鉅大LARGE | 點擊量：1668次 | 2019年05月14日
解決電動汽車冬季里程問題：電池預熱系統(tǒng)
冬天里，電動汽車性能下降。前文書說到，給電動汽車預熱，是提高續(xù)航里程，保護電池壽命的好辦法。那么，電動汽車是怎樣做預熱的，有哪些加熱方式，具體怎么實施的，這里一并匯總。
電動汽車的預熱，指在發(fā)動汽車以前，利用充電機提供的外部電源，用各種加熱手段給動力電池加熱，使它達到最佳放電工作溫度以后，再發(fā)動汽車或者開始充電。
PTC，PositiveTemperatureCoefficient的縮寫，翻譯過來就是正溫度系數(shù)熱敏電阻，一種溫度敏感性半導體器件，當溫度超過某一個值以后，電阻隨著自身溫度的升高而增大。在加熱系統(tǒng)中，作為發(fā)熱元件使用。
在電池包內部，按照系統(tǒng)熱負荷計算需要的PTC總體數(shù)量。用DCDC提供12V電源，在預熱階段，DCDC的輸入端連接車輛以外的電源，比如民用交流電；如果車輛行駛過程中需要加熱，則DCDC的輸入切換成動力電池。預熱和行駛過程中加熱，都由電池管理系統(tǒng)BMS總體控制加熱過程。溫度傳感器檢測電池溫度，通過CAN總線將溫度數(shù)據(jù)實時傳送給BMS。BMS根據(jù)設計人員預先設定的預熱或者加熱控制策略，管理加熱過程，達到預定溫度后，切斷加熱電路。
有研究具體介紹了BMS與充電機配合，進行預熱的邏輯過程。充電槍物理連接完成以后，充電機向BMS發(fā)送握手CAN報文；BMS檢測電池狀態(tài)，如果電池溫度低于設定的預熱閾值，則進入預熱模式，BMS閉合預熱回路。由充電機提供電源給DCDC，DCDC將電能轉換成12V直流電，給PTC供電，加熱電池組。此時的電池組主回路為斷開狀態(tài)，只有電池管理系統(tǒng)在工作。當加熱溫度超過預設的電池正常工作溫度以后，BMS收到溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，判斷加熱過程可以借書。接著，檢測電池電量，如果低于一個預設值，則系統(tǒng)切換至充電狀態(tài)，充電機給動力電池充電，后續(xù)充電過程和充電結束程序與正常充電一致，不再贅述；如果電量高于充電預設閾值，則結束加熱過程，切斷充電機與動力電池的聯(lián)系。完成預熱過程后，汽車可以進入起動模式，開始自檢等一系列起動程序。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
電熱膜預熱系統(tǒng)
電熱膜加熱，結構設計上與PTC不同，但本質上都是利用電熱器件發(fā)熱，提高電池溫度。
電熱膜的加熱功率依靠加載的電壓調節(jié)，如果條件允許，電熱膜加熱功率范圍比較寬，可以實現(xiàn)大范圍調節(jié)。但需要配備可調節(jié)電壓范圍的電源。
電熱膜可以串聯(lián)供電也可以并聯(lián)供電。串聯(lián)情形下，單片電熱膜的端電壓與內阻成正比，當內阻出現(xiàn)較大差異時，電熱膜的加熱功率也會出現(xiàn)很大不同，不同位置電芯的溫升速率出現(xiàn)差異。如果按照等功率的設定布置電熱膜的位置，電熱膜的內阻均勻一致性需要考慮。
電熱膜并聯(lián)，則每一篇電熱膜需要一組電源線，連接至電源，線路比較復雜一些。但優(yōu)點是，電熱膜發(fā)熱功率差異性小，且加熱功率調節(jié)范圍寬。
使用電熱膜的管理策略，與PTC沒有特別大的不同，這里不再贅述。
液冷預熱系統(tǒng)
這里用液冷系統(tǒng)這個名字，想聊的卻是它的加熱能力。液冷系統(tǒng)是針對動力電池包整體熱管理需求設計的系統(tǒng)，夏季冷卻，冬季加熱，是個全能型選手。
液冷系統(tǒng)主要包括液冷散熱器，冷卻液循環(huán)管路、熱交換系統(tǒng)和液體循環(huán)動力幾個部分組成。熱量從熱交換系統(tǒng)經過循環(huán)管路通過散熱器傳遞給動力電池。
利用充電機給液冷系統(tǒng)加熱，由于冷卻系統(tǒng)本身的復雜性，使得液冷系統(tǒng)實現(xiàn)預熱，也比PTC預熱系統(tǒng)要復雜。加熱過程需要考慮給冷卻液和電池兩個部分加熱，因而除了加熱過程的控制，還有液體循環(huán)系統(tǒng)的控制配合。如果液體循環(huán)系統(tǒng)的控制權限在整車控制器而不是在電池管理系統(tǒng)BMS，則交互過程需要充電機、整車控制器和BMS三方共同參與完成。
液冷系統(tǒng)預熱，復雜性比較高，但完成預熱以后，效果也會保持的更為持久。因為其他幾種形式，預熱只是加熱了電池和周邊的結構器件，熱容量比較小；而液冷系統(tǒng)預熱，同時還加熱了冷卻液。在預熱完成以后，冷卻液可以停止循環(huán)，作為一個具有大的熱容量的保溫系統(tǒng)，一般地區(qū)，電池箱體不需要保溫層，也能確保電動汽車起動后，全程正常工作而無需再使用動力電池作為電源加熱。因此，對于具有液冷系統(tǒng)的電池包，預熱提高里程的效果是最明顯的。
相變材料預熱系統(tǒng)
相變材料，PCM，PhaseChangeMaterial的縮寫。相變材料冷卻技術，是利用材料的相變潛熱，維持系統(tǒng)環(huán)境保持在恒定溫度范圍不變。應用較多的相變材料有石蠟-膨脹石墨。相變材料的作用過程，有下面一個曲線圖可以比較清晰的展示出來。
相變材料的具體應用形式，可以將相變材料填充在導熱良好的殼體里面，也可以將電池直接浸泡在絕緣性能良好的相變材料中，直接接觸吸熱。
由于相變材料加熱，本身的潛熱是受到體積和潛熱容量限制的，因此，一般相變材料都與其他熱管理手段聯(lián)合使用。比如與風冷結合，讓空氣流動帶來外部加熱器的熱量；與熱管結合使用，通過熱管的作用，將外部熱量傳遞到電池包內部。
相變材料具有較大的熱容量，在預熱完成以后，大量的潛熱保存在材料當中，起到系統(tǒng)保溫恒溫的作用。
熱管，一個全封閉的空間內，毛細作用驅動液體運動、溫差驅動蒸汽流動的高效率傳熱器件。冷卻介質在高溫區(qū)域氣化，在低溫區(qū)域冷凝。通過物態(tài)變化，將熱量從高溫部分傳遞至低溫部分。
微型熱管，顧名思義，尺寸極小的熱管，截面尺寸在微米量級，長度一般幾個厘米。工作原理與普通熱管相似，但是內部無吸液芯，通道截面帶有尖角，冷凝液體主要依靠尖角毛細作用回流。
總之，可以說，熱管不是一個熱量存儲裝置，而是一個高效率的熱量傳遞裝置。熱管在加熱系統(tǒng)中的應用，一定需要其他類型熱管理裝置的配合。比如，在電池包外部有發(fā)熱裝置，在電池包內部，有與動力電池進行熱量傳遞的散熱器等。熱管和散熱器設計安裝完成以后，就可以自行工作，但發(fā)熱元件需要管理系統(tǒng)的支配，配合充電機一起工作。
交流預熱系統(tǒng)
交流加熱系統(tǒng)，是結構形式上最簡單的系統(tǒng)，不需要額外配置傳熱元件，而是利用一定頻率范圍的小幅值交流電直接作用于電芯正負極，以短周期少量充放電的形式，激勵電池內部電化學物質自身發(fā)熱。因此，交流加熱系統(tǒng)，需要一個調頻調壓的整流逆變電源，以及與之配合的BMS電池管理預熱策略，交互過程與PTC預熱過程類似，需要增加一個變頻電源控制器，交互過程中需要BMS、變頻電源控制器和充電機三方參與，過程由BMS主導。
交流加熱優(yōu)勢很明顯，就是結構形式簡單，并且加熱均勻，效率高。但針對該加熱方式對于電池壽命是否存在明顯損害的研究，還沒有看到明確的結論。
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