多角度解決新能源汽車動(dòng)力電池低溫劣化問題的技術(shù)手段

崔巖　馬宏珺　田遠(yuǎn)　郭耀斌

摘 要：電池低溫性能劣化是制約新能源汽車的發(fā)展的主要原因之一，電池需要保持在合適的工作溫度下以維持良好的充放電性能。因此低溫對(duì)電池的安全性和性能有著重要的影響。該文通過對(duì)國外企業(yè)的專利進(jìn)行分析，總結(jié)出了解決電池低溫劣化的多種技術(shù)手段，為企業(yè)解決該問題提供啟示和方向。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池 新能源 低溫 劣化

中圖分類號(hào)：U469.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（c）-0049-02

電池，特別是鋰離子電池經(jīng)過低溫循環(huán)后，內(nèi)阻增大、容量下降。安全測(cè)試結(jié)果表明，低溫循環(huán)后電池的安全性能明顯降低，與室溫循環(huán)電池相比，表現(xiàn)為熱箱和內(nèi)部短路測(cè)試全部噴爆，并且熱箱測(cè)試失效提前。分析表明，這是低溫下鋰離子在碳材料和SEI膜中的擴(kuò)散阻力增大所致的表面析鋰導(dǎo)致的。根據(jù)電池失效機(jī)理分析，低溫下負(fù)極表明鋰枝晶的沉積嚴(yán)重降低了整個(gè)鋰離子電池的安全性[1]。并且新能源汽車的使用環(huán)境決定了新能源汽車電池必須能夠在高寒地區(qū)以及冬季使用，在低溫情況下，比如小于0 ℃，電池充放電能力就會(huì)降低，在極低溫的情況下，比如低于-20 ℃，電池基本不能放電或放電深度較淺，如果低溫環(huán)境電池冷啟動(dòng)效率低，電池放電深度與新能源汽車動(dòng)力性能不匹配，進(jìn)而會(huì)制約新能源汽車的發(fā)展，因此電池需要保持在合適的工作溫度下以維持良好的充放電性能。因此低溫對(duì)電池的安全性和性能有著重要的影響。

每一個(gè)技術(shù)問題都會(huì)存在不同的解決手段，通過對(duì)解決同一技術(shù)問題的不同的技術(shù)手段的分析，可以使企業(yè)以一種更寬闊的視角去探索解決技術(shù)問題的更好的途徑，為企業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展提供啟示和方向。

對(duì)于上述技術(shù)問題，研究人員為了防止電池低溫劣化這一技術(shù)問題進(jìn)行了一系列的研究，并且形成了多種技術(shù)手段。由于在電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域，核心技術(shù)大部分都掌握在專利申請(qǐng)量靠前的各大跨國公司的手中，因此以全球排名為前17名的公司豐田、日產(chǎn)、三洋、本田、松下、LG、三星、博世、現(xiàn)代、日立、戴姆勒、通用、電裝、比亞迪、雪鐵龍、三菱、雷諾為研究對(duì)象，目前上述17家公司對(duì)于防止電池低溫劣化方面的專利數(shù)量為136項(xiàng)，而通過對(duì)上述專利進(jìn)行技術(shù)功效的分析過程中發(fā)現(xiàn)，為了防止電池低溫劣化，一般可以從加熱結(jié)構(gòu)、充放電和加熱控制這3個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，這3個(gè)方面的專利申請(qǐng)數(shù)量分別為93項(xiàng)、22項(xiàng)、21項(xiàng)。從這3個(gè)方面的專利申請(qǐng)數(shù)量上可以看出，從加熱結(jié)構(gòu)上進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)是該領(lǐng)域中解決防止電池低溫劣化這一技術(shù)問題的主要方式，根據(jù)解決手段的不同特點(diǎn)，上述3個(gè)方面中所包含的專利文獻(xiàn)都可以進(jìn)行更加準(zhǔn)確具體的分類，如圖1所示，該圖展示了防止電池低溫劣化的技術(shù)手段的構(gòu)成情況。其中，在加熱結(jié)構(gòu)方面，包括直接電熱、空氣加熱、液體加熱、相變材料等方面的設(shè)計(jì)手段，而直接電熱包括PTC熱敏電阻和其他電熱件兩種技術(shù)手段，空氣加熱則包括采用空調(diào)熱源、采用發(fā)動(dòng)機(jī)熱源、電熱3種技術(shù)手段，液體加熱包括采用空調(diào)熱源、采用發(fā)動(dòng)機(jī)熱源、采用電熱等。在充放電來加熱電池方面，通過充放電電路和電流波形兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。在加熱控制方面，主要通過僅控制溫度信號(hào)、控制溫度和電量信號(hào)、控制溫度和電壓信號(hào)等方面進(jìn)行控制來完成電池加熱升溫。下面通過具體案例對(duì)上述不同類型的技術(shù)手段進(jìn)行詳細(xì)的分析。

1 加熱結(jié)構(gòu)

為了防止電池低溫劣化，對(duì)電池進(jìn)行加熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一種比較傳統(tǒng)而且效果明顯的解決方式，其中主要涉及采用直接電熱手段（43項(xiàng)）、空氣加熱手段（31項(xiàng)）、液體加熱手段（15項(xiàng)）、相變材料加熱手段（4項(xiàng)），參見圖1。

（1）直接電熱手段。

對(duì)電池進(jìn)行直接電熱的方式加熱，是對(duì)電池進(jìn)行升溫比較直接的技術(shù)手段，其主要包括PTC加熱手段（15項(xiàng)）以及其他電熱體（28項(xiàng)）該領(lǐng)域中大部分采用PTC熱敏電阻和其他電熱方式比如電熱絲來進(jìn)行直接加熱以防止電池低溫劣化。比如文獻(xiàn)JP2012209248A中公開了一種車載用蓄電池，其具有PTC加熱器組件。采用直接電熱的方式不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且升溫迅速，效果明顯，這也是采用該技術(shù)手段的專利申請(qǐng)比較多的主要原因。

（2）空氣加熱手段。

空氣加熱是采用空氣作為傳熱介質(zhì)以對(duì)電池進(jìn)行加熱以防止低溫劣化的手段，根據(jù)熱源的不同，主要包括電熱方式（15項(xiàng)）、空調(diào)熱源（13項(xiàng)）、以發(fā)動(dòng)機(jī)熱源（3項(xiàng)）來加熱電池以防止低溫劣化。比如文獻(xiàn)US2006210868A1公開了一種二次電池模塊，其中設(shè)置風(fēng)扇以將電加熱器加熱的空氣流過電池對(duì)電池進(jìn)行加熱升溫，防止電池低溫劣化。比如文獻(xiàn)WO2010017900A1，其通過空調(diào)裝置產(chǎn)生的熱空氣加熱電池以防止電池低溫劣化。比如文獻(xiàn)US2010175938A1公開了發(fā)動(dòng)機(jī)熱量加熱電池的方式，將來自于所述發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣的熱能輸送給電池進(jìn)行加熱以防止低溫劣化。

采用空氣作為傳熱介質(zhì)對(duì)電池進(jìn)行加熱以防止低溫劣化的手段屬于間接加熱的方式，需要借助了其他的熱源對(duì)空氣進(jìn)行加熱，需要考慮與其他系統(tǒng)的結(jié)合。

（3）液體加熱手段。

液體加熱手段是采用液體作為傳熱介質(zhì)以對(duì)電池進(jìn)行加熱以防止低溫劣化的手段，主要包括電熱方式（5項(xiàng)）、發(fā)動(dòng)機(jī)熱源（4項(xiàng)）、空調(diào)熱源（2項(xiàng)）等來加熱電池以防止低溫劣化。比如文獻(xiàn)EP2371026A1，其通過發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量加熱液體以使電池升溫防止電池低溫劣化。比如文獻(xiàn)US2013122331其設(shè)置加熱元件，加熱介電流體，以加熱電池組件防止低溫劣化。比如文獻(xiàn)US2010012295A1，其通過空調(diào)系統(tǒng)的冷卻劑加熱器加熱冷卻劑，使加熱的冷卻劑引導(dǎo)入電池系統(tǒng)中以對(duì)電池進(jìn)行加熱防止低溫劣化。

采用液體作為傳熱介質(zhì)對(duì)電池進(jìn)行加熱以防止低溫劣化的手段屬于間接加熱的方式，需要借助其他的熱源對(duì)液體進(jìn)行加熱，需要考慮與其他系統(tǒng)的結(jié)合。

（4）相變材料加熱手段。

相變材料來使電池加熱手段，是利用相變材料在特定溫度下發(fā)生相變以釋放熱量來使電池升溫以防止低溫劣化的手段。比如文獻(xiàn)DE102011002549A1，其通過相變材料發(fā)出的結(jié)晶熱對(duì)電池進(jìn)行加熱防止低溫劣化。

采用相變材料的結(jié)晶熱來加熱電池以防止低溫劣化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是系統(tǒng)成本較高。

2 充放電加熱手段

充放電加熱手段是指當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電或放電操作時(shí)，使電池有電流流過，由于電池具有內(nèi)阻，因此當(dāng)有因此當(dāng)有電流流過時(shí)電池會(huì)產(chǎn)生熱量，以此來給電池預(yù)熱，使電池溫度升高，防止電池低溫劣化。比如文獻(xiàn)EP2518817A2，其將充電和放電脈沖電流供應(yīng)到電池模塊，以使電池升溫，防止低溫劣化。比如文獻(xiàn)CN102473976A，其通過預(yù)定頻率的波紋電流對(duì)電池進(jìn)行充放電，以使電池產(chǎn)生熱量，防止低溫劣化。

通過充放電加熱電池的手段是比較直接的方式，并不需要設(shè)置其他的加熱構(gòu)件，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，并且節(jié)省了成本。

3 加熱控制

為了更加精確地控制電池的升溫，以防止低溫劣化，通常需要精確地控制加熱升溫的過程，對(duì)加熱升溫過程的控制通常可以通過僅控制電池的溫度信號(hào)（11項(xiàng)）或控制電池的溫度和電量信號(hào)（3項(xiàng)）或者控制電池的溫度和電壓信號(hào)（4項(xiàng)）等方式。

（1）僅控制溫度信號(hào)。

通過溫度信號(hào)來控制電池的加熱過程，以使電池維持在合適的溫度，可以有效地防止電池低溫劣化。比如文獻(xiàn)CN102738535，其通過溫度信號(hào)控制加熱過程中的電池溫度均勻分布以達(dá)到合適的溫度防止低溫劣化。

（2）控制溫度信號(hào)和電壓信號(hào)。

通過溫度信號(hào)和電壓信號(hào)來控制電池的加熱過程，以使電池維持在合適的溫度，可以有效地防止電池低溫劣化。比如文獻(xiàn)US2007210769A1其通過電池溫度信號(hào)和電壓變化信號(hào)來控制電池的升溫過程，以使電池維持在合適的溫度防止低溫劣化。

（3）控制溫度信號(hào)和電量信號(hào)。

通過溫度信號(hào)和電量信號(hào)來控制電池的加熱過程，以使電池維持在合適的溫度，可以有效地防止電池低溫劣化。比如文獻(xiàn)CN102473982A，其通過控制控制溫度信號(hào)和電量信號(hào)，使加熱控制部發(fā)出對(duì)鋰離子電池中的至少一個(gè)進(jìn)行加熱以達(dá)到規(guī)定的目標(biāo)溫度的指令，以使電池維持在合適的溫度防止低溫劣化。

智能的加熱控制手段能夠?qū)﹄姵氐募訜釡囟冗M(jìn)行精確的控制，是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)今后的整體發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李賀，陳志奎，曹際娜，等.低溫對(duì)鋰離子電池安全性的影響”[C]//第29屆全國化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2011.

[2] 張劍波，盧蘭光，李哲.車用動(dòng)力電池系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與學(xué)科前沿[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2010（2）：87-104.