摘要:低溫下鋰離子電池的可用容量和功率大幅下降，而且充電困難。對(duì)鋰離子電池進(jìn)行低溫加熱是改善其性能的有效途徑。該文建立了電池的熱-電耦合模型，設(shè)計(jì)了一種變頻變幅交流自加熱策略，在保證極化電壓幅值不變的條件下，以加熱功率最大為目標(biāo)，根據(jù)電池在各個(gè)溫度下得到的最佳加熱頻率實(shí)時(shí)調(diào)整交流激勵(lì)的頻率和幅值。

　　對(duì)比不同策略發(fā)現(xiàn)，采用變頻變幅交流自加熱策略，電池在700s內(nèi)上升了47.67℃，相比恒頻變幅加熱策略，其溫升速率最大可提高21.85%。所設(shè)計(jì)的變頻變幅交流自加熱策略具有良好的加熱效果，有利于促進(jìn)電動(dòng)汽車在寒冷環(huán)境下的推廣應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：鋰離子電池,低溫自加熱,熱-電耦合模型,變頻變幅

　　0引言

　　能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力助推了電動(dòng)汽車的快速發(fā)展[1]。鋰離子電池因能量密度高、使用壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而成為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的首選[2]。但由于參數(shù)隨條件的變化，鋰離子電池在實(shí)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[3]，會(huì)直接影響電動(dòng)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(shí)難以達(dá)到正常工況要求[4]。

　　鋰離子電池的使用壽命與眾多因素相關(guān)[5]，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(duì)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(duì)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(duì)流的途徑實(shí)現(xiàn)，通過PTC材料或加熱膜等[6-7]在外部對(duì)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[8]分別在HPPC及恒流放電工況下實(shí)驗(yàn)，對(duì)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[9]設(shè)計(jì)了一種自加熱結(jié)構(gòu)的鋰離子電池(Self-HeatingLithium-ionBattery,SHLB)，采用2片鎳箔的設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)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[10]對(duì)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)(StateofCharge,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(huì)對(duì)電池壽命造成一定影響[11]。

　　由此可知，相比于外部加熱方式，交流加熱實(shí)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[12]提出在低溫環(huán)境下對(duì)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(hào)的參數(shù)對(duì)加熱效果的影響，但僅討論了60Hz和10~20kHz兩個(gè)頻率段的結(jié)果，對(duì)于兩個(gè)頻率段之間的頻率未做分析。

　　ZhangJianbo等[13]更加詳細(xì)地指出交流信號(hào)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(shí)間越短，但并未指出如何選擇交流激勵(lì)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(shí)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(shì)。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[14]，在一定的極化電壓下充電不會(huì)明顯影響電池壽命[15]，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[16]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(ConstantFrequencyandVariable-Amplitude,CFVA)下的電池交流自加熱實(shí)驗(yàn)，但沒有隨著電池溫度的升高而改變頻率以使每個(gè)溫度點(diǎn)下的產(chǎn)熱率最大。

　　對(duì)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(hào)的頻率需實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)，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(jì)了一種變頻變幅(VariableFrequencyandVariable-Amplitude,VFVA)鋰離子電池低溫自加熱策略，通過軟件仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的對(duì)比，驗(yàn)證了該策略的可行性與有效性。

　　1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　由高低溫實(shí)驗(yàn)箱、測(cè)試電池、電化學(xué)工作站(Bio-logic公司VMP300)、溫度采集儀和上位機(jī)(Labview軟件)組成。將測(cè)試電池置于高低溫實(shí)驗(yàn)箱中使電池達(dá)到所需溫度，電池信息通過溫度采集儀及電化學(xué)工作站反饋至上位機(jī)，并根據(jù)上位機(jī)的指令實(shí)時(shí)改變電化學(xué)工作站的輸出信號(hào)。電化學(xué)工作站的電化學(xué)阻抗譜EIS(electrochemicalimpedancespectroscopy)頻率測(cè)量范圍為10μHz~3MHz(1%精度)。

　　單通道最大電流為±500mA，電流范圍為1μA~1A，共7個(gè)擋位，精度為當(dāng)前電流擋滿量程的±0.1%。通過增流器可使單通道的電流范圍提高至10A，兩個(gè)以上通道并聯(lián)能夠增大設(shè)備的輸出電流。溫度采集儀為日置公司的數(shù)據(jù)采集儀LR8410-30，使用熱電偶可采集的溫度范圍為(−200~2000)℃，最高分辨率為0.01℃，實(shí)驗(yàn)采用K型熱電偶進(jìn)行溫度采集，采集精度為±0.5℃。高低溫實(shí)驗(yàn)箱的溫度可調(diào)范圍為(−40~130)℃。

　　室溫下使用Arbin設(shè)備多次測(cè)量電池容量并取平均值，測(cè)得電池實(shí)際放電容量為2708mA·h，并將電池放電至50%SOC狀態(tài)，以避免電池SOC對(duì)加熱實(shí)驗(yàn)造成影響。進(jìn)行電池低溫加熱實(shí)驗(yàn)前，將其置于−28℃的高低溫實(shí)驗(yàn)箱5h以上，以保證其內(nèi)部溫度與箱內(nèi)溫度一致。通過溫度采集儀將電池溫度信息實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)，電池溫度變化時(shí)，上位機(jī)發(fā)送指令，改變電化學(xué)工作站的輸出，從而實(shí)現(xiàn)低溫加熱的閉環(huán)控制。

　　2變頻變幅交流加熱策略

　　2.1熱-電耦合模型

　　目前常用的電學(xué)模型主要有Rint模型、DP模型和Thevenin模型等[17]。本文基于Thevenin模型建立電-熱耦合模型。

　　2.1變幅過程

　　研究表明，恒定電池極化電壓幅值可降低自加熱對(duì)電池壽命的影響[15]，因此需保證電池端電壓交流分量的幅值為恒定值。自加熱過程中電池內(nèi)部阻抗隨加熱時(shí)間變化的曲線，電池內(nèi)部阻抗隨溫度上升而下降。為保證電池極化電壓幅值恒定，需根據(jù)電池內(nèi)阻實(shí)時(shí)調(diào)整所施加的電流幅值，此過程稱為變幅過程。

　　2.2加熱策略的在線實(shí)現(xiàn)

　　使用Bio-logic電化學(xué)工作站的GEIS(Galvanoelectrochemicalimpedancespectroscopy)功能輸出恒定幅值和頻率的正弦電流信號(hào)，每隔一定的溫度變化測(cè)量電池的EIS，計(jì)算并得到補(bǔ)償?shù)碾娏鞣�值和最佳加熱頻率，將該幅值與頻率作為下次GEIS輸出的參數(shù)。由此得到變頻變幅的交流自加熱策略。

　　3結(jié)果與討論

　　3.1變頻變幅自加熱策略實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　低溫下電池壽命衰退的主要原因是電池析鋰[19]，故在選擇交流電參數(shù)時(shí)，不僅要考慮其對(duì)電池產(chǎn)熱功率的影響，還需考慮其是否造成電池析鋰。在變頻變幅交流加熱后期，最佳加熱頻率下電池內(nèi)阻較小，若保證恒定的極化電壓，則電流幅值較大。

　　但影響析鋰的主要因素是法拉第電流的幅值，由于電池的大電流幅值是瞬時(shí)的，且大部分電流都是通過非法拉第路徑(電雙層)，故法拉第電流非常小，析鋰的可能性很低。另外，在高頻交流電下，電化學(xué)極化及濃差極化將得到抑制[20]，電池的電壓變化主要是由歐姆壓降引起的，這不會(huì)造成電池析鋰，故恒定極化電壓的交流加熱不會(huì)產(chǎn)生電池析鋰[16]。

　　參考電池的工作電壓范圍，為避免極化電壓對(duì)電池產(chǎn)生不良影響，且有較快的溫升速度，選定極化電壓的幅值為0.45V。加熱策略設(shè)計(jì)為每隔1℃改變一次電流幅值和頻率。加熱過程前期的極化電壓幅值變化較大，但不超過10mV，后期幅值變化小于2mV，可認(rèn)為極化電壓幅值恒定。

　　電池在700s內(nèi)上升47.67℃，且由電池模型仿真得到的溫升曲線與實(shí)際曲線重合度較高，兩者溫差不超過2℃，模型的準(zhǔn)確性較高。比較兩條曲線可看出，由電池模型得到的最佳加熱頻率與實(shí)測(cè)的最佳加熱頻率十分接近，說明該模型具有較高的精度。

　　3.2討論

　　為比較VFVA加熱策略的加熱效果，在各實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行VFVA及不同加熱頻率的CFVA電池自加熱實(shí)驗(yàn)。其中，3500Hz和1700Hz分別為電池在−20℃和10℃下的最佳加熱頻率。各仿真模型的溫升與實(shí)驗(yàn)溫升的絕對(duì)誤差不超過2.5℃，相對(duì)誤差不超過6.2%。說明該模型用于模擬電池溫升的效果較好。

　　電池產(chǎn)熱率決定電池的溫升速率，同時(shí)，電池溫升速率的不同導(dǎo)致在CFVA自加熱策略下最佳加熱頻率作用時(shí)間存在差異，故電池產(chǎn)熱率的差值與最佳加熱頻率作用時(shí)間的長(zhǎng)短共同決定加熱策略之間的加熱效果差異。對(duì)流傳熱系數(shù)較小時(shí)，產(chǎn)熱率占主導(dǎo)位置;對(duì)流傳熱系數(shù)較大時(shí)，最佳加熱頻率占主導(dǎo)位置。需綜合考慮兩者之間的關(guān)系才能判斷VFVA自加熱策略的優(yōu)勢(shì)。

　　4結(jié)論

　　本文以快速加熱電池、同時(shí)不對(duì)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(jì)了一種電流頻率和幅值時(shí)變的低溫交流自加熱策略。通過Labview軟件在線實(shí)測(cè)，進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)比實(shí)驗(yàn)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1700Hz的恒頻變幅自加熱策略。

　　其中，變頻變幅及1700Hz、3500Hz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(shì)。

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　　電力論文范文：水利水電工程防滲施工技術(shù)的要點(diǎn)

　　摘要：近些年來，我國(guó)水利水電工程不斷發(fā)展，這一工程項(xiàng)目需要運(yùn)用開挖和回填等技術(shù)，因此在水利水電工程項(xiàng)目開展中需要提升防滲施工技術(shù)的應(yīng)用效果。我國(guó)水利水電工程在防滲施工技術(shù)方面的應(yīng)用仍處于探索發(fā)展階段，因此需要更好地掌握這一施工技術(shù)的要點(diǎn)來提高施工質(zhì)量，以此來更好的推動(dòng)我國(guó)水利水電行業(yè)的不斷向好發(fā)展。