动力电池加热技术分析

导读：在低温环境中，锂离子动力电池的能量和功率特性会出现严重衰减。为提高动力电池低温性能，就需要对其进行加热。

（来源：微信公众号“电池联盟” ID：zgcbcu 作者：龙阙）

新能源汽车行业发展过程中，目前还存在着一些问题。比如电动汽车在低温环境中运行时，电池与电机等部件性能出现的动力故障问题。

在电动汽车的推广过程中，续航里程、充电时间和使用安全性均主要受动力电池特性的制约。

动力电池的特性受环境温度的影响比较显著，尤其是在低温环境中，锂离子动力电池的能量和功率特性会出现严重衰减。

制约锂离子动力电池低温特性的关键因素是多方面的，主要包括低温下电解液离子电导率、负极颗粒表面SEI膜的低电导率、电池电化学反应速率，和负极石墨材料颗粒中的锂离子扩散系数降低等。

为提高动力电池低温性能，就需要对其进行加热。

从动力电池管理系统角度来讲，可根据车用需求，开发针对车用动力电池模块和动力电池包的新型低温加热技术，使动力电池在低温环境下，能够保持在正常工作温度范围内，满足正常充放电的要求，从而使整车达到最佳性能状态。

低温加热技术按其热传导方式，主要可分为内部加热法与外部加热法。

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内部加热方法是利用电流通过有一定电阻值的导体所产生的焦耳热来加热动力电池，导体为动力电池本身。

动力电池内部电解液在低温下黏度增加，阻碍了电荷载体的移动，导致动力电池内部阻抗增加，极端情况下电解液甚至会冻结。

利用动力电池在低温条件下阻抗增加的特性，可采用阻抗生热的方式来保持动力电池的工作温度。

根据电流的正负流向，可具体分为充电加热法、放电加热法和交流激励加热法，根据提供电流的电源不同，可分为自损耗型加热和外部能源供给加热。

动力电池低温充电加热方法是利用低温下动力电池阻抗增加的特性，在充电过程中的产热使动力电池恢复常温。

充电加热方法中，为避免电池产生过压，须对动力电池电压进行严格限制，而限制又严重制约了加热的灵活性和加热效果。

放电加热法是利用动力电池放电过程中的内部阻抗产热实现动力电池的升温。

动力电池放电与空气对流综合加热系统，利用车载动力电池的放电电流，通过加热元件时所产生的热量加热元件周围空气，热空气通过风扇输送至动力电池组，对动力电池组进行加热和保温。

同时，动力电池自身的产热也会加快动力电池的温度上升速率。

加热元件的电阻越小，系统的加热速率越快，效率就越高。但放电加热方法随着放电时间的增加，电池能量的损耗就较大，且需要调节负载对电池放电电流进行控制，这对放电负载要求较高。

当动力电池SOC较低时，放电加热方法的使用有局限性。在单体动力电池内部埋设镍箔加热片，当检测到电池温度低于0℃时，就会引导电子穿过镍箔产生热量加热电池自身。

图1.新型电池内部结构

放电加热方法通过电池放电产热和内部加热片综合升温，能在30s内将锂离子动力电池从－30℃加热到0℃以上，具有较好的温升效果和加热效率，但要对动力电池单体结构进行较大的改动，从而一定程度上减小了电池的能量密度。

采用交流激励加热法对18650型锂离子电池进行低温下内部加热，利用集总参数热模型仿真与实验验证相结合，得出在一定范围内，正弦交流电的幅值越高，频率越低，则动力电池的升温速度就越快。

当正弦交流电的幅值为7A( 2. 25C)，频率为1Hz，而外部对流换热系数为15. 9 W·m－2·K－1时，动力电池可在15min内从－20℃升高到5℃，且动力电池内部温度分布均匀，验证了交流加热方法应用到锂离子动力电池的可行性。

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外部加热法依托车用热管理技术，通过在动力电池包或动力电池模块外部添加高温液体/气体、电加热板、相变材料，及利用珀尔贴效应等方式来实现热量由外向内的热传导。

循环高温气体加热是指以空气作为介质直接穿过动力电池模块，从而达到加热动力电池组的目的。

循环高温气体加热一般采用强制空气对流的方式，即通过外加风扇等装置将热空气送入动力电池箱，与动力电池进行热交换。

热空气可由加热片产生，也可利用电机散发出来的热量和车内功率较大的电子电器加热装置获取。

对于混合动力汽车，可通过发动机提供加热空气的能量。这种方式要求尽可能增加空气与动力电池的热接触面积，具有成本低的优势。

但动力电池的封装、安装位置和热接触面积需要重点设计，来提高能量利用率和加热均匀性。利用热空气直接对电池箱进行加热的方式，对空气调节系统负荷较大，且经济性较差。

循环高温液体加热与循环高温气体加热方法类似，但因液体边界层薄，具有导热率高的优势，故在相同流速下，直接接触式液体的热传导速率远高于空气。

此外，在较为复杂的工况下，液体可更好地满足电动汽车动力电池的热管理要求。

目前主要的方式是采用液体与外界进行热交换，把热量送入电池组，可在模块间布置管线或围绕模块布置夹套，或把模块沉浸在液体中。

若液体与模块间采用传热管和夹套等，可采用水、乙二醇、油甚至制冷剂等作为传热介质。若动力电池模块沉浸在介质传热液中，必须采用绝缘措施防止短路。

传热介质和动力电池模块壁之间进行传热的速率，主要取决于液体的热导率、黏度、密度和流动速度。

目前液体加热方法对电池箱的密封和绝缘要求较高，这就增加了整个电池箱设计的复杂程度，在可靠性方面尚有许多问题需要解决。

动力电池表面布置的加热板、加热膜类加热法加热是指在动力电池包顶部，或底部，或之间添加电加热板，加热时电加热板通电，加热板的一部分热量通过热传导方式直接传给电池。

采用加热板加热，加热时间较长，加热后动力电池组温度分布不均匀，出现温差较大。

相变材料(PCM)由于其巨大的蓄热能力，被应用于动力电池组热管理系统。

相变冷却机理是靠相变材料的熔化潜热来工作，利用PCM作为动力电池热管理系统时，把电池组浸在PCM中，PCM吸收电池放出的热量，从而使温度迅速降低，热量以相变热的形式储存在PCM中。

图2. 变相材料填充法示意图

在低温环境下，PCM通过从液态转变为固态过程中释放存储的热量，可对动力电池进行加热和保温。

在相变过程中，PCM温度维持在相变温度，利用这个特性可有效解决动力电池在低温环境下温度过低的问题。

只是PCM的导热系数普遍较低，需要加入高导热材料如膨胀石墨、碳纳米管等增加其导热能力，导致使用成本增加。

珀尔贴效应是指电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。

利用珀尔贴效应这种特殊性质，通过改变电流的方向，可实现加热和制冷两种功能。加热和制冷的强度可通过调节电流的大小达到精确控制的目的。

图3. 珀尔贴效应加热法示意图

目前珀尔贴效应在电子设备上已经有一定的应用，但在动力电池上的应用研究还较少。

利用珀尔贴效应进行动力电池热管理的效率相对较低，会增加电源的功耗。此外，基于珀尔贴效应的热管理系统，其加工制造工艺也比较复杂，设计和使用成本较高。

对于混合动力汽车，使用发动机冷却液对动力电池模块加热，使动力电池升温至正常工作温度，以实现启动和正常充放电。

该方法充分利用发动机热量，但其结构复杂，成本较高，存在加热缓慢和动力电池内外温差大的缺点。

利用电热丝加热密闭电池模块，空气或加热电池表面，从而实现电池温升。只是加热效率较低，且需较大空间，对车辆布局影响较大。

纯电动汽车可使用汽车空调对电池包进行热管理，当电池包温度低于一定阈值后，空调向电池包输送热风，该方法能量损失较大，且加热效率低，系统加热响应也较为缓慢，同时还存电池模块温度梯度较大的缺点。

外部加热方法依靠外部加热源通过热传导来加热动力电池，比内部加热法安全。但它一般需要额外的组件，且有结构较为复杂、能耗较高、加热温度场分布不均匀和加热较慢的缺点。

存在缺点的主要原因在于，外部加热法采用的是电池外部热源，热量由电池外部传递到电池内部，需要一定的时间，且易形成温度梯度。

内部加热方法依靠电池自身阻抗产热，具有加热快速且发热均匀的优势。

放电和充电两种直流电加热方式对设备要求低，适用性好，具有速度快，效率高，温升均匀的优点。

但直流电加热方式在加热过程中，所产生的大电流和低温环境下的巨大内阻会使电池发生严重的副反应，且低温持续充电易导致锂离子电池负极石墨产生“锂沉积”，造成动力电池寿命衰减过快，严重时“锂沉积”结晶会刺穿隔膜产生热失控。

与直流电加热方式相比，交流加热方式由于其交流电特性，可有效降低对动力电池的副作用。

综上来看，从结构复杂度、加热速率、温升均匀性和使用安全性对上述电池的几种主要加热方法进行总结，如表1。

表1.动力电池不同加热方法性能对比

总体来看，内部加热方法对锂离子动力电池的适用性和加热效果具有很好的可行性，但内部加热方法应用于电动汽车的研究尚处于初级阶段，使用安全性有待进一步的研究确认。

通过对不同加热方法的对比可知，外部加热方法依靠外部加热源通过热传导来加热动力电池，其结构较为复杂，能耗较高，加热温度分布不均匀，加热速度较慢。

内部加热方法依靠动力电池自身阻抗产热，具有加热快速且发热均匀的优点。其中交流加热方法具有对动力电池能耗小、温度分布均匀、使用成本较低和加热效率较高的优势。