一種用于提高電動汽車冬季續(xù)航能力的遠(yuǎn)程控制加熱裝置

楊雨欣

華北電力大學(xué) 北京市 102206

1 研制背景及意義

隨著能源消耗的增加，環(huán)境污染的嚴(yán)重，電動汽車越來越受到重視，然而，在冬季使用時，出現(xiàn)續(xù)航里程顯著減少的現(xiàn)象。冬季環(huán)境溫度降低，鋰電池正負(fù)極材料中活性物質(zhì)減少，電解液黏度降低，放電容量減少。以當(dāng)前鋰電池中最常見的化合物磷酸鐵鋰為例，在零下20度時，放電容量減少近50%。因此，需要提前對電池加熱，恢復(fù)續(xù)航能力。

當(dāng)前，常見的加熱元件有可變電阻加熱元件（即PTC）和恒定電阻加熱元件，PTC體積較大，增大電動汽車原有體積。因此，采用PI膜作加熱元件。PI膜由聚酰亞胺膜型電加熱器和導(dǎo)線焊接而成，以聚酰亞胺膜為電絕緣材料，銅鎳箔或銅鎳絲為電熱材料，[1]厚度僅為0.2mm，極大地縮減了體積。[2]

電動汽車冬季利用空調(diào)制熱，電量需求大，也造成里程數(shù)減少。為綜合解決上述問題，在電動汽車連接充電樁時，遠(yuǎn)程控制開啟電池、空調(diào)加熱系統(tǒng)，有效增大斷電后續(xù)航里程，增大電動汽車對溫度的容忍度，有助于電動汽車更深入地替代傳統(tǒng)能源汽車。

2 設(shè)計方案

2.1 整體設(shè)計

整個裝置主要分為控制系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)。其中控制系統(tǒng)由GSM模塊、STM32單片機(jī)、繼電器、DS18B20溫度傳感器組成；加熱系統(tǒng)分為電池加熱系統(tǒng)和車內(nèi)空調(diào)加熱系統(tǒng)，電池的加熱電路包括變壓器、聚酰亞胺加熱薄膜、LED燈帶部分，車內(nèi)空調(diào)的加熱電路用風(fēng)扇與變壓器模擬。

在電池加熱系統(tǒng)中，用戶向GSM模塊預(yù)裝號碼發(fā)送短信“START”，遠(yuǎn)程開啟預(yù)熱加熱模式，同時回復(fù)短信“ALREADY BEGUN”，告知用戶已開始工作。當(dāng)溫度達(dá)到0℃時，單片機(jī)控制繼電器，自動切換加熱檔位至驅(qū)動加熱模式。當(dāng)溫度達(dá)到25℃時，自動關(guān)閉加熱系統(tǒng)，并回復(fù)短信“FINISH”，告知加熱進(jìn)程結(jié)束。當(dāng)溫度降低到20℃時，系統(tǒng)自動開啟保溫模式，重新為電池保溫加熱。在加熱過程中，可實時發(fā)送短信“TELL”，問詢加熱情況，系統(tǒng)獲取溫度信息后，自動回復(fù)對應(yīng)的溫度范圍，反饋機(jī)制的設(shè)置，方便動態(tài)監(jiān)控加熱情況，洞察系統(tǒng)工作情況。在車內(nèi)空調(diào)加熱系統(tǒng)中，原理與電池加熱系統(tǒng)相似，用戶向GSM模塊預(yù)裝號碼發(fā)送短信“AC”（air conditioner縮寫），空調(diào)加熱系統(tǒng)開啟，系統(tǒng)利用充電樁使空調(diào)制熱，提高車內(nèi)溫度，達(dá)到人體舒適溫度23℃后，回復(fù)短信“ALREADY”，告知用戶可以上車。

為更加直觀地觀察到電池加熱系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉，在模型外部加裝LED燈帶，當(dāng)以預(yù)熱加熱模式工作時，可觀察到黃燈亮；當(dāng)以驅(qū)動模式加熱時，紅燈亮；空調(diào)加熱開啟時，綠燈亮。

2.2 控制系統(tǒng)

本設(shè)計的控制系統(tǒng)主要由GSM模塊、STM32單片機(jī)、DS18B20溫度傳感器、三路繼電器構(gòu)成。技術(shù)路線如圖1所示。

電池加熱控制系統(tǒng)工作原理為：開機(jī)后首先進(jìn)行初始化，單片機(jī)PA8和PD2輸出低電平。GSM模塊與單片機(jī)之間通過AT指令進(jìn)行通信，單片機(jī)通過串口2持續(xù)向GSM模塊發(fā)送AT指令：AT+CMGR=＜短信條數(shù)＞，當(dāng)讀取到的短信內(nèi)容為“START”時，單片機(jī)控制IO口PD2輸出高電平，觸發(fā)繼電器，開啟預(yù)熱加熱系統(tǒng)。DS18B20溫度傳感器自啟動后持續(xù)讀取電池溫度，當(dāng)讀取到的溫度等于0℃時，單片機(jī)PD2口輸出低電平，PA8口輸出高電平，將加熱系統(tǒng)切換到驅(qū)動加熱。當(dāng)溫度等于25℃時，單片機(jī)PA8輸出低電平，加熱結(jié)束。當(dāng)溫度下降到20℃時，單片機(jī)PD2輸出高電平，開啟保溫系統(tǒng)，為電池保溫。

空調(diào)加熱系統(tǒng)工作原理為：開機(jī)后與加熱控制系統(tǒng)同時初始化，單片機(jī)PC1輸出低電平。當(dāng)讀取到的短信內(nèi)容“AC”時，PC1輸出高電平，觸發(fā)連接風(fēng)扇的繼電器，當(dāng)溫度傳感器讀取到溫度為23℃時，空調(diào)加熱系統(tǒng)停止工作。

GSM模塊選擇SIMCOM（希姆通）公司的S I M 8 0 0 C模塊，工作溫度范圍為-40℃～+85℃，工作電壓為12V，通信接口兼容3.3V/5V單片機(jī)，支持中國移動/中國聯(lián)通micro SIM卡，能夠低功耗地實現(xiàn)語音、SMS（短信）、MMS（彩信）、藍(lán)牙數(shù)據(jù)信息的傳輸，[3]充分滿足工作要求。選擇ALIENTEK MiniSTM32 開發(fā)板，集成度高，功能強(qiáng)大，配有DS18B20溫度傳感器接口，連接方便。選取DALLAS半導(dǎo)體公司推出的DS18B20溫度傳感器，現(xiàn)場溫度以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，測量溫度范圍為-55～+125℃，精度為±0.5℃，較為精確。[4]控制部分電路連接原理圖分別如圖2所示。

圖1 遠(yuǎn)程加熱控制裝置的技術(shù)路線圖

圖2 加熱系統(tǒng)控制部分接線示意圖

2.3 加熱系統(tǒng)

電池加熱系統(tǒng)分為預(yù)熱加熱與驅(qū)動加熱兩種模式。由變壓器，聚酰亞胺電加熱薄膜，LED燈帶構(gòu)成，變壓器將220V交流電分別轉(zhuǎn)換成12V和24V直流電，給加熱膜和燈帶供電。當(dāng)啟動預(yù)熱加熱時，變壓器輸出12V直流電，黃燈亮，加熱膜開始加熱，加熱功率為30W；啟動驅(qū)動加熱時，變壓器輸出24V直流電，黃燈滅，紅燈亮，加熱功率為70W。

本裝置選用長方體磷酸鐵鋰電池進(jìn)行實驗，利用加熱膜對電池側(cè)面進(jìn)行加熱，對電池加熱，觀察溫度變化情況。加熱膜與電池最大的兩個側(cè)面充分貼合，熱量通過加熱膜直接傳遞，實現(xiàn)對電池的加熱。

車內(nèi)空調(diào)加熱系統(tǒng)由變壓器和風(fēng)扇模擬，通過風(fēng)扇模擬空調(diào)工作。

2.4 反饋系統(tǒng)

當(dāng)收到短信“START”開啟電池預(yù)熱加熱模式后，單片機(jī)通過串口2向GSM模塊發(fā)送AT指令：AT+CMGS=＜”電話號碼”＞，GSM模塊返回＞后，單片機(jī)繼續(xù)向GSM模塊發(fā)送短信內(nèi)容ALREADY BEGUN，最后發(fā)送0X1A，反饋加熱系統(tǒng)已成功開啟。當(dāng)電池加熱進(jìn)程結(jié)束后，單片機(jī)通過AT指令發(fā)送短信內(nèi)容“FINISH”至GSM模塊，反饋加熱結(jié)束。當(dāng)空調(diào)加熱系統(tǒng)結(jié)束工作后，系統(tǒng)發(fā)送短信內(nèi)容“ALREADY”至用戶，告知用戶車內(nèi)已達(dá)到人體舒適溫度，可以準(zhǔn)備上車。在運(yùn)行過程中，用戶可隨時發(fā)送“TELL”至預(yù)裝號碼，單片機(jī)讀取溫度后，以短信形式反饋相應(yīng)的溫度范圍。單片機(jī)通過串口向GSM模塊發(fā)送AT指令，讀取、發(fā)送短信，并與溫度傳感器配合，實現(xiàn)工作情況的反饋。

3 效果與應(yīng)用前景分析

在用加熱膜對磷酸鐵鋰電池加熱后，電池活性得到明顯改善，溫度越低，提升效果越明顯。加熱電池對充電性能有改善作用，溫度低于-20℃，鋰電池充電可用容量比為0，溫度上升到10℃，可用容量比升高至90.11%。

同時，低溫充電存在電池爆炸的安全隱患，對電池加熱，不僅節(jié)省了電能，提高了充放電性能，增加了續(xù)航里程，而且提高了電動汽車冬季使用安全系數(shù)。

現(xiàn)有的電動汽車加熱模式有很大一部分是電動汽車插入充電樁后一直進(jìn)行加熱，浪費(fèi)電能，且長時間加熱對電池的性能會產(chǎn)生較大損害。本項目的電動汽車電池/空調(diào)加熱遠(yuǎn)程控制裝置可以提高純電動汽車對于氣溫變化的容忍度，擴(kuò)大純電動汽車的溫度適用范圍，有助于純電動汽車更深入地替代傳統(tǒng)能源汽車，從而減少汽車尾氣排放對環(huán)境的污染。