導讀：在低溫環(huán)境中，鋰離子動力電池的能量和功率特性會出現(xiàn)嚴重衰減。為提高動力電池低溫性能，就需要對其進行加熱。

（來源：微信公眾號“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。比如電動汽車在低溫環(huán)境中運行時，電池與電機等部件性能出現(xiàn)的動力故障問題。

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

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

制約鋰離子動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率、負極顆粒表面SEI膜的低電導率、電池電化學反應速率，和負極石墨材料顆粒中的鋰離子擴散系數(shù)降低等。

為提高動力電池低溫性能，就需要對其進行加熱。

從動力電池管理系統(tǒng)角度來講，可根據(jù)車用需求，開發(fā)針對車用動力電池模塊和動力電池包的新型低溫加熱技術(shù)，使動力電池在低溫環(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，從而使整車達到最佳性能狀態(tài)。

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

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

動力電池內(nèi)部電解液在低溫下黏度增加，阻礙了電荷載體的移動，導致動力電池內(nèi)部阻抗增加，極端情況下電解液甚至會凍結(jié)。

利用動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力電池的工作溫度。

根據(jù)電流的正負流向，可具體分為充電加熱法、放電加熱法和交流激勵加熱法，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。

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

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

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

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

同時，動力電池自身的產(chǎn)熱也會加快動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間的增加，電池能量的損耗就較大，且需要調(diào)節(jié)負載對電池放電電流進行控制，這對放電負載要求較高。

當動力電池SOC較低時，放電加熱方法的使用有局限性。在單體動力電池內(nèi)部埋設鎳箔加熱片，當檢測到電池溫度低于0℃時，就會引導電子穿過鎳箔產(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，但要對動力電池單體結(jié)構(gòu)進行較大的改動，從而一定程度上減小了電池的能量密度。

采用交流激勵加熱法對18650型鋰離子電池進行低溫下內(nèi)部加熱，利用集總參數(shù)熱模型仿真與實驗驗證相結(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，則動力電池的升溫速度就越快。

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

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

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

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

熱空氣可由加熱片產(chǎn)生，也可利用電機散發(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。

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

但動力電池的封裝、安裝位置和熱接觸面積需要重點設計，來提高能量利用率和加熱均勻性。利用熱空氣直接對電池箱進行加熱的方式，對空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)負荷較大，且經(jīng)濟性較差。

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，具有導熱率高的優(yōu)勢，故在相同流速下，直接接觸式液體的熱傳導速率遠高于空氣。

此外，在較為復雜的工況下，液體可更好地滿足電動汽車動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)和動力電池模塊壁之間進行傳熱的速率，主要取決于液體的熱導率、黏度、密度和流動速度。

目前液體加熱方法對電池箱的密封和絕緣要求較高，這就增加了整個電池箱設計的復雜程度，在可靠性方面尚有許多問題需要解決。

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

采用加熱板加熱，加熱時間較長，加熱后動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，被應用于動力電池組熱管理系統(tǒng)。

相變冷卻機理是靠相變材料的熔化潛熱來工作，利用PCM作為動力電池熱管理系統(tǒng)時，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)過程中釋放存儲的熱量，可對動力電池進行加熱和保溫。

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

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

珀爾貼效應是指電流流過兩種不同導體的界面時，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量。

利用珀爾貼效應這種特殊性質(zhì)，通過改變電流的方向，可實現(xiàn)加熱和制冷兩種功能。加熱和制冷的強度可通過調(diào)節(jié)電流的大小達到精確控制的目的。

圖3. 珀爾貼效應加熱法示意圖

目前珀爾貼效應在電子設備上已經(jīng)有一定的應用，但在動力電池上的應用研究還較少。

利用珀爾貼效應進行動力電池熱管理的效率相對較低，會增加電源的功耗。此外，基于珀爾貼效應的熱管理系統(tǒng)，其加工制造工藝也比較復雜，設計和使用成本較高。

對于混合動力汽車，使用發(fā)動機冷卻液對動力電池模塊加熱，使動力電池升溫至正常工作溫度，以實現(xiàn)啟動和正常充放電。

該方法充分利用發(fā)動機熱量，但其結(jié)構(gòu)復雜，成本較高，存在加熱緩慢和動力電池內(nèi)外溫差大的缺點。

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

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

外部加熱方法依靠外部加熱源通過熱傳導來加熱動力電池，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)較為復雜、能耗較高、加熱溫度場分布不均勻和加熱較慢的缺點。

存在缺點的主要原因在于，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。

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

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)阻會使電池發(fā)生嚴重的副反應，且低溫持續(xù)充電易導致鋰離子電池負極石墨產(chǎn)生“鋰沉積”，造成動力電池壽命衰減過快，嚴重時“鋰沉積”結(jié)晶會刺穿隔膜產(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，可有效降低對動力電池的副作用。

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

表1.動力電池不同加熱方法性能對比

總體來看，內(nèi)部加熱方法對鋰離子動力電池的適用性和加熱效果具有很好的可行性，但內(nèi)部加熱方法應用于電動汽車的研究尚處于初級階段，使用安全性有待進一步的研究確認。

通過對不同加熱方法的對比可知，外部加熱方法依靠外部加熱源通過熱傳導來加熱動力電池，其結(jié)構(gòu)較為復雜，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。其中交流加熱方法具有對動力電池能耗小、溫度分布均勻、使用成本較低和加熱效率較高的優(yōu)勢。

原標題:動力電池加熱技術(shù)分析