基于微观状态估计的安全增强互脉冲加热策略，适用于功率可再分配锂离子Trojan蓄电池组

先进的供暖对于降低低温时电池容量和峰值功率的暂时损失至关重要，从而提高利用效率并降低安全风险。在我们之前的研究基础上，本文提出了一种基于微观状态估计的安全增强互助脉冲加热（MPH）策略，其中复用的基于转换器的驱动器被用作机载加热拓扑。利用自适应超扭转滑动模式观测器捕捉电池固液相锂浓度、电极和电解质电位，以及侧反应过电位。随后，基于微观状态约束的MPH电流预测方法被制定，以划定电池微观态的安全工作区域。MPH电流幅幅由在线负反馈优化控制器更新，而加热占空比仍通过模糊反馈机制进行调整。对拟议方法的实验验证涵盖五个关键指标：加热时间、温度上升速率、安全风险、温度均匀性和降解。该方法通过在178.3秒内将电池温度从−20°C提升至0°C，同时保持显微状态在安全阈值内，峰值温度梯度为<2°C，从而展示了其有效性。 在800次加热周期内，电池完整性保持完整，表现为容量稳定、库仑效率、内阻和差压曲线。⁺

简介

锂离子电池（LIB）作为电动汽车和储能系统的基石，在低温下性能明显下降[1,2]。无限制操作会不利于电化学动力学，并加剧锂电镀和树突生长相关的安全风险[3,4]。低温与电池组不稳定性的相互作用尤其严重，导致性能加速下降和使用寿命缩短[5]。为了在低温条件下减少电池劣化，除了材料的创新外，一种常见的策略是通过加热电池至最佳温度范围进行预处理[10]，从而最大限度地降低劣化风险[11]。尽管引入了多种加热方法，如外部和内部加热技术以抵消低温性能的下降，这些方法仍常面临效率、热均匀性、成本和安全等挑战[10]。这推动了快速、均匀且安全的低温加热方法的研究，以高效预处理电池组以实现最佳性能。因此，强调采用安全增强的加热方法，以确保LIB在恶劣条件下的完整性。
低温加热分为外部和内部两种方式，通常由电池热管理系统（BTMS）实现。BTMS在电池组内协调温度调节，确保均匀分布和维护在最佳运行范围内，传统上优先考虑冷却机制[12]。锂电池低温性能下降给BTMS带来了新的挑战，需要外部或内部加热来将电池温度提升至可运行范围。外部加热，需要额外的组件，如正温度系数器件[13,14]、电阻加热器[15]、佩尔帖加热器[10]、热泵[16]和相变材料[17]。外部加热方法因稳定性和简便性而在电动汽车中普遍存在，但由于热不均匀性、大量热量损失以及依赖辅助加热机制等问题，仍然受到限制。电池内部的温度梯度是由加热不均引起的，而过度散热则降低了加热效率。额外的加热设备增加了系统复杂度和成本[18]。相比之下，内部加热利用充放电过程中内部产生的热能，涵盖自加热和激发电流加热[19]。内部加热相比外部加热方法，具有均匀的温度分布、降低能耗和更高的加热效率[3]。一种常见的自加热方法是将薄镍箔集成在电池内部，作为内部加热器[20]。该方法使用薄镍箔作为内部加热器，能在30秒内将电池温度从30°C提升至0°C，尽管热梯度较明显。此外，多层镍箔自加热结构可显著放大加热速率，并减轻LIBs内的温度梯度分布[21,22]。尽管加热效率提升，这种方法仍需对电池进行重大结构改造，增加了复杂度，并可能加剧用户对安全性和可靠性的担忧。
不同地，激励电流加热利用电池在充电和放电过程中固有阻抗产生的热能，包括直流（DC）和交流（AC）加热。基于放电的直流加热，利用电池放电电流与高温加热，实施简单。然而，这种方法的特点是电荷状态（SOC）显著下降，能耗较大，且供暖效率不足[23]。此外，在运行条件下电池性能下降较为明显。交流脉冲加热采用正负脉冲电流，对SOC的影响最小，从而相比恒流加热减少功率损失，并产生比恒流更高的脉冲电流，提高加热效率[24]。因此，空调供暖成为内部供暖方法中的主流方法，并受到了广泛研究关注[3，[25]，[26]，[27]]。交流加热利用特定频率和振幅的交流激发，在内部采暖技术中实现了能量消耗与热效率之间的平衡。初步证据表明，通过精通的电流激励设计，交流加热可以作为一种非破坏性的电池温度调节技术[3]。重要的是，交流加热能保持电池设计的完整性，因其非侵入性而备受研究关注[1]。
交流供暖在低温供暖领域起着重要作用，其核心优势在于能够选择多种加热波形。在众多波形中，正弦波电流（SC）和互助脉冲电流是最常用的两种[28]。SC加热是最初的研究重点，已被证明可以通过变频交流自加热策略，在347秒内高效将电池温度从−15°C提升至0°C，利用终端电压作为阈值，目标是最小化加热时间[29]。基于先前研究，已开发出电热模型以预测电池行为，从而优化加热的SC参数[30]。这导致SC加热实现了3.78°C/分钟的温度提升，且能耗率低于0.27% SOC/°C。 高频SC加热配合热电耦合模型，在评估不同SC频率对电池加热效果方面发挥了关键作用[25]。该方法解决了高频SC加热领域内此前尚未满足的全面理论和实验验证需求。实验显示，提高SC频率能显著提升恒定电流幅度下的加热速率，在800 Hz下可实现4.65 K/min的最佳速率，且不影响电池寿命。比较分析显示，互脉冲加热（MPH）在热效率上优于顺流加热，同时对电池容量衰减影响最小[31,32]。脉冲参数对热剖面影响的分析显示，脉冲幅度越大、环境温度越低，加热速率越高，温度差异越大。值得注意的是，电阻的变化显著加剧了这些温差，而SOC的波动对温度梯度的影响几乎可以忽略不计[5]。研究人员广泛研究非干扰性、安全的脉冲加热，特别注重优化电流频率和幅度以提升加热效果。利用电热等效电路模型，他们确定了最优加热参数，从而解决了高频交流加热此前缺乏全面理论和实验验证的问题[33]。这些研究预测了电池温度和负电极电位，从而使基于脉冲振幅的自适应加热策略得以发展成为可能[34]。此外，基于热力学原理和石墨阳极模型，新的锂电镀标准被推导，指导在锂电镀和终端电压约束下设计创新的MPH策略[3]。在双向脉冲加热过程中，建立了保守电流阈值以保护锂离子电池免受锂电镀的影响，在0°C时实现6.8°C/min的快速加热速率，同时不影响电池寿命[35]。这些方法加快了电池加热技术的发展，但由于需要专门的实验室设备产生交互脉冲电流，限制了其车辆应用[3,5,12，[33]，[34]，[35]]。为此，Li等人[36]开发了一种利用现有逆变器和电机的电动汽车电池加热方法，避免了额外的组件。电池组分为两个并联模块，连接到逆变器桥，实现双模块和模块至电机的加热，通过受控开关实现。崔等人[25]将电池组分为两派离子并连接到双向直流/直流转换器，使得通过高频交流电实现快速低温加热。Tang等人[29]开发了一种使用相邻均衡电路的高频交流加热器，每个单元连接两个MOSFET和一个电感器。此外，Li等人[30]利用全桥逆变电路实现了电池组的SC加热，电路带有电容、电感和四个MOSFET，每个MOSFET均配有反并联二极管。该设计简单、成本低且适合低温供暖。全桥逆变器中MOSFET的热量限制和热量损失导致加热效率降低和能耗增加。尽管低温电池加热取得了进展，我们最近的研究提出了一种替代的串联加热方法，无需额外电路和电源，从而实现电池组层面的电热控制[37,38]。
交流加热的效率依赖于精确的电流调制，但由于对SOC的敏感性和内阻波动影响加热均匀性和效率，实际使用中存在挑战[28]。这凸显了动态微调空调的复杂状态估计的必要性，以确保在不同条件下的加热性能。例如，提出了一种健康意识的加热方案，集成电加热模型以预测温度变化，并诊断锂电镀与充电传递阻抗的现象[33]。为了实现脉冲加热电流的实时调整，利用结合热动力学的双RC电模型预测电池温度和负电极电位[34]。与传统加热方法不同，内部加热利用电池内部热源，导致核心与壳体之间存在不可忽视的温度梯度[22]。关键是，电池电化学行为高度依赖温度，要求实时监测温度以实现有效内部加热。表面安装传感器无法充分检测内部温度[39]。因此，构建准确的电热模型和推进状态估计技术对于制定有效的空调供暖策略至关重要。
尽管内部加热技术有所进步，但在实现微观态精确控制以确保安全高效热管理方面仍面临挑战。电池内电化学动力学的固有限制限制了其功率容量，使得由宏观指标（如端子电压）决定的加热电流不足以精确估算功率，尤其是在温度快速上升的条件下。电化学机制模型对于表征电池内的微反应和物理化学过程至关重要，能够精确预测外部特性和内部微观态[40]。该模型为设计既安全又高效的低温加热策略提供了细致的基础。利用可电力再分配电池组的驱动电路，我们之前的研究引入了基于耦合电热模型的自适应MPH方法[38]，但该模型主要关注宏观观测，忽视了防止潜在性能和安全问题的关键内部状态。
本研究旨在通过提出基于电池显微状态估计的安全增强MPH方法，弥补现有研究空白。多路复用转换器式电池电源单元（BPU）既用作驱动电路，也用于电力再分配电池组的加热器。在我们先前研究[38]基础上，本研究与电池充放电管理[37]集成，进一步完善电池级电热调节。这一进步对于开发能够在不同温度和不同条件下保持高效运行的全功能BPU至关重要。相较于我们早期的研究，本研究提出了三项关键贡献，详见此处：（1）MPH电流的安全部署受关键约束约束，不仅包括电池电压，还包括电极和电解质中的锂浓度，以及侧反应过电位;（2）基于简化的电化学-热模型捕捉电池在快速升温下的外部性能和内部微观状态，提升低温加热策略的精度，并为电池安全管理提供了新见解;（3）开发了一种基于负反馈的在线控制器，用于MPH电流振幅优化，简化了安全工作电流的计算，绕过了微观状态约束解决的复杂性。此外，拟议加热方法的有效性和安全性通过全面测试得到验证，评估了加热时间、升温速率、安全风险、温度均匀性和老化退化等关键绩效指标。本文其余部分的组织如下。在第二部分，介绍了严谨的电化学-热模型及其重新表述。第3节提出了基于转换器的MPH拓扑复用。安全强化MPH战略在第4节中提出。实验细节详述于第5节，实验结果和讨论则在第6节进行。第7节总结了结论和后续工作。⁺