電動汽車低溫技術的應用與分析

李 剛

（吉林省吉科教育投資集團有限公司，吉林 長春 130000）

當前新能源汽車動力電池普遍采用鋰離子電池，其主要是指三元聚合物鋰電池及磷酸鐵鋰電池，鋰離子電池在低溫環境下（如-20℃）不僅容量衰減較大且充放能力也明顯變差。如圖1實測數據表明：當外部溫度在零下20℃左右，動力電池能量衰減25%；當外部溫度在零下30℃時，能量衰減能達到38%。低溫環境下鋰離子電池的性能衰減導致電動汽車的續航縮水，讓眾多電動汽車用戶談冬色變。

圖1 鋰電池容量與溫度關系

1 電動汽車冬季續航下降的原因

1）動力電池低溫衰減。鋰離子電池最適宜的工作溫度是15～30℃，40℃以上要主動放熱，0℃以下要加溫。從鋰電池機理上看，造成鋰離子電池低溫性能差的主要原因是隨著環境溫度的降低，電解液及電極界面膜對鋰離子轉移阻抗增大，此時Li的遷移和負極碳隙的嵌入將變得十分困難，充放電性能因此變差（圖2），極端低溫情況甚至會出現電解液凍結、電池無法放電等現象，此類低溫容量損耗（-30℃以下）占電池總電量的19%左右。此外，在低溫環境下充電易在負極表面形成鋰單質堆積，積累的鋰晶枝會刺穿電池界面膜造成電池正負極短路，威脅電池使用安全。

圖2 Li+的遷移和嵌入

2）空調加熱系統的使用。電動汽車熱空調采用PTC電加熱器（圖3），其特點是功率大、制熱速度快，主流的暖風空調功率在3～6kW，暖風1h需耗費3～6度電。以特斯拉ModelY為例，其百公里耗電大概13度電（kWh）左右，加熱系統的額外耗電及其綜合熱管理損失，使汽車續航能力下降幅度可達27%左右，再加上低溫衰減的影響，實際的續航里程衰減可能要達到40%～50%（圖4）。

圖3 PTC電熱器

圖4 電動汽車低溫環境電能損耗

3）動力電池的預熱損耗。為了讓動力電池處于正常工作狀態，最大發揮電池充放電效率，改善電池低溫衰減，當前行業內普遍做法是采用電加熱元件給電池加熱，在低溫環境（-30℃）下，此類預熱損耗也會消耗電池總電量的10%左右。

4）行駛阻力。主要是冬天空氣密度會加大，使車輛行駛阻力變大，此損耗與車速成正比約占4%左右。

2 提高電動汽車低溫技術的措施

2.1 電動汽車低溫主流技術

為滿足冬季取暖與動力電池的預熱需求，目前采用的加熱裝置，一種是燃料燃燒采暖裝置（圖5），制熱效率高、耗電低，但與電動汽車的零排放相違背，另一種就是采用電加熱裝置。

圖5 燃料燃燒采暖裝置

目前動力電池電加熱的方式主要分兩種：內部加熱和外部加熱。內部加熱直接在電池內部產生熱量，其加熱效率高、受熱均勻，但技術難度大，是低溫技術重點研究方向；外部加熱主要是利用可變電阻加熱元件PTC材料通過介質或采用加熱膜在外部對電芯進行直接加熱，PTC加熱介質包括空氣介質和液體介質。以空氣為介質的風暖因對電池組加熱不均勻而逐漸被淘汰，以液體為介質的加熱均勻度較好，且可以利用電機、電機控制器、DC/DC產生的余熱幫助電池達到工作溫度，所以PTC液熱系統逐漸成為當前空調及動力電池加熱（圖6）的主流技術，但此種方式耗電量大也是新能源汽車的一個痛點。目前在電池本身耐低溫性能沒有突破的情況下，采取的措施是提高電能的制熱效率。

圖6 動力電池PTC液暖加熱系統

2.2 電動汽車低溫加熱方案

1）超低溫冷啟動電池自加熱。這項技術無硬件增加，原理是利用低溫下電芯內阻增大的特性，通過高頻大電流脈沖充/放電，使電池內電解液升溫，實現快速加熱的效果。

2）采用恒定電阻加熱膜對電池進行加熱（圖7）。加熱膜由鎳鉻合金電熱絲和硅橡膠高溫絕緣布組成，為柔軟性薄面體，厚度0.5 ～1.5mm，絕緣電阻≥200MΩ，耐壓強度≥AV1500V/5s，工作電壓1.5～380V，加熱膜可粘附在傳熱能力強的金屬表面或直接與電芯緊密接觸，傳熱效率高，但安全性比PTC差。

圖7 動力電池硅膠加熱膜

3）在電芯之間放置加熱片（高功率金屬箔鎳）通電生熱，快速使電芯升溫，即全氣候電池（圖8）。如：盟固力研發的電池自加熱（ATBS）技術，每兩個電芯之間的加熱片通過串并方法形成一組夾層結構，通過加熱片發熱和電池內阻發熱快速加熱電池，在電池和加熱片組之間引入IGBT裝置，通過該裝置可對加熱電流進行調節，從而對加熱速度進行調節，低溫下（-40℃）可快速加熱電池系統（3～10℃/min），加熱速度是PTC的10倍，升10℃耗能約1.5%～1.8%的常溫電量，加熱后電池的放電深度提高4%～6%，放電能量提升8%～15%，續航增加10%～30%，還可以在低溫下快速充電（1h充滿電）。

圖8 外置加熱片自加熱電池組

4）通過在電芯內放置加熱片進行快速加熱。美國賓西法尼亞州立大學王朝陽教授團隊采用將加熱片置于電池芯內的技術，即全氣候自加熱型鋰電池（簡稱ACB），加熱片（鎳鉑片：厚度50μm在25℃時電阻為56mΩ）與電池正負極連接，利用電池自身的能量使其快速升溫，溫度升高后即可在低溫環境下進行充電或行車，可徹底解決電池低溫瓶頸問題（圖9）。因該方案采用物理加熱方法，對電池壽命影響小，且加熱過程不依賴外部設備。電池由-40℃自加熱至0℃用時約45s，實現53℃/min溫升，最大加熱電流為5.5C，最低電壓0.687V，加熱能量消耗2.5%/10℃。據試驗測量此種方式電池加熱時間短，節電顯著，由外溫-20℃、-30℃至0℃分別為19.5s和29.6s，能耗占電池總容量百分比約為3.8%和5.5%，當前存在的問題是需要改變現有電池結構，變更現有電池的生產工藝以及具有一定的安全風險。

圖9 內置加熱片自加熱電池

5）采用熱泵空調系統制熱（圖10）。汽車熱泵空調系統在處于采暖循環時，車外換熱器作為蒸發器使用，吸收外界環境的熱量，高溫高壓的制冷劑流過熱泵熱交換器時，制冷劑釋放的熱能用于加熱乘客艙。熱泵通過搬運環境的熱量，使得采暖系統效率達到1.3～2.0，節省30%～50%的空調功耗，測試表明：在-7℃時，R134a熱泵相較于PTC制熱可提升20%續航里程。但常規的熱泵系統有一定環境溫度的局限性，在車外溫度較低時，車外換熱器溫度與外界環境溫度接近，車外換熱器不能有效地從外界環境吸收熱量，導致系統無法繼續運行，一般只能適應-10℃以上，且效率會隨溫度降低而降低。而目前比較前沿的技術是CO熱泵，CO的蒸發潛熱較大，能做到零下30℃依然可以工作，并且采暖效率比R134a空調系統高30%以上，續駛里程可以提升15%。Model Y和新款Model 3采用的熱泵管理方式，通過控制膨脹閥開度、止向閥及八通閥動作來控制冷媒的循環，控制系統總共12種制熱模式，3種制冷模式。

圖10 熱泵空調原理與系統組成

6）動力電池保溫技術。正常工作下，電池包運行溫度可依靠自身發熱維持，但在極寒環境及長時間停車情況下，除需要加熱外還要進行隔熱保溫，減緩預熱熱量的散失。動力電池包箱體保溫目前強化方向是：箱體表面噴涂薄層（3mm）PVC裝甲，箱體內腔覆蓋保溫材料（保溫泡綿，二氧化硅氣凝膠-導熱系數0.013W/mk），封堵空氣通道、型材腔體與地板間隙等。

7）動力電池恒溫管理。電池恒溫管理由電池管理系統（BMS）完成，主要包括冷卻、加熱以及溫度均衡。在極寒條件下，BMS通過導熱介質、測控單元以及溫控設備構成閉環溫度調節系統，始終讓電池保持在恒溫狀態下運行。溫度均衡則用來減小電池組內部的溫度差異，防止某一部分電池過熱而造成其壽命的快速衰減。

3 結論

低溫對電動汽車續航里程的影響是一個無法回避的問題，主要原因是動力電池所具有的的理化性能對溫度的變化較敏感，因此電池抗低溫性能以及材料的研發、改進是今后解決的首要問題。當前研究與應用的主流技術是鋰電池的加熱與保溫技術以及提高電動汽車的電能利用效率技術，隨著新能源電動汽車的發展及產能的不斷擴大及相關企業、科研單位對這方面的重視與研發的不斷投入，相信制約電動汽車低溫運行的電池技術必將被突破。