電池預(yù)加熱技術(shù)介紹

什么是電池?zé)峁芾?？電池的?xí)性其實與人相似，它既受不了太熱，也不喜歡太冷，最適宜的工作溫度在15-40℃之間。但是汽車的工作環(huán)境卻非常寬廣，零下20℃到55°C都很常見，那怎么辦呢？那就給電池配個空調(diào)吧，以實現(xiàn)熱管理的3個功能：散熱：溫度過高時，電池會折壽(容量衰減)，暴斃(熱失控)風(fēng)險增加。因此，溫度過高時，就需要散熱。加熱：溫度過低時，電池會折壽(容量衰減)、衰弱(性能衰減)，若此時充電還會埋下暴斃隱患(析鋰導(dǎo)致的內(nèi)短路存在引發(fā)熱失控的風(fēng)險)。因此，溫度過低時，就需要加熱(或保溫)溫度一致性：還記得小時候家里買的空調(diào)嗎？啟動起來就一陣?yán)滹L(fēng)猛吹，吹完就歇一會。而如今的空調(diào)，大多具備了變頻與環(huán)繞吹風(fēng)功能，目的就是為了保持溫度在時間與空間兩個維度上的一致性。類似地，動力電池也需要盡可能降低溫度在空間上的差異性。（盡量保證電芯溫度差越小越好）低溫環(huán)境對車輛和電池的影響大家都知道，動力電池是電動汽車的最重要的一個大件，在方方面面影響著汽車的性能：能跑多少公里？最大加速度是多少？壽命如何？當(dāng)然還有更重要的安全性能，上述問題，在很大程度上取決于動力電池。諸多因素影響著動力電池的性能，最大的一個因素便是溫度。尤其是北方的電動車主們都深有感觸，談“溫”色變。很多早期的電動車，到冬天后，里程只剩原先的70%，很多人舍不得打開空調(diào)取暖，就怕影響到駕駛里程。實際上，低溫也同樣帶來電池的放電能力降低。較低的電池溫度，完全抑制了電池的放電能力，影響的不僅僅是續(xù)航里程，甚至車輛的動力性，能量回收等。我們以常見的鋰離子電池為例：鋰離子電池工作原理本質(zhì)上是內(nèi)部正負(fù)極與電解液之間的氧化還原反應(yīng)，在低溫下電極表面活性物質(zhì)嵌鋰反應(yīng)速率減慢、活性物質(zhì)內(nèi)部鋰離子濃度降低，這將引起電池平衡電勢降低、內(nèi)阻增大、放電容量減少，極端低溫情況甚至?xí)霈F(xiàn)電解液凍結(jié)、電池?zé)o法放電等現(xiàn)象，極大的影響電池系統(tǒng)低溫性能，造成電動汽車動力輸出性能衰減和續(xù)駛里程減少。此外，在低溫環(huán)境下充電容易在負(fù)極表面形成鋰沉積，金屬鋰在負(fù)極表面積累會刺穿電池隔膜造成電池正負(fù)極短路，威脅電池使用安全，電動汽車電池系統(tǒng)低溫充電安全問題極大的制約了電動汽車在寒冷地區(qū)的推廣。有沒有一種技術(shù)可以緩解上面的問題？通過以上信息可以看到，新能源汽車在沒有電池?zé)峁芾砘蛘邿峁芾碜龅牟缓玫那闆r下，對電動車的性能影響有多大。當(dāng)然，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的電動汽車，基本上都有電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。而電池的熱管理系統(tǒng)的最終目的，簡單的說，就是為了讓電池的溫度盡量處于最適宜它的工作溫度。電池?zé)峁芾淼谋匾匀Q于車輛選用的不同的電池類似，以及不通電池的發(fā)熱率、能量效率和性能對溫度的敏感性。熱管理包括升溫和降溫，同樣重要。電池預(yù)加熱技術(shù)，是電池?zé)峁芾碇械闹匾M成部分，是為了讓電池在溫度較低時，可以快速將電池溫度上升到最佳工作溫度的技術(shù)。通常來說，包括這樣幾種主流的電池加熱方式：電池自然發(fā)熱加熱利用電池自身工作，放電或充電時，產(chǎn)生的熱量，來提高電池的溫度。這種方式加熱，效果慢，有時候往往車都用完了，電池溫度還沒上來。除了在一些早期車型和一些低成本的車輛上，基本上已經(jīng)被主流的主機廠棄用。鼓風(fēng)加熱說實話，風(fēng)冷的電池包市面上真的不多見，據(jù)說比亞迪開發(fā)過風(fēng)冷的電池包。用過外部的空調(diào)吹熱風(fēng)或者冷風(fēng)，對電池包內(nèi)部進(jìn)行溫度控制。但是這種技術(shù)，需要對電池包內(nèi)的風(fēng)道進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計，電池溫升的效果也是比較慢，而且如果設(shè)計不好，很容易出現(xiàn)局部溫度過高的現(xiàn)象。電池包內(nèi)加熱設(shè)備加熱加熱系統(tǒng)主要由加熱元件和電路組成，其中加熱元件是最重要的部分。常見的加熱元件有可變電阻加熱元件和恒定電阻加熱元件，前者通常稱為PTC（positivetemperaturecoefficient），后者則是通常由金屬加熱絲組成的加熱膜，譬如硅膠加熱膜、撓性電加熱膜等。PTC或者加熱膜的方式，通常情況下，加熱效果好，速度快。但是也會存在電池溫升不均勻現(xiàn)象，與加熱源靠的近的電芯溫升會明顯高于遠(yuǎn)離加熱源的電芯。尤其是加熱膜，是緊貼在電池模組表面進(jìn)行加熱。所以，對電池包內(nèi)的散熱結(jié)構(gòu)也有一定的要求。PTC由于使用安全、熱轉(zhuǎn)換效率高、升溫迅速、無明火、自動恒溫等特點而被廣泛使用。其成本較低，對于目前價格較高的動力電池來說，是一個有利的因素。但是PTC的加熱件體積較大，會占據(jù)電池系統(tǒng)內(nèi)部較大的空間。絕緣撓性電加熱膜是另一種加熱器，它可以根據(jù)工件的任意形狀彎曲，確保與工件緊密接觸，保證最大的熱能傳遞。硅膠加熱膜是具有柔軟性的薄形面發(fā)熱體，但其需與被加熱物體完全密切接觸，其安全性要比PTC差些。液體循環(huán)加熱液冷的電池包在當(dāng)前的設(shè)計中，因為其加熱效果好，散熱分布均勻，安全可靠等特點，占據(jù)了主流的位置。在電池包內(nèi)結(jié)構(gòu)上，通常是會設(shè)計利于散熱的水道，將熱量均勻的散發(fā)到電池包內(nèi)部，達(dá)到電池溫度的均勻上升。兩種常見的電池液冷循環(huán)示意圖圖中紅色箭頭部分是加熱部分，外部大循環(huán)是電池包的降溫部分，這里不多做介紹，優(yōu)秀的同學(xué)可以自行參悟…在控制原理上，用已經(jīng)上市的小鵬G3為例，采用的也是熱管理更加先進(jìn)的液冷控制方法，G3采用更加集成的HVAC控制器，對于電池的溫度控制更加敏銳。上圖中可以看得出來，電池包加熱功能，使用的是單獨的電池包內(nèi)PTC加熱液體，進(jìn)行循環(huán)加熱，可以使電池加熱的更加迅速，均勻。在用戶啟動車輛充電（無論快充還是慢充都可以哦）的開始階段，整車控制器就對電池的溫度信號進(jìn)行收集，當(dāng)電池的溫度較低，需要啟動加熱時，整車控制器會控制冷卻液進(jìn)入加熱循環(huán)。此時通常會有一個熱源（圖中的PTC2加熱器）將循環(huán)的液體進(jìn)行加熱，然后再流經(jīng)動力電池內(nèi)部，給電池加熱。這就是電池加熱的原理。另外，透露一點內(nèi)部消息給大家，正處于研發(fā)的小鵬P7，會增加更加新穎的一鍵導(dǎo)航充電站預(yù)加熱功能哦，可以讓你的愛車在前往超級充電站的途中，就對電池進(jìn)行預(yù)加熱，并且根據(jù)導(dǎo)航的距離，調(diào)整加熱的功率。這樣，就可以讓電池在到達(dá)充電站后，以最佳的電池溫度來迎接超級充電啦！電池預(yù)加熱的使用場景和特點關(guān)于電池預(yù)加熱的主要使用場景，更多的還是集中在北方城市的冬天里。主要的使用場景還是包括兩個方向，放電和充電場景。車輛靜置在低溫環(huán)境中一段時間后，啟動車輛，此時電池溫度較低，嚴(yán)重影響車輛駕駛體驗和感覺，若此時前往充電樁進(jìn)行充電，也嚴(yán)重影響充電效率。所以，在電池包預(yù)加熱的啟動和關(guān)閉策略上，需要進(jìn)行詳細(xì)的溫度標(biāo)定，才能達(dá)到更好的使用效果，不會浪費資源，又能滿足客戶的使用場景?！@也是考驗一個主機廠集成匹配能力的時候。而動力電池的木桶效應(yīng)（電池系統(tǒng)的性能、可靠性取決于最弱的一個電芯，系統(tǒng)的安全性取決于最不穩(wěn)定的一個電芯）決定了只有電池溫度一致性越好的電池包，才能發(fā)揮出最好的性能。所以這也是目前大多數(shù)電池包的設(shè)計都采用液冷電池包的原因。如上圖所示，假設(shè)大部分電芯溫度為20度，而電芯B因為加熱慢溫度只有10度，那么整個電池包都必須遷就B電芯，放電