锂离子动力电池在低温使用中能量和功率特性衰减严重，宏观上，锂离子动力电池的低温性能表现为随着温度的降低，动力电池的阻抗增大，放电电压平台降低，且电池的端电压下降较快，导致其可用容量和功率大大衰减；另外，动力电池在低温下不仅难以实现大电流放电，且因电池阻抗的增加，导致充电电压迅速上升，使电池到达充电保护终止电压的时间缩短，因此存在充电困难和充电效率低的缺点。
在微观尺度上，锂离子动力电池低温特性可总结为主要受到以下关键因素的制约：
(1)低温下电池内部电解液离子电导率过低；
(2)低温下电池负极石墨颗粒表面SEI膜的电导率降低；
(3)低温下电池电极电化学反应速率降低；
(4)低温下电池负极石墨材料颗粒中的锂离子固相扩散系数过低;
具体来说，首先锂离子动力电池低温下的性能与电池电解液相关。动力电池电解液溶剂不仅直接影响电解液液相线温度范围，且直接参与到生成SEI膜的反应中。低温下电解液电导率降低，且低温充电导致析出的锂金属易与电解液反应，导致锂离子动力电池低温性能进一步恶化。
低温下电池内部电极SEI膜阻抗的增加是动力电池低温性能恶化的另一因素。低温下，电池内部电极SEI膜阻抗增加，动力电池可用功率下降。尤其在低温充电时，负极颗粒表面析出金属锂，锂金属与电解液反应致使SEI膜增厚。一方面增加了电池的SEI膜阻抗，另一方面，负极中可用活性锂离子的减少会导致动力电池容量不可逆的衰减。
低温下动力电池电化学反应速率降低，电荷迁移内阻显著增加。相比于电化学欧姆内阻和SEI膜阻抗，电池电化学反应过程受温度控制的作用更明显，电荷迁移内阻随着温度的降低呈指数增加，可以认为，低温电荷迁移内阻剧增是动力电池功率性能恶化的主要原因。
锂离子在负极石墨中的固相扩散系数减小也是导致动力电池低温性能变差的主要因素之一。低温下锂离子在负极石墨中的固相扩散系数减小，是导致动力电池容量特性变差的主要速度控制步骤。当电池进行低温充电时，较小的扩散系数会导致锂离子在负极石墨中的扩散过程受阻，从而易在负极颗粒表面产生“锂沉积”，对电池造成永久性损伤。
目前主要从两个方面提高动力电池在低温环境下的性能：①研究开发低温特性更好的电解液和电极材料；②研究电池低温加热策略。短期内开发出能够适应低温环境的电池材料难以保证。相比之下，从电池热管理系统的角度研究低温加热策略更具可行性。
近年来，针对电池低温加热问题，已经有大量的学者做过研究和分析。目前，低温加热策略的研究主要集中于实现难度较低的外部加热方法。外部加热法的热源位于电池外部，具有较为成熟的理论基础和丰富的工程经验，目前商用电动汽车大多采用这一解决方案。但是外部加热法存在加热速度慢、能量利用效率低、温度分布不均匀等固有缺陷。针对外部加热方法存在的问题，学者们开始研究电池内部产热的低温快速加热方法，如交流加热法、内部自加热法、自加热锂离子电池等。相比于外部加热方法，低温快速加热方法具有加热速度快、能量利用效率高、温度分布均匀等优势。但是，对于电动汽车应用而言，低温快速加热方法的研究仍存在很多难点和挑战。一方面，为寻求缩短加热时间和延长电池寿命之间的平衡，激励电流参数需要优化；另一方面，激励电流对电池老化的影响缺乏电化学机理层面的研究，存在较大的安全风险。此外，对于动力电池低温热管理系统缺乏统一的设计标准和评价指标，不利于工程推广应用。
1.内部自加热法
一般而言通过对电池进行充电或放电都可以达到自加热的目的。但在低温环境下，对电池充电存在析锂的风险。因此，必须严格控制充电电流的幅值，这就导致充电加热法的加热速度很慢。相比之下，得益于放电过程中负极较高的电位，电池几乎不存在析锂的风险。因此，放电自加热法更具应用价值。就简单应用而言，存在恒电压放电和恒电流放电两种模式。内部自加热法电路构成简单，实现成本低，并且具有相当高的加热速度。但其加热过程中大量能量消耗在外部负载上，未得到充分利用，导致内部自加热法的能量利用效率偏低。加热过程中电池以高倍率电流放电，可能会造成电池过放电及增加电池老化的风险。同时，内部自加热法加热过程中超过 15% 的电池容量消耗使得其仅适用于电池荷电状态(state of charge，SOC)较高的工况下使用 ，否则将导致电池能量耗尽。
2.MPH(mutual pulse heating)加热法
MPH 加热法以电池与另一储能元件(如电池、电容)组成加热回路，以电池的充放电过程实现加热电池。MPH 加热法能够实现较高的加热速度，保证良好的温度均匀性。相比于放电自加热方法，MPH 加热法消耗的电池能量大都用于电池内部产热，仅有较少的能量消耗在外部电路上。因此，MPH 加热法的能量利用效率较高。加热过程中的能量消耗一般不超过电池容量的10%，加热时间一般不超过 5 min。为减少脉冲电流加热策略对电池老化的影响，需要从模型出发优化脉冲电流的幅值和频率。
3.自加热锂离子电池
2016 年宾夕法尼亚大学王朝阳团队首次提出了一种称为“全气候电池”的电池新结构。该结构将具有一定阻值的薄镍片预埋入电池内部，以薄镍片为热元件从内部对电池加热。薄镍片引出两个极耳，其中一个极耳连至电池负极，另一个极耳单独引出一极，称为激活极(activationterminal，ACT)。当电池需要加热时，开关闭合，将激活极与正极连接，电流流经电池自身及薄镍片产生热量对电池加热。当电池达到预设温度时，开关断开，薄镍片被旁路，电池正常工作。实验结果表明，所提出的自加热锂离子电池能够分别在-20 ℃、-30 ℃环境温度下在19.5 s、29.6 s内将电池加热到0℃，分别消耗3.8%、5.5%的电池容量使加热速度达到61.2 ℃/min、60.8 ℃/min。
自加热锂离子电池可以在短时间内产生大量热量，并且薄镍片产生的热量占主导。然而，电芯的叠层结构使电池在厚度方向仅有很小的传热系数，造成电池内部形成了从薄镍片指向电池外表面的很大的温度梯度。电池内部不均匀的温度分布进一步造成了电流分布不均匀，影响加热效率及电池寿命。为提高加热过程电池内部的温度均匀性在电池内部不同位置处并联布置多个镍片。
尽管自加热锂离子电池可能会造成电池内部温度分布不均匀，但通过多片并联结构设计或间歇式加热策略可有效控制最大温差。然而，自加热锂离子电池需要改动电池内部结构，降低了电池的能量密度。同时，一旦电池发生热失控，嵌入电池内部的高活性镍片将使电池面临严重的安全风险。因此，自加热锂离子电池需要采取谨慎而有效的控制策略并且准确监控和预测电池内部温度，防止电池发生过热威胁驾驶安全。
4.交流加热法
交流加热法通过对电池施加交流电流产生热量，从内部加热电池。周期性的充、放电过程能够快速加热电池，并使得电池 SOC 保持不变。交流加热法可使用外部交流电源，使得加热过程不消耗电池自身能量。在形式各样的交流电波形中，正弦交流电应用最为广泛。
调节交流电的幅值和频率可以改变交流加热法的加热速度，但交流电参数对于电池老化的影响尚不明确。
更高的电流频率及更低的电流幅值有利于降低电池老化风险。在高频电流作用下，电池激发时间极短，不发生电荷的转移和扩散过程，因此不会发生析锂。随着电流频率的降低，电荷发生转移和扩散。此时，若电流幅值较低，充电过程嵌入负极固相颗粒的锂离子能够在放电过程中完全脱嵌，因此不会产生死锂，若电流幅值较高，充电过程产生的锂离子不能完全嵌入负极固相颗粒。
交流加热法具有加热速度快、能量利用效率高、温均性好等显著优势，发展前景广阔。在具有外部交流电源的情况下，交流加热法的加热回路十分简单，易于实现。对于车载交流加热法而言，需要考虑外部交流电流发生器电路对系统成本和体积的影响。交流电频率和幅值可调的特性，使得加热过程可控，且存在进一步优化的空间。此外，充分研究和理解交流电流对电池老化的影响有利于实现高效、安全的加热方法。然而，现有研究中，交流加热法对电池老化的研究仅停留在对电池容量的分析，还需要进一步从电化学机理的角度研究。此外，目前文献中交流加热方法的应用对象大多是电池单体，以电池模组和电池包为研究对象的文献较少。考虑到电池成组之后的不一致性，仅以电池单体为研究对象而发展的交流加热法可能会导致电池组或电池包内产热不均匀，产生内部温度梯度，加速电池老化。
5.循环高温气体加热
以空气作为介质直接穿过动力电池模块而达到加热动力电池组的目的。一般采用强制空气对流的方式，即通过外加风扇等装置将热空气送人动力电池箱，与动力电池进行热交换。热空气可由加热片产生，也可利用电机散发出来的热量和车内功率较大的电子电器加热装置获取。对于混合动力汽车，还可通过发动机提供加热空气的能量。这种方式要求尽可能增加空气与动力电池的热接触面积，具有成本低的优势。但动力电池的封装、安装位置和热接触面积需要重点设计来提高能量利用率和加热均匀性。
6.循环高温液体加热
与循环高温气体加热方法类似，但因液体边界层薄，具有导热率高的优势，故在相同流速下，直接接触式液体的热传导速率远高于空气。且在较为复杂的工况下，液体可更好地满足电动汽车动力电池的热管理要求。目前主要的方式是采用液体与外界进行热交换把热量送入动力电池组，可在模块间布置管线或围绕模块布置夹套，或把模块沉浸在液体中。若液体与模块间采用传热管和夹套等，可采用水、乙二醇、油甚至制冷剂等作为传热介质。若动力电池模块沉浸在介质传热液中，必须采用绝缘措施防止短路。传热介质和动力电池模块壁之间进行传热的速率主要取决于液体的热导率、黏度、密度和流动速度。目前液体加热方法对动力电池箱的密封和绝缘要求较高，会增加整个动力电池箱设计的复杂程度，在可靠性方面尚有许多问题需要解决。
7.动力电池表面布置加热板、加热膜类加热法
加热板加热是指在动力电池包顶部或底部或之间添加电加热板，加热时，电加热板通电，加热板的一部分热量通过热传导方式直接传给动力电池。采用加热板加热，加热时间长，加热后动力电池组温度分布不均匀，出现了较大温差。将宽线金属膜贴于动力电池单体的两个较大侧面进行加热，该方法的温度均匀性较好、加热效率较高，但需要精确地温度控制系统，且高温时，在一定程度上会影响动力电池单体的散热。
8.动力电池模块填充相变材料或填充化学反应产热材料加热
相变材料(phase change material，PcM)由于其巨大的蓄热能力被应用于动力电池组热管理系统。相变冷却机理是靠相变材料的熔化(凝固)潜热来工作，利用PCM作为动力电池热管理系统时，把动力电池组浸在PCM中，PCM吸收动力电池放出的热量而使温度迅速降低，热量以相变热的形式储存在PCM中。在低温环境下，PcM通过从液态转变为固态过程中释放存储的热量，可对动力电池进行加热和保温。
9.珀尔贴效应加热法
珀尔贴效应是指电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。利用珀尔贴效应这种特殊性质，通过改变电流的方向，可实现加热和制冷两种功能。加热和制冷的强度可通过调节电流的大小达到精确控制的目的。目前珀尔贴效应在电子设备上已经有一定的应用，但其在动力电池上的应用研究还较少。
参考文献：
[1]王军, 阮琳, 邱彦靓. 锂离子电池低温快速加热方法研究进展.
[2]朱建功, 孙泽昌, 魏学哲,等. 车用锂离子电池低温特性与加热方法研究进展[J]. 汽车工程, 2019, 41(5):12.
