汽車動力電池低溫加熱方法研究

劉存山，張紅偉

(1.東莞職業技術學院，廣東東莞523808；2.廣州科技貿易職業學院，廣東廣州511442)

汽車動力電池低溫加熱方法研究

劉存山1，張紅偉2

(1.東莞職業技術學院，廣東東莞523808；2.廣州科技貿易職業學院，廣東廣州511442)

為滿足汽車動力電池的低溫使用要求，根據傳熱學的原理，建立了動力電池的低溫加熱模型，并利用該模型設計了低溫加熱方案，通過對比分析兩種不同的低溫加熱器的優缺點，選用了電熱膜加熱器方法。仿真計算和實驗結果表明，設計的電熱膜加熱器具有良好的低溫加熱效果，不會影響動力電池的散熱，而且具有良好的常溫保持性能。

電動汽車；低溫加熱；電熱膜加熱器

車載可充電儲能裝置 (rechargeable energy storage system，RESS)是插電式混合動力電動汽車和純電動汽車重要的能量存儲裝置，直接影響到整車的動力性和安全性。現階段由于動力電池材料所限，動力電池的性能還無法滿足低溫和高溫環境下的使用要求，因此需要設計單獨的動力電池系統的溫度管理系統(battery thermal management，BTM)來對動力電池進行安全監控和有效管理，使動力電池始終工作在合適的溫度范圍內，避免影響車輛的使用甚至引起安全事故，同時避免動力電池單體長時間存在較大的溫差造成電池一致性惡化，從而降低動力電池系統的性能，縮短電池的使用壽命[1-2]。

本文以一款特殊結構類型的插電式混合動力車輛——增程式純電動汽車(extended ranged electric vehicle，E-REV)使用的鋰離子動力電池為研究對象，研究低溫情況下動力電池的加熱和保溫方法。

1 E-REV的低溫下動力電池使用問題

E-REV是一種新型結構的純電動驅動類汽車，是純電動汽車的增程。和其他過渡車型相比，E-REV在能源利用效率、價格、使用方便性上具有明顯的優勢，可以共用現有汽車發動機的生產設備、加油、維修等保障體系，解決了純電動汽車對于基礎充電設施過度依賴的缺點，因此最近幾年來，各大整車企業開始加大對E-REV的研究[3-4]。

本文研究的E-REV從基本結構上來講是一款串聯式的純電動驅動車輛。在低溫環境下(例如－30℃)，如果動力電池不能充電或者沒有足夠的功率驅動車輛行駛，則增程式發動機不能啟動或車輛不能行駛，E-REV完全無法使用；即使動力電池在低溫下可以放出少量的電能驅動車輛行駛，整車動力性也會明顯下降；同時由于鋰離子動力電池的低溫充電性能較差，在不能及時給動力電池充電的情況下，動力電池最終會被放空導致車輛完全失去動力。因此該款E-REV動力電池的低溫加熱功能非常必要，也是BTM設計的重要內容。

2 RESS的低溫加熱方法

表1列出了該款E-REV的動力電池在低溫情況下的充放電容量與常溫25℃標稱容量的對比測試數據。由表1可知，低溫下動力電池1C充放電容量下降得厲害，特別是在－30℃下動力電池容量幾乎等于0，已經無法使用。表1的測試結果側面說明了動力電池低溫加熱功能的重要性。

表1 動力電池低溫充放電容量(1C）

動力電池低溫加熱和保溫功能的設計要求：

(1)電池溫度為－20℃時，加熱到5℃的時間小于6 h；

(2)－20℃環境溫度下，常溫狀態的電池包擱置12 h，溫度下降≤20℃；

(3)－20℃環境溫度下，電池加熱系統可以維持電池溫度在10℃以上。

為滿足以上設計目標，需要對動力電池的低溫加熱系統進行針對性的設計。動力電池低溫加熱系統的能量來源主要有兩種方式，如表2所示。

綜合對比兩種加熱方式的優缺點，同時對標市場上目前較為成功的量產車型——通用汽車的沃藍達和豐田公司的插電式普銳斯車型RESS的低溫加熱方案，選用通過充電機從電網取電方式作為動力電池低溫加熱系統的加熱能量來源。通過車載充電機輸入給動力電池的加熱能量，設計輸入參數為DC 330 V、峰值6 A的充電電流，該參數作為動力電池低溫加熱/保溫系統的能量來源。

表2 動力電池低溫加熱能量來源對比

2.1 RESS的動力電池加熱模型

該款RESS的冷卻方式為強制風冷，因此選用瞬態傳導方程建立動力電池的加熱模型進行仿真計算[5]。

式中：ρ為材料密度；cp為質量定壓熱容；λ為熱導率；T為溫度；q為單位體積生熱率；q(t)為電池加熱時的熱流密度；ΔT為電池表面溫度和環境溫度的差值；h為電池表面與空氣的對流換熱系數[6-8]。

表3為實驗得到的鋰離子動力電池計算參數。

表3 動力電池的計算參數

2.2 RESS的動力電池加熱方案

RESS的動力電池加熱電路和充電電路呈并聯結構，電池低溫情況下充電的基本原則是先加熱再充電。當充電機連通電網后，如果動力電池需要充電，則RESS控制充電繼電器閉合，充電回路接通，開始充電；如果動力電池溫度過低需要加熱，則RESS控制加熱繼電器閉合，加熱電路接通，動力電池開始加熱。

動力電池的加熱裝置采用并聯式加熱方法，以免加熱裝置分壓不均造成動力電池加熱溫度不均勻，增大電池單體直接的溫差，造成電池之間的不一致性。

非液冷的RESS動力電池的加熱方法主要有PTC(positive temperature coeddicient)加熱器法和電熱膜加熱器法兩種方式。

2.3 RESS的動力電池PTC加熱器法

該方法的基本原理是在動力電池模塊中不同電池單體之間增加加熱板，加熱板和PTC加熱器連接進行加熱，加熱板通常采用鋁制，貼近電池單體一側，鋁制加熱板不能影響電池的散熱，同時還要盡量避免電池的絕緣問題。在加熱器不工作的情況下，加熱板有利于動力電池的輻射散熱，如圖1所示。

圖1 動力電池PTC和電熱膜加熱方案

2.4 RESS的動力電池電熱膜加熱器法

動力電池電熱膜加熱器法與PTC加熱器法相比，結構類似，只是加熱方法有所不同。電熱膜選用1 mm厚度的FR4板材，兩面覆蓋銅膜，加熱電阻絲安裝在其中一面的銅膜內，兩端引出電源線。銅膜的表面覆蓋有絕緣耐磨層。

表4是兩種加熱方法的優缺點對比，可以看出，電熱膜加熱器法優勢明顯，更適合作為動力電池低溫加熱/保溫方法的首選。本文選擇電熱膜加熱器法作為RESS動力電池的低溫加熱方法。

表4 動力電池PTC加熱法和電熱膜加熱法對比

3 RESS動力電池低溫加熱/保溫模擬仿真

利用建立的電池加熱模型進行動力電池的低溫加熱/保溫模擬仿真實驗。設置恒定加熱功率為1.65 kW，將動力電池在－20℃的環境溫度下由同一個溫度值進行加熱仿真計算，電池溫度達到5℃時終止計算；將動力電池溫度設置為常溫25℃，設置環境溫度－20℃，啟動加熱器進行常溫保溫仿真計算，計算時間為5 h，得到圖2所示的仿真結果。

圖2 動力電池低溫加熱(上圖)和常溫保溫仿真(下圖)

由圖2可知，設計的電熱膜加熱裝置將動力電池由低溫－20℃加熱到5℃需要約4 h，加熱器溫度和電池溫度上升曲線呈現接近線形變化趨勢；由圖2下圖仿真結果可知，經過5 h的保溫實驗后，動力電池溫度下降為17℃左右，加熱器溫度和電池溫度曲線呈現線形下降關系，由此可以推知RESS動力電池加熱/保溫裝置能夠滿足設計要求。

4 RESS動力電池低溫加熱/保溫實驗驗證

為方便采集動力電池和加熱器溫度，節省實驗成本，采用10串的電池模塊作為實驗樣品進行替代實驗。將實驗電池模塊放入恒溫箱中，外接電池充放電設備進行實驗，電池的溫度采集位置為極耳位置。為驗證前文分析的結論，電池低溫加熱實驗采用PTC加熱法和電熱膜加熱法同時進行。

4.1 電池低溫加熱/干燒實驗

將實驗電池模塊放入(－20±2)℃的溫箱擱置12 h后，啟動加熱器進行實驗，持續10 h后，得到圖3所示的PTC和電熱膜低溫加熱/干燒實驗結果。

圖3 動力電池PTC和電熱膜低溫加熱/干燒實驗

由圖3所示的結果可知，電熱膜低溫加熱的速度明顯快于PTC加熱器，電池溫度由－22℃加熱到5℃，PTC加熱器需要約4.9 h，而電熱膜加熱器僅需3.8 h；加熱約8 h后，PTC加熱器加熱的電池溫度不再上升，維持在43℃左右，此時PTC加熱器的溫度維持在53℃不再上升；電熱膜加熱器在約5 h后將電池加熱至52℃，電池溫度不再上升，電熱膜溫度約68℃。實驗結果滿足設計要求，同時也看出電熱膜加熱器的加熱效果明顯優于PTC加熱器。兩種加熱方式在動力電池溫度不再升高后，繼續長時間干燒也不會造成加熱器的熱失控，同時動力電池的最高溫度也在安全使用范圍內，不會造成潛在的危險。

4.2 電池散熱實驗

將實驗用的電池模塊裝配好加熱器，放置在RESS的電池箱體內部，安裝相應的導流槽和引風風道，安裝冷卻風扇并保證電池箱內部的冷卻風流向與電池模塊散熱片的方向平行，然后將箱體密封。在25℃的環境溫度下，將動力電池充電至充電截止電壓，靜置足夠的時間到電池的溫度和環境溫度≤±2℃，設定冷卻風流量4 m3/min，以2C的恒定電流(即80 A)放電至放電截止電壓，對比測試加裝了PTC散熱器和未加裝PTC散熱器的動力電池模塊散熱情況，如圖4所示。

圖4 動力電池電熱膜常溫散熱對比實驗

由表5中的數據可知，有了電熱膜加熱器后，動力電池模塊的溫升要小于不加電熱膜加熱器的動力電池溫升，這說明電池模塊里面的加熱片在不加熱時，對于電池的散熱是有利的。

表5 動力電池常溫散熱實驗數據

4.3 電池常溫保溫實驗

將實驗電池模塊放置在恒溫箱內，設定常溫條件下擱置足夠長的時間，等到電池的測量溫度≤(25±2)℃后，啟動電熱膜進行加熱工作，同時將恒溫箱的溫度設置為－20℃，開始實驗，記錄電熱膜加熱器溫度、電池溫度和恒溫箱環境溫度，實驗時間5 h，得到圖5所示的結果。

由圖5所示的測試結果可知，將恒溫箱的溫度設置為－20℃后，大約1.5 h后，恒溫箱內部的環境溫度達到平衡，維持在－20℃左右波動，電池溫度在電熱膜加熱器開啟后緩慢

圖5 動力電池電熱膜常溫保溫實驗

下降，在50 min后有明顯的下降，下降幅度在2℃左右，5 h保溫實驗后，電池溫度達到平衡，維持在18℃左右，電熱膜加熱器溫度在36℃左右達到平衡。實驗結果滿足設計要求。

理論仿真和實驗結果表明，采用電熱膜加熱器方案的RESS低溫加熱裝置，低溫加熱速度快，長時間干燒也不會造成加熱器和動力電池的損壞，加熱裝置不啟動時不會影響到電池散熱，常溫保溫能夠將電池溫度維持在較好的溫度范圍內，并維持在良好的熱平衡狀態。

5 結論

(1)根據E-REV的結構特點，針對RESS的低溫加熱需求，建立了低溫加熱模型，并根據此模型進行了仿真計算，設計了合適的低溫加熱裝置；

(2)對比PTC加熱器和電熱膜加熱器的優缺點，確定了電熱膜加熱器方案，并進行了實驗對比，驗證了對比分析的結果；

(3)動力電池低溫加熱/干燒、電池散熱和電池常溫保溫實驗的結果表明，設計的電熱膜加熱方案具有良好的低溫加熱效果，不會影響到電池模塊的散熱，而且具有良好的保溫性能。

本文的研究內容對于動力電池低溫加熱方法的研究有一定的參考意義。

[1]張承寧，雷治國，董玉剛.電動汽車鋰離子電池低溫加熱方法研究[J].北京理工大學學報，2012，32(9)：921-925.

[2]王發成，張俊智，王麗芳.車載動力電池組用空氣電加熱裝置設計[J].電源技術，2013，37(7)：1184-1187.

[3]蘇忠根，龍江啟，周斯加.增程式純電動汽車后碰撞安全性仿真和試驗研究[J].中國機械工程，2013，24(7)：964-970.

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[8]AIAOUI C,SALAMEH Z M.A novel thermal management for electric and hybrid vehicles[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2004,54(2):468-476.

Research on heating method at low temperature of electric vehicle battery

LIU Cun-shan1,ZHANG Hong-wei2
(1.Dongguan Polytechnic,Dongguan Guangdong 523808,China;2.Guangzhou Vocational College of Technology&Business, Guangzhou Guangdong 511442,China)

In order to meet low temperature requirement for electric vehicle battery,battery low temperature heating model and scheme were built and designed based on heat transfer theory. Electric film heater was chosen by comparing the advantages and disadvantages of different low temperature heaters. The simulation and test result show that electric film heater has excellent heating effect,so does not affect cooling function of battery,and has good normal temperature preservation performance.

electric vehicle;heating at low temperature;electric film heater

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1645-03

2015-01-19

廣東教育研究院2014項目(GDJY-2014-B-b235)；東莞職業技術學院高等教育教學改革工程項目(JGXM2013101)

劉存山(1980—)，男，山西省人，碩士，講師，主要研究方向為新能源汽車和汽車故障診斷。