温加热实验时，电池组四周及底部用气凝胶毡与珍珠棉组成的保温隔热材料包裹，电池模组大面或侧面上分别布置0.2 mm的加热膜。

选用第2节中加热效果良好的3种加热膜布置方式(方案a1、方案b1和方案b3)开展实验，对仿真结果进行验证。为保证-20 ℃的低温实验环境条件，将电池模组放入高低温试验箱中静置24 h均温，待电池内外温度保持稳定时开展实验。

由于电池内部无法内置热电偶监测电池温度，因此将热电偶(TC)布置在加热膜的外表面，对比仿真与实验时的加热膜温度数据，验证电池低温加热方案的有效性。热电偶的布置示意图见图10。

3.2实验结果与讨论

将2块布置完成的目标电池放入试验箱开展实验，实验用时600 s，据仿真结果，设定加热膜的加热时长为118 s，之后停止加热。各仿真模型的温升与实验温升的对比结果如图11所示。

图11电池低温加热的实验与仿真温升结果对比图

结果指出，3组电池低温加热策略的仿真结果与实验结果相吻合，平均温差不超过2 ℃，表明模型的准确性较高。此外，实验与仿真结果温度偏差出现了两次突增。首先，低温加热初期(10~50 s)，加热膜为低温状态，电阻值较小，稳压电源的输出功率高于预期值，仿真与实验的温差不断增大。后续加热膜升温，电阻值变大，电源的输出功率接近预期值，温差下降。其次，电源加热功率停止(120~130 s)时，仿真与实验中加热膜的温差出现激增。这是由于热电偶黏附在加热膜表面会显著抑制加热膜散热，使热电偶处温差骤升，在5 s之后温差开始迅速下降，直至保持恒定，加热膜的实验温度结果与仿真温度结果趋于一致。

4 结 论

本工作使用外部加热提高方形锂电池的低温性能，构建了方形锂电池模型，数值研究了电池组模块的温升特性，并通过实验验证了电池加热方案的可行性。得出以下主要结论：

（1）加热膜输入功率提升可缩短预热时间，但加热过程中的温差增大。电池温升速率与加热膜功率呈线性关系。若加热膜功率相同，电池平均升温速率不受加热膜布置方式的影响。

（2）加热膜的加热功率为350 W时，温升速率为10.17 ℃ /min。且电池的大面加热优于其他布置方式，最大温度为39.3 ℃，在291 s后电池的温度达到动态平衡，低温加热速率有显著提高。双侧面加热相比于大面加热，其温度提高了18%，但材料成本减少了38%。

（3）对多维度协同加热方法，大面与双侧面、大面与交叉侧面的加热方法在118 s内的电池最大温度分别为42.6 ℃和43.1 ℃，分别在307 s和346 s时电池内部温度达到稳定，均能够满足电池的低温加热需求。

（4）低温加热实验充分验证了仿真模型的准确性，最大温差可控制在4 ℃以内，证明本工作提出的电池组快速预热方案可行，能够满足电池预热的实际需求。

作者：匡智伟、张振东、盛雷付林祥

单位：上海理工大学机械工程学院，上海 200093

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0894

引用本文：匡智伟, 张振东, 盛雷, 等. 储能用高容量锂离子电池低温快速加热方法研究[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(2): 791-798.KUANG Zhiwei, ZHANG Zhendong, SHENG Lei, et al. Research on low-temperature rapid heating method for high-capacity lithium-ion batteries in energy storage[J]. Energy Storage Science and Technology, 2025, 14(2): 791-798.

原标题：《储能科学与技术》文章|张振东等：储能用高容量锂离子电池低温快速加热方法研究