電動汽車低溫技術(shù)的應(yīng)用與分析

李 剛

（吉林省吉科教育投資集團有限公司，吉林 長春 130000）

當(dāng)前新能源汽車動力電池普遍采用鋰離子電池，其主要是指三元聚合物鋰電池及磷酸鐵鋰電池，鋰離子電池在低溫環(huán)境下（如-20℃）不僅容量衰減較大且充放能力也明顯變差。如圖1實測數(shù)據(jù)表明：當(dāng)外部溫度在零下20℃左右，動力電池能量衰減25%；當(dāng)外部溫度在零下30℃時，能量衰減能達(dá)到38%。低溫環(huán)境下鋰離子電池的性能衰減導(dǎo)致電動汽車的續(xù)航縮水，讓眾多電動汽車用戶談冬色變。

圖1 鋰電池容量與溫度關(guān)系

1 電動汽車冬季續(xù)航下降的原因

1）動力電池低溫衰減。鋰離子電池最適宜的工作溫度是15～30℃，40℃以上要主動放熱，0℃以下要加溫。從鋰電池機理上看，造成鋰離子電池低溫性能差的主要原因是隨著環(huán)境溫度的降低，電解液及電極界面膜對鋰離子轉(zhuǎn)移阻抗增大，此時Li的遷移和負(fù)極碳隙的嵌入將變得十分困難，充放電性能因此變差（圖2），極端低溫情況甚至?xí)霈F(xiàn)電解液凍結(jié)、電池?zé)o法放電等現(xiàn)象，此類低溫容量損耗（-30℃以下）占電池總電量的19%左右。此外，在低溫環(huán)境下充電易在負(fù)極表面形成鋰單質(zhì)堆積，積累的鋰晶枝會刺穿電池界面膜造成電池正負(fù)極短路，威脅電池使用安全。

圖2 Li+的遷移和嵌入

2）空調(diào)加熱系統(tǒng)的使用。電動汽車熱空調(diào)采用PTC電加熱器（圖3），其特點是功率大、制熱速度快，主流的暖風(fēng)空調(diào)功率在3～6kW，暖風(fēng)1h需耗費3～6度電。以特斯拉ModelY為例，其百公里耗電大概13度電（kWh）左右，加熱系統(tǒng)的額外耗電及其綜合熱管理損失，使汽車?yán)m(xù)航能力下降幅度可達(dá)27%左右，再加上低溫衰減的影響，實際的續(xù)航里程衰減可能要達(dá)到40%～50%（圖4）。

圖3 PTC電熱器

圖4 電動汽車低溫環(huán)境電能損耗

3）動力電池的預(yù)熱損耗。為了讓動力電池處于正常工作狀態(tài)，最大發(fā)揮電池充放電效率，改善電池低溫衰減，當(dāng)前行業(yè)內(nèi)普遍做法是采用電加熱元件給電池加熱，在低溫環(huán)境（-30℃）下，此類預(yù)熱損耗也會消耗電池總電量的10%左右。

4）行駛阻力。主要是冬天空氣密度會加大，使車輛行駛阻力變大，此損耗與車速成正比約占4%左右。

2 提高電動汽車低溫技術(shù)的措施

2.1 電動汽車低溫主流技術(shù)

為滿足冬季取暖與動力電池的預(yù)熱需求，目前采用的加熱裝置，一種是燃料燃燒采暖裝置（圖5），制熱效率高、耗電低，但與電動汽車的零排放相違背，另一種就是采用電加熱裝置。

圖5 燃料燃燒采暖裝置

目前動力電池電加熱的方式主要分兩種：內(nèi)部加熱和外部加熱。內(nèi)部加熱直接在電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量，其加熱效率高、受熱均勻，但技術(shù)難度大，是低溫技術(shù)重點研究方向；外部加熱主要是利用可變電阻加熱元件PTC材料通過介質(zhì)或采用加熱膜在外部對電芯進行直接加熱，PTC加熱介質(zhì)包括空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)。以空氣為介質(zhì)的風(fēng)暖因?qū)﹄姵亟M加熱不均勻而逐漸被淘汰，以液體為介質(zhì)的加熱均勻度較好，且可以利用電機、電機控制器、DC/DC產(chǎn)生的余熱幫助電池達(dá)到工作溫度，所以PTC液熱系統(tǒng)逐漸成為當(dāng)前空調(diào)及動力電池加熱（圖6）的主流技術(shù)，但此種方式耗電量大也是新能源汽車的一個痛點。目前在電池本身耐低溫性能沒有突破的情況下，采取的措施是提高電能的制熱效率。

圖6 動力電池PTC液暖加熱系統(tǒng)

2.2 電動汽車低溫加熱方案

1）超低溫冷啟動電池自加熱。這項技術(shù)無硬件增加，原理是利用低溫下電芯內(nèi)阻增大的特性，通過高頻大電流脈沖充/放電，使電池內(nèi)電解液升溫，實現(xiàn)快速加熱的效果。

2）采用恒定電阻加熱膜對電池進行加熱（圖7）。加熱膜由鎳鉻合金電熱絲和硅橡膠高溫絕緣布組成，為柔軟性薄面體，厚度0.5 ～1.5mm，絕緣電阻≥200MΩ，耐壓強度≥AV1500V/5s，工作電壓1.5～380V，加熱膜可粘附在傳熱能力強的金屬表面或直接與電芯緊密接觸，傳熱效率高，但安全性比PTC差。

圖7 動力電池硅膠加熱膜

3）在電芯之間放置加熱片（高功率金屬箔鎳）通電生熱，快速使電芯升溫，即全氣候電池（圖8）。如：盟固力研發(fā)的電池自加熱（ATBS）技術(shù)，每兩個電芯之間的加熱片通過串并方法形成一組夾層結(jié)構(gòu)，通過加熱片發(fā)熱和電池內(nèi)阻發(fā)熱快速加熱電池，在電池和加熱片組之間引入IGBT裝置，通過該裝置可對加熱電流進行調(diào)節(jié)，從而對加熱速度進行調(diào)節(jié)，低溫下（-40℃）可快速加熱電池系統(tǒng)（3～10℃/min），加熱速度是PTC的10倍，升10℃耗能約1.5%～1.8%的常溫電量，加熱后電池的放電深度提高4%～6%，放電能量提升8%～15%，續(xù)航增加10%～30%，還可以在低溫下快速充電（1h充滿電）。

圖8 外置加熱片自加熱電池組

4）通過在電芯內(nèi)放置加熱片進行快速加熱。美國賓西法尼亞州立大學(xué)王朝陽教授團隊采用將加熱片置于電池芯內(nèi)的技術(shù)，即全氣候自加熱型鋰電池（簡稱ACB），加熱片（鎳鉑片：厚度50μm在25℃時電阻為56mΩ）與電池正負(fù)極連接，利用電池自身的能量使其快速升溫，溫度升高后即可在低溫環(huán)境下進行充電或行車，可徹底解決電池低溫瓶頸問題（圖9）。因該方案采用物理加熱方法，對電池壽命影響小，且加熱過程不依賴外部設(shè)備。電池由-40℃自加熱至0℃用時約45s，實現(xiàn)53℃/min溫升，最大加熱電流為5.5C，最低電壓0.687V，加熱能量消耗2.5%/10℃。據(jù)試驗測量此種方式電池加熱時間短，節(jié)電顯著，由外溫-20℃、-30℃至0℃分別為19.5s和29.6s，能耗占電池總?cè)萘堪俜直燃s為3.8%和5.5%，當(dāng)前存在的問題是需要改變現(xiàn)有電池結(jié)構(gòu)，變更現(xiàn)有電池的生產(chǎn)工藝以及具有一定的安全風(fēng)險。

圖9 內(nèi)置加熱片自加熱電池

5）采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱（圖10）。汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)在處于采暖循環(huán)時，車外換熱器作為蒸發(fā)器使用，吸收外界環(huán)境的熱量，高溫高壓的制冷劑流過熱泵熱交換器時，制冷劑釋放的熱能用于加熱乘客艙。熱泵通過搬運環(huán)境的熱量，使得采暖系統(tǒng)效率達(dá)到1.3～2.0，節(jié)省30%～50%的空調(diào)功耗，測試表明：在-7℃時，R134a熱泵相較于PTC制熱可提升20%續(xù)航里程。但常規(guī)的熱泵系統(tǒng)有一定環(huán)境溫度的局限性，在車外溫度較低時，車外換熱器溫度與外界環(huán)境溫度接近，車外換熱器不能有效地從外界環(huán)境吸收熱量，導(dǎo)致系統(tǒng)無法繼續(xù)運行，一般只能適應(yīng)-10℃以上，且效率會隨溫度降低而降低。而目前比較前沿的技術(shù)是CO熱泵，CO的蒸發(fā)潛熱較大，能做到零下30℃依然可以工作，并且采暖效率比R134a空調(diào)系統(tǒng)高30%以上，續(xù)駛里程可以提升15%。Model Y和新款Model 3采用的熱泵管理方式，通過控制膨脹閥開度、止向閥及八通閥動作來控制冷媒的循環(huán)，控制系統(tǒng)總共12種制熱模式，3種制冷模式。

圖10 熱泵空調(diào)原理與系統(tǒng)組成

6）動力電池保溫技術(shù)。正常工作下，電池包運行溫度可依靠自身發(fā)熱維持，但在極寒環(huán)境及長時間停車情況下，除需要加熱外還要進行隔熱保溫，減緩預(yù)熱熱量的散失。動力電池包箱體保溫目前強化方向是：箱體表面噴涂薄層（3mm）PVC裝甲，箱體內(nèi)腔覆蓋保溫材料（保溫泡綿，二氧化硅氣凝膠-導(dǎo)熱系數(shù)0.013W/mk），封堵空氣通道、型材腔體與地板間隙等。

7）動力電池恒溫管理。電池恒溫管理由電池管理系統(tǒng)（BMS）完成，主要包括冷卻、加熱以及溫度均衡。在極寒條件下，BMS通過導(dǎo)熱介質(zhì)、測控單元以及溫控設(shè)備構(gòu)成閉環(huán)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，始終讓電池保持在恒溫狀態(tài)下運行。溫度均衡則用來減小電池組內(nèi)部的溫度差異，防止某一部分電池過熱而造成其壽命的快速衰減。

3 結(jié)論

低溫對電動汽車?yán)m(xù)航里程的影響是一個無法回避的問題，主要原因是動力電池所具有的的理化性能對溫度的變化較敏感，因此電池抗低溫性能以及材料的研發(fā)、改進是今后解決的首要問題。當(dāng)前研究與應(yīng)用的主流技術(shù)是鋰電池的加熱與保溫技術(shù)以及提高電動汽車的電能利用效率技術(shù)，隨著新能源電動汽車的發(fā)展及產(chǎn)能的不斷擴大及相關(guān)企業(yè)、科研單位對這方面的重視與研發(fā)的不斷投入，相信制約電動汽車低溫運行的電池技術(shù)必將被突破。