1.4 交流加热法
交流加热法通过给电池施加交流电流产生热量，从内部加热电池。周期性的充、放电过程能够快速加热电池，并使得电池 SOC 保持不变。交流加热法可使用外部交流电源，使得加热过程不消耗电池自身能量。在形式各样的交流电波形中，正弦交流电应用最为广泛。
明确交流电流的参数对加热性能的影响对于交流加热法的应用具有指导意义。Hande 等设计了高频变流器产生 10~20kHz 交变电流，并首先提出了以高频交流电加热 NIMH 电池的加热策略。通过实验研究了交流电流的幅值、SOC 和环境温度对电池加热时间的影响。研究发现，随着电流幅值的增加，加热到相同温度所需要的时间缩短。Ji 等建立了交流加热法基于时间的电化学-热耦合模型，从电化学机理的角度进一步探究了交流电频率对加热性能的影响。为研究交流电频率的影响，采用改变交流电的幅值和频率都将影响电池内部产热功率，进而影响电池加热速度。为缩短加热时间，需要对交流电参数的选取作进一步研究和优化。Zhang 等建立了基于频域的电池等效电路模型，如图2(a)所示。以电池产热模型为热源，建立了电池集总参数热模型以预测电池温度。通过电-热耦合模型，研究了不同热边界条件下交流电流幅值和频率对加热速度的影响。结果表明，在一定范围内，较高的电流幅值、较低的电流频率和良好的保温条件有利于提高电池加热速度。并且，通过合理选取交流电流参数，可有效提高加热速度、降低电池发生析锂的风险。Ruan 等发现采用固定参数的交流电对电池加热时电池的升温速度随时间降低，并将之归因于电池极化电压的降低。为最大化加热速度，以 Jiang提出的电池简化等效电路模型为基础，建立了产热量与极化电压、阻抗的关系式。并由此提出了固定极化电压幅值，以不同温度下的最佳频率值实时调整交流电流幅值的优化加热方法。采用优化之后的加热方法，电池从-15.4℃加热到 5.6℃仅需 338s，加热速率为 3.73℃/min。Li 等以电池安全电压为限制，通过实验揭示了不同温度下电流幅值和内阻、频率之间的依赖关系，并得到了电池产热功率随频率的变化曲线。实验发现，在不同温度下，存在最佳电流频率和幅值组合使得电池产热功率取到最大值。基于实验结论，Li 等提出了一种交流电参数温度自适应的交流电加热优化控制策略。在电池加热过程中，依据电池温度，梯级调整交流电的频率和幅值。结果表明，利用所提出的优化加热方法使得电池最大加热速度达到2.31℃/min。Zhang 等进一步研究了交流电参数梯级调整的频率对加热性能的影响。实验结果表明，更高的梯级调整频率有利于缩短加热时间，从而达到的最大加热速率高于 4℃/min。
图 2 交流加热法
当采用交流电流激励对电池加热，一般认为降低交流电流频率有利于提高加热速度。然而，Shang等研究表明在高频范围内（通常高于 10kHz），提高交流电流的频率同样可以提高加热速度。Shang等提出了基于 LC 谐振电路产生高频正弦交流电的交流加热方法，实验研究了高频电流的幅值和频率对加热速度的影响。实验结果表明，在高频范围内（通常高于 10kHz），增加交流电的频率和幅值都可以提高加热速度。为优化高频交流加热法的加热效率，Shang 等建立了考虑高频下电荷传输产热影响的电-热耦合模型，用于指导选取高频交流电的幅值和频率。采用优化高频交流电参数，最大加热速率达到3.57℃/min，并且不会发生析锂。
在实际工程应用中调节交流电频率难以实现。因此，通常采取固定交流电频率，调节交流电幅值的方法提高加热速度。但是，在低温环境下，过大的交流电幅值可能会造成负极析锂。因此，需要限定交流电幅值的范围。Ge 等以防止析锂作为交流电幅值的限制条件。以电池 SOC 为 0.5 时的负极平衡电位为电池过电位的极限值，计算得到不同温度和频率下的最大允许电流值。提出了固定电流频率，根据电池温度实时调节电流幅值的梯级加热方法。Mohan 等以电池制造商提供的电流和电压限制为约束条件，采用预测控制的方法调整交流电流的幅值。Ruan 等以电池极化电压作为计算电流幅值的约束条件，其值设为 0.5V。Guo 等以防止电池过充、过放为目标，确定了路端电压安全范围。提出了以安全路端电压为约束，实时计算最大允许电流幅值的阶梯电流加热法。在后续研究中，Guo 等提出了以防止析锂和电池过充、过放作为确定电流幅值的约束条件，并以两种约束条件下算得的最小值作为电流幅值最优值。Jiang 等以防止析锂为约束条件，推导了不发生析锂的电池过电压阈值，并以此确定电流幅值范围。结果表明，增大电流频率有利于降低发生析锂的风险，但同时也会减少产热量。
交流加热法也可与外部加热法相结合，进一步提高加热速度、降低加热能耗。Sun 等提出将外部电源供能的电加热薄膜贴于电池底面，以电池充、放电过程和电加热薄膜产生的热量同时对电池加热。在-17℃和-27℃环境下，对比分析了加热和不加热情况下的电池放电曲线，采用所提出的复合加热方法可以大幅提高电池放电容量。熊瑞等提出一种结合交流电内加热和宽线金属膜外加热的复合加热方法，如图 2(b)所示。当电池需要加热时，温控开关打开，外部电源施加的交流电流依次流经宽线金属薄膜和电池。当电池温度达到预设温度时，温控开关闭合，宽线金属薄膜被短路，动力电池正常充、放电。相较于交流电加热法，该复合加热方法的加热能耗降低了 23%，加热速度提高了 22%。
车载交流加热方法中以电池放电产生交流电流的电路拓扑结构同样受到研究者们关注。Jiang 等以电池包自身为电源，设计了一种软开关 LC 谐振电路用于产生交流电流，如图 2(c)所示。该谐振电路产生了交流电流和直流电流叠加的电流波形，利用该叠加电流可以提高对电池内部阻抗的利用率，缩短加热时间。采用所提出的方法加热电池包，电池包温度在 600s 内从-20.8℃加热至 2.1℃，加热速度达到2.29℃/min。加热过程仅消耗 6.64%的电池能量，且电池包内的温差仅为 1.6℃。Shang 等基于 LC 谐振电路设计了车载高频交流电流发生器，利用所产生的高频交流电对电池加热，使加热速度达到3.57℃/min。Li 等提出利用现有的车载变频器电路和电机组成交流电流发生器，如图 2(d)所示。通过晶闸管的通断，实现电流在电池和电机之间的流动，快速加热电池和电机。当电流幅值为 4C 时，电池加热速度可达到 8.6℃/min。
调节交流电的幅值和频率可以改变交流加热法的加热速度，但交流电参数对于电池老化的影响尚不明确。为此， Zhu 等通过实验进一步研究了交流电幅值、频率对于电池温升及电池老化的影响。研究发现，更高的电流频率及更低的电流幅值有利于降低电池老化风险。如图 3（a）所示，在高频电流作用下，电池激发时间极短，不发生电荷的转移和扩散过程，因此不会发生析锂。随着电流频率的降低，电荷发生转移和扩散。此时，若电流幅值较低，充电过程嵌入负极固相颗粒的锂离子能够在放电过程中完全脱嵌，因此不会产生死锂，如图 3（b）；若电流幅值较高，充电过程产生的锂离子不能完全嵌入负极固相颗粒，如图 3（c）。经过多次充、放电循环之后，即会发生析锂，造成电池容量的不可逆损失。Zhu 等以不同幅值和频率的交流电对电池循环加热数百次，检测了电池的容量、直流电阻和电化学阻抗谱，以此来评估电池的健康状态。同时，通过对电池拆解，利用扫描电子显微镜和能量色散 x 射线光谱技术研究了电池的内部微观形态。结果表明，在合理电压阈值限制下，即使在低频范围（0.5Hz）内，交流加热方法也不会明显加剧电池容量衰减。
图 3 交流加热法的低温老化行为示意图
综上所述，交流加热法具有加热速度快、能量利用效率高、温均性好等显著优势，发展前景广阔。在具有外部交流电源的情况下，交流加热法的加热回路十分简单，易于实现。对于车载交流加热法而言，需要考虑外部交流电流发生器电路对系统成本和体积的影响。交流电频率和幅值可调的特性，使得加热过程可控，且存在进一步优化的空间。此外，充分研究和理解交流电流对电池老化的影响有利于实现高效、安全的加热方法。然而，现有研究中，交流加热法对电池老化的研究仅停留在对电池容量的分析，还需要进一步从电化学机理的角度研究。此外，目前文献中交流加热方法的应用对象大多是电池单体，以电池模组和电池包为研究对象的文献较少。考虑到电池成组之后的不一致性，仅以电池单体为研究对象而发展的交流加热法可能会导致电池组或电池包内产热不均匀，产生内部温度梯度，加速电池老化。
1.5 低温快速加热方法总结
以能量消耗、加热速度、温差（温度均匀性）和电池老化作为性能指标，对上述加热方法进行了详细对比，如表 1 所示。
表 1 低温快速加热方法总结
低温快速加热方法从内部加热电池，缩短了传热路径，能够达到快速加热的目的。其中，自加热锂离子电池以内部薄镍片加热电池，造成温度均匀性较差。交流加热法使用外部电源，其他加热方法均需要消耗电池自身能量。能量消耗是评价加热方法性能的重要指标。加热过程中可能发生的电池老化是低温快速加热方法的主要关注点。对于内部自加热法和自加热锂离子电池，其加热过程电池处于放电状态，虽然不会发生负极析锂等直接损伤，但长期高倍率放电会加速老化。对于 MPH 加热法，需要避免在低频率、高 SOC 工况下使用，以降低电池负极析锂风险。对于交流加热法，使用高频电流有利于降低老化风险；而低频电流应谨慎使用，并需加以额外的限制（如电压限制）避免对电池的不可逆损坏。
02 电池低温热管理系统的设计目标
低温环境下，为恢复锂离子电池的功率和容量、避免发生析锂，电池热管理系统需要提前将电池加热至适宜温度。然而，将电池从低温加热至适宜温度需要消耗大量能量，这使得电池加热技术相比于电池冷却技术更加困难。对于能量储存有限的电动汽车而言，电池加热所消耗的能量将直接影响电动汽车的续航能力。因此，为保证乘员舱舒适性和减少能量消耗，需要优先考虑电池加热方法的能量优化控制策略。
对于实际应用而言，电动汽车冬季预热时间不宜过长。通常以设置合理的预热目标温度及加热功率缩短预热时间。对于电池汽车的冷启动工况，目标温度一般设置为略高于 0℃，此时电池已经可以恢复大部分功率性能。而对于电池汽车的快充工况，为防止负极发生析锂，则需要设置更高的预热目标温度。
电池、电池模组、电池包的性能除了与温度相关，还与其温度均匀性相关。不均匀的温度分布将导致电流和 SOC 分布不均匀，进而导致电池包容量下降、功率性能衰减、局部加速老化。为此，加热策略的设计需要考虑加热过程中电池、电池模组及电池包的温度分布均匀性，通常整体温度差异需要控制在 5℃以内。
电池不仅在低温环境有加热需求，在高温环境也存在冷却需求。而在电池包中，加热系统与冷却系统共用工作空间，存在相互影响的可能性。因此，设计电池加热系统时应将不影响电池冷却系统的工作和性能作为重要考虑因素，保证电池热管理系统能够高效执行加热和冷却模式。
此外，电动汽车的低温加热策略还需要考虑系统的成本、复杂度、可靠性等因素。综上所述，电动汽车低温加热策略的设计主要考虑以下因素：(1)加热策略的能量消耗；(2)加热策略的预热时间；(3)加热过程中电池、电池模组、电池包的温度均匀性；(4)加热策略对电池老化的影响；(5)保证冷却系统的性能；(6)包括建设成本、工作成本、维持成本在内的系统综合成本；(7)考虑加热系统设备、重量、体积的系统复杂度；(8)系统的安全性和可靠性；
低温快速加热方法主要以电池自身发热达到加热目的，一般不会对现有的冷却系统产生影响。因此，选取电池加热策略设计目标中的能量消耗、加热速度、温度均匀性、电池老化、系统复杂度、安全可靠性作为评价指标，以自加热锂离子电池的性能指标作为基准，依据表 1 对不同加热方法进行定性比较，如图 4 所示。经分析可知，交流加热法相比于其他方法更具优势，尤其在能量消耗和电池老化方面。
图 4 不同方法性能对比
03 结论
在低温环境下，锂离子电池的性能显著下降。为提高动力电池低温性能，对其进行加热尤为重要。本文系统地综述了低温快速加热方法的最新研究进展，提出了电池加热策略的设计目标。最后，以电池加热策略设计目标的部分因素作为评价指标，横向对比了不同方法的优势和不足。
低温快速加热方法在温度均匀性、能量消耗及加热速度等方面具有显著优势。其中，内部自加热法可以应用于处于行驶状态的车辆，电池放电能量可用于驱动其他车载用电设备。MPH 加热法以电池、储能元件、可控开关器件组成回路以产生脉冲电流，优化脉冲电流的幅值和频率可实现安全、高效的加热过程。自加热锂离子电池具有加速速度快、能量消耗低的优势，但其需要改造电池内部结构，安全可靠性有待验证。交流加热法则需以准确的电池模型为基础，目前仅在单电池层面取得了较多的研究成果，对于电池模组/电池包层面的相关理论和模型仍需深入研究。
对于电动汽车应用而言，低温快速加热方法的研究仍处于初级阶段。低温环境下如何高效、安全的加热电池仍充满挑战。为加快内部加热法和复合加热法的工程应用进度，还存在以下几个方面的问题亟待解决：
(1) 现有研究中加热策略对电池老化的研究不足，电流参数在电化学机理层面对电池寿命的影响有待深入研究。后续研究应建立电池的电化学模型，从机理层面揭示电流参数对电池老化的影响，明确不同运行条件下电池不发生老化的电流参数范围，进一步提高加热效率和安全性。(2) 现有加热方法研究中研究对象多为单体电池，对于电池模组、电池包层面的研究不足，而模组内的温度均匀性将在很大程度上影响电池组的性能及老化速率。电池产热模型和热模型是低温热管理系统设计的理论基础，后续研究应进一步从单体电池、电池模组、电池包等层面研究准确、高效的电-热耦合模型，考虑电池不一致性的影响，提高温度预测的精度和速度，为系统优化设计、加热控制策略设计提供理论支撑。
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