紋波電流加熱技術及對新能源汽車性能的影響

關鍵詞：動力電池；紋波電流；電池加熱；續航里程

0 前言

《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035 年）》（以下簡稱“《規劃》”）提出，到2025 年，我國新能源汽車市場競爭力將明顯增強，動力電池、驅動電機、車用操作系統等關鍵技術將取得重大突破［1］。

我國汽車行業正面臨快速進入全球競爭的挑戰，過去并不重視的一些性能參數測試在出口時卻至關重要，如紋波電流測試。國內鮮有對新能源汽車的紋波產生機理及如何降低紋波危害等方面的研究，而國外許多國家在汽車驗收時將紋波限值作為判定整車合格與否的8 個考核指標之一。紋波過大不僅會造成嚴重的電磁干擾，還會對動力電池性能產生巨大影響，因此，全面認識并解決紋波的影響成為眾多新能源整車廠家和動力電池廠家亟待解決的課題［2］。

1 紋波來源

大量理論分析和實際應用表明［3］，紋波的來源主要包括以下3 個方面：① 車輛電機控制器產生；② 車輛電機產生；③ 充電樁充電時引入。

經過大量不同變量對紋波幅值和頻率影響的測試發現，新能源汽車的動力輸出轉矩和轉速是影響紋波波形的重要因素，即轉矩影響紋波的幅值分布，轉速影響紋波的頻率分布。在轉速不變的情況下，增大轉矩，紋波的頻率范圍不變，幅值增大；在轉矩不變的情況下，增大轉速，紋波的頻率隨之增大，兩者呈線性相關。

2 紋波影響

2. 1 對動力電池的影響

對于新能源汽車的動力電池而言，紋波可能會造成電池析鋰、陽極顆粒開裂、熱分布不一致等現象，這對電芯模塊會造成不可逆的損傷。

電池包模塊由電芯模塊串聯、并聯組成，紋波對電芯的影響會傳導至電池包模塊，繼而產生不可控的諧振大電流，而諧振大電流會誘發熱失衡，這對電池的熱管理提出了挑戰［4］。

2. 2 對電池管理系統（BMS）的影響

新能源汽車BMS 會受到紋波的影響［2］。BMS控制動力電池多方面的功能，如電池組管理、充放電控制、功率限制、熱管理、電池安全保護和預警等。紋波一旦對BMS 產生干擾，或影響傳感器（如溫度傳感器）的正常工作，這對新能源汽車整車的正常、穩定運行提出了巨大挑戰，而新能源汽車的高壓系統組件是高頻紋波傳播的最主要途徑。

2. 3 對整車運行的影響

新能源汽車動力電池包由繼電器、保險絲、復合母排、模組等組成，各組件自身及相互連接均會產生寄生電感，最終導致電池包阻抗隨紋波頻率的提高而增大。在車輛行駛過程中，在一定頻段內發生諧振，對應紋波電流大幅增大，導致電池嚴重發熱，且呈現不均衡發熱，這對電池的熱管理提出了嚴峻挑戰。在車輛行駛過程中，電池溫度過高，BMS 會切斷電池對車輛的供電，導致車輛在路上失去動力。

紋波具有隨機性，疊加到電池包中的紋波呈現頻率寬、幅值大的特點。在研究紋波對動力電池的影響時，向電池中注入掃頻紋波，查看測試數據后發現，個別單體電芯會超過限制電壓，觸發BMS 的單壓過壓保護和單體壓差保護，進而影響車輛正常運行。電池包會在特定頻率點檢測到異常、非真實值的電流信號，進而觸發電池包的斷開保護，使電池包繼電器脫開，停止工作。

測試過程表明，不同電池包會在不同的頻率點出現此現象，在檢測過程中一般此類保護可以通過手動清除故障來恢復，但如果在車輛的實際行駛過程中，電池與繼電器斷開會導致車輛無法啟動，在運行中失去動力，甚至導致行車故障。

3 紋波用于電池內部加熱

為了消除和避免新能源汽車的紋波危害，一些新能源汽車制造廠家和動力電池廠家已經開始進行改善性或利用性研究。如目前已有廠家開始研究利用紋波來給動力電池加熱，實現電池的交流自加熱，從而提升動力電池輸出性能。

3. 1 動力電池加熱方式

新能源汽車發展的一大瓶頸是續航里程問題，尤其是在北方寒冷的冬季，續航里程“跳水”讓消費者無法接受。在低溫環境下對5 輛不同新能源汽車進行續航測試，結果表明續航里程平均下降率為37%，這與消費者對于續航里程衰減的容忍度（約為10%）差距較大。此外，在低溫寒冷的條件下車輛冷啟動時動力不足、剩余里程突然下降、充電變慢等問題也成為新能源汽車發展的技術瓶頸［5］。

根據加熱方式，現有的主流動力電池熱管理加熱方法可分為外部加熱法和內部加熱法。外部加熱法包括循環空氣加熱法、液體循環加熱法、正溫度系數電阻（PTC）加熱膜法和熱泵加熱法；內部加熱法包括內部鎳片自加熱法、直流自加熱法、直流脈沖自加熱法和交流紋波自加熱法。

外部加熱法中循環空氣加熱法、液體循環加熱法的工業成本高，涉及到整車各系統的熱源、管路零部件數量較多，系統復雜度高，并且環境適應性差［6］ ；而PTC 加熱膜法的加熱方式為單側加熱，溫升熱均衡效果不佳且能耗比較高，在極端溫度下需要消耗40% 的電池能量。

采用外部加熱法時需要先加熱箱體結構件、電池殼體，再將熱量傳導至集流體活性材料，因此存在大量熱損失，熱接觸和熱負荷一致性較差，導致加熱工況中存在加熱速度慢、能量利用率低、溫度不均勻等先天固有缺陷；而內部加熱法自內向外的加熱路徑可以極大克服以上缺陷。

3. 2 紋波加熱原理

交流紋波是指電動汽車整車處于能量回收、車輛運行或電池充電等狀態時會在直流高壓母線上產生的交流諧波。紋波加熱是對電池正負極施加一定頻率和幅值的交流激勵，電流經電池內部的歐姆阻抗后產生焦耳熱等，電芯內部被加熱后，熱量經過熱傳導和熱交換傳遞至電池殼體表面，實現交流自加熱，加熱原理圖如圖1 所示。

紋波加熱技術應用的關鍵在于針對不同電池，找到其不同低溫場景下長循環壽命的電流和頻率完全安全的策略邊界。

4 結語

本文分析了新能源汽車紋波電流的來源及其對整車性能的影響，探討了利用紋波電流進行動力電池內部自加熱的技術。目前，新能源汽車的整車紋波加熱有6 種潛在的應用場景，因此可以從實際需求出發，設計滿足不同應用場景的紋波波形，評估不同場景下不同波形對電池循環壽命的影響，找到紋波電流加熱效果與電池老化壽命的平衡點，加快紋波電流加熱技術在實際整車中的應用。