新能源汽車動力電池低溫加熱技術對比分析

關鍵詞：新能源汽車；動力電池；低溫加熱

0前言

加強對新能源汽車技術的研究是當下汽車工業發展的重點，世界各國紛紛加大對新能源汽車的研究力度，我國在十二五規劃中就提出了新能源汽車發展路線圖。在相關政策的持續推動下，中國新能源汽車的應用范圍逐漸擴大，特別是在氣溫相對較低的北部地區，新能源汽車的市場需求也逐步上升。然而，低溫環境對動力電池性能的不良影響，已經成為制約新能源汽車進一步發展的一個重要因素［1-2］。在較低氣溫（0 ℃）下，動力電池的電芯內部電解液電導率降低、電荷轉移速率下降等導致其內阻明顯增大，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壽命，甚至造成動力電池短路而引發安全問題。為此，需要加大力度重點研究動力電池低溫加熱技術，使鋰離子動力電池在充電、放電之前進行加熱，以確保其在使用過程中保持高性能。

在熱管理領域，對動力電池低溫加熱技術的研究一直備受關注。盡管學者們持有不同的研究觀點，但其普遍的共識是動力電池低溫加熱技術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電池內部短路產生的安全問題［3］。

根據熱源布置的具體位置，動力電池低溫加熱方法分為外部加熱法和內部加熱法［4］。外部加熱法主要是通過外部熱源熱傳導或熱輻射等方式將熱量施加給動力電池，一般較容易實現，但安全隱患相對較大；內部加熱法是利用電芯內部的阻抗以及內部材料的化學反應對電池進行加熱，具有加熱效率高、電池升溫快和能耗低的特點［5］。

1外部加熱法

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

1. 1氣體加熱

氣體加熱系統整體結構簡單，加熱過程原理如圖1所示，將自然空氣通過獨立加熱器或空調加熱箱預熱后，再經鼓風機（風扇）輸送至待加熱電池組。

王發成等［6］設計并制造了使用電熱絲來加熱空氣的加熱箱，以車載動力電池組為加熱對象，使用自然、吸氣和吹氣3 種模式對動力電池組進行鼓風加熱，3 種模式下均能在-15 ℃的低溫條件下，將電池單體加熱到0 ℃。從加熱的數據來看，吹氣模式下單體電池表面溫度呈直線上升趨勢，溫度每上升1 K 所需時間為87 s，合計0.69 K/min。另外，通過對不同模式、不同環境溫度下的試驗結果分析，得出電池單體的溫差均為8 K 左右。JI 等［7］以18650 型的圓柱動力電池組為研究對象，并通過仿真模型來研究電池組內部熱量生成的機理。仿真結果顯示，氣體的比熱容相對較小，研究對象的升溫速度約為0.50 K/min，升溫速率相對較慢。氣體加熱法雖然具備結構簡單和成本低廉的優點，但其升溫速度相對緩慢，無法快速提升動力電池的溫度，不能滿足人們對新能源汽車的使用需求。

1. 2 電熱元件加熱

對于新能源汽車動力電池，電熱元件加熱法主要包括電熱板加熱和電熱膜加熱，電熱元件通電并產生熱量，再通過熱傳導或熱輻射的形式將熱量傳遞給動力電池，其加熱速率明顯高于氣體加熱法。電熱板結構一般多用于方形鋁殼電池組，且置于動力電池組底部；電熱膜結構柔性較好，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（PTC）的電阻材料構成，動力電池充電時，外電路先給PTC 電阻通電，使其發熱并將熱量傳遞給動力電池。PTC 電阻采用特殊工藝制成，具有良好的導熱性能、熱容大、使用壽命長等優點。ZHANG 等［8］以雙源無軌電車作為研究對象，在車載動力電池組（包含外部電池組和內部電池組）下放置PTC 電熱板，試驗結果顯示外部電池組和內部電池組的溫度均呈線性上升，且溫升過程中的溫差合理控制在一定范圍。ZHANG 等［9］通過對新能源汽車鋰離子PTC 電池組加熱進行建模仿真和試驗，計算PTC 材料的產熱率并對加熱過程中的熱特性進行數值模擬，驗證了仿真的準確性，確認了加熱后動力電池包的溫度分布保持了良好的均勻性且動力電池的溫升速率約為0.35 K/min。

電熱膜與PTC 電熱板的結構相似，均采用電池表面熱傳導方式加熱。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動力電池進行加熱/保溫模擬仿真和試驗。結果顯示，電熱膜加熱器在溫升速率和溫差控制方面均優于PTC加熱器。LEI 等［11］采用內嵌寬線金屬膜的電熱膜加熱法，進行了動力電池在低溫環境下的大功率（35 A·h）充放電特性試驗。結果顯示，動力電池的溫升速率約為2.70 K/min，充電容量保持率高達92%，單體電芯溫差控制也相對較好。

1. 3 液體加熱

液體加熱系統中需預設液體流動通道，流道既要求熱轉換效率高，又要求保證流道的氣密性，因此該系統的整體結構相對較為復雜，液體加熱原理如圖3 所示。液體加熱系統主要由加熱裝置、換熱器、液泵和流道組成，換熱器主要為空腔板材結構，空腔板材與蓄電池直接接觸。溫度較高的液體介質通過換熱器，將熱量傳遞給動力電池組。

羅玉濤等［12］提出在油液循環工況下，極限低溫為-30 ℃時預加熱35 min；一般低溫為-10 ℃時預加熱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，且在升溫過程中電池組溫差控制在3 K 以內。比亞迪股份有限公司在其《一種液冷板、電池液冷系統及具有該電池液冷系統的車輛》的發明專利（CN213483829U）中設計了一種液冷板，該液冷板可以同時進行冷卻和加熱，并設置有獨立的循環通道，通道的兩端連接進液口和出液口，且通道沿著液冷板邊緣內周設置，避免冷卻液因流向單一而導致整體電池產生較大的溫差［13］。比亞迪王朝全系列純電動車型的動力電池熱管理均采用液冷液熱系統，液體加熱在當前動力電池熱管理中應用廣泛。

2內部加熱法

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

2. 1內置加熱極片

WANG 等［14］設計了一種內置加熱極片的動力電池結構。電芯內部含正極、負極和加熱3 種極片。加熱極片是帶有2 個極耳的鎳箔，主要用于產生歐姆熱，其中一個極耳連接至電池負極端子，另外一個極耳連接至加熱端子（即加熱極耳），如圖4所示。加熱極耳、負極端子和鎳箔極片組成回路的開斷由電池表面溫度來控制，當動力電池的表層溫度加熱到目標溫度時，斷開加熱回路，內置加熱極片的動力電池變成了正常充放電的鋰離子動力電池。該結構可以使動力電池實現從-30 ℃到0 ℃僅需0.5 h，溫升速率高達60 K/min，且僅需消耗約5.5% 的動力電池自身能量。然而，內置加熱電極會改變內部電池的結構，增加了電池熱管理系統的復雜性，該方法對電池使用壽命和安全性的影響仍有待研究驗證［15］。

2. 2高頻交流自加熱

高頻交流自加熱法無需在電池內部增加加熱極片，利用其在低溫條件下的高阻抗特性，在正負極之間施加高頻率、定幅值的交流電，使電池自身阻抗產生大量的電化學熱量，在電池內部進行自加熱。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優點。楊瑩瑩等［16］研究了不同電流、不同頻率對電池內部加熱的影響，但電流和頻率參數為多組的不變量，在加熱過程中未出現隨著溫度的升高電流幅值增大的現象，但由于在加熱初期電流幅值過大對電池造成了一定的損傷，在加熱后期溫升速率會明顯降低。徐智慧等［17］探究了動力電池內部加熱的溫度自適應內部加熱法，該方法在加熱過程中通過溫升模型實時反饋當前動力電池的端電壓和溫度參數，從而調整動力電池內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逆變器重構的自加熱方法，將驅動電機繞組作為儲能元件，將電機逆變作為額外設備對電池進行低溫交流加熱，交流加熱電路原理如圖5 所示。結果表明，所提出的方法能夠有效抑制轉矩脈動，可在403 s 內將電池從-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結語

本文對比分析了新能源汽車動力電池在低溫環境下的主流加熱方法，從溫升速率、電池溫差、能耗，以及使用場景等方面對內部加熱法和外部加熱法進行了綜合對比分析。

電熱元件加熱系統結構簡單，成本低廉，但溫升速率不能滿足現代汽車的需求，且電熱膜和電熱板存在因電路故障導致干燒的風險。液體加熱法加熱時間短，溫升速率快，加熱過程中溫差相對較小，可以保持動力電池組溫度的一致性，充電容量保持率較高。動力電池低溫加熱技術的最終目的是保持電池的高容量和高功率，從經濟、安全及應用等方面來看，液冷液熱集成方法是目前的主流方法。

內部加熱法溫升速率快，加熱過程中溫差小，不存在熱源干燒或液體泄漏的風險，但需要外接設備且加熱過程中控制程序復雜，可控性較差，對電池使用壽命和安全的影響尚不明確。目前，內部加熱法仍處于研究階段，且研究熱度較高，尤其是利用驅動電機逆變提供高頻交流電進行加熱的方法受到了研究人員的重視。