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南极科学仪器自加热NEC锂电池电源设计
发布时间：2026-07-30 08:04:01 点击： 次
在南极科学研究中，低温严重降低电池供电观测仪器的性能，降低放电能力。本文提出了一种为南极应用设计的自加热电池模块。设计了夹心式加热结构，并建立了相应的电热耦合模型。采用了热交换机制，以高效耦合电气和热特性，降低计算复杂度。开发出一种结合电池放电时自热与薄膜外部加热的加热策略。采用整数遗传算法（IGA）以优化设计和策略，最大化电池的增量容量增益。验证测试是在可分级电池系统上进行的。通过分析电池的电和热性能，研究了电池在不同温度和放电模式下的加热性能。拟议设计显著延长了南极环境中的电池放电时间，在−40°C下相比无加热装置，放电能力提升了114分钟（>90%）。本研究提出了在超低温条件下电池热管理的实用解决方案。
简介
电池加热分为外部加热和内部加热。外部加热方法通常使用加热片或加热膜加热电池，通常依赖外部电源驱动加热设备[14,15]。Huang等人[16]通过驱动电池自身的电能驱动加热片，实现了电池组的独立热管理。郭等人[17]利用新能源车辆驾驶系统废热回收技术，用于电池和车内供暖。Qu等人[18]提出了脉冲自加热策略，能够在低温下快速安全地加热锂离子电池，并缓解加热过程中电池的劣化。外部加热简单且直接，通常适用于体积小且形状平整的电池。Lin 等人[19]在电池之间安装加热膜，使每个电池的侧面都能加热，从而降低电池内部的温度梯度。Jiang等人[20]设计了一种内部自加热策略，通过将放电电流叠加于交流电以实现自加热，以减少锂离子衰落。Ruan等人[21]利用多目标遗传算法优化了直流放电加热，以减少电池容量的劣化。郭等人[22]采用了耦合电热模型的优化方法，以寻找最优预热策略。而这些研究利用外部电源的能量加热电池，这不适合没有外部电源的电池系统。此外，外部加热很容易导致电池热失控[23]。
内部加热方法控制电池放电方式，利用电池内部阻抗在放电过程中产生热量[24,25]。秦等人[26]对电池施加交流电，并通过周期性充放电过程快速加热电池。熊等人[27]利用外部电阻和MOSFET电路产生脉冲电流预热电池，基于多目标优化，调整电池脉冲放电加热的电流幅度和占空比，以平衡加热速率和电池老化。Ruan等[28]优化了外部热阻控制，并平衡了加热时间、加热效率、电池老化度和加热均匀性四个加热目标，以获得最优加热方案。与外部加热相比，内部加热的热传递更为均匀，但需要更多考虑，放电电路的设计及相应的控制算法也更为复杂[29]。
一些研究将精力集中在完善电池的本质结构上。Wang 等人[11]通过在电池内埋设加热金属板，直接加热电池内的电解液和电极。张等人[30]将带内部加热条的铜管埋入电池内，有效提升了电池的热传递和加热效果，并提升了低温性能和散热能力。Hailemichael和Ayalew[31]结合了外源加热与内部脉冲电流，结合了两者的优点，以获得更均匀的加热性能。然而，这些方法经济成本较高，目前仍处于实验阶段。与此同时，这些研究旨在增强电池启动前的预热[16]，但未考虑电池放电容量的范围，因此预热成本导致电池容量减少。
与以往工作不同，南极观测仪器电池加热的设计目标是提高低温下的放电能力。因此，本文设计了一种电池加热结构以及一种用于南极应用的复合加热策略。设计了一种夹心式加热结构，每两节电池之间夹有一层加热膜。它充分利用电池放电时的自加热，将电池自身放电过程中产生的焦耳热量视为内部自热。为获得最优设计参数，提出了一种高效的电热耦合方法，能够快速且准确地计算不同温度下的电池寿命。借助整数遗传算法和模型，最优设计参数自动得到。该系统在最小控制下有效提升电池续航。
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