多角度解決新能源汽車動力電池低溫劣化問題的技術手段

崔巖　馬宏珺　田遠　郭耀斌

摘 要：電池低溫性能劣化是制約新能源汽車的發展的主要原因之一，電池需要保持在合適的工作溫度下以維持良好的充放電性能。因此低溫對電池的安全性和性能有著重要的影響。該文通過對國外企業的專利進行分析，總結出了解決電池低溫劣化的多種技術手段，為企業解決該問題提供啟示和方向。

關鍵詞：動力電池 新能源 低溫 劣化

中圖分類號：U469.7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（c）-0049-02

電池，特別是鋰離子電池經過低溫循環后，內阻增大、容量下降。安全測試結果表明，低溫循環后電池的安全性能明顯降低，與室溫循環電池相比，表現為熱箱和內部短路測試全部噴爆，并且熱箱測試失效提前。分析表明，這是低溫下鋰離子在碳材料和SEI膜中的擴散阻力增大所致的表面析鋰導致的。根據電池失效機理分析，低溫下負極表明鋰枝晶的沉積嚴重降低了整個鋰離子電池的安全性[1]。并且新能源汽車的使用環境決定了新能源汽車電池必須能夠在高寒地區以及冬季使用，在低溫情況下，比如小于0 ℃，電池充放電能力就會降低，在極低溫的情況下，比如低于-20 ℃，電池基本不能放電或放電深度較淺，如果低溫環境電池冷啟動效率低，電池放電深度與新能源汽車動力性能不匹配，進而會制約新能源汽車的發展，因此電池需要保持在合適的工作溫度下以維持良好的充放電性能。因此低溫對電池的安全性和性能有著重要的影響。

每一個技術問題都會存在不同的解決手段，通過對解決同一技術問題的不同的技術手段的分析，可以使企業以一種更寬闊的視角去探索解決技術問題的更好的途徑，為企業的創新和發展提供啟示和方向。

對于上述技術問題，研究人員為了防止電池低溫劣化這一技術問題進行了一系列的研究，并且形成了多種技術手段。由于在電池熱管理領域，核心技術大部分都掌握在專利申請量靠前的各大跨國公司的手中，因此以全球排名為前17名的公司豐田、日產、三洋、本田、松下、LG、三星、博世、現代、日立、戴姆勒、通用、電裝、比亞迪、雪鐵龍、三菱、雷諾為研究對象，目前上述17家公司對于防止電池低溫劣化方面的專利數量為136項，而通過對上述專利進行技術功效的分析過程中發現，為了防止電池低溫劣化，一般可以從加熱結構、充放電和加熱控制這3個方面進行設計研發，這3個方面的專利申請數量分別為93項、22項、21項。從這3個方面的專利申請數量上可以看出，從加熱結構上進行設計研發是該領域中解決防止電池低溫劣化這一技術問題的主要方式，根據解決手段的不同特點，上述3個方面中所包含的專利文獻都可以進行更加準確具體的分類，如圖1所示，該圖展示了防止電池低溫劣化的技術手段的構成情況。其中，在加熱結構方面，包括直接電熱、空氣加熱、液體加熱、相變材料等方面的設計手段，而直接電熱包括PTC熱敏電阻和其他電熱件兩種技術手段，空氣加熱則包括采用空調熱源、采用發動機熱源、電熱3種技術手段，液體加熱包括采用空調熱源、采用發動機熱源、采用電熱等。在充放電來加熱電池方面，通過充放電電路和電流波形兩個方面進行設計。在加熱控制方面，主要通過僅控制溫度信號、控制溫度和電量信號、控制溫度和電壓信號等方面進行控制來完成電池加熱升溫。下面通過具體案例對上述不同類型的技術手段進行詳細的分析。

1 加熱結構

為了防止電池低溫劣化，對電池進行加熱結構的設計是一種比較傳統而且效果明顯的解決方式，其中主要涉及采用直接電熱手段（43項）、空氣加熱手段（31項）、液體加熱手段（15項）、相變材料加熱手段（4項），參見圖1。

（1）直接電熱手段。

對電池進行直接電熱的方式加熱，是對電池進行升溫比較直接的技術手段，其主要包括PTC加熱手段（15項）以及其他電熱體（28項）該領域中大部分采用PTC熱敏電阻和其他電熱方式比如電熱絲來進行直接加熱以防止電池低溫劣化。比如文獻JP2012209248A中公開了一種車載用蓄電池，其具有PTC加熱器組件。采用直接電熱的方式不僅結構簡單，并且升溫迅速，效果明顯，這也是采用該技術手段的專利申請比較多的主要原因。

（2）空氣加熱手段。

空氣加熱是采用空氣作為傳熱介質以對電池進行加熱以防止低溫劣化的手段，根據熱源的不同，主要包括電熱方式（15項）、空調熱源（13項）、以發動機熱源（3項）來加熱電池以防止低溫劣化。比如文獻US2006210868A1公開了一種二次電池模塊，其中設置風扇以將電加熱器加熱的空氣流過電池對電池進行加熱升溫，防止電池低溫劣化。比如文獻WO2010017900A1，其通過空調裝置產生的熱空氣加熱電池以防止電池低溫劣化。比如文獻US2010175938A1公開了發動機熱量加熱電池的方式，將來自于所述發動機的廢氣的熱能輸送給電池進行加熱以防止低溫劣化。

采用空氣作為傳熱介質對電池進行加熱以防止低溫劣化的手段屬于間接加熱的方式，需要借助了其他的熱源對空氣進行加熱，需要考慮與其他系統的結合。

（3）液體加熱手段。

液體加熱手段是采用液體作為傳熱介質以對電池進行加熱以防止低溫劣化的手段，主要包括電熱方式（5項）、發動機熱源（4項）、空調熱源（2項）等來加熱電池以防止低溫劣化。比如文獻EP2371026A1，其通過發動機的熱量加熱液體以使電池升溫防止電池低溫劣化。比如文獻US2013122331其設置加熱元件，加熱介電流體，以加熱電池組件防止低溫劣化。比如文獻US2010012295A1，其通過空調系統的冷卻劑加熱器加熱冷卻劑，使加熱的冷卻劑引導入電池系統中以對電池進行加熱防止低溫劣化。

采用液體作為傳熱介質對電池進行加熱以防止低溫劣化的手段屬于間接加熱的方式，需要借助其他的熱源對液體進行加熱，需要考慮與其他系統的結合。

（4）相變材料加熱手段。

相變材料來使電池加熱手段，是利用相變材料在特定溫度下發生相變以釋放熱量來使電池升溫以防止低溫劣化的手段。比如文獻DE102011002549A1，其通過相變材料發出的結晶熱對電池進行加熱防止低溫劣化。

采用相變材料的結晶熱來加熱電池以防止低溫劣化，結構簡單，但是系統成本較高。

2 充放電加熱手段

充放電加熱手段是指當對電池進行充電或放電操作時，使電池有電流流過，由于電池具有內阻，因此當有因此當有電流流過時電池會產生熱量，以此來給電池預熱，使電池溫度升高，防止電池低溫劣化。比如文獻EP2518817A2，其將充電和放電脈沖電流供應到電池模塊，以使電池升溫，防止低溫劣化。比如文獻CN102473976A，其通過預定頻率的波紋電流對電池進行充放電，以使電池產生熱量，防止低溫劣化。

通過充放電加熱電池的手段是比較直接的方式，并不需要設置其他的加熱構件，系統簡單，并且節省了成本。

3 加熱控制

為了更加精確地控制電池的升溫，以防止低溫劣化，通常需要精確地控制加熱升溫的過程，對加熱升溫過程的控制通常可以通過僅控制電池的溫度信號（11項）或控制電池的溫度和電量信號（3項）或者控制電池的溫度和電壓信號（4項）等方式。

（1）僅控制溫度信號。

通過溫度信號來控制電池的加熱過程，以使電池維持在合適的溫度，可以有效地防止電池低溫劣化。比如文獻CN102738535，其通過溫度信號控制加熱過程中的電池溫度均勻分布以達到合適的溫度防止低溫劣化。

（2）控制溫度信號和電壓信號。

通過溫度信號和電壓信號來控制電池的加熱過程，以使電池維持在合適的溫度，可以有效地防止電池低溫劣化。比如文獻US2007210769A1其通過電池溫度信號和電壓變化信號來控制電池的升溫過程，以使電池維持在合適的溫度防止低溫劣化。

（3）控制溫度信號和電量信號。

通過溫度信號和電量信號來控制電池的加熱過程，以使電池維持在合適的溫度，可以有效地防止電池低溫劣化。比如文獻CN102473982A，其通過控制控制溫度信號和電量信號，使加熱控制部發出對鋰離子電池中的至少一個進行加熱以達到規定的目標溫度的指令，以使電池維持在合適的溫度防止低溫劣化。

智能的加熱控制手段能夠對電池的加熱溫度進行精確的控制，是電池熱管理系統今后的整體發展趨勢。

參考文獻

[1] 李賀，陳志奎，曹際娜，等.低溫對鋰離子電池安全性的影響”[C]//第29屆全國化學與物理電源學術年會論文集.2011.

[2] 張劍波，盧蘭光，李哲.車用動力電池系統的關鍵技術與學科前沿[J].汽車安全與節能學報，2010（2）：87-104.