電動汽車動力電池低溫自放電加熱電路研究

中圖分類號：U469.72 文獻標志碼：A DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20250181

【Abstract】Thelithium-ion batery experiences a decrease in power densityand energy density due toan increase in electrolyteviscosityinlow-temperatureenvironments，whichseriouslyafectstherangeandcharginganddischargingsafetyof electricvehicles.Therefore，preheating thebateryunderlowtemperatureconditionisthekeytoensuringthepower performanceof electric vehicles.This paperisbasedon thelow temperature self-discharge heating circuitof electric vehicle powerbatery，andstudies itsmodeling methodandcontrolstrategy.Bycharging thebatterytoacapacitortosimulateashort circuitstateofthebatteryapulsecurrentisreleased toquicklyincreasethebatery temperature.Theauxiliary heating elementis heated byacomplementary conducting power switch tube to improve thebaterychargingand discharging performance，andachievereliableheatingof thepower bateryinlow-temperatureenvironments.Finaly，thesimulation model andtestplatformare builttoverifytheproposed method，andtheresultsshowthatthesuface temperatureof the battery rises to 20YC within 3 min under the environment temperature of -40°C ，which proves the high efficiency and safety of the method.

Key words： Electric vehicle，Power battery，Low temperature heating，Self-Discharging

1前言

鋰離子電池在低溫環境下性能顯著下降，主要表現為電解液黏度增大、內阻上升，導致功率密度和能量密度降低，進而影響電動汽車的續駛里程和充放電安全性1-2]。現有動力電池低溫加熱方法分為外部加熱和內部加熱兩種。外部加熱法包括流體加熱、佩爾捷效應（PeltierEffect）加熱、電熱膜加熱等，這類方法主要通過加熱片或熱空氣對電池進行預熱，實現較為簡單、過程可控且安全性較高，但能耗較高且加熱不均，存在效率低、能量損失大、溫度不均勻等問題3-5]。內部加熱法包括電池短接、交流電加熱等，主要原理是利用電池自身產生的熱量進行預熱，如通過電池自放電產生熱量，但這種方法需要精確控制以避免對電池造成損害，效率雖高，卻易引發熱失控或電池損傷[6-7]

綜合考慮內部和外部加熱方法，出現了內外部同時加熱的方法，如文獻[8]提出了一種自放電限流電路加熱方法，結合內部短路加熱與外部電阻加熱的優勢，在第一階段通過直接短路電池組，利用內阻焦耳效應快速升溫，在第二階段切入輔助加熱電路，通過絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）開關控制脈沖電流，利用電解電容瞬時放電和限流電阻發熱實現可控加熱。這類方法結合內部短路加熱的高效性與外部電阻加熱的可控性，無需額外能量源，從而降低系統復雜度和成本，通過功率開關器件和發熱電阻限制電流，以避免熱失控，并可根據溫度動態切換加熱模式，優化能效與安全性。然而，這類方法需要額外增加開關電路，并精確控制功率開關器件的開關時序和電流脈沖，對電路設計和控制算法要求較高，復雜的電路會進一步增加加熱系統的體積和成本[]。因此，亟需開發高效、安全且成本可控的低溫加熱方案，這對提高電動汽車低溫起動性能和增強其環境適應性具有重要意義。

為此，本文研究基于動力電池低溫自放電的加熱電路方案，通過電池向電容充電模擬電池短路狀態，釋放脈沖電流快速提升電池溫度，并利用互補導通的功率開關管提高輔助加熱片的溫度，實現低溫環境下動力電池的可靠加熱，以期提高加熱效率、降低能耗，同時保證電池的安全性和穩定性。

2加熱電路及其工作原理

圖1所示為動力電池低溫自放電加熱電路拓撲，其中 R 為加熱片等效電阻，功率開關管S和S互補導通。當S導通時，動力電池的端電壓施加在電容C上，其為電容 C 充電的初始時刻相當于瞬時短路，實際上由于電池內阻的存在，電容的充電電流為逐漸減小的脈沖電流，且脈沖電流的幅值由電池內阻決定。

圖1加熱電路

當電容 C 充電時，根據基爾霍夫定律（Kirchhoff'sLaw）{，充電電流 i_ch 與電池內阻 R₀ 的關系為：

式中： u_bat 為動力電池的端電壓； u_c0 為電容的初始電壓，即正常工作時電容 C 兩端的最小電壓。

則在復頻域內 i_ch 可表示為：

式中： _;s 為復頻域內的拉普拉斯算子。

圖2給出了在 R₀ 不同取值條件下 i_ch 的單位階躍響應曲線，可以看出， ?.R₀ 越大，階躍響應的電流幅值越小。在低溫環境下，動力電池的內阻較大，因此脈沖電流幅值受限，從而保障了動力電池系統的安全性。

圖2不同 R₀ 取值條件下 i_ch 的單位階躍響應曲線

當 S₁ 截止時， S₂ 導通，此時電容 C 向加熱片放電，放電電流 i_disch 與加熱片等效電阻 R 的關系為：

式中： u_c1 為正常工作時電容 C 兩端的最大電壓。

則在復頻域內 i_disch 可表示為：

同理，放電電流的幅值與 R 有關，由于加熱片等效電阻 R 遠大于電池內阻 R₀ ，則 S₂ 導通時電容 c 的放電電流較為平緩。

3加熱電路建模與控制

圖3給出了加熱電路的鍵合圖模型，其中“1\"節點代表串聯節點。 S₁ 導通時，鍵 ① ） ② ） ③ 的勢流關系可以表示為：

式中： i₁，i₂，i₃ 分別為流過動力電池、電池內阻和電容C 的電流， 分別為動力電池、電池內阻和電容 C 兩端的電壓。

圖3加熱電路的鍵合圖模型

S₂ 導通時，鍵 ④ ） ⑤ 的勢流關系可以表示為：

式中： i₄，i₅ 分別為流過電容 C 和加熱片的電流， u₄，u₅ 分別為電容 C 和加熱片兩端的電壓。

由電路模型可知能量變量為電容電荷，在 S₁ 導通時，電容電荷為 q₃ ，在 S₂ 導通時，電容電荷為 q₄ ，則式（5）式（6）可分別改寫為：

由于兩個狀態下電容電荷平衡，則有：

式中： d 為 S₁ 的開關占空比。

由此可以計算獲得 d 的取值，從而實現加熱電路的控制。

4仿真和試驗驗證

4.1 仿真驗證

搭建基于MATLAB/Simulink的仿真模型，設輸出端加熱電阻為 、開關頻率為 10kHz ，仿真電路圖如圖4所示。其中，脈沖信號發生器模塊的占空比利用式（9）計算得到，將其通過邏輯運算符模塊中的非門（NOT轉化為互補的控制信號，電池內阻和加熱片均采用電阻進行等效。

圖4仿真電路圖

圖5所示為 S₁ 和 S₂ 的控制信號 和 ，均為無量綱信號，取值為1代表功率開關管導通，取值為0代表功率開關管截止，其中 的占空比 d=38.7% g_sl 和 g_s2 為兩路互補的控制信號。

圖5 S₁ 和S的控制信號 和 g_s2

圖6所示為電容 C 的充放電電流，其中 i₃，i₄ 分別與 i_ch?i_disch 相等，可以看出， i_ch 的電流尖峰能夠起到動力電池內部加熱的作用， i_disch 相對 i_ch 平緩得多，可以避免加熱片因瞬時電流過大而燒毀，保障了加熱系統的安全性。

圖6電容 C 的充放電電流

圖7所示為電容和加熱片兩端的電壓。當S導通時，在電容兩端電壓上升的過程中，其充電電流較大，當電容兩端電壓升高至動力電池電壓時，充電電流降為0；當S導通時，電容 C 開始緩慢放電，其放電電流和兩端電壓呈線性變化。

圖7電容和加熱片兩端的電壓

4.2 試驗驗證

在仿真驗證的基礎上，搭建試驗平臺進行測試，電路參數設置與仿真時相同，采用6串 20A?h 鋰離子電池，環境艙溫度設為 -40°C ，平臺結構如圖8a所示。雖然圖5給出了驅動邏輯，但功率開關管的導通與關斷需要設計專門的驅動模塊進行電氣隔離和功率放大，從而實現可靠開關，如圖8b所示。當電池溫度上升到 0°C 以上時，電池內阻急劇減小，根據式（2），電流脈沖急劇增大，從而影響加熱系統的安全性，因此在初始啟動時，主接觸器接通電路、輔助接觸器斷開；當電池溫度上升到 20°C 時，主接觸器斷開、輔助接觸器接通電路，通過串聯的功率電阻進行限流，且功率電阻產生的熱量繼續為電池組進行外部加熱，加熱完成后，主接觸器和輔助接觸器均斷開。

圖9所示為加熱電路的試驗波形，由于采用了閉環控制，占空比低溫時較大，溫度升高后逐漸減小。圖10所示為鋰離子電池的溫升曲線，可以看出，電池外部溫度在 3min 內升高至 20°C ，且溫升曲線隨時間逐漸平緩，證明了本文方法的高效性和安全性。

（b）驅動電路圖8試驗平臺

圖9加熱電路的試驗波形

圖10鋰離子電池的溫升曲線

5 結束語

本文提出了一種動力電池低溫自放電加熱電路方案，并通過理論分析和試驗驗證證明了其可行性和有效性。該方案能夠顯著提升動力電池在低溫環境下的充放電性能，實現可靠加熱，同時具有較高的加熱效率和安全性。通過精確控制功率開關器件的開關時序和電流脈沖，該方案有效避免了熱失控和電池損傷的風險，可為實現高效、安全、節能的電動汽車低溫加熱提供參考。此外，該加熱電路的設計相對簡單，無需額外能量源，降低了系統復雜度和成本。

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