文/憑欄眺
作者首先研究了電池在2℃的交流阻抗。交流阻抗在低頻（＜1kHz）時變化很小，其相位接近於零，因此可以認為電池低頻部分的交流阻抗是電池的內阻。因為交流阻抗在260Hz時幾乎是最小的，因此實驗中電池的內阻均取該頻率下的阻抗值。
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隨後作者將電池放置-40℃的環境中測試阻抗，發現電池在經過3。5小時之後的阻抗幾乎恆定不變，因此作者將電池達到熱平衡的時間確定為3。5小時。
從電池在不同溫度下的放電曲線可知，當溫度降低，電池的放電容量降低；並且當溫度低於-10℃時，放電剛開始時電壓出現突降然後又逐漸恢復。在低溫環境下，電池的內阻大大增加，因此電池在開始放電時電壓迅速降低。同時，電池會被加熱，電壓又因放電內阻的原因而上升。
從不同溫度的充電曲線可知，電池的充電效能衰減比放電效能更加嚴重。在0℃時，電池甚至已經不能用小電流進行充電。在大電流充電時，電池的電壓直接達到上限電壓4。2V。
為了使加熱實驗符合車輛電池的條件，將帶有寬線金屬膜的電池組放入電池盒中。下圖為電池盒置於-40℃的恆溫箱中，由於電池盒元件具有較高的熱慣性，電池盒放置時間由5小時增加到8小時，以達到熱平衡。8小時後，寬線金屬薄膜開始加熱電池組。
將電池組在-40℃以不同的功率加熱15min，然後以1C（35A）進行恆流放電。放電初期、中期電壓隨加熱功率的增大而增大。在240W功率下，電池的平均放電電壓比90W時電池的平均放電電壓高0。53 V，最大電壓差為1。38 V。因此，增加90W以上的加熱功率可以提高放電電壓，從而提高放電功率，但對放電容量影響不顯著。
在電池組-40℃時用90 W功率加熱15分鐘後，放電開始時，其平均放電電壓接近未加熱電池在-20℃的放電電壓，並在中期和後期階段放電時高於-20℃的未加熱電池的放電電壓。-40℃時用90 W功率加熱15分鐘後，電池組的放電容量幾乎等於-10℃未加熱電池的放電容量。這些結果表明，當外部加熱停止後，電池組放電生成的部分熱會對電池組的加熱產生影響。
下圖比較了五種1 C恆流充電曲線，其中包括電池組加熱15分鐘的充電曲線，4個在1℃，℃， -10℃， -20℃未加熱的電池充電曲線。加熱的電池組效能明顯改善。電池組在-40℃用240W加熱15分鐘後，其充電效能接近0℃未加熱電池的充電效能。低溫充電效能的主要考慮因素是加熱時間和加熱均勻性，這可透過外部電源對電池組進行加熱控制。
以上結果實驗表明，在低溫加熱下的電池組的低溫充放電效能得到了顯著提高，可以達到全能量儲存容量。然而，無法獲得-40℃加熱電池組的最大充放電功率，因為加熱的電池組總是以1C進行恆流充放電。於此，作者採用脈衝充放電對低溫下加熱的電池組進行了一些實驗。首先，將電池組在室溫下以1C/3的溫度充電。其次，將電池組在-40℃下放置8小時，以達到熱平衡。第三，用90W的功率加熱電池組15分鐘，最後電池組進行脈衝充放電測試。脈衝的最小放電電流為17。5 A，最大放電電流為280 A，最小充電電流為17。5 A，最大充電電流為210 A。設計這個脈衝曲線是為了儘可能快地給電池組放電。脈衝充電和放電曲線以及脈衝電流見下圖。
為了更清晰地顯示充放電曲線，下面兩張圖分別顯示了90%荷電狀態（SOC）和10%荷電狀態下的脈衝曲線。在SOC為90%時，加熱電池組的最大放電電流接近210A （6C）。在SOC為10%時，加熱電池組的最大放電電流接近280A （8C）。在-40℃未加熱的電池組無法在如此大的電流下充放電。因此，該加熱方法可以有效提高電池組在低溫下的放電效能。
本文報道了對35Ah@3。7V LiMn2O4電池和由三個電池組成的電池組進行的一系列低溫充放電實驗。結果表明，隨著溫度的降低，電池的充放電效能顯著降低，在-20℃時電池的可用容量可以忽略不計，因此，電池應透過加熱來提高其低溫效能。在電池背面引入寬線金屬膜加熱機制，顯著提高了電池的低溫效能。以90W至240W加熱15分鐘後， 1C充電和放電時電池組的電壓和功率效能得到改善，電池組的放電容量幾乎恢復至室溫的水平，而其充電容量恢復到大約一半的室溫水平。在-40℃加熱15 min後對電池組進行脈衝充放電實驗，獲得高脈衝放電電流，放電速率為6C ~ 8C，平均充放電速率為4。5C，放電容量為室溫放電容量的80%。在-40℃時，電池組只需要在開始時預熱，之後電池組的溫度可以透過充放電過程中產生的熱量來維持。
參考文獻：Preheating method of lithium-ion batteries in an electric vehicle；J。 Mod。 Power Syst。 Clean Energy （2015） 3（2）：289–296；Zhiguo LEI， Chengning ZHANG， Junqiu LI， Guangchong FAN， Zhewei LIN。
