電動車低溫環(huán)境下電池加熱系統(tǒng)研究

吉祥，曾國建，許楊，楊法松，熊珊珊

（安徽銳能科技有限公司，安徽合肥，230009）

0 引言

鋰電池低溫環(huán)境下將導(dǎo)致電動車續(xù)航里程縮短以及充放電安全等問題[1]～[4]。因此，低溫環(huán)境下提前給電池預(yù)熱對于保證電動車動力性能具有重要的意義。目前電動汽車車載熱管理系統(tǒng)對于電池加熱的方式主要可分為兩種：利用外加裝置對電池進行加熱和利用電池本身放電進行加熱[5]。外加裝置對電池加熱可根據(jù)其加熱方法分為：流體加熱法[6]～[8]、帕爾貼效應(yīng)加熱法[9]～[10]、材料相變加熱[11]、加熱板、電熱膜和電熱絲等加熱法[12]～[15]。其中流體加熱法常用的流體介質(zhì)包括空氣、水、油等，采用空氣加熱的方法給電池包加熱的方法裝置簡便，但由于空氣潛熱能力較差，通過空氣與電池包的對流換熱的方法使得加熱效率較低且加熱時間長，為了解決空氣加熱效率較低的問題，文獻[16]中提出使用液體加熱的方法來給電池包加熱，但是由于液體本身具有一定的導(dǎo)電性和流動性，故對密閉性和安全性能的要求較高。帕爾貼效應(yīng)加熱法實質(zhì)上是利用帕爾貼效應(yīng)產(chǎn)生熱量先加熱空氣，再對電池進行加熱，該方法的本質(zhì)依然是通過空氣與電池包的對流換熱進行熱傳導(dǎo)，在加熱程中會造成不必要的能量損失，使得加熱效率難以提高。雷治國、張承寧等人在文獻[17]中提出使用寬線金屬膜對電池包進行加熱，將寬線金屬膜貼在電池側(cè)面面積最大的地方，利用鍍在寬線金屬膜上的銅本身的電阻在通過交流電時產(chǎn)生的熱量給電池包加熱，該方法可在短時間內(nèi)加熱電池包，但由于寬線金屬膜是貼在電池包外側(cè)，電池加熱過程熱量的傳遞是由外而內(nèi)進行多級傳遞，導(dǎo)致加熱過程中電池組單體電池受熱溫度不均勻，局部單體電池溫度過高，對電池組均衡產(chǎn)生不利的影響，嚴重影響電池的壽命，且采用鍍銅寬線金屬加熱成本較高。內(nèi)部加熱法主要是通過將電池正負極短接的方法或在電池正、負端加入不同頻率或幅值電流來實現(xiàn)電池加熱[18]～[23]，該方法可使用直流、交流電對電池進行加熱。相對于外部加熱法，內(nèi)部加熱法主要優(yōu)勢在于內(nèi)部加熱法是通過電池在充放電過程中電池內(nèi)阻產(chǎn)生的焦耳熱給電池組本身加熱，該方法不需要設(shè)置外部加熱設(shè)備，能量利用率高，且能實現(xiàn)電池組的均衡加熱。其中通過在將電池正負極短接的方法可在短時間內(nèi)加熱電池包使得電池包達到正常工作的溫度狀態(tài)，加熱效率較高，但由于短時間電流激增，不易調(diào)節(jié)控制，容易導(dǎo)致電池熱失控問題，潛伏著很大安全隱患[24]。在文獻[25]中提出采用正弦交流電對電池進行內(nèi)部加熱。然而，加熱過程伴隨著高瞬態(tài)電壓的問題，在實際應(yīng)用中，如果沒有正確選擇交流電的振幅和頻率，電池可能會出現(xiàn)過電壓，對電池造成一定的損壞。且有研究表明高頻交流電會加速電池內(nèi)部電離，也會對電池的壽命產(chǎn)生影響。

為改善鋰離子電池在低溫狀態(tài)下的使用性能，本文基于現(xiàn)有低溫環(huán)境下電池包加熱方法所存在的問題，提出一種自放電限流電路來加熱電池包，通過內(nèi)外加熱相結(jié)合加熱方法使得電池包可在短時間內(nèi)加熱從而達到正常的工作狀態(tài)，一方面可通過電池包本身的瞬間短路加熱發(fā)熱電阻，另一方面通過設(shè)置外加并聯(lián)電阻產(chǎn)生的熱量可對電池包進行加熱，且能控制短路電流在可接受的范圍之內(nèi)，保證電池加熱過程安全性。

1 電池組加熱方案

目前最簡單的內(nèi)部加熱方式即將電池短接，利用短路電流流過電池內(nèi)阻進行加熱，然而這種方法可靠性有待提高，這是由于電池升溫過程中內(nèi)阻會迅速減小，一旦內(nèi)阻減小到一定程度，而溫度尚未上升到預(yù)期值時，加熱過程仍然繼續(xù)，但此時短路電流會迅速增大，就會存在溫度失控的危險，因此，在這種情況下需要切入輔助加熱電路，實現(xiàn)電流的可控，從而保證整個加熱過程的可靠性。

圖1給出了電池組的加熱方案，其中圖1（a）所示為加熱系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，其工作分為兩個階段，在溫度低于一定值時，即第一階段，單刀雙擲開關(guān)連接節(jié)點2，即直接短路加熱，當溫度升高但尚未達到預(yù)期目標時，進入第二階段，單刀雙擲開關(guān)連接節(jié)點3，切入輔助加熱電路。

圖1 電池組加熱方案

圖1（b）所示為加熱系統(tǒng)主電路，其中電池組端電壓為Uc，圖中給出了其戴維南等效電路，其可以看做理想直流源E和內(nèi)部等效參數(shù)的串并聯(lián)組合，圖中Rohm為歐姆內(nèi)阻，Rpol和Cpol分別為極化內(nèi)阻和極化電容，Sd為斷路器，其僅在加熱系統(tǒng)工作的第一階段閉合，在第二階段斷開。S1和S2為高頻功率開關(guān)IGBT，其在第一階段始終截止，在第二階段高頻工作，且兩者互補導(dǎo)通。Cau為電解電容，起到產(chǎn)生瞬時電流脈沖的作用，Rau為發(fā)熱電阻，在構(gòu)成能量泄放回路的同時，能夠利用自身發(fā)熱為電池組加熱。

輔助加熱電路的基本原理為電池組本身的瞬間短路加熱發(fā)熱電阻，通過電阻產(chǎn)生的熱量對電池包進行加熱，電池組電壓為330V，電流脈沖幅值300A，功率開關(guān)管S2和功率電阻Rau組成限流環(huán)節(jié)，可以控制短路電流在電池可接受范圍內(nèi)。

2 輔助加熱電路原理

2.1 工作模態(tài)分析

加熱電路中主功率IGBT功率開關(guān)管S1和輔助IGBT功率開關(guān)管S2互補導(dǎo)通，占空比各為0.5。流過主功率IGBT功率開關(guān)管S1和輔助IGBT功率開關(guān)管S2的電流如圖2所示，其中流過S1的電流為電池組的放電電流，流過S2的電流為電解電容的放電電流。根據(jù)功率管導(dǎo)通狀態(tài)，電路可劃分為兩個工作模態(tài)。

圖2 功率管S1及S2電流波形圖

模態(tài)1：t0-t1時刻，IGBT功率開關(guān)管S1開通，輔助IGBT功率開關(guān)管S2關(guān)斷，電池通過等效電阻給電容充電，回路中等效電阻為S1導(dǎo)通內(nèi)阻R1、電池歐姆內(nèi)阻Rohm和極化內(nèi)阻之和，回路中電阻和功率管導(dǎo)通內(nèi)阻Rpol之和。該模態(tài)等效電路如圖 3（a）所示。

模態(tài) 2：t1-t2時刻，輔助IGBT功率開關(guān)管S2開通，主功率IGBT功率開關(guān)管S1關(guān)斷，電容通過發(fā)熱電阻放電，使得電容電壓小于電池電壓，從而保證下一周期脈沖產(chǎn)生的條件。此時等效電路如圖3（b）所示，電路中R2為輔助IGBT功率開關(guān)管S2導(dǎo)通內(nèi)阻。

圖3 等效電路

2.2 脈沖電流控制

由此可以根據(jù)最大放電電流確定功率管的開關(guān)頻率和加熱電阻的阻值?？梢钥闯?，S1、S2、Cau和Rau組成的輔助加熱電路同時具有內(nèi)部加熱和外部加熱功能，一方面，利用電解電容Cau的瞬時短路原理產(chǎn)生電流脈沖，實現(xiàn)內(nèi)部加熱，另一方面，利用發(fā)熱電阻Rau自身產(chǎn)生的熱量，實現(xiàn)了外部加熱。

3 實驗驗證

在理論分析的基礎(chǔ)上搭建仿真模型，功率管的開關(guān)頻率為300Hz，加熱電阻為500Ω，圖4給出了仿真結(jié)果，波形由上至下分別為流過主功率IGBT功率開關(guān)管S1和輔助IGBT功率開關(guān)管S2的電流。

圖4 仿真結(jié)果

可以看出，仿真結(jié)果與理論分析相一致，驗證了加熱方案的可行性。在此基礎(chǔ)上搭建實驗原理樣機，相關(guān)參數(shù)與仿真模型一致，選用英飛凌的型號為FF450R06ME3的IGBT模塊作為功率開關(guān)，電解電容參數(shù)是100uF/400V，功率電阻是4個2000Ω/100W的電阻并聯(lián)成的500Ω功率電阻。IGBT功率開關(guān)管S1和輔助IGBT功率開關(guān)管S2可集成在一個IGBT模塊中減小體積。

由信號發(fā)生器發(fā)出頻率300Hz，占空比為0.5，幅值5V的方波信號后，經(jīng)IGBT驅(qū)動板后輸出給IGBT模塊的驅(qū)動信號如圖5所示，極電壓GE為+14V開通，極電壓GE為-9V關(guān)斷。

圖5 驅(qū)動信號

實驗樣機實物圖如圖6所示，圖6（a）給出了試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其包括供電電源、測試儀器和主功率電路，其中主功率電路有包括驅(qū)動電路、IGBT模塊和發(fā)熱電阻，如圖6（b）所示，IGBT模塊FF450R06ME3為雙管模塊，即一個模塊內(nèi)集成了兩個IGBT，實驗過程中直流電壓最大加至200V。

圖6 實驗樣機

當輸入200V直流電壓時流經(jīng)電源的電流波形如圖7所示，可見當主功率IGBT功率開關(guān)管S1開通時電源給電容充電，出現(xiàn)電流尖峰，可達13A。

圖7 流經(jīng)電源電流波形

當輸入為200V直流電壓時，輸出各波形圖如圖8所示，圖中1號采樣腳是流經(jīng)電源的電流波形。2號采樣腳是IGBT開關(guān)管的CE級壓差，可見當主功率IGBT功率開關(guān)管S1開通時，CE級無壓差；當主功率IGBT功率開關(guān)管S1關(guān)斷時，由于電容對功率電阻線性放電，故CE級壓差線性上升，產(chǎn)生10V壓差。3號采樣腳是電容兩端電壓差，當主功率IGBT功率開關(guān)管S1開通時，電容被瞬間充滿電所以顯示恒壓200V；當主功率IGBT功率開關(guān)管S1關(guān)斷時，電容對功率電阻線性放電，所以電容兩端電壓差線性下降，產(chǎn)生與IGBT的CE級上升電壓差相對應(yīng)的10V下降電壓。

圖8 各波形對比

從樣機驗證結(jié)果來看，所提出的方案能夠?qū)崿F(xiàn)理想的電流脈沖，證明了方案的可行性，將樣機與實際電池相連接，并在初始溫度為-20℃的環(huán)境下進行加溫測試，電池表面溫度隨時間變化曲線如圖9所示。

圖9 電池表面溫度變化曲線

可以看出，所提出的加熱電路能夠?qū)崿F(xiàn)動力電池低溫環(huán)境下的快速升溫，切升溫過程安全、可控。

4 結(jié)論

針對鋰電池在低溫環(huán)境下充放電性能下降的問題，本文提出自放電限流電路加熱電池包的方法，設(shè)計了加熱電路，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：（1）省去了傳統(tǒng)加熱系統(tǒng)能量供給來源，減小了系統(tǒng)的體積和成本。（2）在本實驗設(shè)計中使用的發(fā)熱電阻不僅起到了加熱的作用，還起到了在電路中的限流作用，可以保證電池包的放電電流在安全的范圍內(nèi)。（3）本文中采用的兩級式電路實現(xiàn)電池包的自放電加熱，減小了發(fā)熱電阻的功率等級，從而減少了系統(tǒng)的體積和成本。