一種用于提高電動汽車冬季續航能力的遠程控制加熱裝置

楊雨欣

華北電力大學 北京市 102206

1 研制背景及意義

隨著能源消耗的增加，環境污染的嚴重，電動汽車越來越受到重視，然而，在冬季使用時，出現續航里程顯著減少的現象。冬季環境溫度降低，鋰電池正負極材料中活性物質減少，電解液黏度降低，放電容量減少。以當前鋰電池中最常見的化合物磷酸鐵鋰為例，在零下20度時，放電容量減少近50%。因此，需要提前對電池加熱，恢復續航能力。

當前，常見的加熱元件有可變電阻加熱元件（即PTC）和恒定電阻加熱元件，PTC體積較大，增大電動汽車原有體積。因此，采用PI膜作加熱元件。PI膜由聚酰亞胺膜型電加熱器和導線焊接而成，以聚酰亞胺膜為電絕緣材料，銅鎳箔或銅鎳絲為電熱材料，[1]厚度僅為0.2mm，極大地縮減了體積。[2]

電動汽車冬季利用空調制熱，電量需求大，也造成里程數減少。為綜合解決上述問題，在電動汽車連接充電樁時，遠程控制開啟電池、空調加熱系統，有效增大斷電后續航里程，增大電動汽車對溫度的容忍度，有助于電動汽車更深入地替代傳統能源汽車。

2 設計方案

2.1 整體設計

整個裝置主要分為控制系統與加熱系統。其中控制系統由GSM模塊、STM32單片機、繼電器、DS18B20溫度傳感器組成；加熱系統分為電池加熱系統和車內空調加熱系統，電池的加熱電路包括變壓器、聚酰亞胺加熱薄膜、LED燈帶部分，車內空調的加熱電路用風扇與變壓器模擬。

在電池加熱系統中，用戶向GSM模塊預裝號碼發送短信“START”，遠程開啟預熱加熱模式，同時回復短信“ALREADY BEGUN”，告知用戶已開始工作。當溫度達到0℃時，單片機控制繼電器，自動切換加熱檔位至驅動加熱模式。當溫度達到25℃時，自動關閉加熱系統，并回復短信“FINISH”，告知加熱進程結束。當溫度降低到20℃時，系統自動開啟保溫模式，重新為電池保溫加熱。在加熱過程中，可實時發送短信“TELL”，問詢加熱情況，系統獲取溫度信息后，自動回復對應的溫度范圍，反饋機制的設置，方便動態監控加熱情況，洞察系統工作情況。在車內空調加熱系統中，原理與電池加熱系統相似，用戶向GSM模塊預裝號碼發送短信“AC”（air conditioner縮寫），空調加熱系統開啟，系統利用充電樁使空調制熱，提高車內溫度，達到人體舒適溫度23℃后，回復短信“ALREADY”，告知用戶可以上車。

為更加直觀地觀察到電池加熱系統的開啟與關閉，在模型外部加裝LED燈帶，當以預熱加熱模式工作時，可觀察到黃燈亮；當以驅動模式加熱時，紅燈亮；空調加熱開啟時，綠燈亮。

2.2 控制系統

本設計的控制系統主要由GSM模塊、STM32單片機、DS18B20溫度傳感器、三路繼電器構成。技術路線如圖1所示。

電池加熱控制系統工作原理為：開機后首先進行初始化，單片機PA8和PD2輸出低電平。GSM模塊與單片機之間通過AT指令進行通信，單片機通過串口2持續向GSM模塊發送AT指令：AT+CMGR=＜短信條數＞，當讀取到的短信內容為“START”時，單片機控制IO口PD2輸出高電平，觸發繼電器，開啟預熱加熱系統。DS18B20溫度傳感器自啟動后持續讀取電池溫度，當讀取到的溫度等于0℃時，單片機PD2口輸出低電平，PA8口輸出高電平，將加熱系統切換到驅動加熱。當溫度等于25℃時，單片機PA8輸出低電平，加熱結束。當溫度下降到20℃時，單片機PD2輸出高電平，開啟保溫系統，為電池保溫。

空調加熱系統工作原理為：開機后與加熱控制系統同時初始化，單片機PC1輸出低電平。當讀取到的短信內容“AC”時，PC1輸出高電平，觸發連接風扇的繼電器，當溫度傳感器讀取到溫度為23℃時，空調加熱系統停止工作。

GSM模塊選擇SIMCOM（希姆通）公司的S I M 8 0 0 C模塊，工作溫度范圍為-40℃～+85℃，工作電壓為12V，通信接口兼容3.3V/5V單片機，支持中國移動/中國聯通micro SIM卡，能夠低功耗地實現語音、SMS（短信）、MMS（彩信）、藍牙數據信息的傳輸，[3]充分滿足工作要求。選擇ALIENTEK MiniSTM32 開發板，集成度高，功能強大，配有DS18B20溫度傳感器接口，連接方便。選取DALLAS半導體公司推出的DS18B20溫度傳感器，現場溫度以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性，測量溫度范圍為-55～+125℃，精度為±0.5℃，較為精確。[4]控制部分電路連接原理圖分別如圖2所示。

圖1 遠程加熱控制裝置的技術路線圖

圖2 加熱系統控制部分接線示意圖

2.3 加熱系統

電池加熱系統分為預熱加熱與驅動加熱兩種模式。由變壓器，聚酰亞胺電加熱薄膜，LED燈帶構成，變壓器將220V交流電分別轉換成12V和24V直流電，給加熱膜和燈帶供電。當啟動預熱加熱時，變壓器輸出12V直流電，黃燈亮，加熱膜開始加熱，加熱功率為30W；啟動驅動加熱時，變壓器輸出24V直流電，黃燈滅，紅燈亮，加熱功率為70W。

本裝置選用長方體磷酸鐵鋰電池進行實驗，利用加熱膜對電池側面進行加熱，對電池加熱，觀察溫度變化情況。加熱膜與電池最大的兩個側面充分貼合，熱量通過加熱膜直接傳遞，實現對電池的加熱。

車內空調加熱系統由變壓器和風扇模擬，通過風扇模擬空調工作。

2.4 反饋系統

當收到短信“START”開啟電池預熱加熱模式后，單片機通過串口2向GSM模塊發送AT指令：AT+CMGS=＜”電話號碼”＞，GSM模塊返回＞后，單片機繼續向GSM模塊發送短信內容ALREADY BEGUN，最后發送0X1A，反饋加熱系統已成功開啟。當電池加熱進程結束后，單片機通過AT指令發送短信內容“FINISH”至GSM模塊，反饋加熱結束。當空調加熱系統結束工作后，系統發送短信內容“ALREADY”至用戶，告知用戶車內已達到人體舒適溫度，可以準備上車。在運行過程中，用戶可隨時發送“TELL”至預裝號碼，單片機讀取溫度后，以短信形式反饋相應的溫度范圍。單片機通過串口向GSM模塊發送AT指令，讀取、發送短信，并與溫度傳感器配合，實現工作情況的反饋。

3 效果與應用前景分析

在用加熱膜對磷酸鐵鋰電池加熱后，電池活性得到明顯改善，溫度越低，提升效果越明顯。加熱電池對充電性能有改善作用，溫度低于-20℃，鋰電池充電可用容量比為0，溫度上升到10℃，可用容量比升高至90.11%。

同時，低溫充電存在電池爆炸的安全隱患，對電池加熱，不僅節省了電能，提高了充放電性能，增加了續航里程，而且提高了電動汽車冬季使用安全系數。

現有的電動汽車加熱模式有很大一部分是電動汽車插入充電樁后一直進行加熱，浪費電能，且長時間加熱對電池的性能會產生較大損害。本項目的電動汽車電池/空調加熱遠程控制裝置可以提高純電動汽車對于氣溫變化的容忍度，擴大純電動汽車的溫度適用范圍，有助于純電動汽車更深入地替代傳統能源汽車，從而減少汽車尾氣排放對環境的污染。