新能源汽車(chē)低溫電池?zé)峁芾矸椒ㄑ芯?/h1>
2020-10-09 08:21:10肖軍
汽車(chē)文摘 2020年10期 關(guān)鍵詞：方法
肖軍
（威馬汽車(chē)科技集團(tuán)有限公司，成都610110）
主題詞：新能源汽車(chē) 低溫環(huán)境 電池加熱方法
1 前言
隨著新能源汽車(chē)的快速普及，使用地域也不斷拓寬至寒冷地區(qū)，甚至環(huán)境溫度可達(dá)-30 ℃，低溫環(huán)境對(duì)電池的充放電性能、容量衰減和使用壽命的影響不斷凸顯[1-2]，而電池作為“三大電”核心部件，直接影響著新能源汽車(chē)的使用性能，導(dǎo)致車(chē)輛用戶最直觀的表現(xiàn)為低溫車(chē)輛快充時(shí)間較慢，甚至無(wú)法充電[3]，冬季純電續(xù)駛里程衰減嚴(yán)重[4]，這些都極大地影響著新能源汽車(chē)用戶的滿意度和低溫地域的推廣進(jìn)度。因此，低溫環(huán)境下新能源汽車(chē)電池?zé)峁芾矸椒ǔ蔀檠娱L(zhǎng)電池使用壽命和提升車(chē)輛低溫使用性能的必要措施，系統(tǒng)性地研究和總結(jié)低溫電池加熱方法對(duì)后續(xù)低溫電池?zé)峁芾硌芯烤哂幸欢▍⒖家饬x。
2 低溫電池加熱方法
根據(jù)電池加熱過(guò)程中不同的熱源位置，電池加熱方法主要分成電池外部加熱方法和電池內(nèi)部加熱方法，如圖1所示。
圖1 電池加熱方法分類(lèi)
2.1 電池外部加熱方法
電池外部加熱方法主要包括基于空氣介質(zhì)的電池加熱、基于液體介質(zhì)的電池加熱、基于相變材料的電池加熱和基于熱電效應(yīng)的電池加熱，其主要加熱方法的優(yōu)劣勢(shì)比較、應(yīng)用情況等如表1 所示[5-11]。此4 大類(lèi)電池外部加熱方法的主要熱源來(lái)自于電池外部，通過(guò)外置熱源的方式對(duì)熱傳遞介質(zhì)進(jìn)行加熱，再通過(guò)熱輻射、熱對(duì)流或者熱傳導(dǎo)的綜合作用來(lái)達(dá)到有效加熱電池的目的。從表1中可以得知，基于空氣介質(zhì)的電池加熱方法技術(shù)比較成熟，但是隨著電池能量密度的提高和電池安全性的愈加重視，電池加熱與電池冷卻一體化集成設(shè)計(jì)成為各車(chē)企的主要設(shè)計(jì)思路，因此基于液體介質(zhì)的間接接觸式電池加熱方法正在成為汽車(chē)企業(yè)量產(chǎn)車(chē)型的主流應(yīng)用技術(shù)，其余外部電池加熱方法由于成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、或者安全風(fēng)險(xiǎn)等因素導(dǎo)致應(yīng)用較少或尚未進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，目前主要處于研究與實(shí)驗(yàn)階段。
2.1.1 基于空氣介質(zhì)的電池加熱方法
通過(guò)將已加熱的空氣流過(guò)按照設(shè)計(jì)的流道與電池單體或模組進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到加熱電池的目的。按照空氣流動(dòng)是否需要?jiǎng)恿υ捶譃楸粍?dòng)式和主動(dòng)式，依據(jù)電池包內(nèi)電池單體或模組排列形式分為串行式和并行式。
Mahamud等[12]提出了一種可以改變電池包空氣入口和出口方向的特殊空氣流道換向系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以按照設(shè)定的時(shí)間周期進(jìn)行切換電池包入口和出口，從而有效地提高電池包內(nèi)電池溫度的均勻性，經(jīng)過(guò)仿真分析驗(yàn)證表明，采用該空氣換向系統(tǒng)比固定入口的電池包內(nèi)部溫差明顯降低，可以顯著提高電池包內(nèi)部熱量分布一致性。于遠(yuǎn)彬等[5]設(shè)計(jì)了一種通過(guò)利用低溫環(huán)境發(fā)動(dòng)機(jī)余熱來(lái)加熱空氣介質(zhì)實(shí)現(xiàn)預(yù)熱電池包的電池加熱系統(tǒng)，仿真分析了不同電池包入口進(jìn)氣質(zhì)量流量下電池包溫差和電池包出口單體溫度的變化趨勢(shì)，并且得到滿足電池包溫差小于5 ℃的空氣入口質(zhì)量流量應(yīng)該大于3 g/s，并采用該整車(chē)電池預(yù)熱控制策略與不采用預(yù)熱策略進(jìn)行仿真分析結(jié)果表明，采用預(yù)熱策略的車(chē)輛油耗低于不預(yù)熱的油耗，隨著外溫的降低，預(yù)熱策略的節(jié)油率更高。夏順禮等[13]針對(duì)某純電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)了一種集成車(chē)架、乘員艙與車(chē)身底板一體化的以空氣為介質(zhì)的電池組熱管理系統(tǒng)，并制定了低溫環(huán)境工況以單體最低溫度為基本規(guī)則的電池組充放電加熱策略。搭載該電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的車(chē)輛進(jìn)行-10 ℃環(huán)境艙試驗(yàn)結(jié)果表明，低溫工況下可以正確實(shí)現(xiàn)加熱功能，車(chē)輛低溫充電預(yù)加熱試驗(yàn)工況的電池組最大電芯溫差為5 ℃，最大溫升率為15 ℃/h。王發(fā)成等[14]依據(jù)熱力學(xué)基本原理建立空氣電加熱絲熱量傳遞模型，并通過(guò)試驗(yàn)研究表明，電池組單體表面溫度從-15 ℃加熱至0 ℃用時(shí)約21 min，加熱速率約為0.71 ℃/min。黃堪豐等[15]搭建了基于渦流管效應(yīng)原理的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)臺(tái)架，通過(guò)空壓機(jī)壓縮空氣進(jìn)入渦旋發(fā)生器，將在渦旋發(fā)生器的兩端分別產(chǎn)生可以預(yù)熱電池的熱氣流和冷卻電池的冷氣流，試驗(yàn)結(jié)果表明，32 ℃室溫和0.7 MPa 壓力條件下渦流管熱氣流可以達(dá)到56.4 ℃。
2.1.2 基于液體介質(zhì)的電池加熱方法
基于空氣介質(zhì)的電池加熱方法應(yīng)用較早，技術(shù)成熟，但是空氣加熱目前已無(wú)法滿足新能源汽車(chē)高續(xù)航里程、短快充時(shí)間的要求，為此，主流車(chē)企基本傾向采用具有更高換熱效率、空間更緊湊的液體間接接觸式電池加熱方法，典型應(yīng)用包括Tesla Model S/Model 3、BMW i3、BYD EV系列等量產(chǎn)車(chē)型。
陳通等[16]通過(guò)CFD 軟件仿真模擬了基于水暖型高壓電加熱器的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，仿真分析表明電池加熱過(guò)程中電芯最高溫度達(dá)到30 ℃，上下極柱溫差為8.5 ℃，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證仿真模擬的精度可以滿足電池?zé)峁芾硪?。Fan 等[17]基于COMSOL 軟件建立集電池加熱與冷卻一體化設(shè)計(jì)的換熱板和電池包模型，并設(shè)定外溫-20 ℃條件下研究分析電池放電倍率、電池入口液體質(zhì)量流量和電池加熱入口水溫對(duì)電池加熱性能的影響。研究結(jié)果表明，電池放電倍率相較于外部加熱源而言對(duì)電池溫升速率的影響可以忽略不計(jì)，電池入口液體質(zhì)量流量達(dá)到0.065 kg/s之后，電池溫升速率再通過(guò)增大電池入口液體質(zhì)量流量的提升效果不明顯。電池入口水溫最佳目標(biāo)值為45 ℃。肖軍等[18]公開(kāi)了一種具有多種電池加熱模式的車(chē)用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，該系統(tǒng)主要由水暖型燃油加熱器、水暖型高壓電加熱器、電機(jī)電控總成、電子控制三通閥、電池包、雙芯體Chiller 和電子水泵等組成，多種電池加熱模式主要包括電加熱模式、油加熱模式、電機(jī)余熱回收模式以及兩種混合加熱模式，可以滿足新能源汽車(chē)極低溫環(huán)境行駛的需求，拓寬了新能源汽車(chē)使用地域,一定程度上緩解了電池加熱耗電量較高問(wèn)題。張春秋等[19]研究總結(jié)了集成電機(jī)電控、電池與乘客艙的液冷式熱管理系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)，并提出構(gòu)建充分利用電機(jī)電控等電子部件余熱的節(jié)能高效熱管理系統(tǒng)為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。而特斯拉汽車(chē)公司[20-21]則是電機(jī)電控等電子部件熱量利用的實(shí)踐者之一，其充分利用電機(jī)電控總成的散熱量或者壓縮機(jī)總成的發(fā)熱量通過(guò)多向換向閥與液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)高效集成之后來(lái)預(yù)熱電池，并于量產(chǎn)車(chē)型取得顯著節(jié)能效果，高度集成化亦降低了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)成本。
相比于液體間接接觸式電池加熱方法，直接接觸式電池加熱方法具有更高的加熱效率，更好的溫度一致性，其缺陷也很明顯，即需要直接接觸的液體具有高絕緣性能和高導(dǎo)熱性能。顏藝等[22]通過(guò)Fluent軟件研究分析了3種不同流道結(jié)構(gòu)對(duì)絕緣導(dǎo)熱硅膠油浸沒(méi)式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的加熱效果和冷卻性能的影響。結(jié)果表明，高低交錯(cuò)式“U”型流道比其他兩種流道結(jié)構(gòu)具有更好的加熱和冷卻綜合性能效果。采用高低交錯(cuò)式“U”型流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱仿真分析得到電池起始溫度為-30 ℃加熱至10 ℃之后，電池溫差為6 ℃，硅油溫差為12 ℃。羅玉濤等[7]設(shè)計(jì)了一種浸沒(méi)于變壓器油的電池組加熱裝置，試驗(yàn)結(jié)果表明，電池組從-30 ℃加熱至0 ℃需35 min，從-10 ℃加熱至0 ℃約12 min，電池的平均溫升速率約為0.85 ℃/min。
2.1.3 基于相變材料的電池加熱方法
基于流體介質(zhì)的傳統(tǒng)電池?zé)峁芾矸椒ň嬖谙到y(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，且未能充分利用電池自身熱能的缺點(diǎn)，而使用能夠吸收和釋放潛熱的相變材料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗能低等優(yōu)點(diǎn)，能為車(chē)輛電池包輕量化設(shè)計(jì)以及提升電池包系統(tǒng)質(zhì)量能量密度做出一定貢獻(xiàn)[23]。
Chen 等[24]研究分析了被動(dòng)型相變材料、增強(qiáng)型相變材料和基于相變材料混合式的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，其中一種典型增強(qiáng)型相變材料結(jié)構(gòu)如圖2 所示，并指出相變材料可以通過(guò)增加碳納米管、泡沫金屬、膨脹石墨等方法提高導(dǎo)熱系數(shù)，以及基于相變材料混合式的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以顯著改善低溫環(huán)境下電池的性能表現(xiàn)。Zhang 等[6,25]設(shè)計(jì)了一種車(chē)輛應(yīng)用的相變熱蓄能器，并通過(guò)搭建的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究蓄能器入口液體溫度、相變?nèi)埸c(diǎn)、蓄能器入口液體流量和多熔點(diǎn)相變材料組合方式對(duì)相變熱蓄能器換熱性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，一定條件下儲(chǔ)熱過(guò)程中蓄能器入口液體溫度越高或者相變材料熔點(diǎn)越低，則儲(chǔ)存潛熱的熱量越多和速率越快；放熱過(guò)程中，蓄能器入口液體溫度越低或者相變材料熔點(diǎn)越高，釋放潛熱的熱量越多和速率越快。隨著蓄能器入口液體流量的增加，儲(chǔ)存和釋放熱量的速率均在增大，但蓄能器入口液體流量增加到一定程度之后的影響會(huì)減弱。且多熔點(diǎn)相變材料組合體對(duì)多溫區(qū)位電機(jī)電控等部件的余熱利用有益。施尚等[26]試驗(yàn)研究基于泡沫銅/石蠟的復(fù)合相變材料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),試驗(yàn)結(jié)果表明具有93%泡沫銅孔隙率的復(fù)合相變材料是純石蠟導(dǎo)熱系數(shù)的25.4 倍。Lei 等[27]提出了一種集成相變材料、熱管與噴霧冷卻一體化設(shè)計(jì)的鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，環(huán)境溫度-10 ℃放電試驗(yàn)結(jié)果表明，浸置于低溫1 h 工況下，鋰電池采用新設(shè)計(jì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)比沒(méi)有采用的放電容量提升約33.9%，浸置于低溫4 h 工況下，帶電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的鋰電池放電容量提升約52.5%。
2.1.4 基于熱電效應(yīng)的電池加熱方法
電池外部加熱方法除了以傳熱介質(zhì)為基礎(chǔ)之外，還有基于熱電效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)加熱電池的方法，主要包括帕爾貼效應(yīng)加熱（Peltier element）、電熱效應(yīng)加熱和電阻溫度效應(yīng)加熱方式。
Troxler 等[28]利用帕爾貼元件實(shí)現(xiàn)控制電芯溫度梯度,兩端溫度梯度最大可達(dá)40 ℃，并試驗(yàn)研究電芯溫度梯度對(duì)電芯性能的影響，使用的帕爾貼元件示意結(jié)構(gòu)如圖3 所示。Alaoui 等[9]設(shè)計(jì)了一種基于帕爾貼元件的車(chē)載電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)境溫度為17 ℃條件下，加熱20 min 之后，前電池包的溫度最高值升高至37 ℃，后電池包的溫度最高值增加至29 ℃，加熱過(guò)程所耗能約為2.5%初始電池包容量。曾爽等[29]提出了一種基于電池組供電的電加熱膜自加熱裝置。測(cè)試結(jié)果表明，電池包表面溫度從-20 ℃加熱至0 ℃用時(shí)約10 min，從-20 ℃加熱至10℃耗時(shí)約15 min，電池平均加熱速率為2 ℃/min。劉菲菲等[30]研究分析了2 種不同形狀尺寸的硅橡膠電加熱膜安裝方式對(duì)微熱管電池包低溫電池?zé)峁芾硇阅艿挠绊憽Ｔ囼?yàn)結(jié)果表明，“三明治”電加熱膜安裝結(jié)構(gòu)的電池加熱效率高于電加熱膜貼于微熱管翅片的安裝結(jié)構(gòu)，前者的平均加熱功率約為后者的1.35 倍，前者所需的最優(yōu)電池加熱功率為100 W，后者需要180 W。
2.2 電池內(nèi)部加熱方法
由于電池外部加熱方法具有加熱效率相對(duì)較低、加熱能耗相對(duì)較高、受系統(tǒng)空間布置限制等缺點(diǎn)，為此電池內(nèi)部加熱方法已成為各大企業(yè)和科研院所的重要研究方向，主要類(lèi)型包括基于內(nèi)部短路的電池自加熱方法和基于外部電流激勵(lì)的電池加熱方法[31-34]，其優(yōu)劣勢(shì)比較、車(chē)載應(yīng)用等情況如表2 所示。根據(jù)已有文獻(xiàn)資料[31-40]得到電池內(nèi)部加熱方法的電池溫升速率統(tǒng)計(jì)情況，如圖4所示，從圖中可以得知基于內(nèi)部短路的電池自加熱方法的電池溫升速率最高。
表2 電池內(nèi)部加熱方法簡(jiǎn)要比較
2.2.1 基于內(nèi)部短路的電池自加熱方法
Wang 等[31]提出了一種含有加熱極耳的三極自加熱鋰電池結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，其中采用室溫25 ℃條件下電阻為56 mΩ的50 μm鎳鉑片作為鋰電池內(nèi)部自加熱的產(chǎn)熱源，鎳鉑片的一端與鋰電池負(fù)極連接，另一端與鋰電池的加熱極耳連接，并在鋰電池負(fù)極與加熱極耳之間設(shè)置加熱激活開(kāi)關(guān)。當(dāng)鋰電池內(nèi)部溫度＜0 ℃時(shí)，加熱激活開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，導(dǎo)致形成電流的電子從正極耳經(jīng)負(fù)極耳流過(guò)鎳鉑片，再到鎳鉑片的加熱極耳，從而使得鎳鉑片發(fā)熱加熱鋰電池；當(dāng)鋰電池內(nèi)部溫度≥0 ℃時(shí)，加熱激活開(kāi)關(guān)閉合，形成電流的電子旁通繞過(guò)鎳鉑片，從而恢復(fù)到正常的鋰電池。測(cè)試結(jié)果表明，鋰電池溫度從-20 ℃、-30 ℃加熱至0 ℃的加熱時(shí)間分別為19.5 s、29.6 s，加熱能耗分別為3.8%和5.5%,并指出自加熱鋰電池的重量和成本預(yù)計(jì)分別增加1.5%和0.04%。Zhang 等[41]優(yōu)化了自加熱鋰電池結(jié)構(gòu)，基本控制原理為加熱激活開(kāi)關(guān)設(shè)置于鋰電池正極與加熱極耳之間，加熱激活開(kāi)關(guān)閉合情況下形成電流的電子流過(guò)2 片鎳鉑產(chǎn)生熱量從而實(shí)現(xiàn)鋰電池自加熱，加熱激活開(kāi)關(guān)斷開(kāi)情況下，恢復(fù)為正常鋰電池。并首次提出采用鎳鉑的電阻值與溫度值線性對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量鋰電池內(nèi)部溫度的方法。測(cè)試結(jié)果表明，采用優(yōu)化的自加熱鋰電池溫度從-20 ℃加熱至0 ℃僅需為12.5 s，加熱能耗僅為2.9%，其余工況的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。
圖4 電池內(nèi)部加熱方法的溫升速率統(tǒng)計(jì)情況[31-40]
圖5 自加熱鋰電池結(jié)構(gòu)示意[31]
2.2.2 基于外部電流激勵(lì)的電池加熱方法
相比于基于內(nèi)部短路的自加熱電池需要改變現(xiàn)有電池結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝等缺陷，外部電流激勵(lì)的電池加熱方法具有更好的電池適應(yīng)性和電芯溫度一致性等優(yōu)點(diǎn)，主要類(lèi)型包括交流電流加熱、脈沖電流加熱和直流電流加熱。
圖6 不同環(huán)境溫度下自加熱鋰電池的加熱時(shí)間和加熱能耗情況[41]
何錫添等[42]利用MATLAB 搭建了基于熱-電耦合的電池模型，研究了不同電池溫度下對(duì)應(yīng)的電池最佳加熱頻率，設(shè)計(jì)了一種恒定極化電壓幅值、以電池產(chǎn)熱功率最大為優(yōu)化目標(biāo)的新型變頻變幅交流電加熱策略，試驗(yàn)結(jié)果表明，電池采用新型變頻變幅交流加熱策略加熱700 s 的溫升為47.67 ℃，比采用1 700 Hz恒頻變幅交流加熱策略的溫升高6.84 ℃，前者比后者的電池溫度提升率增加約16.8%。Guo 等[43]研究分析了低溫交流電加熱方法對(duì)鋰電池循環(huán)使用壽命的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)210 個(gè)低溫加熱循環(huán)之后，鋰電池的充電容量從1.055 A·h 降至1.045 A·h,僅衰減1% SOC;鋰電池的放電容量從1.056 A·h 降至1.047 A·h，僅衰減0.9%SOC，這說(shuō)明該低溫交流加熱方法對(duì)鋰電池循環(huán)使用壽命和安全性能沒(méi)有明顯影響。Qu 等[39]通過(guò)環(huán)境艙試驗(yàn)研究分析了18650 圓柱形電芯脈沖加熱性能的影響因素，測(cè)試結(jié)果表明，脈沖開(kāi)關(guān)間隔周期從0.1 s 至1.0 s 范圍內(nèi)的變化對(duì)電芯脈沖加熱性能影響很小，脈沖加熱時(shí)間隨著環(huán)境溫度的升高是先減少而后緩慢增大，隨著電芯起始SOC 的增加，脈沖加熱時(shí)間將增大，當(dāng)起始SOC＞80%時(shí)，-10 ℃環(huán)境溫度下脈沖加熱200 s 可以實(shí)現(xiàn)溫升20 ℃。徐智慧等[44]基于最短加熱時(shí)間和防止電池過(guò)壓2 個(gè)變量為目標(biāo)優(yōu)化加熱電流幅值和頻率，采用該優(yōu)化策略之后，電池溫度從-10.5 ℃加熱至1.4 ℃用時(shí)7 min，電池平均加熱速率約為1.7 ℃/min。Ruan 等[34]采用基于II型非支配排序遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化方法來(lái)權(quán)衡電池加熱時(shí)間目標(biāo)和電池容量損失目標(biāo)，優(yōu)化后的直流電加熱策略將電池溫度從-30 ℃加熱至2.1 ℃用時(shí)103 s，且經(jīng)過(guò)500 個(gè)直流電加熱循環(huán)之后的電池容量損失僅為1.4%。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文系統(tǒng)性地綜述了新能源汽車(chē)低溫電池?zé)峁芾矸椒ǎ?duì)電池主要加熱方法進(jìn)行優(yōu)劣勢(shì)、車(chē)載應(yīng)用情況、加熱速率等因素進(jìn)行了比較分析?？偨Y(jié)如下：
（1）基于空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)的電池加熱方法的車(chē)載應(yīng)用最成熟，普及率也最高，且隨著電芯能量密度的提升和車(chē)輛大功率快充的需求，基于液體介質(zhì)的電池加熱與電池冷卻一體化集成設(shè)計(jì)成為新能源汽車(chē)的主流應(yīng)用趨勢(shì)。
（2）自加熱鋰電池可以實(shí)現(xiàn)最快的加熱速率，同時(shí)，能耗也在可接受的范圍之內(nèi)，但需要改變現(xiàn)有電池結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，導(dǎo)致其距離產(chǎn)業(yè)化和普及化還有較長(zhǎng)時(shí)間。
（3）由于基于外部電流激勵(lì)的電池加熱方法不需要改變現(xiàn)有電池結(jié)構(gòu)，布置空間相對(duì)較小，加熱速率高，電池溫度均勻性較好等優(yōu)點(diǎn)，目前正在成為各企業(yè)和科研院所的研究熱點(diǎn)。
（4）充分利用各個(gè)電池加熱方法的優(yōu)缺點(diǎn)，基于相變材料與液體介質(zhì)等兩種或以上的復(fù)合加熱方法將是電池加熱的未來(lái)發(fā)展方向之一。
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主題詞：新能源汽車(chē) 低溫環(huán)境 電池加熱方法
1 前言
隨著新能源汽車(chē)的快速普及，使用地域也不斷拓寬至寒冷地區(qū)，甚至環(huán)境溫度可達(dá)-30 ℃，低溫環(huán)境對(duì)電池的充放電性能、容量衰減和使用壽命的影響不斷凸顯[1-2]，而電池作為“三大電”核心部件，直接影響著新能源汽車(chē)的使用性能，導(dǎo)致車(chē)輛用戶最直觀的表現(xiàn)為低溫車(chē)輛快充時(shí)間較慢，甚至無(wú)法充電[3]，冬季純電續(xù)駛里程衰減嚴(yán)重[4]，這些都極大地影響著新能源汽車(chē)用戶的滿意度和低溫地域的推廣進(jìn)度。因此，低溫環(huán)境下新能源汽車(chē)電池?zé)峁芾矸椒ǔ蔀檠娱L(zhǎng)電池使用壽命和提升車(chē)輛低溫使用性能的必要措施，系統(tǒng)性地研究和總結(jié)低溫電池加熱方法對(duì)后續(xù)低溫電池?zé)峁芾硌芯烤哂幸欢▍⒖家饬x。
2 低溫電池加熱方法
根據(jù)電池加熱過(guò)程中不同的熱源位置，電池加熱方法主要分成電池外部加熱方法和電池內(nèi)部加熱方法，如圖1所示。
圖1 電池加熱方法分類(lèi)
2.1 電池外部加熱方法
電池外部加熱方法主要包括基于空氣介質(zhì)的電池加熱、基于液體介質(zhì)的電池加熱、基于相變材料的電池加熱和基于熱電效應(yīng)的電池加熱，其主要加熱方法的優(yōu)劣勢(shì)比較、應(yīng)用情況等如表1 所示[5-11]。此4 大類(lèi)電池外部加熱方法的主要熱源來(lái)自于電池外部，通過(guò)外置熱源的方式對(duì)熱傳遞介質(zhì)進(jìn)行加熱，再通過(guò)熱輻射、熱對(duì)流或者熱傳導(dǎo)的綜合作用來(lái)達(dá)到有效加熱電池的目的。從表1中可以得知，基于空氣介質(zhì)的電池加熱方法技術(shù)比較成熟，但是隨著電池能量密度的提高和電池安全性的愈加重視，電池加熱與電池冷卻一體化集成設(shè)計(jì)成為各車(chē)企的主要設(shè)計(jì)思路，因此基于液體介質(zhì)的間接接觸式電池加熱方法正在成為汽車(chē)企業(yè)量產(chǎn)車(chē)型的主流應(yīng)用技術(shù)，其余外部電池加熱方法由于成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、或者安全風(fēng)險(xiǎn)等因素導(dǎo)致應(yīng)用較少或尚未進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，目前主要處于研究與實(shí)驗(yàn)階段。
2.1.1 基于空氣介質(zhì)的電池加熱方法
通過(guò)將已加熱的空氣流過(guò)按照設(shè)計(jì)的流道與電池單體或模組進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到加熱電池的目的。按照空氣流動(dòng)是否需要?jiǎng)恿υ捶譃楸粍?dòng)式和主動(dòng)式，依據(jù)電池包內(nèi)電池單體或模組排列形式分為串行式和并行式。
Mahamud等[12]提出了一種可以改變電池包空氣入口和出口方向的特殊空氣流道換向系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以按照設(shè)定的時(shí)間周期進(jìn)行切換電池包入口和出口，從而有效地提高電池包內(nèi)電池溫度的均勻性，經(jīng)過(guò)仿真分析驗(yàn)證表明，采用該空氣換向系統(tǒng)比固定入口的電池包內(nèi)部溫差明顯降低，可以顯著提高電池包內(nèi)部熱量分布一致性。于遠(yuǎn)彬等[5]設(shè)計(jì)了一種通過(guò)利用低溫環(huán)境發(fā)動(dòng)機(jī)余熱來(lái)加熱空氣介質(zhì)實(shí)現(xiàn)預(yù)熱電池包的電池加熱系統(tǒng)，仿真分析了不同電池包入口進(jìn)氣質(zhì)量流量下電池包溫差和電池包出口單體溫度的變化趨勢(shì)，并且得到滿足電池包溫差小于5 ℃的空氣入口質(zhì)量流量應(yīng)該大于3 g/s，并采用該整車(chē)電池預(yù)熱控制策略與不采用預(yù)熱策略進(jìn)行仿真分析結(jié)果表明，采用預(yù)熱策略的車(chē)輛油耗低于不預(yù)熱的油耗，隨著外溫的降低，預(yù)熱策略的節(jié)油率更高。夏順禮等[13]針對(duì)某純電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)了一種集成車(chē)架、乘員艙與車(chē)身底板一體化的以空氣為介質(zhì)的電池組熱管理系統(tǒng)，并制定了低溫環(huán)境工況以單體最低溫度為基本規(guī)則的電池組充放電加熱策略。搭載該電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的車(chē)輛進(jìn)行-10 ℃環(huán)境艙試驗(yàn)結(jié)果表明，低溫工況下可以正確實(shí)現(xiàn)加熱功能，車(chē)輛低溫充電預(yù)加熱試驗(yàn)工況的電池組最大電芯溫差為5 ℃，最大溫升率為15 ℃/h。王發(fā)成等[14]依據(jù)熱力學(xué)基本原理建立空氣電加熱絲熱量傳遞模型，并通過(guò)試驗(yàn)研究表明，電池組單體表面溫度從-15 ℃加熱至0 ℃用時(shí)約21 min，加熱速率約為0.71 ℃/min。黃堪豐等[15]搭建了基于渦流管效應(yīng)原理的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)臺(tái)架，通過(guò)空壓機(jī)壓縮空氣進(jìn)入渦旋發(fā)生器，將在渦旋發(fā)生器的兩端分別產(chǎn)生可以預(yù)熱電池的熱氣流和冷卻電池的冷氣流，試驗(yàn)結(jié)果表明，32 ℃室溫和0.7 MPa 壓力條件下渦流管熱氣流可以達(dá)到56.4 ℃。
2.1.2 基于液體介質(zhì)的電池加熱方法
基于空氣介質(zhì)的電池加熱方法應(yīng)用較早，技術(shù)成熟，但是空氣加熱目前已無(wú)法滿足新能源汽車(chē)高續(xù)航里程、短快充時(shí)間的要求，為此，主流車(chē)企基本傾向采用具有更高換熱效率、空間更緊湊的液體間接接觸式電池加熱方法，典型應(yīng)用包括Tesla Model S/Model 3、BMW i3、BYD EV系列等量產(chǎn)車(chē)型。
陳通等[16]通過(guò)CFD 軟件仿真模擬了基于水暖型高壓電加熱器的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，仿真分析表明電池加熱過(guò)程中電芯最高溫度達(dá)到30 ℃，上下極柱溫差為8.5 ℃，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證仿真模擬的精度可以滿足電池?zé)峁芾硪?。Fan 等[17]基于COMSOL 軟件建立集電池加熱與冷卻一體化設(shè)計(jì)的換熱板和電池包模型，并設(shè)定外溫-20 ℃條件下研究分析電池放電倍率、電池入口液體質(zhì)量流量和電池加熱入口水溫對(duì)電池加熱性能的影響。研究結(jié)果表明，電池放電倍率相較于外部加熱源而言對(duì)電池溫升速率的影響可以忽略不計(jì)，電池入口液體質(zhì)量流量達(dá)到0.065 kg/s之后，電池溫升速率再通過(guò)增大電池入口液體質(zhì)量流量的提升效果不明顯。電池入口水溫最佳目標(biāo)值為45 ℃。肖軍等[18]公開(kāi)了一種具有多種電池加熱模式的車(chē)用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，該系統(tǒng)主要由水暖型燃油加熱器、水暖型高壓電加熱器、電機(jī)電控總成、電子控制三通閥、電池包、雙芯體Chiller 和電子水泵等組成，多種電池加熱模式主要包括電加熱模式、油加熱模式、電機(jī)余熱回收模式以及兩種混合加熱模式，可以滿足新能源汽車(chē)極低溫環(huán)境行駛的需求，拓寬了新能源汽車(chē)使用地域,一定程度上緩解了電池加熱耗電量較高問(wèn)題。張春秋等[19]研究總結(jié)了集成電機(jī)電控、電池與乘客艙的液冷式熱管理系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)，并提出構(gòu)建充分利用電機(jī)電控等電子部件余熱的節(jié)能高效熱管理系統(tǒng)為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。而特斯拉汽車(chē)公司[20-21]則是電機(jī)電控等電子部件熱量利用的實(shí)踐者之一，其充分利用電機(jī)電控總成的散熱量或者壓縮機(jī)總成的發(fā)熱量通過(guò)多向換向閥與液冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)高效集成之后來(lái)預(yù)熱電池，并于量產(chǎn)車(chē)型取得顯著節(jié)能效果，高度集成化亦降低了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)成本。
相比于液體間接接觸式電池加熱方法，直接接觸式電池加熱方法具有更高的加熱效率，更好的溫度一致性，其缺陷也很明顯，即需要直接接觸的液體具有高絕緣性能和高導(dǎo)熱性能。顏藝等[22]通過(guò)Fluent軟件研究分析了3種不同流道結(jié)構(gòu)對(duì)絕緣導(dǎo)熱硅膠油浸沒(méi)式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的加熱效果和冷卻性能的影響。結(jié)果表明，高低交錯(cuò)式“U”型流道比其他兩種流道結(jié)構(gòu)具有更好的加熱和冷卻綜合性能效果。采用高低交錯(cuò)式“U”型流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱仿真分析得到電池起始溫度為-30 ℃加熱至10 ℃之后，電池溫差為6 ℃，硅油溫差為12 ℃。羅玉濤等[7]設(shè)計(jì)了一種浸沒(méi)于變壓器油的電池組加熱裝置，試驗(yàn)結(jié)果表明，電池組從-30 ℃加熱至0 ℃需35 min，從-10 ℃加熱至0 ℃約12 min，電池的平均溫升速率約為0.85 ℃/min。
2.1.3 基于相變材料的電池加熱方法
基于流體介質(zhì)的傳統(tǒng)電池?zé)峁芾矸椒ň嬖谙到y(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，且未能充分利用電池自身熱能的缺點(diǎn)，而使用能夠吸收和釋放潛熱的相變材料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耗能低等優(yōu)點(diǎn)，能為車(chē)輛電池包輕量化設(shè)計(jì)以及提升電池包系統(tǒng)質(zhì)量能量密度做出一定貢獻(xiàn)[23]。
Chen 等[24]研究分析了被動(dòng)型相變材料、增強(qiáng)型相變材料和基于相變材料混合式的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，其中一種典型增強(qiáng)型相變材料結(jié)構(gòu)如圖2 所示，并指出相變材料可以通過(guò)增加碳納米管、泡沫金屬、膨脹石墨等方法提高導(dǎo)熱系數(shù)，以及基于相變材料混合式的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以顯著改善低溫環(huán)境下電池的性能表現(xiàn)。Zhang 等[6,25]設(shè)計(jì)了一種車(chē)輛應(yīng)用的相變熱蓄能器，并通過(guò)搭建的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究蓄能器入口液體溫度、相變?nèi)埸c(diǎn)、蓄能器入口液體流量和多熔點(diǎn)相變材料組合方式對(duì)相變熱蓄能器換熱性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，一定條件下儲(chǔ)熱過(guò)程中蓄能器入口液體溫度越高或者相變材料熔點(diǎn)越低，則儲(chǔ)存潛熱的熱量越多和速率越快；放熱過(guò)程中，蓄能器入口液體溫度越低或者相變材料熔點(diǎn)越高，釋放潛熱的熱量越多和速率越快。隨著蓄能器入口液體流量的增加，儲(chǔ)存和釋放熱量的速率均在增大，但蓄能器入口液體流量增加到一定程度之后的影響會(huì)減弱。且多熔點(diǎn)相變材料組合體對(duì)多溫區(qū)位電機(jī)電控等部件的余熱利用有益。施尚等[26]試驗(yàn)研究基于泡沫銅/石蠟的復(fù)合相變材料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),試驗(yàn)結(jié)果表明具有93%泡沫銅孔隙率的復(fù)合相變材料是純石蠟導(dǎo)熱系數(shù)的25.4 倍。Lei 等[27]提出了一種集成相變材料、熱管與噴霧冷卻一體化設(shè)計(jì)的鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，環(huán)境溫度-10 ℃放電試驗(yàn)結(jié)果表明，浸置于低溫1 h 工況下，鋰電池采用新設(shè)計(jì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)比沒(méi)有采用的放電容量提升約33.9%，浸置于低溫4 h 工況下，帶電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的鋰電池放電容量提升約52.5%。
2.1.4 基于熱電效應(yīng)的電池加熱方法
電池外部加熱方法除了以傳熱介質(zhì)為基礎(chǔ)之外，還有基于熱電效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)加熱電池的方法，主要包括帕爾貼效應(yīng)加熱（Peltier element）、電熱效應(yīng)加熱和電阻溫度效應(yīng)加熱方式。
Troxler 等[28]利用帕爾貼元件實(shí)現(xiàn)控制電芯溫度梯度,兩端溫度梯度最大可達(dá)40 ℃，并試驗(yàn)研究電芯溫度梯度對(duì)電芯性能的影響，使用的帕爾貼元件示意結(jié)構(gòu)如圖3 所示。Alaoui 等[9]設(shè)計(jì)了一種基于帕爾貼元件的車(chē)載電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)境溫度為17 ℃條件下，加熱20 min 之后，前電池包的溫度最高值升高至37 ℃，后電池包的溫度最高值增加至29 ℃，加熱過(guò)程所耗能約為2.5%初始電池包容量。曾爽等[29]提出了一種基于電池組供電的電加熱膜自加熱裝置。測(cè)試結(jié)果表明，電池包表面溫度從-20 ℃加熱至0 ℃用時(shí)約10 min，從-20 ℃加熱至10℃耗時(shí)約15 min，電池平均加熱速率為2 ℃/min。劉菲菲等[30]研究分析了2 種不同形狀尺寸的硅橡膠電加熱膜安裝方式對(duì)微熱管電池包低溫電池?zé)峁芾硇阅艿挠绊憽Ｔ囼?yàn)結(jié)果表明，“三明治”電加熱膜安裝結(jié)構(gòu)的電池加熱效率高于電加熱膜貼于微熱管翅片的安裝結(jié)構(gòu)，前者的平均加熱功率約為后者的1.35 倍，前者所需的最優(yōu)電池加熱功率為100 W，后者需要180 W。
2.2 電池內(nèi)部加熱方法
由于電池外部加熱方法具有加熱效率相對(duì)較低、加熱能耗相對(duì)較高、受系統(tǒng)空間布置限制等缺點(diǎn)，為此電池內(nèi)部加熱方法已成為各大企業(yè)和科研院所的重要研究方向，主要類(lèi)型包括基于內(nèi)部短路的電池自加熱方法和基于外部電流激勵(lì)的電池加熱方法[31-34]，其優(yōu)劣勢(shì)比較、車(chē)載應(yīng)用等情況如表2 所示。根據(jù)已有文獻(xiàn)資料[31-40]得到電池內(nèi)部加熱方法的電池溫升速率統(tǒng)計(jì)情況，如圖4所示，從圖中可以得知基于內(nèi)部短路的電池自加熱方法的電池溫升速率最高。
表2 電池內(nèi)部加熱方法簡(jiǎn)要比較
2.2.1 基于內(nèi)部短路的電池自加熱方法
Wang 等[31]提出了一種含有加熱極耳的三極自加熱鋰電池結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，其中采用室溫25 ℃條件下電阻為56 mΩ的50 μm鎳鉑片作為鋰電池內(nèi)部自加熱的產(chǎn)熱源，鎳鉑片的一端與鋰電池負(fù)極連接，另一端與鋰電池的加熱極耳連接，并在鋰電池負(fù)極與加熱極耳之間設(shè)置加熱激活開(kāi)關(guān)。當(dāng)鋰電池內(nèi)部溫度＜0 ℃時(shí)，加熱激活開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，導(dǎo)致形成電流的電子從正極耳經(jīng)負(fù)極耳流過(guò)鎳鉑片，再到鎳鉑片的加熱極耳，從而使得鎳鉑片發(fā)熱加熱鋰電池；當(dāng)鋰電池內(nèi)部溫度≥0 ℃時(shí)，加熱激活開(kāi)關(guān)閉合，形成電流的電子旁通繞過(guò)鎳鉑片，從而恢復(fù)到正常的鋰電池。測(cè)試結(jié)果表明，鋰電池溫度從-20 ℃、-30 ℃加熱至0 ℃的加熱時(shí)間分別為19.5 s、29.6 s，加熱能耗分別為3.8%和5.5%,并指出自加熱鋰電池的重量和成本預(yù)計(jì)分別增加1.5%和0.04%。Zhang 等[41]優(yōu)化了自加熱鋰電池結(jié)構(gòu)，基本控制原理為加熱激活開(kāi)關(guān)設(shè)置于鋰電池正極與加熱極耳之間，加熱激活開(kāi)關(guān)閉合情況下形成電流的電子流過(guò)2 片鎳鉑產(chǎn)生熱量從而實(shí)現(xiàn)鋰電池自加熱，加熱激活開(kāi)關(guān)斷開(kāi)情況下，恢復(fù)為正常鋰電池。并首次提出采用鎳鉑的電阻值與溫度值線性對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量鋰電池內(nèi)部溫度的方法。測(cè)試結(jié)果表明，采用優(yōu)化的自加熱鋰電池溫度從-20 ℃加熱至0 ℃僅需為12.5 s，加熱能耗僅為2.9%，其余工況的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。
圖4 電池內(nèi)部加熱方法的溫升速率統(tǒng)計(jì)情況[31-40]
圖5 自加熱鋰電池結(jié)構(gòu)示意[31]
2.2.2 基于外部電流激勵(lì)的電池加熱方法
相比于基于內(nèi)部短路的自加熱電池需要改變現(xiàn)有電池結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝等缺陷，外部電流激勵(lì)的電池加熱方法具有更好的電池適應(yīng)性和電芯溫度一致性等優(yōu)點(diǎn)，主要類(lèi)型包括交流電流加熱、脈沖電流加熱和直流電流加熱。
圖6 不同環(huán)境溫度下自加熱鋰電池的加熱時(shí)間和加熱能耗情況[41]
何錫添等[42]利用MATLAB 搭建了基于熱-電耦合的電池模型，研究了不同電池溫度下對(duì)應(yīng)的電池最佳加熱頻率，設(shè)計(jì)了一種恒定極化電壓幅值、以電池產(chǎn)熱功率最大為優(yōu)化目標(biāo)的新型變頻變幅交流電加熱策略，試驗(yàn)結(jié)果表明，電池采用新型變頻變幅交流加熱策略加熱700 s 的溫升為47.67 ℃，比采用1 700 Hz恒頻變幅交流加熱策略的溫升高6.84 ℃，前者比后者的電池溫度提升率增加約16.8%。Guo 等[43]研究分析了低溫交流電加熱方法對(duì)鋰電池循環(huán)使用壽命的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)210 個(gè)低溫加熱循環(huán)之后，鋰電池的充電容量從1.055 A·h 降至1.045 A·h,僅衰減1% SOC;鋰電池的放電容量從1.056 A·h 降至1.047 A·h，僅衰減0.9%SOC，這說(shuō)明該低溫交流加熱方法對(duì)鋰電池循環(huán)使用壽命和安全性能沒(méi)有明顯影響。Qu 等[39]通過(guò)環(huán)境艙試驗(yàn)研究分析了18650 圓柱形電芯脈沖加熱性能的影響因素，測(cè)試結(jié)果表明，脈沖開(kāi)關(guān)間隔周期從0.1 s 至1.0 s 范圍內(nèi)的變化對(duì)電芯脈沖加熱性能影響很小，脈沖加熱時(shí)間隨著環(huán)境溫度的升高是先減少而后緩慢增大，隨著電芯起始SOC 的增加，脈沖加熱時(shí)間將增大，當(dāng)起始SOC＞80%時(shí)，-10 ℃環(huán)境溫度下脈沖加熱200 s 可以實(shí)現(xiàn)溫升20 ℃。徐智慧等[44]基于最短加熱時(shí)間和防止電池過(guò)壓2 個(gè)變量為目標(biāo)優(yōu)化加熱電流幅值和頻率，采用該優(yōu)化策略之后，電池溫度從-10.5 ℃加熱至1.4 ℃用時(shí)7 min，電池平均加熱速率約為1.7 ℃/min。Ruan 等[34]采用基于II型非支配排序遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化方法來(lái)權(quán)衡電池加熱時(shí)間目標(biāo)和電池容量損失目標(biāo)，優(yōu)化后的直流電加熱策略將電池溫度從-30 ℃加熱至2.1 ℃用時(shí)103 s，且經(jīng)過(guò)500 個(gè)直流電加熱循環(huán)之后的電池容量損失僅為1.4%。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文系統(tǒng)性地綜述了新能源汽車(chē)低溫電池?zé)峁芾矸椒ǎ?duì)電池主要加熱方法進(jìn)行優(yōu)劣勢(shì)、車(chē)載應(yīng)用情況、加熱速率等因素進(jìn)行了比較分析?？偨Y(jié)如下：
（1）基于空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)的電池加熱方法的車(chē)載應(yīng)用最成熟，普及率也最高，且隨著電芯能量密度的提升和車(chē)輛大功率快充的需求，基于液體介質(zhì)的電池加熱與電池冷卻一體化集成設(shè)計(jì)成為新能源汽車(chē)的主流應(yīng)用趨勢(shì)。
（2）自加熱鋰電池可以實(shí)現(xiàn)最快的加熱速率，同時(shí)，能耗也在可接受的范圍之內(nèi)，但需要改變現(xiàn)有電池結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝，導(dǎo)致其距離產(chǎn)業(yè)化和普及化還有較長(zhǎng)時(shí)間。
（3）由于基于外部電流激勵(lì)的電池加熱方法不需要改變現(xiàn)有電池結(jié)構(gòu)，布置空間相對(duì)較小，加熱速率高，電池溫度均勻性較好等優(yōu)點(diǎn)，目前正在成為各企業(yè)和科研院所的研究熱點(diǎn)。
（4）充分利用各個(gè)電池加熱方法的優(yōu)缺點(diǎn)，基于相變材料與液體介質(zhì)等兩種或以上的復(fù)合加熱方法將是電池加熱的未來(lái)發(fā)展方向之一。
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