能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力助推了電動汽車的快速發(fā)展。鋰離子電池因能量密度高、使用壽命長、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點而成為電動汽車動力電池的首選。但由于參數(shù)隨條件的變化，鋰離子電池在實際應(yīng)用中仍然存在一些挑戰(zhàn)。低溫環(huán)境下鋰離子電池的可用容量急劇下降，會直接影響電動汽車的續(xù)航里程，而且電池充電變得更加困難，輸出功率大幅下降，嚴(yán)重時難以達(dá)到正常工況要求。

鋰離子電池的使用壽命與眾多因素相關(guān)，低溫下按常規(guī)策略充電容易出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象，這將嚴(yán)重影響電池的壽命。因此，對鋰離子電池進(jìn)行低溫加熱，改善低溫充電性能和使用性能十分必要。

目前對電池進(jìn)行加熱的方式主要分為兩種：外部加熱和內(nèi)部加熱。外部加熱主要是通過熱傳導(dǎo)或熱對流的途徑實現(xiàn)，通過PTC材料或加熱膜等在外部對電池進(jìn)行加熱。但該方式受熱不均勻且加熱效率較低。內(nèi)部加熱直接在電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量，故其加熱效率更高，受熱更加均勻。

JinXin等分別在HPPC及恒流放電工況下實驗，對比外部加熱和內(nèi)部加熱，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部加熱的溫升速度明顯高于外部加熱。ZhangGuangsheng等設(shè)計了一種自加熱結(jié)構(gòu)的鋰離子電池（Self-Heating Lithium-ion Battery,SHLB），采用2片鎳箔的設(shè)計使溫度分布更加均勻，溫升更快，但短路引起的大電流是否對電池的壽命造成影響需要進(jìn)一步討論。且該方法需要改變電池結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)較為困難，故應(yīng)考慮通過電池自身阻抗產(chǎn)熱以達(dá)到加熱電池的目的。

JiYan等對各種加熱方式進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)交流電加熱電池溫度均勻性好，能夠保持荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）基本恒定；而直流放電自加熱雖然成本低，但受制于起始SOC的大小，且過大的直流會對電池壽命造成一定影響。由此可知，相比于外部加熱方式，交流加熱實現(xiàn)起來較為容易，能夠保持荷電狀態(tài)基本恒定，且加熱速度較快，加熱均勻性好。

T.A.Stuart等提出在低溫環(huán)境下對電池施加交流電進(jìn)行內(nèi)部自加熱的策略，且探討了交流信號的參數(shù)對加熱效果的影響，但僅討論了60Hz和10~20kHz兩個頻率段的結(jié)果，對于兩個頻率段之間的頻率未做分析。

ZhangJianbo等更加詳細(xì)地指出交流信號的頻率與加熱效果有關(guān)，同一電流幅值下，頻率越低，加熱時間越短，但并未指出如何選擇交流激勵的幅值與頻率使得加熱速度最大化，且沒有考慮壽命衰退問題；同時發(fā)現(xiàn)在使用交流加熱后，電池SOC沒有明顯變化。在恒定電流幅值的交流加熱下，交流電流的頻率過低，半波周期過程接近于直流充放電過程，無法體現(xiàn)交流加熱的優(yōu)勢。

另外，由于極化電壓與電池的電化學(xué)反應(yīng)存在一定的關(guān)系，在一定的極化電壓下充電不會明顯影響電池壽命，故為了避免電池產(chǎn)生不良的反應(yīng)，有必要控制電池的極化電壓。RuanHaijun等提出并證明了鋰離子電池在恒極化電壓條件下存在最佳加熱頻率，進(jìn)行了恒定頻率與變化幅值（Constant-Frequency and Variable-Amplitude, CFVA）下的電池交流自加熱實驗，但沒有隨著電池溫度的升高而改變頻率以使每個溫度點下的產(chǎn)熱率最大。

對此，在恒定極化電壓交流加熱的情況下，為在交流加熱過程中能保持最大的產(chǎn)熱率，交流信號的頻率需實時調(diào)整。目前已有文獻(xiàn)僅涉及交流電流恒頻恒幅或恒頻變幅的加熱實驗，沒有研究交流電流變頻的加熱策略，而頻率在鋰離子電池的自加熱過程中起到關(guān)鍵性的作用。

故本文設(shè)計了一種變頻變幅（Variable-Frequency and Variable-Amplitude, VFVA）鋰離子電池低溫自加熱策略，通過軟件仿真和實驗測試的對比，驗證了該策略的可行性與有效性。

圖1 電池實驗平臺

結(jié)論

本文以快速加熱電池、同時不對電池產(chǎn)生不良影響為原則，在保證極化電壓幅值恒定的條件下，基于熱-電耦合模型設(shè)計了一種電流頻率和幅值時變的低溫交流自加熱策略。通過Labview軟件在線實測，進(jìn)行了多項實驗驗證。

通過所建立的電池?zé)?電耦合模型及其仿真結(jié)果證明了最佳加熱頻率的存在。仿真與實驗得到的最佳加熱頻率結(jié)果基本一致，電池溫升曲線誤差較小，均在9%以內(nèi)。

通過變頻變幅與1700Hz和3500Hz恒頻變幅交流自加熱策略的對比實驗可看出，變頻變幅自加熱策略加熱效果最優(yōu)，3500Hz的恒頻變幅自加熱策略優(yōu)于1700 Hz的恒頻變幅自加熱策略。其中，變頻變幅及1700 Hz、3500 Hz恒頻變幅交流自加熱策略在700s內(nèi)的電池溫升分別為47.67℃、40.83℃和44.01℃，能夠滿足電池在低溫下的加熱需求。

不同條件下變頻變幅交流自加熱策略與恒頻變幅交流自加熱策略在700s內(nèi)電池溫升差異最大為6.84℃，溫升速率差異最大值為21.85%，說明變頻變幅交流自加熱策略具有較明顯的優(yōu)勢。