關(guān)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(shù)的研究是當下汽車工業(yè)發(fā)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(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(qū)，新能源汽車的市場需求也逐步上升。然而，低溫環(huán)境對動力電池性能的不良影響，已經(jīng)成為制約新能源汽車進一步發(fā)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(nèi)部電解液電導率降低、電荷轉(zhuǎn)移速率下降等導致其內(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，甚至造成動力電池短路而引發(fā)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(shù)，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(lǐng)域，對動力電池低溫加熱技術(shù)的研究一直備受關(guān)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(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)生的安全問題［3］。

根據(jù)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(nèi)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(xiàn)，但安全隱患相對較大；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(shù)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(fā)熱，將熱量傳遞給動力電池，屬于電能轉(zhuǎn)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(tǒng)整體結(jié)構(gòu)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(diào)加熱箱預熱后，再經(jīng)鼓風機（風扇）輸送至待加熱電池組。

王發(fā)成等［6］設(shè)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(shù)據(jù)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(huán)境溫度下的試驗結(jié)果分析，得出電池單體的溫差均為8 K 左右。JI 等［7］以18650 型的圓柱動力電池組為研究對象，并通過仿真模型來研究電池組內(nèi)部熱量生成的機理。仿真結(jié)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(jié)構(gòu)簡單和成本低廉的優(yōu)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(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，動力電池充電時，外電路先給PTC 電阻通電，使其發(fā)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(yōu)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(nèi)部電池組）下放置PTC 電熱板，試驗結(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(chǎn)熱率并對加熱過程中的熱特性進行數(shù)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(jié)構(gòu)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(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，進行了動力電池在低溫環(huán)境下的大功率（35 A·h）充放電特性試驗。結(jié)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(tǒng)中需預設(shè)液體流動通道，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)相對較為復雜，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(huán)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(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)計了一種液冷板，該液冷板可以同時進行冷卻和加熱，并設(shè)置有獨立的循環(huán)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(nèi)周設(shè)置，避免冷卻液因流向單一而導致整體電池產(chǎn)生較大的溫差［13］。比亞迪王朝全系列純電動車型的動力電池熱管理均采用液冷液熱系統(tǒng)，液體加熱在當前動力電池熱管理中應用廣泛。

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(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(nèi)部加熱法見表2。

2. 1內(nèi)置加熱極片

WANG 等［14］設(shè)計了一種內(nèi)置加熱極片的動力電池結(jié)構(gòu)。電芯內(nèi)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(chǎn)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(nèi)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(jié)構(gòu)可以使動力電池實現(xiàn)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(nèi)置加熱電極會改變內(nèi)部電池的結(jié)構(gòu)，增加了電池熱管理系統(tǒng)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(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)生大量的電化學熱量，在電池內(nèi)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(yōu)點。楊瑩瑩等［16］研究了不同電流、不同頻率對電池內(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(nèi)部加熱的溫度自適應內(nèi)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(shù)，從而調(diào)整動力電池內(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)動電機繞組作為儲能元件，將電機逆變作為額外設(shè)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(jié)果表明，所提出的方法能夠有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動，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

本文對比分析了新能源汽車動力電池在低溫環(huán)境下的主流加熱方法，從溫升速率、電池溫差、能耗，以及使用場景等方面對內(nèi)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(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，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(shù)的最終目的是保持電池的高容量和高功率，從經(jīng)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(nèi)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(shè)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(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。