NEC锂电池电加热板热分布表征

在特定温度范围内对电池进行电预热被认为是实现快速充电和放电的有前景技术。在多种方法中，电加热板（EHP）引起了广泛关注。然而，其性能仍不够了解。本研究通过构建一个现实的三维瞬态模型，对EHP进行了全面表征，并对该模型进行了实验验证。对电阻线（RW）宽度和热功率的影响进行了详细分析，特别关注温度分布和均匀性。结果显示，建议采用圆形滤角结构以确保RW电流均匀分布，而非传统的直角滤角结构。EHP的温度从中心逐渐向外下降，形成O形等温线分布。温度均匀性和最大温差主要由RW的宽度和间距决定，显示出正相关性。我们的发现还显示，RW宽度为1毫米的EHP最大温差在±0.5K以内，满足主要工业电力电池制造商的要求。这些结果不仅为优化EHP架构提供了指导，也支持提升电池快速充放电的性能。
受全球碳中和推动，交通领域正经历从内燃机向锂离子电池驱动电动汽车的剧烈转型。锂离子电池因其众多优势被广泛应用，例如高流量自放电率[1]、高能量密度[2]和环保性[3]。其性能在电动汽车的安全性和寿命中起着关键作用，但其性能受到周围温度的显著影响[4]。在低温环境下，锂电池不可逆的损伤表现为充放电速度变慢、容量减少[5]以及寿命缩短[6]。在低温下给电池充电可能导致负极树突状生长[7]，这一现象称为树突形成。树突的积累可能穿透固体电解质界面（SEI）膜，导致电极间短路，导致热失控事故[8,9]。这些因素对电池的性能和寿命有显著影响。因此，实现快速充放电一直是电动汽车电池技术进步的目标。
预热被广泛认为是降低锂电池在低温环境下性能下降的主要方法之一[10,11]。预热温度应控制在特定温度区内，否则可能发生喷射燃烧，且加热也会失控[12]。预热方法主要包括内部和外部的热源预热。内部加热包括自加热锂离子电池预热[11,13,14]、交流/直流预热[[15]、[16]、[17]]和Pluse预热[18,19]。然而，这通常需要电池的特殊结构设计，这增加了生产成本并降低了电池内部结构强度。后者会因高温和充放电热波动逐渐降低电池性能，进一步带来高安全风险。外部预热因其更高的效率和安全性而受到广泛关注。它涵盖多种方法，包括空气预热[20,21]、液体预热[[22]、[23]、[24]]、相变材料（PCM）预热[16，[25]、[26]、[27]、[28]、[29]]以及电预热[[30]，[31]，[32]]。
关于外部预热的许多研究已进行，以提升电力电池的充放电性能。Ji 等人[20]研究了利用热空气预热单个电池。他们发现通过空气预热实现的加热速率非常低，约为0.5°C/分钟。这归因于空气的热性能较小，导致电池内部温度均匀性较差。Wang 等人[22]提出了液体预热电池模型。它们获得了更高的加热速率，达到4.18°C/min，温差更小，仅4°C。 然而，液体预热方法在工业化方面仍面临局限，因为需要复杂的管道、大面积空间需求以及液体泄漏的潜在风险。Hallaj等人[25]首次在电动汽车中使用PCM，发现将PCM集成到电池中能改善温度均匀性。Ling等人[26]发现PCM预热可将电池周期寿命延长多达76%。然而，由于其热导率低且相变稳定性差，PCM通常与膨胀石墨和泡沫铜等材料结合使用。Alaoui等人[33]利用佩尔帖效应研究了电池预热。他们观察到，电池远离佩尔帖效应元件时的加热速率可达0.6°C/分钟，而靠近佩尔帖效应元件的电池加热速率可达1°C/分钟，导致显著的温差。
上述所有研究不仅展示了各种预热方法的优势，也存在其局限性，例如复杂的预热结构、缓慢的加热速率以及显著的温差。这些限制常导致整个电池组温度均匀性不足，带来不良后果。这些因素包括局部热应力和损伤的增加，这些都会影响输出能力、稳定性以及整体循环寿命可靠性[34,35]。此外，特定区域的高温可能导致更高的能耗和效率下降[36]。因此，最小化温差对于确保最佳性能、延长寿命、提升安全性和提升效率至关重要。
电加热板（EHP）被认为是预热电池的有效方法，因其多种优点，如加热快、使用简便、高可靠性、节能和环境保护。梁等人[37]通过使用弯曲扁平微热管阵列实现了电池模块的预热。他们发现电池的加热速率为每分钟1°C，电池组的整体温差控制在5°C以内。 Lei等人[38]利用宽线金属薄膜在低温下预热锂电池。结果显示，加热速率高达2.67°C/min，从而增强了充放电速率。Zhu等人[32]使用了温度上升率为0.55°C/min的加热膜，报告电池组的最大温差仍可达5.7°C。
上述结果表明，一个普遍问题在于电池预热时EHP温差较大。在电池充电过程中，累积时间效应提高了电池组对不均匀温度分布的敏感度[39]。即使是较长时间持续的微小温差，也可能导致不同局部区域的显著温度差异。这常导致局部过热[40]，加速电池老化，容量减少[41]，严重影响电池性能和寿命[42]。因此，一些国际知名公司要求EHP预热电池的温差分布应在±0.5 K以内。在EHP大面积范围内实现如此小的温差仍是一大挑战。目前，关于这一具体话题的报告很少见。此外，尽管EHP是一种流行的方法，但相关文献相当有限，关于电加热特性和实现更均匀温度分布的优化设计方法的细节基本缺失。因此，有必要进一步改善EHP中温度分布的均匀性。
本研究通过结合电流-热效应与能量方程，建立了EHP的三维数值模型，并通过实验验证。除了研究电加热特性外，还通过评估电阻线（RW）宽度和热功率的影响，对EHP的温度分布和均匀性进行了数值分析。此外，进一步优化了EHP以实现更均匀的温度分布，特别是关于RW宽度的优化。数值结果显示，右翼的整体电流保持稳定，但在角位处出现轻微波动，形成“L”形图案。将RW宽度优化至1毫米后，EHP最高温度达到±0.5K以内，满足知名企业的需求。本研究获得的见解不仅有助于提升EHP性能，还对电池的充放电具有实际意义。