新能源汽車動力電池低溫加熱技術應用與發展

馬秀勤,程正偉,仇 磊,李永湘

（貴州工程應用技術學院機械工程學院,貴州 畢節 551700）

0 引言

隨著能源緊缺和環境污染問題的日益突出，新能源汽車作為傳統燃油車的替代品，受到了政府和社會的廣泛關注。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、壽命和安全性至關重要。然而，新能源汽車在極寒條件下的性能表現受到了限制，其中一個主要原因是動力電池的低溫效應。動力電池在低溫環境下其可用能量和功率衰減嚴重，原因是在低溫環境下，動力電池的電荷傳輸速率會降低，電池內部的化學反應也會減緩，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應運而生。低溫加熱技術是通過向動力電池供應熱量，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]。低溫加熱技術對于新能源汽車的正常運行至關重要，動力電池的低溫加熱技術已逐漸得到研究者的廣泛關注。該文對動力電池低溫加熱技術的研究現狀進行了分析，在此基礎上，對動力電池低溫加熱技術的發展趨勢進行了展望。

1 動力電池低溫加熱技術的研究現狀

1.1 動力電池低溫性能衰減機制

動力電池在低溫環境下會出現性能衰減[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境下的衰減機制進行研究。T. Waldmann等[8]研究發現，低溫充電的正極鋰離子電池在其負極有鋰枝晶析出，而常溫下無該現象。由此認為，析鋰是引發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律的多應力經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容量衰減機理進行了研究，發現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評估提供了參考。整體來看，電池在低溫環境下的衰減機制主要包括：

（1）電化學反應速率降低。低溫下，電解質的離子傳導能力降低，導致電化學反應速率減慢，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，導致電池內部的電解質膜破裂，影響電池的循環壽命。

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

1.2 電加熱技術

傳統的電加熱技術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，傳統的電加熱技術存在以下問題：

（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，傳統的電加熱技術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，降低車輛的續航里程。

（3）溫差大。電池組分布不均，電池單體之間出現較大溫差，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生的焦耳熱來加熱動力電池。相較于外部電加熱法，內部充電加熱法具有所需能量低、經濟性高的特點[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，可實現低溫條件下電池自發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 流體循環加熱技術

流體循環加熱技術是一種將熱量通過循環流體傳遞給電池的方法，主要包括熱交換器、循環流體和控制系統三部分。在電池周圍設置熱交換器，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流體的熱量傳遞給電池，從而實現對電池的加熱。循環流體流經熱交換器溫度降低，經循環管路加熱后又進入熱交換器開始下一輪工作循環。控制系統則用于調節循環流體的溫度和流速，以確保電池的溫度在合適的范圍內。根據流體的不同，可采用空氣、水、乙二醇、油以及制冷劑等作為傳熱介質。流體循環加熱技術可以提高熱能的傳遞效率、減少能耗、加熱均勻性好，并且可以實現對電池溫度的精確控制，但需對流道進行特殊設計，存在系統復雜、泄漏風險大等問題。

1.4 相變材料加熱技術

相變材料加熱技術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，使其轉變為液體狀態，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。相變材料加熱技術具有加熱速度快、熱能儲存密度高和加熱溫度可控等優點，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的研究熱點和挑戰

2.1 提高加熱效率與降低能源消耗

傳統的電加熱技術加熱效率低，電池加熱需要較長時間。因此，研究人員致力于開發更高效的加熱技術，例如液體循環加熱技術和相變材料加熱技術。通過優化設計和材料選擇，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，其結構較為復雜、能耗較高、加熱溫度場分布不均勻、加熱速度較慢；內部加熱方法依靠動力電池自身阻抗產熱，具有加熱快速且發熱均勻的優點。為進一步提高加熱效率，優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勢已成為人們關注的焦點之一。宋彥孔[21]對電池單體內部交流加熱策略進行了研究，實現了50%SOC下的圓柱電池在580 s內從-15~5 ℃的加熱。洪彪明[22]對電池內部交流加熱裝置進行了研究，提出了兩種鋰離子電池內部交流預熱電路，并通過仿真分析確定了加熱電路的最佳開關頻率，該加熱電路可在425 s內將電池從-15 ℃加熱到5 ℃。電池加熱后，需維持在適宜的工作環境溫度內。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，預測了在環境溫度-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換失敗的風險，確保電動汽車在極端條件下的充電穩定性及安全性。但無論是對電加熱技術的改進，抑或對加熱策略的優化，電加熱技術都需要消耗大量的電能來實現電池的加熱，進而增加車輛的能耗，降低其續航里程。為了降低由于低溫環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系統，例如利用廢熱回收技術將車輛廢熱轉化為加熱能源[25]。

2.2 減小系統復雜性與降低制造成本

通常，電池低溫加熱系統的結構包括加熱元件、溫度傳感器、控制器和供電系統等組成部分。加熱元件可以采用多種方式實現，常見的包括電熱絲、電熱膜、PTC熱敏電阻、熱管等[26-27]。電池低溫加熱系統的復雜程度取決于具體的應用場景和要求。若只需將電池保持在一個相對較高的溫度下，其系統的結構和控制較為簡單。但是，要實現電池溫度的精確控制，并且在不同環境條件下能夠自動調節加熱功率，那么系統的結構和控制就會相對復雜。流體循環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，流體的流道結構復雜、密封性及絕緣性要求高，會增加整個電池箱設計的復雜程度，從而提高其成本。

3 結語

溫度是影響動力電池性能的關鍵因素，動力電池低溫加熱技術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的應用與發展，對于提高新能源汽車在低溫乃至極寒環境下的性能表現具有重要意義。電加熱、流體循環加熱和相變材料加熱等技術各有優缺點，從提高加熱效率與降低能源消耗、減小系統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速度，改善電池的導熱性能和加熱均勻性。

（2）應用智能控制策略。智能控制技術可以通過實時監測電池溫度、外部環境條件和電池狀態等信息，自動調節加熱功率和加熱時間，以實現最佳的加熱效果，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）多種低溫加熱技術的綜合應用。當前的低溫加熱技術多為單一方式，未來可以將不同的低溫加熱技術進行綜合應用，進一步提高電池低溫加熱效果和加熱的均勻性。

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