新能源汽車低溫電池熱管理方法研究

肖軍

（威馬汽車科技集團有限公司，成都610110）

主題詞：新能源汽車 低溫環境 電池加熱方法

1 前言

隨著新能源汽車的快速普及，使用地域也不斷拓寬至寒冷地區，甚至環境溫度可達-30 ℃，低溫環境對電池的充放電性能、容量衰減和使用壽命的影響不斷凸顯[1-2]，而電池作為“三大電”核心部件，直接影響著新能源汽車的使用性能，導致車輛用戶最直觀的表現為低溫車輛快充時間較慢，甚至無法充電[3]，冬季純電續駛里程衰減嚴重[4]，這些都極大地影響著新能源汽車用戶的滿意度和低溫地域的推廣進度。因此，低溫環境下新能源汽車電池熱管理方法成為延長電池使用壽命和提升車輛低溫使用性能的必要措施，系統性地研究和總結低溫電池加熱方法對后續低溫電池熱管理研究具有一定參考意義。

2 低溫電池加熱方法

根據電池加熱過程中不同的熱源位置，電池加熱方法主要分成電池外部加熱方法和電池內部加熱方法，如圖1所示。

圖1 電池加熱方法分類

2.1 電池外部加熱方法

電池外部加熱方法主要包括基于空氣介質的電池加熱、基于液體介質的電池加熱、基于相變材料的電池加熱和基于熱電效應的電池加熱，其主要加熱方法的優劣勢比較、應用情況等如表1 所示[5-11]。此4 大類電池外部加熱方法的主要熱源來自于電池外部，通過外置熱源的方式對熱傳遞介質進行加熱，再通過熱輻射、熱對流或者熱傳導的綜合作用來達到有效加熱電池的目的。從表1中可以得知，基于空氣介質的電池加熱方法技術比較成熟，但是隨著電池能量密度的提高和電池安全性的愈加重視，電池加熱與電池冷卻一體化集成設計成為各車企的主要設計思路，因此基于液體介質的間接接觸式電池加熱方法正在成為汽車企業量產車型的主流應用技術，其余外部電池加熱方法由于成本高、結構復雜、或者安全風險等因素導致應用較少或尚未進行產業化應用，目前主要處于研究與實驗階段。

2.1.1 基于空氣介質的電池加熱方法

通過將已加熱的空氣流過按照設計的流道與電池單體或模組進行熱交換，從而達到加熱電池的目的。按照空氣流動是否需要動力源分為被動式和主動式，依據電池包內電池單體或模組排列形式分為串行式和并行式。

Mahamud等[12]提出了一種可以改變電池包空氣入口和出口方向的特殊空氣流道換向系統，該系統可以按照設定的時間周期進行切換電池包入口和出口，從而有效地提高電池包內電池溫度的均勻性，經過仿真分析驗證表明，采用該空氣換向系統比固定入口的電池包內部溫差明顯降低，可以顯著提高電池包內部熱量分布一致性。于遠彬等[5]設計了一種通過利用低溫環境發動機余熱來加熱空氣介質實現預熱電池包的電池加熱系統，仿真分析了不同電池包入口進氣質量流量下電池包溫差和電池包出口單體溫度的變化趨勢，并且得到滿足電池包溫差小于5 ℃的空氣入口質量流量應該大于3 g/s，并采用該整車電池預熱控制策略與不采用預熱策略進行仿真分析結果表明，采用預熱策略的車輛油耗低于不預熱的油耗，隨著外溫的降低，預熱策略的節油率更高。夏順禮等[13]針對某純電動汽車設計了一種集成車架、乘員艙與車身底板一體化的以空氣為介質的電池組熱管理系統，并制定了低溫環境工況以單體最低溫度為基本規則的電池組充放電加熱策略。搭載該電池熱管理系統的車輛進行-10 ℃環境艙試驗結果表明，低溫工況下可以正確實現加熱功能，車輛低溫充電預加熱試驗工況的電池組最大電芯溫差為5 ℃，最大溫升率為15 ℃/h。王發成等[14]依據熱力學基本原理建立空氣電加熱絲熱量傳遞模型，并通過試驗研究表明，電池組單體表面溫度從-15 ℃加熱至0 ℃用時約21 min，加熱速率約為0.71 ℃/min。黃堪豐等[15]搭建了基于渦流管效應原理的電池熱管理系統臺架，通過空壓機壓縮空氣進入渦旋發生器，將在渦旋發生器的兩端分別產生可以預熱電池的熱氣流和冷卻電池的冷氣流，試驗結果表明，32 ℃室溫和0.7 MPa 壓力條件下渦流管熱氣流可以達到56.4 ℃。

2.1.2 基于液體介質的電池加熱方法

基于空氣介質的電池加熱方法應用較早，技術成熟，但是空氣加熱目前已無法滿足新能源汽車高續航里程、短快充時間的要求，為此，主流車企基本傾向采用具有更高換熱效率、空間更緊湊的液體間接接觸式電池加熱方法，典型應用包括Tesla Model S/Model 3、BMW i3、BYD EV系列等量產車型。

陳通等[16]通過CFD 軟件仿真模擬了基于水暖型高壓電加熱器的電池熱管理系統，仿真分析表明電池加熱過程中電芯最高溫度達到30 ℃，上下極柱溫差為8.5 ℃，并經試驗驗證仿真模擬的精度可以滿足電池熱管理要求。Fan 等[17]基于COMSOL 軟件建立集電池加熱與冷卻一體化設計的換熱板和電池包模型，并設定外溫-20 ℃條件下研究分析電池放電倍率、電池入口液體質量流量和電池加熱入口水溫對電池加熱性能的影響。研究結果表明，電池放電倍率相較于外部加熱源而言對電池溫升速率的影響可以忽略不計，電池入口液體質量流量達到0.065 kg/s之后，電池溫升速率再通過增大電池入口液體質量流量的提升效果不明顯。電池入口水溫最佳目標值為45 ℃。肖軍等[18]公開了一種具有多種電池加熱模式的車用電池熱管理系統，該系統主要由水暖型燃油加熱器、水暖型高壓電加熱器、電機電控總成、電子控制三通閥、電池包、雙芯體Chiller 和電子水泵等組成，多種電池加熱模式主要包括電加熱模式、油加熱模式、電機余熱回收模式以及兩種混合加熱模式，可以滿足新能源汽車極低溫環境行駛的需求，拓寬了新能源汽車使用地域,一定程度上緩解了電池加熱耗電量較高問題。張春秋等[19]研究總結了集成電機電控、電池與乘客艙的液冷式熱管理系統架構發展趨勢，并提出構建充分利用電機電控等電子部件余熱的節能高效熱管理系統為未來發展趨勢。而特斯拉汽車公司[20-21]則是電機電控等電子部件熱量利用的實踐者之一，其充分利用電機電控總成的散熱量或者壓縮機總成的發熱量通過多向換向閥與液冷電池熱管理系統高效集成之后來預熱電池，并于量產車型取得顯著節能效果，高度集成化亦降低了電池熱管理系統成本。

相比于液體間接接觸式電池加熱方法，直接接觸式電池加熱方法具有更高的加熱效率，更好的溫度一致性，其缺陷也很明顯，即需要直接接觸的液體具有高絕緣性能和高導熱性能。顏藝等[22]通過Fluent軟件研究分析了3種不同流道結構對絕緣導熱硅膠油浸沒式電池熱管理系統的加熱效果和冷卻性能的影響。結果表明，高低交錯式“U”型流道比其他兩種流道結構具有更好的加熱和冷卻綜合性能效果。采用高低交錯式“U”型流道結構進行加熱仿真分析得到電池起始溫度為-30 ℃加熱至10 ℃之后，電池溫差為6 ℃，硅油溫差為12 ℃。羅玉濤等[7]設計了一種浸沒于變壓器油的電池組加熱裝置，試驗結果表明，電池組從-30 ℃加熱至0 ℃需35 min，從-10 ℃加熱至0 ℃約12 min，電池的平均溫升速率約為0.85 ℃/min。

2.1.3 基于相變材料的電池加熱方法

基于流體介質的傳統電池熱管理方法均存在系統相對復雜，且未能充分利用電池自身熱能的缺點，而使用能夠吸收和釋放潛熱的相變材料電池熱管理系統具有結構簡單、耗能低等優點，能為車輛電池包輕量化設計以及提升電池包系統質量能量密度做出一定貢獻[23]。

Chen 等[24]研究分析了被動型相變材料、增強型相變材料和基于相變材料混合式的電池熱管理系統，其中一種典型增強型相變材料結構如圖2 所示，并指出相變材料可以通過增加碳納米管、泡沫金屬、膨脹石墨等方法提高導熱系數，以及基于相變材料混合式的電池熱管理系統可以顯著改善低溫環境下電池的性能表現。Zhang 等[6,25]設計了一種車輛應用的相變熱蓄能器，并通過搭建的試驗臺進行試驗研究蓄能器入口液體溫度、相變熔點、蓄能器入口液體流量和多熔點相變材料組合方式對相變熱蓄能器換熱性能的影響。試驗結果表明，一定條件下儲熱過程中蓄能器入口液體溫度越高或者相變材料熔點越低，則儲存潛熱的熱量越多和速率越快；放熱過程中，蓄能器入口液體溫度越低或者相變材料熔點越高，釋放潛熱的熱量越多和速率越快。隨著蓄能器入口液體流量的增加，儲存和釋放熱量的速率均在增大，但蓄能器入口液體流量增加到一定程度之后的影響會減弱。且多熔點相變材料組合體對多溫區位電機電控等部件的余熱利用有益。施尚等[26]試驗研究基于泡沫銅/石蠟的復合相變材料電池熱管理系統,試驗結果表明具有93%泡沫銅孔隙率的復合相變材料是純石蠟導熱系數的25.4 倍。Lei 等[27]提出了一種集成相變材料、熱管與噴霧冷卻一體化設計的鋰電池熱管理系統，環境溫度-10 ℃放電試驗結果表明，浸置于低溫1 h 工況下，鋰電池采用新設計的電池熱管理系統比沒有采用的放電容量提升約33.9%，浸置于低溫4 h 工況下，帶電池熱管理系統的鋰電池放電容量提升約52.5%。

2.1.4 基于熱電效應的電池加熱方法

電池外部加熱方法除了以傳熱介質為基礎之外，還有基于熱電效應原理實現加熱電池的方法，主要包括帕爾貼效應加熱（Peltier element）、電熱效應加熱和電阻溫度效應加熱方式。

Troxler 等[28]利用帕爾貼元件實現控制電芯溫度梯度,兩端溫度梯度最大可達40 ℃，并試驗研究電芯溫度梯度對電芯性能的影響，使用的帕爾貼元件示意結構如圖3 所示。Alaoui 等[9]設計了一種基于帕爾貼元件的車載電池熱管理系統，試驗結果表明，環境溫度為17 ℃條件下，加熱20 min 之后，前電池包的溫度最高值升高至37 ℃，后電池包的溫度最高值增加至29 ℃，加熱過程所耗能約為2.5%初始電池包容量。曾爽等[29]提出了一種基于電池組供電的電加熱膜自加熱裝置。測試結果表明，電池包表面溫度從-20 ℃加熱至0 ℃用時約10 min，從-20 ℃加熱至10℃耗時約15 min，電池平均加熱速率為2 ℃/min。劉菲菲等[30]研究分析了2 種不同形狀尺寸的硅橡膠電加熱膜安裝方式對微熱管電池包低溫電池熱管理性能的影響。試驗結果表明，“三明治”電加熱膜安裝結構的電池加熱效率高于電加熱膜貼于微熱管翅片的安裝結構，前者的平均加熱功率約為后者的1.35 倍，前者所需的最優電池加熱功率為100 W，后者需要180 W。

2.2 電池內部加熱方法

由于電池外部加熱方法具有加熱效率相對較低、加熱能耗相對較高、受系統空間布置限制等缺點，為此電池內部加熱方法已成為各大企業和科研院所的重要研究方向，主要類型包括基于內部短路的電池自加熱方法和基于外部電流激勵的電池加熱方法[31-34]，其優劣勢比較、車載應用等情況如表2 所示。根據已有文獻資料[31-40]得到電池內部加熱方法的電池溫升速率統計情況，如圖4所示，從圖中可以得知基于內部短路的電池自加熱方法的電池溫升速率最高。

表2 電池內部加熱方法簡要比較

2.2.1 基于內部短路的電池自加熱方法

Wang 等[31]提出了一種含有加熱極耳的三極自加熱鋰電池結構，如圖5 所示，其中采用室溫25 ℃條件下電阻為56 mΩ的50 μm鎳鉑片作為鋰電池內部自加熱的產熱源，鎳鉑片的一端與鋰電池負極連接，另一端與鋰電池的加熱極耳連接，并在鋰電池負極與加熱極耳之間設置加熱激活開關。當鋰電池內部溫度＜0 ℃時，加熱激活開關斷開，導致形成電流的電子從正極耳經負極耳流過鎳鉑片，再到鎳鉑片的加熱極耳，從而使得鎳鉑片發熱加熱鋰電池；當鋰電池內部溫度≥0 ℃時，加熱激活開關閉合，形成電流的電子旁通繞過鎳鉑片，從而恢復到正常的鋰電池。測試結果表明，鋰電池溫度從-20 ℃、-30 ℃加熱至0 ℃的加熱時間分別為19.5 s、29.6 s，加熱能耗分別為3.8%和5.5%,并指出自加熱鋰電池的重量和成本預計分別增加1.5%和0.04%。Zhang 等[41]優化了自加熱鋰電池結構，基本控制原理為加熱激活開關設置于鋰電池正極與加熱極耳之間，加熱激活開關閉合情況下形成電流的電子流過2 片鎳鉑產生熱量從而實現鋰電池自加熱，加熱激活開關斷開情況下，恢復為正常鋰電池。并首次提出采用鎳鉑的電阻值與溫度值線性對應關系來實時測量鋰電池內部溫度的方法。測試結果表明，采用優化的自加熱鋰電池溫度從-20 ℃加熱至0 ℃僅需為12.5 s，加熱能耗僅為2.9%，其余工況的試驗結果如圖6所示。

圖4 電池內部加熱方法的溫升速率統計情況[31-40]

圖5 自加熱鋰電池結構示意[31]

2.2.2 基于外部電流激勵的電池加熱方法

相比于基于內部短路的自加熱電池需要改變現有電池結構和生產工藝等缺陷，外部電流激勵的電池加熱方法具有更好的電池適應性和電芯溫度一致性等優點，主要類型包括交流電流加熱、脈沖電流加熱和直流電流加熱。

圖6 不同環境溫度下自加熱鋰電池的加熱時間和加熱能耗情況[41]

何錫添等[42]利用MATLAB 搭建了基于熱-電耦合的電池模型，研究了不同電池溫度下對應的電池最佳加熱頻率，設計了一種恒定極化電壓幅值、以電池產熱功率最大為優化目標的新型變頻變幅交流電加熱策略，試驗結果表明，電池采用新型變頻變幅交流加熱策略加熱700 s 的溫升為47.67 ℃，比采用1 700 Hz恒頻變幅交流加熱策略的溫升高6.84 ℃，前者比后者的電池溫度提升率增加約16.8%。Guo 等[43]研究分析了低溫交流電加熱方法對鋰電池循環使用壽命的影響,試驗結果表明，經過210 個低溫加熱循環之后，鋰電池的充電容量從1.055 A·h 降至1.045 A·h,僅衰減1% SOC;鋰電池的放電容量從1.056 A·h 降至1.047 A·h，僅衰減0.9%SOC，這說明該低溫交流加熱方法對鋰電池循環使用壽命和安全性能沒有明顯影響。Qu 等[39]通過環境艙試驗研究分析了18650 圓柱形電芯脈沖加熱性能的影響因素，測試結果表明，脈沖開關間隔周期從0.1 s 至1.0 s 范圍內的變化對電芯脈沖加熱性能影響很小，脈沖加熱時間隨著環境溫度的升高是先減少而后緩慢增大，隨著電芯起始SOC 的增加，脈沖加熱時間將增大，當起始SOC＞80%時，-10 ℃環境溫度下脈沖加熱200 s 可以實現溫升20 ℃。徐智慧等[44]基于最短加熱時間和防止電池過壓2 個變量為目標優化加熱電流幅值和頻率，采用該優化策略之后，電池溫度從-10.5 ℃加熱至1.4 ℃用時7 min，電池平均加熱速率約為1.7 ℃/min。Ruan 等[34]采用基于II型非支配排序遺傳算法的多目標優化方法來權衡電池加熱時間目標和電池容量損失目標，優化后的直流電加熱策略將電池溫度從-30 ℃加熱至2.1 ℃用時103 s，且經過500 個直流電加熱循環之后的電池容量損失僅為1.4%。

3 結束語

本文系統性地綜述了新能源汽車低溫電池熱管理方法，并對電池主要加熱方法進行優劣勢、車載應用情況、加熱速率等因素進行了比較分析。總結如下：

（1）基于空氣介質和液體介質的電池加熱方法的車載應用最成熟，普及率也最高，且隨著電芯能量密度的提升和車輛大功率快充的需求，基于液體介質的電池加熱與電池冷卻一體化集成設計成為新能源汽車的主流應用趨勢。

（2）自加熱鋰電池可以實現最快的加熱速率，同時，能耗也在可接受的范圍之內，但需要改變現有電池結構和生產工藝，導致其距離產業化和普及化還有較長時間。

（3）由于基于外部電流激勵的電池加熱方法不需要改變現有電池結構，布置空間相對較小，加熱速率高，電池溫度均勻性較好等優點，目前正在成為各企業和科研院所的研究熱點。

（4）充分利用各個電池加熱方法的優缺點，基于相變材料與液體介質等兩種或以上的復合加熱方法將是電池加熱的未來發展方向之一。