亮点：1.提出了一种采用电热膜对电池模组快速加热的方法。 2.研究了电池加热功率、加热部位及模组多维度错位协同加热方法对电池温度场及其升温速率的影响。
摘 要 在低温环境下，电池加热是提升储能系统性能、延长电池寿命以及确保其安全性的重要技术手段。针对储能用高容量锂离子电池的低温加热问题，本工作考虑电池的尺寸效应及其各向异性的热传导特性，结合数值模拟和实验测试手段，提出了利用电热膜对电池模组进行快速加热的方法。探讨了电池加热功率、加热部位及模组多维度错位协同加热方法对电池温度场及其升温速率的影响。结果表明，电池的温升速率与加热膜输入功率之间呈现出线性关系。电池大面加热功率为350 W时，电池平均温度在118 s内可从-20 ℃上升至0 ℃，最大温度达到39.4 ℃，且291 s后电池组温度达到平衡。双侧面加热相比大面加热，其温度提高了18%，但材料成本减少了38%。实验结果验证了仿真模型的准确性，表明了本方案加热时间短、可靠性高，且可快速提升电池组温度。研究结果对户用储能设备的热管理技术开发及优化等具有一定的参考意义。关键词锂离子电池；加热膜；低温环境；快速加热
储能设施是构建新型能源体系最重要的技术和基础装备之一，锂离子电池因其能量密度高、寿命长、减少污染等优点，成为储能设备良好的组成单元。然而，在低温环境中，储能电池的性能大幅度降低，特别是电池低温下充电发生析锂现象，严重影响电池寿命，存在极大的安全隐患。对于可再生能源储存的应用，加热系统能够确保电池在寒冷气候条件下的可靠性和高效性，使其适应更广泛的使用场景。因此，电池储能设备需要研究低温电池快速加热策略，实现对储能电池组的热管理，确保锂离子电池的温度保持在适宜的范围内。
为改善低温电池的加热效果，目前很多学者研究了可以对低温电池加热的方法，主要分为两类，内部加热法与外部加热法。内部加热方法包括交流加热法、直流加热法以及电池自加热法；外部加热方法包括空气加热法、加热膜加热法、相变材料加热法等加热方法。
内部加热通常是在电池内部产生大量热量，使电池升温且受热更加均匀。何锡添等设计了一种变频变幅交流自加热策略，相比于恒频变幅加热策略，其温升速率最大可提高21.85 %。Wang 等提出了一种新的电池结构，通过在电池内部安装加热元件，实现了低温下快速自加热。外部加热的主要原理是通过热传导或热对流将热量传递到电池内部实现加热。张承宁等采用宽线金属膜加热法，通过加热低温电池显著提高了电池的性能；E等设计了一种加热膜和相变材料耦合预热的方法，通过确定耦合的最佳参数，使预热时间大大减小，预热效果良好。Zhang等使用相变材料与加热膜设计了两种加热方式，结果表明大面加热的效果优于侧面加热。熊瑞等]提出了一种加热膜与交流加热复合加热方法，该方法的加热效率为3.18 ℃/min，具有良好的温度调整能力和加热效果的一致性。
目前，国内外在锂电池低温加热方面，对电池加热的方式方法的研究尚不充分，加热效果尚未达到预期水平，仍存在加热效率低等问题。同时方形电池的热传导存在各向异性，在电池的不同表面加热时，其加热效果存在差异。本工作以方形电池为对象，通过对外部加热功率及电池加热方法的参数化分析，探究电池低温下外部加热策略，并通过实验验证了加热策略的可行性与有效性。
本工作使用外部加热提高方形锂电池的低温性能，构建了方形锂电池模型，数值研究了电池组模块的温升特性，并通过实验验证了电池加热方案的可行性。得出以下主要结论：
（1）加热膜输入功率提升可缩短预热时间，但加热过程中的温差增大。电池温升速率与加热膜功率呈线性关系。若加热膜功率相同，电池平均升温速率不受加热膜布置方式的影响。
（2）加热膜的加热功率为350 W时，温升速率为10.17 ℃ /min。且电池的大面加热优于其他布置方式，最大温度为39.3 ℃，在291 s后电池的温度达到动态平衡，低温加热速率有显著提高。双侧面加热相比于大面加热，其温度提高了18%，但材料成本减少了38%。
（3）对多维度协同加热方法，大面与双侧面、大面与交叉侧面的加热方法在118 s内的电池最大温度分别为42.6 ℃和43.1 ℃，分别在307 s和346 s时电池内部温度达到稳定，均能够满足电池的低温加热需求。
（4）低温加热实验充分验证了仿真模型的准确性，最大温差可控制在4 ℃以内，证明本工作提出的电池组快速预热方案可行，能够满足电池预热的实际需求。
作者：匡智伟、张振东、盛雷付林祥
单位：上海理工大学机械工程学院，上海 200093
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0894
引用本文：匡智伟, 张振东, 盛雷, 等. 储能用高容量锂离子电池低温快速加热方法研究[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(2): 791-798.KUANG Zhiwei, ZHANG Zhendong, SHENG Lei, et al. Research on low-temperature rapid heating method for high-capacity lithium-ion batteries in energy storage[J]. Energy Storage Science and Technology, 2025, 14(2): 791-798.
