導(dǎo)讀：在低溫環(huán)境中，鋰離子動(dòng)力電池的能量和功率特性會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重衰減。為提高動(dòng)力電池低溫性能，就需要對(duì)其進(jìn)行加熱。

（來源：微信公眾號(hào)“電池聯(lián)盟” ID：zgcbcu 作者：龍闕）

新能源汽車行業(yè)發(fā)展過程中，目前還存在著一些問題。比如電動(dòng)汽車在低溫環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，電池與電機(jī)等部件性能出現(xiàn)的動(dòng)力故障問題。

在電動(dòng)汽車的推廣過程中，續(xù)航里程、充電時(shí)間和使用安全性均主要受動(dòng)力電池特性的制約。

動(dòng)力電池的特性受環(huán)境溫度的影響比較顯著，尤其是在低溫環(huán)境中，鋰離子動(dòng)力電池的能量和功率特性會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重衰減。

制約鋰離子動(dòng)力電池低溫特性的關(guān)鍵因素是多方面的，主要包括低溫下電解液離子電導(dǎo)率、負(fù)極顆粒表面SEI膜的低電導(dǎo)率、電池電化學(xué)反應(yīng)速率，和負(fù)極石墨材料顆粒中的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)降低等。

為提高動(dòng)力電池低溫性能，就需要對(duì)其進(jìn)行加熱。

從動(dòng)力電池管理系統(tǒng)角度來講，可根據(jù)車用需求，開發(fā)針對(duì)車用動(dòng)力電池模塊和動(dòng)力電池包的新型低溫加熱技術(shù)，使動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下，能夠保持在正常工作溫度范圍內(nèi)，滿足正常充放電的要求，從而使整車達(dá)到最佳性能狀態(tài)。

低溫加熱技術(shù)按其熱傳導(dǎo)方式，主要可分為內(nèi)部加熱法與外部加熱法。

1

內(nèi)部加熱方法是利用電流通過有一定電阻值的導(dǎo)體所產(chǎn)生的焦耳熱來加熱動(dòng)力電池，導(dǎo)體為動(dòng)力電池本身。

動(dòng)力電池內(nèi)部電解液在低溫下黏度增加，阻礙了電荷載體的移動(dòng)，導(dǎo)致動(dòng)力電池內(nèi)部阻抗增加，極端情況下電解液甚至?xí)鼋Y(jié)。

利用動(dòng)力電池在低溫條件下阻抗增加的特性，可采用阻抗生熱的方式來保持動(dòng)力電池的工作溫度。

根據(jù)電流的正負(fù)流向，可具體分為充電加熱法、放電加熱法和交流激勵(lì)加熱法，根據(jù)提供電流的電源不同，可分為自損耗型加熱和外部能源供給加熱。

動(dòng)力電池低溫充電加熱方法是利用低溫下動(dòng)力電池阻抗增加的特性，在充電過程中的產(chǎn)熱使動(dòng)力電池恢復(fù)常溫。

充電加熱方法中，為避免電池產(chǎn)生過壓，須對(duì)動(dòng)力電池電壓進(jìn)行嚴(yán)格限制，而限制又嚴(yán)重制約了加熱的靈活性和加熱效果。

放電加熱法是利用動(dòng)力電池放電過程中的內(nèi)部阻抗產(chǎn)熱實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的升溫。

動(dòng)力電池放電與空氣對(duì)流綜合加熱系統(tǒng)，利用車載動(dòng)力電池的放電電流，通過加熱元件時(shí)所產(chǎn)生的熱量加熱元件周圍空氣，熱空氣通過風(fēng)扇輸送至動(dòng)力電池組，對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行加熱和保溫。

同時(shí)，動(dòng)力電池自身的產(chǎn)熱也會(huì)加快動(dòng)力電池的溫度上升速率。

加熱元件的電阻越小，系統(tǒng)的加熱速率越快，效率就越高。但放電加熱方法隨著放電時(shí)間的增加，電池能量的損耗就較大，且需要調(diào)節(jié)負(fù)載對(duì)電池放電電流進(jìn)行控制，這對(duì)放電負(fù)載要求較高。

當(dāng)動(dòng)力電池SOC較低時(shí)，放電加熱方法的使用有局限性。在單體動(dòng)力電池內(nèi)部埋設(shè)鎳箔加熱片，當(dāng)檢測(cè)到電池溫度低于0℃時(shí)，就會(huì)引導(dǎo)電子穿過鎳箔產(chǎn)生熱量加熱電池自身。

圖1.新型電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

放電加熱方法通過電池放電產(chǎn)熱和內(nèi)部加熱片綜合升溫，能在30s內(nèi)將鋰離子動(dòng)力電池從－30℃加熱到0℃以上，具有較好的溫升效果和加熱效率，但要對(duì)動(dòng)力電池單體結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大的改動(dòng)，從而一定程度上減小了電池的能量密度。

采用交流激勵(lì)加熱法對(duì)18650型鋰離子電池進(jìn)行低溫下內(nèi)部加熱，利用集總參數(shù)熱模型仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，得出在一定范圍內(nèi)，正弦交流電的幅值越高，頻率越低，則動(dòng)力電池的升溫速度就越快。

當(dāng)正弦交流電的幅值為7A( 2. 25C)，頻率為1Hz，而外部對(duì)流換熱系數(shù)為15. 9 W·m－2·K－1時(shí)，動(dòng)力電池可在15min內(nèi)從－20℃升高到5℃，且動(dòng)力電池內(nèi)部溫度分布均勻，驗(yàn)證了交流加熱方法應(yīng)用到鋰離子動(dòng)力電池的可行性。

2

外部加熱法依托車用熱管理技術(shù)，通過在動(dòng)力電池包或動(dòng)力電池模塊外部添加高溫液體/氣體、電加熱板、相變材料，及利用珀?duì)栙N效應(yīng)等方式來實(shí)現(xiàn)熱量由外向內(nèi)的熱傳導(dǎo)。

循環(huán)高溫氣體加熱是指以空氣作為介質(zhì)直接穿過動(dòng)力電池模塊，從而達(dá)到加熱動(dòng)力電池組的目的。

循環(huán)高溫氣體加熱一般采用強(qiáng)制空氣對(duì)流的方式，即通過外加風(fēng)扇等裝置將熱空氣送入動(dòng)力電池箱，與動(dòng)力電池進(jìn)行熱交換。

熱空氣可由加熱片產(chǎn)生，也可利用電機(jī)散發(fā)出來的熱量和車內(nèi)功率較大的電子電器加熱裝置獲取。

對(duì)于混合動(dòng)力汽車，可通過發(fā)動(dòng)機(jī)提供加熱空氣的能量。這種方式要求盡可能增加空氣與動(dòng)力電池的熱接觸面積，具有成本低的優(yōu)勢(shì)。

但動(dòng)力電池的封裝、安裝位置和熱接觸面積需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)，來提高能量利用率和加熱均勻性。利用熱空氣直接對(duì)電池箱進(jìn)行加熱的方式，對(duì)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)負(fù)荷較大，且經(jīng)濟(jì)性較差。

循環(huán)高溫液體加熱與循環(huán)高溫氣體加熱方法類似，但因液體邊界層薄，具有導(dǎo)熱率高的優(yōu)勢(shì)，故在相同流速下，直接接觸式液體的熱傳導(dǎo)速率遠(yuǎn)高于空氣。

此外，在較為復(fù)雜的工況下，液體可更好地滿足電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的熱管理要求。

目前主要的方式是采用液體與外界進(jìn)行熱交換，把熱量送入電池組，可在模塊間布置管線或圍繞模塊布置夾套，或把模塊沉浸在液體中。

若液體與模塊間采用傳熱管和夾套等，可采用水、乙二醇、油甚至制冷劑等作為傳熱介質(zhì)。若動(dòng)力電池模塊沉浸在介質(zhì)傳熱液中，必須采用絕緣措施防止短路。

傳熱介質(zhì)和動(dòng)力電池模塊壁之間進(jìn)行傳熱的速率，主要取決于液體的熱導(dǎo)率、黏度、密度和流動(dòng)速度。

目前液體加熱方法對(duì)電池箱的密封和絕緣要求較高，這就增加了整個(gè)電池箱設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，在可靠性方面尚有許多問題需要解決。

動(dòng)力電池表面布置的加熱板、加熱膜類加熱法加熱是指在動(dòng)力電池包頂部，或底部，或之間添加電加熱板，加熱時(shí)電加熱板通電，加熱板的一部分熱量通過熱傳導(dǎo)方式直接傳給電池。

采用加熱板加熱，加熱時(shí)間較長(zhǎng)，加熱后動(dòng)力電池組溫度分布不均勻，出現(xiàn)溫差較大。

相變材料(PCM)由于其巨大的蓄熱能力，被應(yīng)用于動(dòng)力電池組熱管理系統(tǒng)。

相變冷卻機(jī)理是靠相變材料的熔化潛熱來工作，利用PCM作為動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時(shí)，把電池組浸在PCM中，PCM吸收電池放出的熱量，從而使溫度迅速降低，熱量以相變熱的形式儲(chǔ)存在PCM中。

圖2. 變相材料填充法示意圖

在低溫環(huán)境下，PCM通過從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)過程中釋放存儲(chǔ)的熱量，可對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行加熱和保溫。

在相變過程中，PCM溫度維持在相變溫度，利用這個(gè)特性可有效解決動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下溫度過低的問題。

只是PCM的導(dǎo)熱系數(shù)普遍較低，需要加入高導(dǎo)熱材料如膨脹石墨、碳納米管等增加其導(dǎo)熱能力，導(dǎo)致使用成本增加。

珀?duì)栙N效應(yīng)是指電流流過兩種不同導(dǎo)體的界面時(shí)，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量。

利用珀?duì)栙N效應(yīng)這種特殊性質(zhì)，通過改變電流的方向，可實(shí)現(xiàn)加熱和制冷兩種功能。加熱和制冷的強(qiáng)度可通過調(diào)節(jié)電流的大小達(dá)到精確控制的目的。

圖3. 珀?duì)栙N效應(yīng)加熱法示意圖

目前珀?duì)栙N效應(yīng)在電子設(shè)備上已經(jīng)有一定的應(yīng)用，但在動(dòng)力電池上的應(yīng)用研究還較少。

利用珀?duì)栙N效應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力電池?zé)峁芾淼男氏鄬?duì)較低，會(huì)增加電源的功耗。此外，基于珀?duì)栙N效應(yīng)的熱管理系統(tǒng)，其加工制造工藝也比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)和使用成本較高。

對(duì)于混合動(dòng)力汽車，使用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液對(duì)動(dòng)力電池模塊加熱，使動(dòng)力電池升溫至正常工作溫度，以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和正常充放電。

該方法充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)熱量，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，存在加熱緩慢和動(dòng)力電池內(nèi)外溫差大的缺點(diǎn)。

利用電熱絲加熱密閉電池模塊，空氣或加熱電池表面，從而實(shí)現(xiàn)電池溫升。只是加熱效率較低，且需較大空間，對(duì)車輛布局影響較大。

純電動(dòng)汽車可使用汽車空調(diào)對(duì)電池包進(jìn)行熱管理，當(dāng)電池包溫度低于一定閾值后，空調(diào)向電池包輸送熱風(fēng)，該方法能量損失較大，且加熱效率低，系統(tǒng)加熱響應(yīng)也較為緩慢，同時(shí)還存電池模塊溫度梯度較大的缺點(diǎn)。

外部加熱方法依靠外部加熱源通過熱傳導(dǎo)來加熱動(dòng)力電池，比內(nèi)部加熱法安全。但它一般需要額外的組件，且有結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、能耗較高、加熱溫度場(chǎng)分布不均勻和加熱較慢的缺點(diǎn)。

存在缺點(diǎn)的主要原因在于，外部加熱法采用的是電池外部熱源，熱量由電池外部傳遞到電池內(nèi)部，需要一定的時(shí)間，且易形成溫度梯度。

內(nèi)部加熱方法依靠電池自身阻抗產(chǎn)熱，具有加熱快速且發(fā)熱均勻的優(yōu)勢(shì)。

放電和充電兩種直流電加熱方式對(duì)設(shè)備要求低，適用性好，具有速度快，效率高，溫升均勻的優(yōu)點(diǎn)。

但直流電加熱方式在加熱過程中，所產(chǎn)生的大電流和低溫環(huán)境下的巨大內(nèi)阻會(huì)使電池發(fā)生嚴(yán)重的副反應(yīng)，且低溫持續(xù)充電易導(dǎo)致鋰離子電池負(fù)極石墨產(chǎn)生“鋰沉積”，造成動(dòng)力電池壽命衰減過快，嚴(yán)重時(shí)“鋰沉積”結(jié)晶會(huì)刺穿隔膜產(chǎn)生熱失控。

與直流電加熱方式相比，交流加熱方式由于其交流電特性，可有效降低對(duì)動(dòng)力電池的副作用。

綜上來看，從結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、加熱速率、溫升均勻性和使用安全性對(duì)上述電池的幾種主要加熱方法進(jìn)行總結(jié)，如表1。

表1.動(dòng)力電池不同加熱方法性能對(duì)比

總體來看，內(nèi)部加熱方法對(duì)鋰離子動(dòng)力電池的適用性和加熱效果具有很好的可行性，但內(nèi)部加熱方法應(yīng)用于電動(dòng)汽車的研究尚處于初級(jí)階段，使用安全性有待進(jìn)一步的研究確認(rèn)。

通過對(duì)不同加熱方法的對(duì)比可知，外部加熱方法依靠外部加熱源通過熱傳導(dǎo)來加熱動(dòng)力電池，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，能耗較高，加熱溫度分布不均勻，加熱速度較慢。

內(nèi)部加熱方法依靠動(dòng)力電池自身阻抗產(chǎn)熱，具有加熱快速且發(fā)熱均勻的優(yōu)點(diǎn)。其中交流加熱方法具有對(duì)動(dòng)力電池能耗小、溫度分布均勻、使用成本較低和加熱效率較高的優(yōu)勢(shì)。

原標(biāo)題:動(dòng)力電池加熱技術(shù)分析