如何指定冷藏设备的锂电池组：充电、冷凝和验证

一辆电池驱动的车辆在轮班开始时进入冷冻仓库。在第一个小时里，一切看起来都很正常。随后，加速度变弱，充电状态显示下降速度比预期更快，并且设备在提起托盘时关闭。

将电池移至较温暖的充电区域。电压恢复，但充电器拒绝启动。

当维护团队检查时，连接器周围已经出现湿气。

这不是一个问题。这是一系列与温度相关的问题，在设计过程中必须将其分开。

冷储存锂电池不能仅从电压和安时来选择。该项目必须定义电池在寒冷时如何放电、在哪里充电、如何加热、如何控制冷凝以及温度传感器或加热器发生故障时会发生什么。

简短的回答

对于冷室设备，指定至少四种不同的条件：

健康）状况	主要工程问题
冷库	不活动的电池能否承受存储温度和持续时间？
冷放电	它能否提供所需的电流而不会出现过大的电压暂降？
冷充电	在什么电池温度下可以开始充电？电流是多少？
冷到暖的转变	系统如何防止与冷凝相关的故障？

这些条件不可互换。

可在低温下储存的电池不会自动批准在该温度下放电。可在冰箱中放电的电池在充电前可能仍需要加热。

正确的解决方案可以结合合适的电池、温度传感、BMS 限制、隔热外壳、受控加热和定义的操作程序。

为什么低温会改变电池性能

锂离子电池的行为取决于电化学反应以及离子通过电解质和电极的运动。随着温度下降，这些过程通常会减慢。

实际效果可以包括：

• 内阻较高。

• 负载下电压降更大。

• 可用容量较低。

• 降低功率能力。

• 预热时间较长。

• 基于电压的 SOC 估计不太可靠。

• 更严格的充电限制。

美国宇航局的一份电池工程报告指出，较低的温度会降低化学活性并增加内阻。这也解释了在低温下，随着放电负载的增加，容量和电压下降得更快。完整的讨论可以在 NASA 航空航天飞行电池计划报告。

这就是为什么冷室电池组可以正确为灯和电子设备供电，但在牵引电机、升降执行器或压缩机启动时却会出现故障。

电池仍然含有能量。困难在于在传递能量的同时保持每个电池都高于其允许的最低电压。

冷放电和冷充电是不同的问题

购买时很容易忽略这种区别。

寒冷中放电

放电期间，较高的电阻会产生较大的电压降：

电压降 = 电流 × 电阻

假设电池系统的组合电池和连接电阻为 50 毫欧。

20A 时，简化的电压降为：

20A×0.050Ω=1V

80A 时：

80A×0.050Ω=4V

如果长时间冷浸后电阻进一步增加，电压裕度再次变小。

结果可能是：

• 加速度弱。

• 逆变器欠压。

• 过早的低电量警报。

• BMS 电池欠压保护。

• 表观运行时间较短。

• 负载停止后电压恢复。

室温容量测试不会揭示这种行为。

寒冷环境下充电

充电需要单独的控制，因为在不合适的充电条件下，低温会增加阳极上金属锂沉积的风险。

国家可再生能源实验室发表的研究讨论了安全充电条件如何取决于温度、充电速率、电极设计和充电状态。参见有关的研究温度影响和安全充电线以避免镀锂。

德州仪器 (TI) 的指导电池温度传感和 JEITA 充电区域使用 0°C 作为代表性冷阈值，低于该阈值则停止充电，并在冷温区域减少充电参数。

该值不应盲目复制到每个电池规格中。实际限制必须来自：

• 选定的电池制造商。

• 包结构。

• 充电系统。

• BMS配置。

• 项目特定的验证。

重要的一点是，锂电池在寒冷天气下充电需要有明确的规则。 “充电器来决定”并不是一个完整的控制策略。

定义单元内的温度，而不仅仅是房间内的温度

仓库恒温器报告空气温度。 BMS 需要了解电池温度。

这些数字可能会有很大差异。

进入寒冷房间的电池可能会在一段时间内保持比周围空气温暖的温度。即使外壳外部被冷空气覆盖，重负载下的电池也可能产生内部热量。在加热过程中，靠近加热器的细胞可能比远离加热器的细胞升温得更快。

相关测量位置可能包括：

• 最冷的预期细胞群。

• 最温暖的预期细胞群。

• 模块的中心。

• 围墙。

• BMS 或电力电子设备。

• 充电连接器。

• 加热器表面。

放置在温暖的 BMS 板附近的单个传感器可以允许在最冷的电池达到批准的温度之前进行充电。

太多的传感器也不能自动解决问题。 BMS 必须定义如何解释它们：

• 充电是从最低温度开始吗？

• 放电电流取决于最低温度或平均温度吗？

• 传感器之间的什么差异被认为是异常的？

• 如果传感器开路或短路会发生什么？

• 不合理的温度是否被视为故障？

• 哪个温度传输到机器控制器？

这些决定属于接口规范。

当集成加热器有意义时

当应用需要在电池系统允许的温度以下充电或高功率运行时，低温锂电池可以使用集成加热器。

加热器不仅仅是放置在外壳内的附件。它成为电池能源、控制和安全架构的一部分。

图 1. 低温电池设计可以结合绝缘材料、多个温度传感器和受控加热。必须验证精确的布置以确保温度均匀性。

加热器设计必须回答的问题

• 加热器的动力是什么？

• 在电池充电开始之前，它可以通过充电器运行吗？

• 它可以使用电池能量吗？

• 哪些 SOC 储备可用于加热保护？

• 哪些传感器控制加热器的运行？

• 允许的启动温度是多少？

• 加热结束温度是多少？

• 不同细胞位置升温的速度有多快？

• 如果加热器继电器或 MOSFET 保持开启状态，会发生什么情况？

• 如果温度传感器出现故障会怎样？

• 在所有需要的位置都变热之前，充电是否会被锁定？

• 设备可以在加热时运行吗？

• 加热器状态可以通过 CAN 或 RS485 获取吗？

加热器可以提高冷启动或冷充电能力，但也会消耗能量。

将加热器能量纳入运行时计算中

标称电池能量不等于机器可用的能量。

简化的冷室计算为：

设备可用能量 = 温度调节电池能量 − 加热器能量 − 转换损耗 − 保护储备

如果加热器在充电前或待机期间用电，则该需求必须包含在占空比中。

例如，电池可能会在每个班次中消耗部分电量：

1. 充电前预热。

2. 休息时保持温度。

3. 冷浸后重新加热。

4. 为设备供电。

5. 保留警报和安全关闭的储备。

设计团队应该对整个运行日进行建模，而不仅仅是电机转动的时间。

避免指定通用的“冷容量减少”百分比。结果取决于电池类型、温度、电流、SOC、热设计和截止电压。请求建议的电池和电池组的实际曲线或测试数据。

隔热有帮助，但不会产生热量

隔热会减慢热传递。它不会使冷电池自行升温。

这在两种情况下很重要。

首先，隔热可以帮助温暖的电池在进入冰箱后保持有用的温度。这可能会提高短冷室工作周期内的性能。

其次，经过足够长的冷浸泡后，整个电池会接近周围的温度。绝缘只会改变这种情况发生的速度。

因此，规范应定义：

• 初始电池温度。

• 冷室空气温度。

• 电池周围的空气速度。

• 在寒冷的房间里度过的时间。

• 该期间的设备负载。

• 休息时间。

• 充电地点。

• 有时间进行热身。

• 重复进入和退出循环。

在 30 分钟使用期间表现良好的电池在浸泡 8 小时后可能会表现得非常不同。

离开冰箱后经常出现冷凝现象

冷藏室本身可能有干燥的空气。当冷电池进入更温暖、更潮湿的区域时，可能会发生更危险的潮湿事件。

如果电池表面保持在周围空气的露点以下，则水会凝结在外壳、连接器和电缆表面上。

维萨拉的解释露点和冷凝描述当表面将附近空气冷却至饱和时水分如何形成。

这种转变可能会影响：

• 连接器触点。

• 充电接口。

• BMS 通信引脚。

• 压力通风口。

• 外壳接缝。

• 紧固件。

• 标签。

• 电缆接头。

• 外部温度传感器。

• 服务开放。

连接器在完全插接时可能是可以接受的，但在充电时断开连接时保护很差。

为什么 IP 等级不是全部答案

入口防护测试和冷凝测试解决不同的问题。

外壳可以抵抗从外部喷出的水，但仍然会经历由温度循环、滞留的潮湿空气或压力变化引起的湿气。相反，专为冷凝管理而设计的外壳仍然需要适当的进入策略，以防止清洁、结冰和意外接触水。

目前的IEC 60068-2-30:2025描述了通常在样品上产生冷凝的循环温度和湿度测试。这为项目需要评估湿热循环时提供了有用的参考，但必须根据实际产品和市场选择适用的测试方案。

可能的设计措施包括：

• 打开连接器之前控制适应。

• 连接器帽。

• 密封或受保护的充电触点。

• 适当的垫圈和电缆密封套材料。

• 必要时提供防潮 PCB 保护。

• 不影响外壳要求的排水路径。

• 根据环境选择压力平衡组件。

• 关键应用中的湿度或冷凝检测。

• 存在湿气时防止充电的程序。

“防水电池”过于宽泛，不足以成为工程要求。

密封件、塑料和电缆在寒冷中也会发生变化

电池受到最多关注，但电池系统的其余部分必须在相同的环境中生存。

低温会影响：

• 垫片压缩。

• 电缆灵活性。

• 连接器锁存行为。

• 塑料抗冲击性。

• 粘合性能。

• 显示可读性。

• 开关和接触器操作。

• 润滑剂。

• 压力均衡。

• 灌封和封装材料。

• 热膨胀差异。

在室温组装过程中容易弯曲的电缆在冰箱中可能会变硬。重复移动可能会将应力转移到连接器或电缆密封套上。

对于可拆卸电池，在组件处于冷状态并且操作员戴着手套时测试插入、拆卸和锁定。技术上兼容但难以处理的连接器可能会成为现场可靠性问题。

充电器可能在冷室外面，但电池仍然是冷的

将电池移入温暖的充电室不会立即使电池变暖。

外壳表面首先改变温度。内部电池质量可能会更长时间地保持低于充电阈值。

安全的充电顺序可能如下所示：

1. 充电器检测电池。

2. 电池温度数据经过验证。

3. 正常充电仍然被禁用。

4. 外部电源可驱动加热器（如果安装）。

5. BMS 监控最低和最高电池温度。

6. 只有满足所需条件后才开始充电。

7. 充电电流最初可能受到限制。

8. 系统持续监测温度分布。

9. 仅在批准的区域内才可以正常充电。

充电器和 BMS 必须同意此行为。

否则，充电器可能会重复启动和停止、显示一般故障或在电池保持低温时根据其自身的环境温度传感器开始充电。

指定完整的控制状态机

对于冷存储锂电池，记录每个相关状态下允许的操作。

电池状况	释放	收费	加热器	所需设备响应
常温	按正常限度	按正常限度	离开	正常运行
寒冷但允许排放	可能降额	受限或禁用	根据需要	如果需要限制峰值功率
太冷，无法出院	残疾人或受到严格限制	残疾人	可能会被允许	安全关机或预热
变暖	项目定义	通常在准备好之前会被锁定	在	显示升温状态
温度传感器故障	受限或禁用	残疾人	安全默认	报告故障
传感器差异过大	受限制的	残疾人	项目定义	服务警告
凝结/驯化状态	项目定义	残疾人	受控	防止连接器访问
加热器故障	降额或禁用	如果需要加温则禁用	过错	报告服务状况

准确的温度值和电流限制必须来自经过验证的电池设计。该表定义了需要存在的逻辑，而不是通用阈值。

冷储存电池验证计划

电池应作为设备的一部分进行测试，而不仅仅是作为独立的电池组。

目前的IEC 60068-2-1:2025 冷测试标准涉及设备或部件在低温下使用、运输或储存的能力。它区分通电和非通电样本以及包装和未包装条件。

对于 OEM 项目，环境计划应与实际运营周期联系起来。

图 2. 验证应结合冷浸、代表性负载、温度测量、充电逻辑和受控冷热转换。

第一阶段：建立室温基线

冷测试前，记录：

• 可用容量。

• 负载下的电压。

• 峰值电流响应。

• 电池电压差。

• 温度分布。

• 充电器行为。

• 电池管理系统数据。

• 设备运行时间。

如果没有基线，就很难区分低温效应和现有的设计问题。

第 2 阶段：冷浸泡整个电池

留出足够的时间让内部温度稳定。

记录多个地点的温度。不要因为外壳表面感觉冷而认为电池核心已达到腔室温度。

第 3 阶段：应用实际负载配置文件

尽可能使用实际设备。否则，使用可编程负载再现：

• 启动电流。

• 平均电流。

• 峰值电流。

• 峰值持续时间。

• 空闲期。

• 反复加速。

• 轮班结束 SOC。

• 再生电流（如果适用）。

在整个测试过程中监控电池组电压和最小电池组电压。

第 4 阶段：测试冷充电和预热逻辑

验证：

• 在批准的条件之外，充电仍处于禁用状态。

• 加热器仅在允许时启动。

• 充电器电源和电池电源得到正确管理。

• 电池温度上升得足够均匀。

• 在预期条件下开始充电。

• BMS 报告正确的状态。

• 传感器故障会产生安全响应。

• 加热器故障不会导致加热失控。

阶段 5：运行重复进入和退出循环

在定义的寒冷和温暖环境之间移动系统。

观察：

• 表面水分。

• 连接器状况。

• 适用时的绝缘电阻。

• 通讯稳定。

• 密封性能。

• 腐蚀风险。

• 充电锁定。

• 干燥或适应时间。

一次转变不足以代表几个月的冷室服务。

第六阶段：测试老化和最坏情况

充满电的新电池通常是最简单的情况。

还要考虑：

• 低SOC。

• 老年代表包。

• 最大允许负载。

• 最长的冷浸泡。

• 最低工作温度。

• 重复峰值电流。

• 最大电缆长度。

• 最短预热时间。

• 传感器容差。

• 加热器功率变化。

验收限制应在测试开始之前写下。

常见规格错误

仅使用最低环境温度

环境温度并不定义电池温度、预热时间、风速或占空比。

将存储和充电温度视为相同

电池组可以在不允许充电的温度下存放。

假设加热器可以解决所有低温问题

加热器需要电源、传感器、控制逻辑、一致性和故障保护。它还可以减少设备运行时间。

忽略从冷到暖的运动

电池可以通过干冷测试，但在冷凝过程中仍然会遇到连接器问题。

仅在充满电时进行测试

高 SOC 时电压裕度最大。故障经常出现在轮班即将结束时。

依靠单个温度传感器

一个温暖的传感器可以隐藏电池模块的较冷部分。

在定义充电位置之前选择电池

在冷冻室、气闸室或温暖的服务室内充电会产生三种不同的系统要求。

冷藏电池询价中应包含哪些内容

向电池供应商提供：

1. 设备类型和操作功能。

2. 标称和允许的电压范围。

3. 平均电流、连续电流和峰值电流。

4. 峰值电流持续时间和重复次数。

5. 所需的运行时间。

6. 冷室最低空气温度。

7. 最高温度。

8. 冷浸泡时间。

9. 电池周围的空气速度。

10. 储存温度范围。

11. 充电地点。

12. 充电前所需的电池温度。

13. 有时间进行热身。

14. 可用充电器电源加热。

15. 电池能量是否可以操作加热器。

16. 湿度和冷凝条件。

17. 冷到暖转变的频率。

18. 所需的外壳保护。

19. 连接器插接和拔出程序。

20. 电缆灵活性和运动要求。

21. BMS通讯接口。

22. 所需的温度和加热器数据。

23. 故障和恢复行为。

24. 环境测试标准或客户测试方法。

25. 目标市场和适用的合规要求。

如果最终温度限制未知，请提供设备路线和操作时间表。时间线通常会暴露单个最低温度数字未满足的要求。

Dailymag 能源和低温应用

Dailymag Energy 的公共网站标识低温冷库是使用其定制锂离子电池解决方案的行业之一。

该声明证实了已发布的应用方向。它并未为每种 Dailymag 产品建立通用温度范围。

当前的公开信息没有为以下方面提供一个共同的价值：

• 最低充电温度。

• 最低排气温度。

• 寒冷时的容量保持。

• 加热器功率。

• 热身时间。

• IP等级。

• 抗凝结。

因此，应针对选定的单元、外壳和项目确认这些参数。

买家可以查看可用的Dailymag能源电池产品，但在其环境适用性经过技术审查之前，标准产品不应分配给冷冻机应用。

常见问题解答

锂电池可以在0°C以下工作吗？

一些锂电池系统可以在 0°C 以下放电，但可用容量、电压和电流能力可能会降低。允许的限制取决于所选的电池和成品包装验证。

同一个电池可以在0℃以下充电吗？

不要这样认为。充电限制可能比放电限制更具限制性。遵循电池和电池组规格并使用协调的 BMS 和充电器控制。

电池加热器可以立即充电吗？

未必。仅在满足所需的电池温度条件后才应开始充电。外壳表面可能会在最冷的电池之前变热。

取暖器应该使用充电器电源还是电池电源？

任何一种安排都是可能的。充电器电源避免消耗存储的能量，而电池供电的加热可以支持自动预热。该选择会影响 SOC 储备、接线和故障行为。

为什么运行时间会落在冰箱里？

低温会增加内阻并降低可用容量。加热器消耗和设备电压切断可能会进一步减少有效运行时间。

为什么回到温暖的房间后电池会恢复？

随着温度升高，内阻可能会降低，电压性能可能会提高。这种恢复并不能证明电池满足冷室负载要求。

IP 等级可以防止冷凝吗？

不是靠它自己。表面温度、湿度、滞留空气和温度循环可能导致冷凝。它需要单独的评估。

温度传感器应该安装在哪里？

将传感器放置在可以代表电池模块和其他关键组件的最冷和最热相关部分的位置。最终位置应通过热测试来验证。

电池应该冷浸泡多长时间？

足够长的时间，使定义的内部测量点达到所需的稳定条件。持续时间取决于电池质量、绝缘、室气流和测试方法。

室温容量数据可以用于冷藏室电池组吗？

它可以作为基准，但不能取代实际负载曲线下的低温测试。

将冷冻室门视为电池规格的一部分

电池不会经历一种固定的环境。

它在温暖的情况下进入冷冻室，在冷却时运行，在休息时保持寒冷，通过气闸室离开，遇到潮湿的空气，并且可以在电池变暖之前连接到充电器。

每次转变都会改变电气和湿度条件。

因此，一个可靠的冷存储锂电池项目应该定义：

• 电池温度而不是单独的环境温度。

• 单独的充电和放电限制。

• 完全冷浸后的峰值功率行为。

• 加热功率和控制逻辑。

• 从冷到暖的冷凝管理。

• 连接器和电缆的行为。

• 故障响应。

• 整机环境测试。

Dailymag Energy为工业设备提供定制锂离子电池组匹配，包括其网站上标识为低温冷存储的应用。

要开始特定于项目的审查，请准备冷室温度、负载波形、充电位置、预热时间、湿度条件和完整的操作计划。

联系 Dailymag Energy 工程和销售团队讨论冷藏电池规格。