能源危機和環境保護的雙重壓力助推了電動汽車的快速發展。鋰離子電池因能量密度高、使用壽命長、節能環保等優點而成為電動汽車動力電池的首選。但由于參數隨條件的變化，鋰離子電池在實際應用中仍然存在一些挑戰。低溫環境下鋰離子電池的可用容量急劇下降，會直接影響電動汽車的續航里程，而且電池充電變得更加困難，輸出功率大幅下降，嚴重時難以達到正常工況要求。

鋰離子電池的使用壽命與眾多因素相關，低溫下按常規策略充電容易出現析鋰現象，這將嚴重影響電池的壽命。因此，對鋰離子電池進行低溫加熱，改善低溫充電性能和使用性能十分必要。

目前對電池進行加熱的方式主要分為兩種：外部加熱和內部加熱。外部加熱主要是通過熱傳導或熱對流的途徑實現，通過PTC材料或加熱膜等在外部對電池進行加熱。但該方式受熱不均勻且加熱效率較低。內部加熱直接在電池內部產生熱量，故其加熱效率更高，受熱更加均勻。

JinXin等分別在HPPC及恒流放電工況下實驗，對比外部加熱和內部加熱，發現內部加熱的溫升速度明顯高于外部加熱。ZhangGuangsheng等設計了一種自加熱結構的鋰離子電池（Self-Heating Lithium-ion Battery,SHLB），采用2片鎳箔的設計使溫度分布更加均勻，溫升更快，但短路引起的大電流是否對電池的壽命造成影響需要進一步討論。且該方法需要改變電池結構，實現較為困難，故應考慮通過電池自身阻抗產熱以達到加熱電池的目的。

JiYan等對各種加熱方式進行比較，發現交流電加熱電池溫度均勻性好，能夠保持荷電狀態（State of Charge, SOC）基本恒定；而直流放電自加熱雖然成本低，但受制于起始SOC的大小，且過大的直流會對電池壽命造成一定影響。由此可知，相比于外部加熱方式，交流加熱實現起來較為容易，能夠保持荷電狀態基本恒定，且加熱速度較快，加熱均勻性好。

T.A.Stuart等提出在低溫環境下對電池施加交流電進行內部自加熱的策略，且探討了交流信號的參數對加熱效果的影響，但僅討論了60Hz和10~20kHz兩個頻率段的結果，對于兩個頻率段之間的頻率未做分析。

ZhangJianbo等更加詳細地指出交流信號的頻率與加熱效果有關，同一電流幅值下，頻率越低，加熱時間越短，但并未指出如何選擇交流激勵的幅值與頻率使得加熱速度最大化，且沒有考慮壽命衰退問題；同時發現在使用交流加熱后，電池SOC沒有明顯變化。在恒定電流幅值的交流加熱下，交流電流的頻率過低，半波周期過程接近于直流充放電過程，無法體現交流加熱的優勢。

另外，由于極化電壓與電池的電化學反應存在一定的關系，在一定的極化電壓下充電不會明顯影響電池壽命，故為了避免電池產生不良的反應，有必要控制電池的極化電壓。RuanHaijun等提出并證明了鋰離子電池在恒極化電壓條件下存在最佳加熱頻率，進行了恒定頻率與變化幅值（Constant-Frequency and Variable-Amplitude, CFVA）下的電池交流自加熱實驗，但沒有隨著電池溫度的升高而改變頻率以使每個溫度點下的產熱率最大。

對此，在恒定極化電壓交流加熱的情況下，為在交流加熱過程中能保持最大的產熱率，交流信號的頻率需實時調整。目前已有文獻僅涉及交流電流恒頻恒幅或恒頻變幅的加熱實驗，沒有研究交流電流變頻的加熱策略，而頻率在鋰離子電池的自加熱過程中起到關鍵性的作用。

故本文設計了一種變頻變幅（Variable-Frequency and Variable-Amplitude, VFVA）鋰離子電池低溫自加熱策略，通過軟件仿真和實驗測試的對比，驗證了該策略的可行性與有效性。

圖1 電池實驗平臺

結論

本文以快速加熱電池、同時不對電池產生不良影響為原則，在保證極化電壓幅值恒定的條件下，基于熱-電耦合模型設計了一種電流頻率和幅值時變的低溫交流自加熱策略。通過Labview軟件在線實測，進行了多項實驗驗證。

通過所建立的電池熱-電耦合模型及其仿真結果證明了最佳加熱頻率的存在。仿真與實驗得到的最佳加熱頻率結果基本一致，電池溫升曲線誤差較小，均在9%以內。

通過變頻變幅與1700Hz和3500Hz恒頻變幅交流自加熱策略的對比實驗可看出，變頻變幅自加熱策略加熱效果最優，3500Hz的恒頻變幅自加熱策略優于1700 Hz的恒頻變幅自加熱策略。其中，變頻變幅及1700 Hz、3500 Hz恒頻變幅交流自加熱策略在700s內的電池溫升分別為47.67℃、40.83℃和44.01℃，能夠滿足電池在低溫下的加熱需求。

不同條件下變頻變幅交流自加熱策略與恒頻變幅交流自加熱策略在700s內電池溫升差異最大為6.84℃，溫升速率差異最大值為21.85%，說明變頻變幅交流自加熱策略具有較明顯的優勢。