JLG蓄电池通过脉冲优化实现锂离子电池在零下温度条件下的快速充电
来源：JLG电瓶 2026-03-28 09:26:11 点击：
锂离子电池在低温环境下的快速充电受到电解质中锂离子传输受限的阻碍。本研究以钴酸锂(LCO)/石墨全电池为对象，采用Python电池数学建模(PyBaMM)框架，提出了一种适用于零下温度运行的多阶段优化充电协议。该协议由脉冲辅助充放电预热阶段和后续常规恒流(CC)-恒压(CV)充电阶段组成。交变充放电脉冲通过内部产热改善锂离子传输，同时采用容量保护比防止预热阶段的过度放电。优化结果表明：较低容量保护比、较高脉冲放电电流、较短脉冲持续时间及较高脉冲充电电流能显著缩短预热时间。采用优化协议后，电池温度可在约6分钟内从258.15K升至278.15K。7分钟，展示了在零下条件下实现锂离子电池快速充电的有效方法。
锂离子电池（LIBs）已成为现代生活中不可或缺的组成部分，其应用范围涵盖从笔记本电脑、智能手机等便携式电子设备，到电动汽车（EVs）和电动垂直起降（eVTOL）飞行器等大规模应用领域。其能量密度、可靠性和可充电特性使其成为这些应用场景的首选技术。然而，与其他化学体系电池类似，锂离子电池的充电性能易受环境因素影响，特别是在零下温度条件下表现尤为显著[1]。在零下温度下对锂离子电池进行充电具有挑战性，这主要源于锂枝晶析出风险增加和性能衰减加剧。因此，在低温条件下，充电电流必须限制在极低倍率（通常为0.02C至0.05C），这意味着需要约20至50小时才能完成充电。另一方面，若在零下温度以约2C或更高倍率进行快速充电，将使电池面临显著的安全风险。低温环境下的电池充电会导致锂离子嵌入异常，进而引发金属锂镀层现象。这种镀层可能形成枝晶并刺穿隔膜，最终造成内部短路[2][3]。因此，锂离子电池在零下温度充电极为困难，并加剧了电动汽车用户的续航焦虑[4]。为解决低温充电问题，已有研究通过重新设计电解质来改善电池性能[5][6]。然而，经过重新设计的电解质虽然改善了离子扩散性，但颗粒相中的离子扩散仍是主要限制因素。
预热是一种广泛应用于低温条件下电池充电的技术手段。该过程通过确保电池在最佳温度范围内运行，从而提升安全性与能效。迄今为止，已有大量研究对电池预热技术展开探讨。已报道的策略包括交流激励[7]和脉冲加热[8]等内部加热方式，以及采用液体循环系统[9]、热管[10]和相变材料[11]的外部加热方案。在各类预热策略中，内部加热方法通常更具优势，因为外部加热方案需要在电池包内集成额外组件。这类辅助部件会增加电池模组的整体质量与体积，进而导致电动汽车（EV）层面的重量增加，可能对能效和设计约束产生不利影响。
文献综述本节总结了将交流电激励作为锂离子电池内部预热方法的研究成果。Zhang等[12]提出了一种基于正弦交流电的预热技术，在15分钟内实现了电池温度从253.15 K快速升至278.15 K。研究者将该性能归因于低频交流电激励的增强热效应，其利用了电池在零度以下工况时更高的阻抗特性。Yu等[13]开发了一种内部预热方法以缓解电池在零下低温环境中的性能限制。其研究结果表明，该方法能有效抑制充电过程中的锂析出现象，并可在7.2分钟内将电池温度从258.15 K提升至273.15 K。研究团队进一步强调，随着所施加交流频率的降低，加热速率随之提高，这凸显了频率选择对于提升预热效率的关键作用。Zhu等[14]开发了一种包含产热与电池内阻关系的电池热模型。基于该框架，所提出的内部加热方法在10分钟内成功将电池温度从249.15开尔文提升至280.94开尔文，且未损害电池容量。脉冲激励交流加热法作为锂离子电池低温预热策略也显示出良好前景[15]。实验研究表明，该方法能有效将电池温度从248.15开尔文提升至278.15开尔文。电池在约30分钟内升温15K的同时保持良好的整体热均匀性。与此同时，自加热技术已被证实对提升锂离子电池在低温环境下的可用容量及循环寿命至关重要。近期研究提出基于谐振LC变换器的高频正弦波（SW）加热策略，该技术通过欧姆热效应和电化学产热的协同作用实现快速自加热，无需依赖外部加热装置[16]。上述研究表明，基于交流激励的方法是一种有效的锂离子电池内部预热技术。然而，这些方法仍主要集中于加热模型设计以及开关频率和电流幅值的优化，同时通常需要额外的外部电源。此类硬件的引入增加了系统复杂性和体积，从而限制了交流激励方法在电动汽车（EVs）车载集成中的实用性。相比之下，脉冲预热技术利用电池固有的电化学过程产热，从而最大限度地降低对外部硬件的依赖。后续章节将对文献中报道的基于脉冲的预热方法进行全面综述。
在零下温度条件下，锂离子电池会遭遇严重的动力学限制，这种限制会阻碍电荷转移并加剧锂枝晶析出风险。脉冲充放电电流激励已发展成为一种有效的内部预热策略，因为交变电流能在电池内部产生热量的同时减轻阳极离子极化。这种双重效应不仅能加速温升，还可提升锂离子传输效率，为后续快速充电创造更安全高效的条件[17]。脉冲充电过程的核心原理在于中断恒流与方向，通过改变电流幅值、静置时间及间歇放电[18][19]，从而提升电池性能。该充电机制有助于减少锂枝晶形成并稳定固体电解质界面层[20]。此外，最新研究表明，混合脉冲加热技术可实现从253.15K至273.15K的升温速度提升2.5倍以上。15 K的同时，能耗较单脉冲加热降低近60%，显示出其缓解低温效应的强大潜力[21]。黄等人[22]提出了一种无损双向脉冲电流(BPC)加热方法，该方法结合了电热耦合、神经网络优化和析锂判据，以提升电池低温性能。优化后的BPC策略将加热效率提升高达八倍，维持2。88 K/min的升温速率，且在60次加热循环后未出现明显容量或阻抗衰减。李等人[23]开发的双向脉冲自热策略能在10分钟内将电池温度从253.15 K升至278.15 K而不造成显著衰减，为锂离子电池低温预热提供了一种实用高效的方法。任等人[24]设计了一种包含间歇静置阶段的脉冲充电方法，该方法通过实现锂离子快速补充和均匀沉积，有效抑制了低温下锂金属负极的枝晶生长。在263.15K条件下，该策略将Li||Li电池的寿命从24小时延长至64小时，并改善了Li||LiNi电池的循环稳定性。0.5钴0.2锰0.3循环次数从39次提升至56次，这为开发更安全的高能量锂金属电池提供了一条实用路径。针对低温环境下容量衰减问题，已有研究采用脉冲预热技术进行探究[25]。该研究的首要目标是在精确控制电池荷电状态(SOC)的同时，最大限度降低低温预热对电池健康状态(SOH)的负面影响。2为实现这一目标，研究者提出了一种基于脉冲的预热充电策略（pulse-based preheating charging strategy），该策略通过利用电池内部产热机制，在常规充电前提升电芯温度。采用该方法后，电池温度在16.67分钟内从248.15 K升至278.15 K，展现出快速的内生热能力（internal heating capability）。值得注意的是，作者指出脉冲预热过程仅引发微量容量衰减——经过10次预热循环后观测到的容量损失仅为0.4%，这表明该策略对电池健康状态的短期影响有限。唐等人[26]的研究报告了类似发现，他们采用数值模拟框架对比了正向脉冲电流与双向脉冲充电策略与传统恒流（CC）预热法的性能差异。结果表明，在低温环境下，两种基于脉冲的Strategy均能获得比CC预热更高的温升速率。具体而言，电池温度在26.2分钟内从263.15K升至273.15K，同时实现约80%的荷电状态（SOC），凸显了同步加热与充电的双重优势。Xinrong等人[27]通过对比充电模式发现，恒流（I.= 2.2 A) 的充电模式在 54.4 分钟内实现了 1.98 Ah 的容量，而负脉冲电流 (NPC) 模式在 Irms为 3.67 A 时，于 56.3 分钟内达到了略高的 2.07 Ah 容量。尽管 NPC 模式采用了更高的 Irms，但放电脉冲的引入导致充电时长略有增加。这些观测结果表明，热力学条件与充电策略对电池行为与性能具有显著影响。rms, the inclusion of discharge pulses resulted in a slightly longer charging duration. These observations demonstrate that thermal conditions and charging strategies significantly influence battery behavior and performance.
在此背景下，内阻演变作为锂离子电池性能衰退的关键指标，受热环境和充电条件的显著影响。为提高电压分析的一致性，Liu等[28]提出了一种基于电荷百分比(POC)的荷电状态(SOC)归一化策略，使得充放电曲线的对比更具可靠性。基于此类框架，增量内阻(IIR)等特征参数源自实际工况下的电压响应，本质性地耦合了电热效应与老化动力学。这些具有物理意义的指标为健康状态评估与剩余使用寿命预测提供了重要依据。通过将上述特征整合至数据驱动模型，相较于传统深度学习方法，本方案展现出更高的预测精度、鲁棒性及可解释性。锂离子电池在动态工况下的精确建模需考虑电热耦合效应，因为温度显著影响电化学行为。最新研究通过等效电路模型与热模型的集成，采用基于能斯特方程的开路电压（OCV）和温度依赖性电阻公式，结合耦合与非耦合两种参数辨识策略。相关研究强调，在非稳态运行条件下，准确捕捉温度演变对预测精度具有决定性作用[29][30]。除建模方法外，近期关于并网电池储能系统（BESS）的研究强调，热管理策略与充电协议对电池耐久性、运行安全裕度及整体成本效益具有决定性影响。具体而言，必须审慎考量温度依赖性衰减、效率损耗及全生命周期成本，以确保大规模能源应用中电池运行的可靠性与经济可行性[31]。
这些研究共同表明，基于脉冲的预热策略在加速温升同时保持可接受荷电状态（SOC）水平并限制短期容量衰减方面具有显著效果。然而，这类方法存在固有局限：虽然间歇放电或双向电流步骤的加入有利于热管理，但会延长整体充电时长并降低充电效率。这种权衡关系凸显了对优化充电协议的需求，该协议需在预热速度、SOC变化、热安全性和充电时间之间取得平衡，从而推动了对集成脉冲辅助充电策略的进一步研究。
尽管脉冲预加热技术在低温锂离子电池运行中已展现出应用潜力，但文献中对关键脉冲参数（包括脉冲幅值、持续时间及放电容量限制）的系统性优化研究仍存显著空白。为填补这一空白，本研究提出一种多阶段脉冲辅助充电策略，该策略将优化的充放电预加热阶段与传统恒流-恒压（CC-CV）充电流程相整合。为预防预热阶段过度放电，本研究引入容量保护比概念，并采用基于PyBaMM平台搭建的电化学-热耦合DFN模型开展多参数协同优化。经优化的预热方案可在约6.7分钟内将电池温度从258.15K提升至278.15K，相较标准恒流充电模式实现预热时间缩短近80%。该成果为寒区工况下的锂离子电池提供了一种实用高效的快充策略。
引言
预热是一种广泛应用于低温条件下电池充电的技术手段。该过程通过确保电池在最佳温度范围内运行，从而提升安全性与能效。迄今为止，已有大量研究对电池预热技术展开探讨。已报道的策略包括交流激励[7]和脉冲加热[8]等内部加热方式，以及采用液体循环系统[9]、热管[10]和相变材料[11]的外部加热方案。在各类预热策略中，内部加热方法通常更具优势，因为外部加热方案需要在电池包内集成额外组件。这类辅助部件会增加电池模组的整体质量与体积，进而导致电动汽车（EV）层面的重量增加，可能对能效和设计约束产生不利影响。
文献综述本节总结了将交流电激励作为锂离子电池内部预热方法的研究成果。Zhang等[12]提出了一种基于正弦交流电的预热技术，在15分钟内实现了电池温度从253.15 K快速升至278.15 K。研究者将该性能归因于低频交流电激励的增强热效应，其利用了电池在零度以下工况时更高的阻抗特性。Yu等[13]开发了一种内部预热方法以缓解电池在零下低温环境中的性能限制。其研究结果表明，该方法能有效抑制充电过程中的锂析出现象，并可在7.2分钟内将电池温度从258.15 K提升至273.15 K。研究团队进一步强调，随着所施加交流频率的降低，加热速率随之提高，这凸显了频率选择对于提升预热效率的关键作用。Zhu等[14]开发了一种包含产热与电池内阻关系的电池热模型。基于该框架，所提出的内部加热方法在10分钟内成功将电池温度从249.15开尔文提升至280.94开尔文，且未损害电池容量。脉冲激励交流加热法作为锂离子电池低温预热策略也显示出良好前景[15]。实验研究表明，该方法能有效将电池温度从248.15开尔文提升至278.15开尔文。电池在约30分钟内升温15K的同时保持良好的整体热均匀性。与此同时，自加热技术已被证实对提升锂离子电池在低温环境下的可用容量及循环寿命至关重要。近期研究提出基于谐振LC变换器的高频正弦波（SW）加热策略，该技术通过欧姆热效应和电化学产热的协同作用实现快速自加热，无需依赖外部加热装置[16]。上述研究表明，基于交流激励的方法是一种有效的锂离子电池内部预热技术。然而，这些方法仍主要集中于加热模型设计以及开关频率和电流幅值的优化，同时通常需要额外的外部电源。此类硬件的引入增加了系统复杂性和体积，从而限制了交流激励方法在电动汽车（EVs）车载集成中的实用性。相比之下，脉冲预热技术利用电池固有的电化学过程产热，从而最大限度地降低对外部硬件的依赖。后续章节将对文献中报道的基于脉冲的预热方法进行全面综述。
在零下温度条件下，锂离子电池会遭遇严重的动力学限制，这种限制会阻碍电荷转移并加剧锂枝晶析出风险。脉冲充放电电流激励已发展成为一种有效的内部预热策略，因为交变电流能在电池内部产生热量的同时减轻阳极离子极化。这种双重效应不仅能加速温升，还可提升锂离子传输效率，为后续快速充电创造更安全高效的条件[17]。脉冲充电过程的核心原理在于中断恒流与方向，通过改变电流幅值、静置时间及间歇放电[18][19]，从而提升电池性能。该充电机制有助于减少锂枝晶形成并稳定固体电解质界面层[20]。此外，最新研究表明，混合脉冲加热技术可实现从253.15K至273.15K的升温速度提升2.5倍以上。15 K的同时，能耗较单脉冲加热降低近60%，显示出其缓解低温效应的强大潜力[21]。黄等人[22]提出了一种无损双向脉冲电流(BPC)加热方法，该方法结合了电热耦合、神经网络优化和析锂判据，以提升电池低温性能。优化后的BPC策略将加热效率提升高达八倍，维持2。88 K/min的升温速率，且在60次加热循环后未出现明显容量或阻抗衰减。李等人[23]开发的双向脉冲自热策略能在10分钟内将电池温度从253.15 K升至278.15 K而不造成显著衰减，为锂离子电池低温预热提供了一种实用高效的方法。任等人[24]设计了一种包含间歇静置阶段的脉冲充电方法，该方法通过实现锂离子快速补充和均匀沉积，有效抑制了低温下锂金属负极的枝晶生长。在263.15K条件下，该策略将Li||Li电池的寿命从24小时延长至64小时，并改善了Li||LiNi电池的循环稳定性。0.5钴0.2锰0.3循环次数从39次提升至56次，这为开发更安全的高能量锂金属电池提供了一条实用路径。针对低温环境下容量衰减问题，已有研究采用脉冲预热技术进行探究[25]。该研究的首要目标是在精确控制电池荷电状态(SOC)的同时，最大限度降低低温预热对电池健康状态(SOH)的负面影响。2为实现这一目标，研究者提出了一种基于脉冲的预热充电策略（pulse-based preheating charging strategy），该策略通过利用电池内部产热机制，在常规充电前提升电芯温度。采用该方法后，电池温度在16.67分钟内从248.15 K升至278.15 K，展现出快速的内生热能力（internal heating capability）。值得注意的是，作者指出脉冲预热过程仅引发微量容量衰减——经过10次预热循环后观测到的容量损失仅为0.4%，这表明该策略对电池健康状态的短期影响有限。唐等人[26]的研究报告了类似发现，他们采用数值模拟框架对比了正向脉冲电流与双向脉冲充电策略与传统恒流（CC）预热法的性能差异。结果表明，在低温环境下，两种基于脉冲的Strategy均能获得比CC预热更高的温升速率。具体而言，电池温度在26.2分钟内从263.15K升至273.15K，同时实现约80%的荷电状态（SOC），凸显了同步加热与充电的双重优势。Xinrong等人[27]通过对比充电模式发现，恒流（I.= 2.2 A) 的充电模式在 54.4 分钟内实现了 1.98 Ah 的容量，而负脉冲电流 (NPC) 模式在 Irms为 3.67 A 时，于 56.3 分钟内达到了略高的 2.07 Ah 容量。尽管 NPC 模式采用了更高的 Irms，但放电脉冲的引入导致充电时长略有增加。这些观测结果表明，热力学条件与充电策略对电池行为与性能具有显著影响。rms, the inclusion of discharge pulses resulted in a slightly longer charging duration. These observations demonstrate that thermal conditions and charging strategies significantly influence battery behavior and performance.
在此背景下，内阻演变作为锂离子电池性能衰退的关键指标，受热环境和充电条件的显著影响。为提高电压分析的一致性，Liu等[28]提出了一种基于电荷百分比(POC)的荷电状态(SOC)归一化策略，使得充放电曲线的对比更具可靠性。基于此类框架，增量内阻(IIR)等特征参数源自实际工况下的电压响应，本质性地耦合了电热效应与老化动力学。这些具有物理意义的指标为健康状态评估与剩余使用寿命预测提供了重要依据。通过将上述特征整合至数据驱动模型，相较于传统深度学习方法，本方案展现出更高的预测精度、鲁棒性及可解释性。锂离子电池在动态工况下的精确建模需考虑电热耦合效应，因为温度显著影响电化学行为。最新研究通过等效电路模型与热模型的集成，采用基于能斯特方程的开路电压（OCV）和温度依赖性电阻公式，结合耦合与非耦合两种参数辨识策略。相关研究强调，在非稳态运行条件下，准确捕捉温度演变对预测精度具有决定性作用[29][30]。除建模方法外，近期关于并网电池储能系统（BESS）的研究强调，热管理策略与充电协议对电池耐久性、运行安全裕度及整体成本效益具有决定性影响。具体而言，必须审慎考量温度依赖性衰减、效率损耗及全生命周期成本，以确保大规模能源应用中电池运行的可靠性与经济可行性[31]。
这些研究共同表明，基于脉冲的预热策略在加速温升同时保持可接受荷电状态（SOC）水平并限制短期容量衰减方面具有显著效果。然而，这类方法存在固有局限：虽然间歇放电或双向电流步骤的加入有利于热管理，但会延长整体充电时长并降低充电效率。这种权衡关系凸显了对优化充电协议的需求，该协议需在预热速度、SOC变化、热安全性和充电时间之间取得平衡，从而推动了对集成脉冲辅助充电策略的进一步研究。
尽管脉冲预加热技术在低温锂离子电池运行中已展现出应用潜力，但文献中对关键脉冲参数（包括脉冲幅值、持续时间及放电容量限制）的系统性优化研究仍存显著空白。为填补这一空白，本研究提出一种多阶段脉冲辅助充电策略，该策略将优化的充放电预加热阶段与传统恒流-恒压（CC-CV）充电流程相整合。为预防预热阶段过度放电，本研究引入容量保护比概念，并采用基于PyBaMM平台搭建的电化学-热耦合DFN模型开展多参数协同优化。经优化的预热方案可在约6.7分钟内将电池温度从258.15K提升至278.15K，相较标准恒流充电模式实现预热时间缩短近80%。该成果为寒区工况下的锂离子电池提供了一种实用高效的快充策略。