中國儲能網(wǎng)訊：5月24～26日，由工業(yè)和信息化部節(jié)能與綜合利用司與國家能源局能源節(jié)約和科技裝備司聯(lián)合指導，中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦并聯(lián)合240余家機構共同支持的第十三屆中國國際儲能大會在杭州召開。
來自行業(yè)主管機構、國內(nèi)外駐華機構、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機構等不同領域的1011余家產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈企業(yè)，5417位嘉賓參加了本屆大會，其中245家企業(yè)展示了儲能產(chǎn)品，可謂盛裝出席，涵蓋系統(tǒng)集成、電芯、PCS、BMS、集裝箱、消防、檢測認證等新型儲能全產(chǎn)業(yè)鏈。
5月25日下午，武漢理工大學教授劉芙蓉受邀在鋰離子電池與儲能系統(tǒng)設計專場分享了主題報告，報告題目為《鋰離子電池極寒狀態(tài)下超快速預熱方法》。以下是報告主要內(nèi)容：
劉芙蓉：我的分享分為四部分，首先，為什么要快速預熱，對鋰電池為什么需要預熱。
鋰離子電池現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于現(xiàn)代能源體系，尤其在發(fā)電側和用電側應用越來越廣泛，鋰離子的使用，最早是用于消費電子和交通運輸，近兩年電動汽車獲得了爆發(fā)式發(fā)展，已經(jīng)成功地實現(xiàn)從政策驅動到市場驅動的轉變。
鋰離子電池一個重要的特性就是對溫度很敏感，低溫的時候，低溫性能差，所以為了保持鋰電池的性能，在低溫的時候就需要對它進行預熱，低溫預熱首先是在電動汽車這個領域開展的。電動汽車零下溫度充電會變得非常困難，容量保持率低，零度的時候，容量保持率是25度的60%-70%，溫度低到-10度的時候，是25度的40%-50%，如果溫度更低，電池的容量保持率就會更加降低。
冬季的時候，特別是中國的北方地區(qū)，因為氣溫低，鋰離子電池的低溫性能差，主要表現(xiàn)在，一方面隨著溫度的降低，石墨負極阻抗會急劇增大，導致充放電性能變差，容量減小，充電慢，動力性能差。另一方面，低溫充電極易引發(fā)析鋰，影響壽命，造成安全隱患。
鋰離子電池-10度下輸出的最大電流是25度的1/8-1/10，這一點導致汽車的動力性能變差，電驅制動轉距極大減少，極易形成追尾或因緊急制動失效造成車毀人亡等嚴重交通事故。
我們從這邊的電機運行的轉速和電流的波形可以看出來，在啟動和制動過程中，需要給電機提供最大的電流。
除了在行車過程中需要對電池升溫保持正常的工作溫度以外，在泊車的時候也有低溫預熱的需求。冬季在充電前和充電中都需要快速預熱提升電池工作溫度、減少低溫充放電對電池壽命的不良影響。雙碳目標的實現(xiàn)需要數(shù)量龐大的純電車群體廣泛參與V2G。冬季夜間低溫導致車載電池容量大幅縮水，必須在充放電前以及充放電過程中實現(xiàn)快速升溫，發(fā)揮車載電池的可用容量潛力。
總而言之，鋰離子電池適宜的工作溫度是20-35度，超快速預熱可以極大減少熱車時間，顯著改善用戶體驗，節(jié)能，增加續(xù)時里程。
下面，給大家分享一下我們做的研究。我們的研究成果主要是依托湖北省重點研發(fā)項目，依托這個項目我們做了兩方面的工作，一方面是通過對低溫自加熱過程的電池電-熱-老化耦合特性的研究，獲得了極速預熱不析鋰邊界條件，通過優(yōu)化預熱電流增強電流耐久性。另一方面做了應用研究，主要是通過對電池低溫自加熱生熱率和預熱電路集成方法研究，獲得了高寒下電池極速預熱的低成本的實現(xiàn)方法。
電池的低溫預熱，它的方法主要是分為兩類：一類是對電池進行外部加熱，比較常見的就是空氣加熱、液體加熱、熱管加熱、寬線金屬膜加熱，以及PTC加熱，這是屬于外部加熱方面。 還有一類方法電池的內(nèi)部加熱方法，讓電池通過電流的時候，在電池內(nèi)部產(chǎn)熱，因此需要設計一些電路來產(chǎn)生預熱電流。
外部預熱和內(nèi)部預熱這兩類預熱方法，它在節(jié)能性、均溫性和快速性上有顯著的差異。這張圖表示的是用外部預熱的方法，是外部熱源的熱量通過傳導和對流，傳給中間的電池，這種方法的缺點是能耗高，效率低，電池的均溫性差，升溫慢，這些短板是所有外部預熱的共同缺點。而內(nèi)部預熱方法，它是對電池構造一個閉環(huán)的電路，來產(chǎn)生電流，讓電流在電池內(nèi)部產(chǎn)熱，讓電池從內(nèi)部加熱。這個方法的熱傳導路徑短，效率高，均溫性好，而且溫升快。
鋰離子電池的內(nèi)部預熱技術的發(fā)展，是和電動汽車行業(yè)的需求緊密相連的，最先用于電動汽車，而且現(xiàn)在仍然在研究開發(fā)中?，F(xiàn)在大部分車企都在開始自研或者委外在做這方面的技術創(chuàng)新。它的技術發(fā)展進程，從預熱電流的產(chǎn)生來說，分為幾個階段，最開始預熱電流是由外部電源提供的，后來預熱電流是由電池本體和變換電路來產(chǎn)生，現(xiàn)在車廠都是采用用電動汽車三電集成來產(chǎn)生預熱電流，目的就是降低成本。
在理論研究方面，研究怎么樣產(chǎn)生更多的熱量，也就是增加生熱率，研究生熱率和什么有關，電池內(nèi)部預熱的生熱機理，研究不同的電流波型的生熱率有什么不同，受哪些控制因素的影響?，F(xiàn)在理論方面走到了上面的這一步，也就是研究升溫速率的影響因子，低溫預熱對電池老化的影響，低溫預熱過程的能耗，從這些方面來開展理論和實踐研究。采用的手段就是建模、實驗和多目標優(yōu)化。
這是文獻或者是各方提出來的一些低溫預熱的車載實現(xiàn)電路。
我們團隊做的工作可以分為理論研究和應用研究兩個部分，在理論研究方面，我們主要是把實驗研究和仿真建模結合起來。我們研究了直流脈沖預熱的生熱機理、模型以及生熱率的受控敏感度，也研究了交流預熱的生熱機理及生熱率影響因子，目的就是研究怎么樣才能更快地升溫。另一方面，我們研究了電池不析鋰的預熱電流邊界條件，做這方面研究的目的是減少預熱過程對電池壽命的不良影響，因為眾所周知，低溫的時候，電池的主要老化機理是析鋰。
在應用研究方面，我們主要研究的是怎么樣產(chǎn)生預熱電流，所以我們申請的專利就是關于產(chǎn)生預熱電流的電路結構及控制方法。
我們把我們這些產(chǎn)生電流的方法集成到電動汽車上，與三電集成應用于電動汽車的低溫預熱。目前大部分車企采用的預熱方法仍然是外部預熱，雖然大家都在研究，但是真正走到公告那一步的還是少數(shù)，就是現(xiàn)在大家還在成果轉化過程中。PTC加熱，它的升溫速率是每分鐘0.6度左右，從-20度升到0度的時候電池的最大溫差可能會在10度以上，這是外部預熱。內(nèi)部預熱，它的普遍優(yōu)點就是均溫性好，最大溫差可以控制在3度左右。內(nèi)部預熱，現(xiàn)在大部分的研發(fā)采用的是與電機電控集成，溫升速率是每分鐘1-2度，我們的方法當然也是要通過與電路的集成以及優(yōu)化，可以達到每分鐘6度。
我們做了一些理論研究和應用研究，現(xiàn)在在尋求合作、尋求成果轉化，提供定制化的方案設計，協(xié)助甲方共同完成硬件集成、軟件集成、預熱電流、優(yōu)化控制以及析鋰邊界的估算。
在儲能電站中的應用，我個人認為內(nèi)部預熱的技術是可以考慮把它應用于儲能電站的。左邊的這張圖，上面的是我們采用的低溫預熱產(chǎn)生預熱電流的電路，可以看出來，這個產(chǎn)生預熱電流的電路，和儲能電站當中的PCS，在結構上是可以找到很多相似的地方。比如說，左下角的含DC/DC的PCS，和上面的圖就非常的相象。右邊的鏈式儲能變換器的電路拓撲，可以看到它與產(chǎn)生低溫預熱的電路也是很相似。在儲能電站當中的應用，我個人認為想要工程應用，最大的障礙、它的核心就是如何降低成本，應該說成本是首要的考慮因素，也就是如何復用現(xiàn)有的PCS的硬件結構，來實現(xiàn)低溫預熱。
最后，介紹我們先進儲能與雙碳實驗室。先進儲能與雙碳實驗室有3名教授，6名副教授，碩博研究生有70余人，現(xiàn)在已經(jīng)成長為國內(nèi)具有新能源及新能源汽車系統(tǒng)集成及控制優(yōu)化的重要研發(fā)及技術人才儲備基地。
以上是我的匯報。
