电池加热是避免低温环境电动汽车里程焦虑和充电耗时的重要方案。近日，欧阳明高院士团队设计了一款与现有电动汽车电路兼容的改装电路，结合优化的工作条件，实现了电池快速加热。改装后的电路中，电池之间的电能传输可以通过电机来实现，加热电流明显高于传统电路。这种加热策略成本低，效率高，对电池老化影响小，在电动汽车电池加热领域具有实用价值和应用前景。相关结果发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience上。

在交通工具中使用电动汽车（EV）有助于建立可持续发展社会。电动汽车的主要电源是锂离子电池（LIB），它具有高能量密度和长寿命。然而，LIBs存在一些应用难题，特别是寒冷环境下电池性能恶化这一问题较为突出。极端温度下，LIBs驱动电动汽车的行驶里程迅速下降，电池寿命缩短。此外，电池在低温下充电可能会导致析锂，引发电池安全问题。众多科研工作者竭智尽力为解决这些难题，其中，电动汽车电池预热方案因其易于实现，得到广泛研究。

根据加热热源的位置，电池预热方法可分为内部加热和外部加热。外部加热的热量从电池外部产生，然后传递给电池，便于实现。然而，受制于长距离热传输，这种方法加热速度有限，能量效率大。相比之下，内部加热的热源位于电池内部，可大大减少热传导存在的时间延迟和能量损失。

通过电压极化对电池进行内部加热是实现快速均匀加热的一种有效方案。在交变电流（AC）下，锂离子在阴极和阳极之间穿梭，由于欧姆内阻和电化学反应产生热量。然而，该方法在缺乏大功率交流加热源时，难以在电动汽车上实现良好的加热性能。大功率交流加热源可以通过充电桩输出交流电实现，但仅可以在大功率双向充电桩充电时实现。同时，研究者也尝试设计相应的车载电路，如加热-均衡集成电路、谐振电路等以实现车载的电池交流加热。然而，这些电路会给电动汽车增加额外的电子元件，占用体积且带来成本负担。另一种经济有效的替代方法是使用电机中的车载驱动电路产生AC，但目前该方法实现的升温速度较低。

创新驱动电路设计

本文提出的驱动电路的电池组由两个单独模块组成，并连接到逆变器的独立电桥上，如图1A所示。逆变器的第一桥臂连接第一模块，其余的桥臂连接第二模块。当开关S断开时，两个模块的电流可独立输出。当开关S闭合时，两个模块并联连接，该系统配置与现有驱动电路相同。因此，该驱动电路易于实现，仅需加入了继电器和相应的控制电路，成本增加不高，且与目前使用的电动汽车驱动电路高度兼容。

▲图1.电池加热的驱动电路和可实现的加热运行模式示意图

电动汽车驱动电路根据开关S的状态可实现两种工作模式：当开关S闭合时，电池组的加热通过电机线圈对电能的存储和释放实现，如图1B所示，本文中将这种传统的加热方法称为组合模块逆变（CMI）模式。当S打开时，可通过一个模块充电而另一个模块放电来实现电池加热（图1C），因此电机在相同的线圈电流约束下，增强了加热模式下电池的加热电流，本文将这种与新的加热模式称为双模块分体逆变（DMSI）模式。

与CMI模式产生的电流相比，DMSI模式的驱动电路产生的电池电流更高。作者在文中根据逆变器的开关状态计算电池电流，细致说明了DMSI模式下加热性能的提升情况。DMSI模式中，由于模块之间的电传递，并且在相同的电机电流下，电池的产生更高的脉冲电流，从而使电池极化增加，电池内部产生的热量更多。

实现电池快速加热

使用驱动电路进行电池加热的操作必须符合电动汽车操作限制，这些参数涉及电机速度、逆变器电压和线圈电流等。作者通过理论计算表明，在所述方案中，电机处于静态运行模式，且确保逆变器电压、电机线圈电流都在额定范围内运行。

作者比较了相同电机电流条件下，上述两种模式所提供的加热电流。发现电路处于DMSI模式时，电池的加热电流明显高于CMI模式。在高频处，与CMI模式相比，由于DMSI模式在各种基本电压矢量下电池侧电流都增加，从而使等效加热电流Ieff_B增大。此外，DMSI模式下Ieff_B随加热频率保持近似恒定；而CMI模式中Ieff_B随频率增加而迅速降低。值得注意的是，DMSI和CMI模式下的加热电流分别对电机电角度和加热周期敏感。因此，需要寻找最佳的参数条件，以分别获得各模式下的最佳加热性能。文中作者发现，DMSI模式中模块1和模块2之间的能量转移，可大大增加电池组的加热电流。此模式下的等效加热电流相当于CMI模式中最大加热电流的280%。此外，当驱动电路在DMSI模式时，加热电流可以在低频下保持。

作者从应用角度出发，分析了电动汽车在不同电机功率和电池组容量配置下的DMSI可实现的电池组脉冲加热电流的等效倍率，如图2所示。加热倍率正相关于电机功率和电池包能量的比值。对于60kW电机和40kWh的电池包的系统配置而言，电池的加热倍率可达到4C。

▲图2 .电动汽车不同配置下，可实现的电池加热电流

作者最后对DMSI模式下电芯的升温速率、加热效率和容量退化等维度对进行评估，发现该模式得到的升温速率能够满足电池在寒冷环境中的快速加热需求，加热效率高。由于过程中电池的部分放电能量转化为热量，所述加热方案中电池会损失约5%的容量，使电芯5min内从−7°C上升到29.1°C。同时，文章分析了加热过程中电池的性能退化。结果表明，长期循环下电池的在脉冲电流加热下容量衰减几乎可忽略，且极片上未发现锂的析出。因此，所提出的加热过程对电池性能退化的影响可忽略不计。

讨论

本文所提出的驱动电路和DMSI操作模式，明显改进了电池组的加热性能。并与现有的CMI驱动电路兼容，为实现电动汽车电池组在寒冷环境下快速加热提供了一种实用而有前景的解决方案。同时作者指出，本文只对电池的加热电流、温度速率和容量退化进行了实验和理论评估。在未来的工作中，需要对所述驱动电路在电动汽车电池加热过程中产生的噪音和振动的影响，进行深入分析。

清华大学车辆学院欧阳明高院士团队的李亚伦博士生为该论文的第一作者。研究受到中美政府间国际合作专项、国家自然基金项目等资助。

作者专访

Cell Press细胞出版社微信公众号特别邀请欧阳明高院士进行了专访，请他进一步为大家详细解读。

CellPress：

低温会导致锂离子电池容量衰减从而影响电动汽车的续航能力，请问欧阳教授，从电池的充放电机制而言，低温主要是影响了哪些方面？

欧阳明高院士：

低温对电动汽车续航的影响来源于两方面，一是低温下电池可用能量减少，二是低温下车辆的百公里电耗增加。低温下，由于材料的活性变差，电池内阻增加、运行电压降低、放电截止SOC提前，部分电量放不出来，造成电池的实际输出能量减少。与之相对，低温下电动汽车的能耗是增加的，由于汽车内外温差大使得取暖消耗的功率快速增加，同时电池低温下可回收的制动能量降低了，造成行驶过程的综合电耗上升。这两方面共同作用导致电动汽车用户在冬季的驾驶体验下降。

CellPress：

锂离子电池加热能够有效地缓解低温充电困难等问题，请欧阳老师比较现有技术的加热效果，并展望最具优势的加热技术。

欧阳明高院士：

电池加热的方案比较多，不同技术适用于不同的场景，在加热速率要求不高的场合，可使用插枪保温（如果具备条件）或利用电池包自身的电加热电池，并结合云端控制APP在用户使用前进行提前加热。在快速加热的情景下，电池加热可以通过脉冲电流实现，脉冲电流可以借助大功率双向充电桩实现，本文的电机激励方案提供了车载的大功率脉冲电流源。更多的创新方案还包括电机废热利用，低温热泵技术来提高系统效率，以及在电池内置镍片实现快速加热等。各种加热技术的应用应考虑车型和使用场景，并确保成本可接受、运行的可靠性。

CellPress：

低温充电会严重损害锂离子电池寿命，除了目前发展的加热技术之外，能否通过开发新的材料以解决低温充电所面临的问题？

欧阳明高院士：

低温充电损害电池寿命的重要原因是负极析锂，解决析锂问题可以通过改进极片结构，改善电解液低温性能，降低电压极化来实现，也可以采用电位更高的材料作为负极来降低析锂风险。需要注意的是，改善电池低温充电性能的同时，还需要注意兼顾电芯的能量密度、安全性等因素。

CellPress：

请欧阳老师基于自己的研究经历给现在年轻的科研工作者一些关于研究方向的确定及实验工作的开展方面的建议。

欧阳明高院士：

科研方向的选取要符合行业需求，需求牵引做有意义的研究。对研究内容的开展要有系统性思维，基于第一性原理分析，多方位思考，跨学科借鉴，大胆提出创新性方案，认真求证做出有价值的成果。

通讯作者简介：欧阳明高，清华大学教授，中国科学院院士。1993年在丹麦技术大学获得能源工程博士学位， 2004年被中国教育部授予长江学者特聘教授，现任汽车安全与能源国家重点实验室主任、校学术委员会副主任。

欧阳明高从“十一五”开始连续三个五年计划担任国家节能与新能源汽车科技重点专项首席专家，2010年以来担任中美清洁汽车研究联盟中方首席科学家。他在EV / HEV / FCV的电动动力总成技术的研发方面进行了系统性创新，包括：发动机和发动机/发动机混合动力控制系统、 PEM燃料电池系统的建模和状态估计以及燃料电池/电池混合动力总成的开发、锂离子电池的热失控机理和安全管理，分别于2007年和2010年获得国家发明奖（二等奖），2009年获得北京科学技术奖（一等奖），2016年获得中国汽车工业技术发明奖（一等奖），2008年何梁何利基金会的科学与技术成就奖以及2010年IPHE的国际技术成就奖。

长期以来，欧阳明高一直致力于电气化电动传动系统的工程教育和学术研究。出版了新能源车辆动力系统学的学术专著，发表了SCI收录论文200余篇论文，入选全球“高被引科学家”（2017、2019、2020），和中国“高被引科学家”（2015、2016、2017、2018）。

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研究成果发表于Cell Press期刊iScience上，

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▌论文标题：

Drive circuitry of an electric vehicle enabling rapid heating of the battery pack at low temperatures

▌论文网址：

#(20)31118-4

▌DOI：

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