新能源汽車動力電池低溫加熱技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

馬秀勤,程正偉,仇 磊,李永湘

（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學院機械工程學院,貴州 畢節(jié) 551700）

0 引言

隨著能源緊缺和環(huán)境污染問題的日益突出，新能源汽車作為傳統(tǒng)燃油車的替代品，受到了政府和社會的廣泛關(guān)注。動力電池作為新能源汽車的核心部件，其溫度控制對于電池的性能、壽命和安全性至關(guān)重要。然而，新能源汽車在極寒條件下的性能表現(xiàn)受到了限制，其中一個主要原因是動力電池的低溫效應(yīng)。動力電池在低溫環(huán)境下其可用能量和功率衰減嚴重，原因是在低溫環(huán)境下，動力電池的電荷傳輸速率會降低，電池內(nèi)部的化學反應(yīng)也會減緩，導致電池容量和功率輸出下降。尤其是長期處于低溫環(huán)境下使用會加速動力電池的老化，影響電池的充放電安全性，降低其整體性能，縮短使用壽命，進而影響新能源汽車的可靠性和可用性[1-4]。為解決這一問題，動力電池低溫加熱技術(shù)應(yīng)運而生。低溫加熱技術(shù)是通過向動力電池供應(yīng)熱量，提高電池溫度，從而改善電池的性能。

研究表明，在-10 ℃時，新能源汽車鋰離子動力電池的容量和工作壓力會明顯降低，當環(huán)境溫度降低至-20 ℃時，其放電容量大約為常溫時的30%[5-6]。低溫加熱技術(shù)對于新能源汽車的正常運行至關(guān)重要，動力電池的低溫加熱技術(shù)已逐漸得到研究者的廣泛關(guān)注。該文對動力電池低溫加熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行了分析，在此基礎(chǔ)上，對動力電池低溫加熱技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 動力電池低溫加熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 動力電池低溫性能衰減機制

動力電池在低溫環(huán)境下會出現(xiàn)性能衰減[7]。研究者們普遍采用建立電池模型，開展仿真分析與實驗驗證的方式對電池低溫環(huán)境下的衰減機制進行研究。T. Waldmann等[8]研究發(fā)現(xiàn)，低溫充電的正極鋰離子電池在其負極有鋰枝晶析出，而常溫下無該現(xiàn)象。由此認為，析鋰是引發(fā)鋰離子電池低溫充電容量衰減的主要因素。魚樂等人[9]以鋰離子電池為實驗對象，建立的低溫充電容量衰減規(guī)律的多應(yīng)力經(jīng)驗模型預測效果較好。樊亞平[10]對鋰離子電池全生命周期內(nèi)容量衰減機理進行了研究，發(fā)現(xiàn)電池容量衰減主要是由于低溫下鋰離子擴散速率低，導致循環(huán)期間在負極表面析鋰、阻抗增大、活性鋰損失，從而導致電池極化增大、容量衰減；過充會使負極表面析鋰，同時會使電解液發(fā)生分解，從而導致電池容量衰減，為電池在低溫條件下的性能診斷和安全狀態(tài)評估提供了參考。整體來看，電池在低溫環(huán)境下的衰減機制主要包括：

（1）電化學反應(yīng)速率降低。低溫下，電解質(zhì)的離子傳導能力降低，導致電化學反應(yīng)速率減慢，降低了電池的功率輸出能力。

（2）枝晶生長。低溫下，電池中的鋰離子會生成枝晶，導致電池內(nèi)部的電解質(zhì)膜破裂，影響電池的循環(huán)壽命。

（3）電極活性物質(zhì)的失活。低溫下，電極活性物質(zhì)的反應(yīng)活性降低，導致電極的儲能能力下降。

1.2 電加熱技術(shù)

傳統(tǒng)的電加熱技術(shù)主要通過在電池外部加熱提高電池的溫度。這種方法通常使用電加熱絲或加熱板將熱量傳遞給電池。然而，傳統(tǒng)的電加熱技術(shù)存在以下問題：

（1）熱量傳遞效率低。由于電池與外部加熱裝置之間存在熱阻，傳統(tǒng)的電加熱技術(shù)往往需要較長的加熱時間才能將電池加熱到所需溫度。

（2）能耗較高。需要消耗大量的電能來加熱電池，從而增加車輛的能耗，降低車輛的續(xù)航里程。

（3）溫差大。電池組分布不均，電池單體之間出現(xiàn)較大溫差，對電池組整體使用壽命不利。

隨著研究的深入，學者們提出了內(nèi)部充電加熱法。該方法利用電流通過有一定電阻值的導體所產(chǎn)生的焦耳熱來加熱動力電池。相較于外部電加熱法，內(nèi)部充電加熱法具有所需能量低、經(jīng)濟性高的特點[11-13]。吉祥等人[14]提出一種自放電限流電路加熱電池包的方法，可實現(xiàn)低溫條件下電池自發(fā)加熱達到正常工作溫度，其具有加熱時間短、電池損耗低的特點，在一定程度上可以延長電池的使用壽命，降低安全風險。但為了避免在充電過程中電池產(chǎn)生過壓，需嚴格控制電池電壓，在一定程度上限制了加熱的靈活性以及加熱效果。

1.3 流體循環(huán)加熱技術(shù)

流體循環(huán)加熱技術(shù)是一種將熱量通過循環(huán)流體傳遞給電池的方法，主要包括熱交換器、循環(huán)流體和控制系統(tǒng)三部分。在電池周圍設(shè)置熱交換器，熱交換器中有高溫流體流動，通過對流傳熱和熱傳導等方式將循環(huán)流體的熱量傳遞給電池，從而實現(xiàn)對電池的加熱。循環(huán)流體流經(jīng)熱交換器溫度降低，經(jīng)循環(huán)管路加熱后又進入熱交換器開始下一輪工作循環(huán)?？刂葡到y(tǒng)則用于調(diào)節(jié)循環(huán)流體的溫度和流速，以確保電池的溫度在合適的范圍內(nèi)。根據(jù)流體的不同，可采用空氣、水、乙二醇、油以及制冷劑等作為傳熱介質(zhì)。流體循環(huán)加熱技術(shù)可以提高熱能的傳遞效率、減少能耗、加熱均勻性好，并且可以實現(xiàn)對電池溫度的精確控制，但需對流道進行特殊設(shè)計，存在系統(tǒng)復雜、泄漏風險大等問題。

1.4 相變材料加熱技術(shù)

相變材料加熱技術(shù)是一種利用相變材料的相變過程釋放熱量來加熱電池的方法。將相變材料加熱到相變溫度以上，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀態(tài)，并儲存熱能。當電池溫度低于所需溫度時，相變材料釋放儲存的熱量，將電池加熱至所需溫度。不同類型的相變材料釋放熱量的能力有差別，通常選取具有合適相變溫度且可控變化的固體－液體相變材料。相變材料加熱技術(shù)具有加熱速度快、熱能儲存密度高和加熱溫度可控等優(yōu)點，可以有效地提高電池的低溫性能[15-16]。

2 動力電池低溫加熱技術(shù)的研究熱點和挑戰(zhàn)

2.1 提高加熱效率與降低能源消耗

傳統(tǒng)的電加熱技術(shù)加熱效率低，電池加熱需要較長時間。因此，研究人員致力于開發(fā)更高效的加熱技術(shù)，例如液體循環(huán)加熱技術(shù)和相變材料加熱技術(shù)。通過優(yōu)化設(shè)計和材料選擇，可以提高加熱效率，減少加熱時間。外部加熱方法依靠外部加熱源通過熱傳導來加熱動力電池，其結(jié)構(gòu)較為復雜、能耗較高、加熱溫度場分布不均勻、加熱速度較慢；內(nèi)部加熱方法依靠動力電池自身阻抗產(chǎn)熱，具有加熱快速且發(fā)熱均勻的優(yōu)點。為進一步提高加熱效率，優(yōu)化加熱策略吸引了研究者的注意[17-20]。其中的交流加熱方法因具有對動力電池能耗小、溫度場分布均勻、使用成本較低和加熱效率較高的優(yōu)勢已成為人們關(guān)注的焦點之一。宋彥孔[21]對電池單體內(nèi)部交流加熱策略進行了研究，實現(xiàn)了50%SOC下的圓柱電池在580 s內(nèi)從-15~5 ℃的加熱。洪彪明[22]對電池內(nèi)部交流加熱裝置進行了研究，提出了兩種鋰離子電池內(nèi)部交流預熱電路，并通過仿真分析確定了加熱電路的最佳開關(guān)頻率，該加熱電路可在425 s內(nèi)將電池從-15 ℃加熱到5 ℃。電池加熱后，需維持在適宜的工作環(huán)境溫度內(nèi)。裴國亮[23]對電池自加熱保溫方法進行研究并對其裝置進行了開發(fā)，預測了在環(huán)境溫度-15 ℃下電池在不同頻率下保持在0 ℃時的最小邊界電流并進行了實驗驗證。焦紅星[24]提出的動力電池低溫加熱策略有效地避免了低溫充電過程中模式轉(zhuǎn)換失敗的風險，確保電動汽車在極端條件下的充電穩(wěn)定性及安全性。但無論是對電加熱技術(shù)的改進，抑或?qū)訜岵呗缘膬?yōu)化，電加熱技術(shù)都需要消耗大量的電能來實現(xiàn)電池的加熱，進而增加車輛的能耗，降低其續(xù)航里程。為了降低由于低溫環(huán)境對電池加熱所導致的能量消耗，需不斷探索使用更高效的能源供應(yīng)系統(tǒng)，例如利用廢熱回收技術(shù)將車輛廢熱轉(zhuǎn)化為加熱能源[25]。

2.2 減小系統(tǒng)復雜性與降低制造成本

通常，電池低溫加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括加熱元件、溫度傳感器、控制器和供電系統(tǒng)等組成部分。加熱元件可以采用多種方式實現(xiàn)，常見的包括電熱絲、電熱膜、PTC熱敏電阻、熱管等[26-27]。電池低溫加熱系統(tǒng)的復雜程度取決于具體的應(yīng)用場景和要求。若只需將電池保持在一個相對較高的溫度下，其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制較為簡單。但是，要實現(xiàn)電池溫度的精確控制，并且在不同環(huán)境條件下能夠自動調(diào)節(jié)加熱功率，那么系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制就會相對復雜。流體循環(huán)雖然傳熱效率和能耗均較為理想，但流體的熱導率、黏度、密度和流動速度等因素會影響流體與電池之間的傳熱速率，同時，為了增強傳熱，流體的流道結(jié)構(gòu)復雜、密封性及絕緣性要求高，會增加整個電池箱設(shè)計的復雜程度，從而提高其成本。

3 結(jié)語

溫度是影響動力電池性能的關(guān)鍵因素，動力電池低溫加熱技術(shù)的研究可降低其低溫下的可用能量和功率衰減嚴重的問題，增強新能源汽車低溫環(huán)境下的可用性和可靠性。新能源汽車動力電池低溫加熱技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，對于提高新能源汽車在低溫乃至極寒環(huán)境下的性能表現(xiàn)具有重要意義。電加熱、流體循環(huán)加熱和相變材料加熱等技術(shù)各有優(yōu)缺點，從提高加熱效率與降低能源消耗、減小系統(tǒng)復雜性與降低制造成本的角度來看，新能源汽車動力電池低溫加熱技術(shù)還存在以下方面的問題有待進一步研究。

（1）研究新型加熱材料。目前使用的導熱材料在低溫下的加熱效果有限，一定程度上限制了電池加熱效率的提高以及新能源汽車的應(yīng)用場景，需尋找具有更高導熱性能和更低溫度激活性能的新型材料，以提高加熱效率和響應(yīng)速度，改善電池的導熱性能和加熱均勻性。

（2）應(yīng)用智能控制策略。智能控制技術(shù)可以通過實時監(jiān)測電池溫度、外部環(huán)境條件和電池狀態(tài)等信息，自動調(diào)節(jié)加熱功率和加熱時間，以實現(xiàn)最佳的加熱效果，提高能源利用率，減少能源消耗，同時保護電池不受過熱或過冷的影響，降低潛在的風險。

（3）多種低溫加熱技術(shù)的綜合應(yīng)用。當前的低溫加熱技術(shù)多為單一方式，未來可以將不同的低溫加熱技術(shù)進行綜合應(yīng)用，進一步提高電池低溫加熱效果和加熱的均勻性。

（4）系統(tǒng)集成的優(yōu)化。為順應(yīng)汽車輕量化以及緊湊化的發(fā)展趨勢，需進一步通過優(yōu)化設(shè)計和布局，將加熱裝置、傳感器、控制系統(tǒng)等組件緊密集成在一起，以減少系統(tǒng)復雜性和體積。還可以考慮將低溫加熱系統(tǒng)與其他車輛系統(tǒng)進行集成，以實現(xiàn)更高效的能量利用和整體性能提升。