新能源汽車動(dòng)力電池低溫加熱技術(shù)對(duì)比分析

關(guān)鍵詞：新能源汽車；動(dòng)力電池；低溫加熱

0前言

加強(qiáng)對(duì)新能源汽車技術(shù)的研究是當(dāng)下汽車工業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，世界各國(guó)紛紛加大對(duì)新能源汽車的研究力度，我國(guó)在十二五規(guī)劃中就提出了新能源汽車發(fā)展路線圖。在相關(guān)政策的持續(xù)推動(dòng)下，中國(guó)新能源汽車的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，特別是在氣溫相對(duì)較低的北部地區(qū)，新能源汽車的市場(chǎng)需求也逐步上升。然而，低溫環(huán)境對(duì)動(dòng)力電池性能的不良影響，已經(jīng)成為制約新能源汽車進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)重要因素［1-2］。在較低氣溫（0 ℃）下，動(dòng)力電池的電芯內(nèi)部電解液電導(dǎo)率降低、電荷轉(zhuǎn)移速率下降等導(dǎo)致其內(nèi)阻明顯增大，充電容量和輸出功率急劇下降；另外，低溫下鋰離子容易生成鋰枝晶，刺破隔膜影響電池循環(huán)壽命，甚至造成動(dòng)力電池短路而引發(fā)安全問(wèn)題。為此，需要加大力度重點(diǎn)研究動(dòng)力電池低溫加熱技術(shù)，使鋰離子動(dòng)力電池在充電、放電之前進(jìn)行加熱，以確保其在使用過(guò)程中保持高性能。

在熱管理領(lǐng)域，對(duì)動(dòng)力電池低溫加熱技術(shù)的研究一直備受關(guān)注。盡管學(xué)者們持有不同的研究觀點(diǎn)，但其普遍的共識(shí)是動(dòng)力電池低溫加熱技術(shù)不僅可以防止電池的綜合電性能在低溫條件下急劇衰減，還能避免由鋰枝晶引發(fā)電池內(nèi)部短路產(chǎn)生的安全問(wèn)題［3］。

根據(jù)熱源布置的具體位置，動(dòng)力電池低溫加熱方法分為外部加熱法和內(nèi)部加熱法［4］。外部加熱法主要是通過(guò)外部熱源熱傳導(dǎo)或熱輻射等方式將熱量施加給動(dòng)力電池，一般較容易實(shí)現(xiàn)，但安全隱患相對(duì)較大；內(nèi)部加熱法是利用電芯內(nèi)部的阻抗以及內(nèi)部材料的化學(xué)反應(yīng)對(duì)電池進(jìn)行加熱，具有加熱效率高、電池升溫快和能耗低的特點(diǎn)［5］。

1外部加熱法

外部加熱法的核心技術(shù)和研究熱點(diǎn)主要集中在兩方面，一是基于流體熱輻射方式，對(duì)空氣、液體或其他相變材料進(jìn)行加熱，然后間接加熱動(dòng)力電池；二是基于電加熱元件熱傳導(dǎo)方式（如加熱膜、加熱板等），對(duì)膜和板進(jìn)行通電繼而發(fā)熱，將熱量傳遞給動(dòng)力電池，屬于電能轉(zhuǎn)化成熱能。動(dòng)力電池不同的外部加熱方法見(jiàn)表1。

1. 1氣體加熱

氣體加熱系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加熱過(guò)程原理如圖1所示，將自然空氣通過(guò)獨(dú)立加熱器或空調(diào)加熱箱預(yù)熱后，再經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)（風(fēng)扇）輸送至待加熱電池組。

王發(fā)成等［6］設(shè)計(jì)并制造了使用電熱絲來(lái)加熱空氣的加熱箱，以車載動(dòng)力電池組為加熱對(duì)象，使用自然、吸氣和吹氣3 種模式對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行鼓風(fēng)加熱，3 種模式下均能在-15 ℃的低溫條件下，將電池單體加熱到0 ℃。從加熱的數(shù)據(jù)來(lái)看，吹氣模式下單體電池表面溫度呈直線上升趨勢(shì)，溫度每上升1 K 所需時(shí)間為87 s，合計(jì)0.69 K/min。另外，通過(guò)對(duì)不同模式、不同環(huán)境溫度下的試驗(yàn)結(jié)果分析，得出電池單體的溫差均為8 K 左右。JI 等［7］以18650 型的圓柱動(dòng)力電池組為研究對(duì)象，并通過(guò)仿真模型來(lái)研究電池組內(nèi)部熱量生成的機(jī)理。仿真結(jié)果顯示，氣體的比熱容相對(duì)較小，研究對(duì)象的升溫速度約為0.50 K/min，升溫速率相對(duì)較慢。氣體加熱法雖然具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，但其升溫速度相對(duì)緩慢，無(wú)法快速提升動(dòng)力電池的溫度，不能滿足人們對(duì)新能源汽車的使用需求。

1. 2 電熱元件加熱

對(duì)于新能源汽車動(dòng)力電池，電熱元件加熱法主要包括電熱板加熱和電熱膜加熱，電熱元件通電并產(chǎn)生熱量，再通過(guò)熱傳導(dǎo)或熱輻射的形式將熱量傳遞給動(dòng)力電池，其加熱速率明顯高于氣體加熱法。電熱板結(jié)構(gòu)一般多用于方形鋁殼電池組，且置于動(dòng)力電池組底部；電熱膜結(jié)構(gòu)柔性較好，形狀變化較大，多用于圓柱形電池組。電熱元件加熱原理如圖2所示。

電熱板主要由正溫度系數(shù)（PTC）的電阻材料構(gòu)成，動(dòng)力電池充電時(shí)，外電路先給PTC 電阻通電，使其發(fā)熱并將熱量傳遞給動(dòng)力電池。PTC 電阻采用特殊工藝制成，具有良好的導(dǎo)熱性能、熱容大、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。ZHANG 等［8］以雙源無(wú)軌電車作為研究對(duì)象，在車載動(dòng)力電池組（包含外部電池組和內(nèi)部電池組）下放置PTC 電熱板，試驗(yàn)結(jié)果顯示外部電池組和內(nèi)部電池組的溫度均呈線性上升，且溫升過(guò)程中的溫差合理控制在一定范圍。ZHANG 等［9］通過(guò)對(duì)新能源汽車鋰離子PTC 電池組加熱進(jìn)行建模仿真和試驗(yàn)，計(jì)算PTC 材料的產(chǎn)熱率并對(duì)加熱過(guò)程中的熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性，確認(rèn)了加熱后動(dòng)力電池包的溫度分布保持了良好的均勻性且動(dòng)力電池的溫升速率約為0.35 K/min。

電熱膜與PTC 電熱板的結(jié)構(gòu)相似，均采用電池表面熱傳導(dǎo)方式加熱。電熱膜通常選用厚度為1～2 mm 的FR4 材料，上下表面再覆蓋銅膜，下銅膜嵌入加熱電阻絲并從兩端引出電源線。劉存山等［10］利用PTC 加熱器和電熱膜加熱器對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行加熱/保溫模擬仿真和試驗(yàn)。結(jié)果顯示，電熱膜加熱器在溫升速率和溫差控制方面均優(yōu)于PTC加熱器。LEI 等［11］采用內(nèi)嵌寬線金屬膜的電熱膜加熱法，進(jìn)行了動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下的大功率（35 A·h）充放電特性試驗(yàn)。結(jié)果顯示，動(dòng)力電池的溫升速率約為2.70 K/min，充電容量保持率高達(dá)92%，單體電芯溫差控制也相對(duì)較好。

1. 3 液體加熱

液體加熱系統(tǒng)中需預(yù)設(shè)液體流動(dòng)通道，流道既要求熱轉(zhuǎn)換效率高，又要求保證流道的氣密性，因此該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，液體加熱原理如圖3 所示。液體加熱系統(tǒng)主要由加熱裝置、換熱器、液泵和流道組成，換熱器主要為空腔板材結(jié)構(gòu)，空腔板材與蓄電池直接接觸。溫度較高的液體介質(zhì)通過(guò)換熱器，將熱量傳遞給動(dòng)力電池組。

羅玉濤等［12］提出在油液循環(huán)工況下，極限低溫為-30 ℃時(shí)預(yù)加熱35 min；一般低溫為-10 ℃時(shí)預(yù)加熱12 min，電池組加熱效果明顯，溫升速率均約為0.85 K/min。預(yù)加熱后，電池組放電電壓升高，能夠顯著提升電池組的放電性能，且在升溫過(guò)程中電池組溫差控制在3 K 以內(nèi)。比亞迪股份有限公司在其《一種液冷板、電池液冷系統(tǒng)及具有該電池液冷系統(tǒng)的車輛》的發(fā)明專利（CN213483829U）中設(shè)計(jì)了一種液冷板，該液冷板可以同時(shí)進(jìn)行冷卻和加熱，并設(shè)置有獨(dú)立的循環(huán)通道，通道的兩端連接進(jìn)液口和出液口，且通道沿著液冷板邊緣內(nèi)周設(shè)置，避免冷卻液因流向單一而導(dǎo)致整體電池產(chǎn)生較大的溫差［13］。比亞迪王朝全系列純電動(dòng)車型的動(dòng)力電池?zé)峁芾砭捎靡豪湟簾嵯到y(tǒng)，液體加熱在當(dāng)前動(dòng)力電池?zé)峁芾碇袘?yīng)用廣泛。

2內(nèi)部加熱法

內(nèi)部加熱法將熱源布置于電芯內(nèi)部，主要利用鋰離子動(dòng)力電池在低溫下阻抗增大的特點(diǎn)，通過(guò)外接電源或利用自身能量在電芯內(nèi)部產(chǎn)生焦耳熱。相較于外部加熱法，該方法既縮短了冗長(zhǎng)的熱量傳遞路徑，又避免了局部過(guò)熱，從而更好地保持電芯溫度的一致性。動(dòng)力電池不同的內(nèi)部加熱法見(jiàn)表2。

2. 1內(nèi)置加熱極片

WANG 等［14］設(shè)計(jì)了一種內(nèi)置加熱極片的動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)。電芯內(nèi)部含正極、負(fù)極和加熱3 種極片。加熱極片是帶有2 個(gè)極耳的鎳箔，主要用于產(chǎn)生歐姆熱，其中一個(gè)極耳連接至電池負(fù)極端子，另外一個(gè)極耳連接至加熱端子（即加熱極耳），如圖4所示。加熱極耳、負(fù)極端子和鎳箔極片組成回路的開(kāi)斷由電池表面溫度來(lái)控制，當(dāng)動(dòng)力電池的表層溫度加熱到目標(biāo)溫度時(shí)，斷開(kāi)加熱回路，內(nèi)置加熱極片的動(dòng)力電池變成了正常充放電的鋰離子動(dòng)力電池。該結(jié)構(gòu)可以使動(dòng)力電池實(shí)現(xiàn)從-30 ℃到0 ℃僅需0.5 h，溫升速率高達(dá)60 K/min，且僅需消耗約5.5% 的動(dòng)力電池自身能量。然而，內(nèi)置加熱電極會(huì)改變內(nèi)部電池的結(jié)構(gòu)，增加了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的復(fù)雜性，該方法對(duì)電池使用壽命和安全性的影響仍有待研究驗(yàn)證［15］。

2. 2高頻交流自加熱

高頻交流自加熱法無(wú)需在電池內(nèi)部增加加熱極片，利用其在低溫條件下的高阻抗特性，在正負(fù)極之間施加高頻率、定幅值的交流電，使電池自身阻抗產(chǎn)生大量的電化學(xué)熱量，在電池內(nèi)部進(jìn)行自加熱。高頻交流自加熱具有加熱速度快、能量損失低，以及溫度分布均勻等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。楊瑩瑩等［16］研究了不同電流、不同頻率對(duì)電池內(nèi)部加熱的影響，但電流和頻率參數(shù)為多組的不變量，在加熱過(guò)程中未出現(xiàn)隨著溫度的升高電流幅值增大的現(xiàn)象，但由于在加熱初期電流幅值過(guò)大對(duì)電池造成了一定的損傷，在加熱后期溫升速率會(huì)明顯降低。徐智慧等［17］探究了動(dòng)力電池內(nèi)部加熱的溫度自適應(yīng)內(nèi)部加熱法，該方法在加熱過(guò)程中通過(guò)溫升模型實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前動(dòng)力電池的端電壓和溫度參數(shù)，從而調(diào)整動(dòng)力電池內(nèi)部加熱的電流幅值和頻率。

韓京伯［18］提出了一種基于新能源汽車電驅(qū)逆變器重構(gòu)的自加熱方法，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組作為儲(chǔ)能元件，將電機(jī)逆變作為額外設(shè)備對(duì)電池進(jìn)行低溫交流加熱，交流加熱電路原理如圖5 所示。結(jié)果表明，所提出的方法能夠有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，可在403 s 內(nèi)將電池從-20 ℃ 加熱到0 ℃ ，溫升速率為2.98 K/min，且單次加熱僅消耗4.4% 的電池荷電量。

3結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)比分析了新能源汽車動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下的主流加熱方法，從溫升速率、電池溫差、能耗，以及使用場(chǎng)景等方面對(duì)內(nèi)部加熱法和外部加熱法進(jìn)行了綜合對(duì)比分析。

電熱元件加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，但溫升速率不能滿足現(xiàn)代汽車的需求，且電熱膜和電熱板存在因電路故障導(dǎo)致干燒的風(fēng)險(xiǎn)。液體加熱法加熱時(shí)間短，溫升速率快，加熱過(guò)程中溫差相對(duì)較小，可以保持動(dòng)力電池組溫度的一致性，充電容量保持率較高。動(dòng)力電池低溫加熱技術(shù)的最終目的是保持電池的高容量和高功率，從經(jīng)濟(jì)、安全及應(yīng)用等方面來(lái)看，液冷液熱集成方法是目前的主流方法。

內(nèi)部加熱法溫升速率快，加熱過(guò)程中溫差小，不存在熱源干燒或液體泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，但需要外接設(shè)備且加熱過(guò)程中控制程序復(fù)雜，可控性較差，對(duì)電池使用壽命和安全的影響尚不明確。目前，內(nèi)部加熱法仍處于研究階段，且研究熱度較高，尤其是利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆變提供高頻交流電進(jìn)行加熱的方法受到了研究人員的重視。