電池系統(tǒng)的加熱方式主要分為兩種，內(nèi)部加熱法和外部加熱法。內(nèi)部加熱方式是通過電池電阻或電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)等直接對(duì)電池內(nèi)部進(jìn)行加熱，該方法加熱效率高，能耗低。外部加熱方式，即通過外部加熱組件產(chǎn)生熱量，從外部對(duì)電池進(jìn)行加熱，主要加熱方式有氣體加熱、液體加熱、電阻式加熱等。外部加熱簡(jiǎn)單，效率相對(duì)較低。

1  內(nèi)部加熱方式

電池內(nèi)部加熱不受電池箱尺寸和空間以及安裝方式限制，同一類型電芯，每個(gè)電芯的加熱功率基本相同，熱量從內(nèi)部產(chǎn)生，加熱均勻，但須配套高低頻加載控制電路裝置或者外控電路。

1.1  高/低頻交流電加熱

TA.Stuart和A.Hande等最早提出利用低頻或高頻交流電對(duì)氫鎳或鉛酸電池進(jìn)行內(nèi)部加熱，其中低頻交流電的頻率是60Hz，高頻交流電的頻率是10~20kHz。主要原理是通過電池自身的電阻進(jìn)行加熱，在電池組通交流電的同時(shí)可以對(duì)電池進(jìn)行充電和放電。低頻交流電的裝置體積相對(duì)于高頻交流電體積較為龐大，較難實(shí)現(xiàn)裝車，并且有人指出，低頻交流電會(huì)使電池內(nèi)部發(fā)生電離，電池壽命降低，但未有數(shù)據(jù)證實(shí)。針對(duì)鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)，有多項(xiàng)類似加熱的專利出現(xiàn)，由于涉及到交流電產(chǎn)生裝置的成本、質(zhì)量、安裝空間等限制，目前該種方法還沒有在電動(dòng)汽車上批量應(yīng)用。

1.2  電池內(nèi)部放電加熱

Wang等開發(fā)出一種具有快速自發(fā)熱功能的鋰離子電池。在電池中設(shè)計(jì)了鎳箔作為第三極，只要環(huán)境溫度低于0℃，正極和第三極就會(huì)形成放電回路，產(chǎn)生熱量對(duì)電池進(jìn)行加熱；電池內(nèi)部溫度超過0℃，第三極斷開，電池回到工作狀態(tài)。電池從－30℃加熱到0℃，只要30s，同時(shí)消耗5.5%的電量，效率高，時(shí)間短，有望應(yīng)用于電動(dòng)汽車上解決低溫嚴(yán)寒應(yīng)用，加熱結(jié)構(gòu)和原理見圖1。


但在電動(dòng)汽車應(yīng)用中，由于為數(shù)百上千只電池串并聯(lián)，電池包內(nèi)部各電池溫度存在差異，由于加熱為電池內(nèi)部自行控制，會(huì)造成有些電池加熱時(shí)間長，有些電池加熱時(shí)間短，從而加大單體電池之間荷電量的不一致性，所以對(duì)電池組內(nèi)部的溫度一致性、電池系統(tǒng)的均衡等方面提出了更高的要求。在電池組低溫貯存和車輛駐停期間，還有可能造成電池組電量完全放空甚至過放電，影響電池組性能和壽命。

1.3  其他

某些情況下，有利用低溫下電芯內(nèi)阻較高的特點(diǎn)，通過負(fù)載以小電流對(duì)電池組進(jìn)行放電的形式產(chǎn)生熱量加熱，但通常加熱效率較低，加熱時(shí)間長，實(shí)際應(yīng)用較少。

2  外部加熱系統(tǒng)

外部加熱方式相對(duì)比較多，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有比較大的差別，但總體上應(yīng)當(dāng)滿足：

(1)成本低；(2)能效高；(3)安全可靠；(4)壽命長；(5)溫度一致性好，小于5℃，最佳小于3℃；(6)與車輛設(shè)計(jì)匹配，包括與電芯結(jié)構(gòu)、電池箱結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)參數(shù)及車載充電機(jī)等參數(shù)的匹配性等。

外部加熱相對(duì)安全，容易實(shí)現(xiàn)，但能效低，加熱時(shí)間長。部分外部加熱還需與電池組在高溫下的散熱、低溫下的保溫等結(jié)合起來設(shè)計(jì)。外部加熱按熱量傳導(dǎo)介質(zhì)分，主要有以下幾種方法：熱風(fēng)加熱、液體加熱、加熱板或加熱膜加熱等。

2.1  熱風(fēng)加熱

熱風(fēng)加熱有兩種方式：一是引入外部熱風(fēng)，這種方式對(duì)電池箱及管道等的密封性要求比較高，而且熱量散失比較大，能量效率直接與氣體流速、進(jìn)出風(fēng)口溫度等有關(guān)，但這種方式電池箱內(nèi)若產(chǎn)生有害氣體可以直接排出，并且可以同時(shí)作為散熱系統(tǒng)；二是在電池箱內(nèi)部熱風(fēng)循環(huán)，配合其他加熱裝置(如PTC加熱器)，加熱器通電產(chǎn)生熱量，風(fēng)扇將吹向散熱器形成熱氣流，在電池箱內(nèi)部形成熱空氣內(nèi)循環(huán)。王發(fā)成等試驗(yàn)了用空氣進(jìn)行電加熱電池組的試驗(yàn)，證明是一種有效方法，從－15℃加熱到電池表面0℃，僅用了21min。

熱風(fēng)加熱方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、成本低，但由于電池包中氣流速度及通道限制等原因，空氣將熱量傳導(dǎo)到電池上效率較低，且各處流速不均勻，很難保證均勻傳熱，加熱效率相對(duì)最低。氣體加熱相對(duì)來說溫差較大，所以對(duì)電池箱內(nèi)部安全性、氣流通道等設(shè)計(jì)要求較高，必須對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，電池箱內(nèi)部不能形成死角，各區(qū)域傳熱、電池箱體對(duì)外散熱要基本一致，才能較好地控制溫差，在環(huán)境極冷情況下，容易產(chǎn)生更大的不均勻。

熱風(fēng)加熱適合于圓柱、方形結(jié)構(gòu)的電池，其組成模塊或模組時(shí)電池之間自然形成或留出有氣體通道，變更與加熱或散熱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于軟包電池，由于組合體積、方式、成本等方面的限制，應(yīng)用較少。

2.2  液體加熱

液體加熱方法是在外部或電池箱內(nèi)將液體加熱，使其流經(jīng)電池周圍實(shí)現(xiàn)對(duì)電池加熱。通常液體加熱方式電池組的加熱與散熱兩者功能是做在一起的。通用的VOLT、TELSA等采用此方式進(jìn)行加熱和散熱。液體加熱對(duì)電池箱的密封和絕緣要求較高，電池模塊、電池箱的設(shè)計(jì)復(fù)雜，可靠性要求高。使用液體作為傳熱介質(zhì)，需要考慮絕緣性、安全性、密封性，以及電池組的維護(hù)方便性，還應(yīng)考慮電池包的整體質(zhì)量。其主要優(yōu)點(diǎn)包括：

(1)加熱或冷卻的效率比較高；

(2)液體有較好的保溫作用，電池組充電或放電一段時(shí)間后液體溫度已經(jīng)上升到足夠高的溫度，車輛運(yùn)行中停駐幾小時(shí)，不會(huì)由于電池組溫度很快下降而影響再次行駛，但加熱時(shí)要首先將液體進(jìn)行加熱，會(huì)多消耗能量；

(3)電池組溫度一致性高，一般可以控制在3℃以內(nèi)。液體加熱或散熱的情況下，電芯產(chǎn)生的熱量或液體熱量傳遞到電芯的速度，受傳熱路徑和傳熱方式影響較大，液體管道或?qū)岵考詈弥苯雍碗娦窘佑|，但電池系統(tǒng)通常為高壓系統(tǒng)，管道或?qū)岵考c電芯之間的絕緣、耐壓要求很高，需滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。導(dǎo)熱一般采用金屬鋁板等，可用導(dǎo)熱硅膠等對(duì)其進(jìn)行絕緣；

(4)適宜于各種不同結(jié)構(gòu)和類型的電池。液體加熱/冷卻是目前主要研究和應(yīng)用的方式之一。

液體加熱要避免液體的泄露，電池箱內(nèi)接口越少越好，同時(shí)要考慮泄露后液體的存在不能產(chǎn)生電池包的安全性問題；成本相對(duì)比較高，包括液體的加熱/冷卻裝置、管道、導(dǎo)熱板等；質(zhì)量高，對(duì)電池系統(tǒng)的比能量影響比較大。儲(chǔ)液槽、加熱/冷卻裝置、泵等一般安裝在電池箱外部。

2.3  PTC加熱

PTC加熱器由PTC陶瓷發(fā)熱元件與鋁管組成。PTC發(fā)熱體熱阻小、換熱效率高達(dá)99%，安全性好，任何應(yīng)用情況下均不會(huì)產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。與風(fēng)扇結(jié)合使用，即遇風(fēng)機(jī)故障停轉(zhuǎn)時(shí)，PTC加熱器因得不到充分散熱，其功率會(huì)自動(dòng)急劇下降，不會(huì)導(dǎo)致持續(xù)大功率發(fā)熱而出現(xiàn)的安全性問題。PTC使用壽命長；電壓使用范圍寬，根據(jù)電池系統(tǒng)電壓需要設(shè)計(jì)；功率可根據(jù)需求設(shè)計(jì)；阻燃。

使用時(shí)，可在電池模塊中不同單體之間加鋁制加熱板，加熱板和PTC加熱器連接，對(duì)電池組進(jìn)行加熱，但要注意加熱板和電池之間的絕緣問題，在加熱器不工作時(shí)，加熱板還可用于電池的散熱。PTC加熱器可以作為單獨(dú)加熱裝置與風(fēng)扇結(jié)合使用形成熱風(fēng)循環(huán)，也可以做成板狀對(duì)電池組進(jìn)行加熱，其成本較低，已在電池組中廣泛使用。

但PTC加熱器體積較大，做成板狀厚度超過10mm，不能直接夾在電池或電池模塊之間。通常做成板狀安裝在電池箱底部或電池模組之間；多個(gè)PTC加熱片一起使用時(shí)，應(yīng)并聯(lián)，不可串聯(lián)，要注意與電池組/充電機(jī)的電壓、電流匹配；不同散熱條件使得PTC加熱片的發(fā)熱功率差別很大，穩(wěn)定功率與使用條件有關(guān)，同一件PTC發(fā)熱器，使用條件不同，則功率可能相差幾倍，散熱越快則穩(wěn)定功率越大，PTC的表面溫度越高則功率越高，所以采用導(dǎo)熱快的鋁板，或者在熱風(fēng)循環(huán)中直接用風(fēng)扇對(duì)加熱器吹風(fēng)進(jìn)行對(duì)流散熱。

2.4  加熱膜加熱

加熱膜有兩種組成方式，一種是采用金屬箔作為發(fā)熱元件，通常覆以絕緣、耐壓高、耐高溫、強(qiáng)度好的聚亞酰胺膜，厚度只有0.1mm左右，也可以與其他導(dǎo)熱材料(如導(dǎo)熱硅膠等)組合使用，做成厚度較大、更可靠的加熱膜；另一種則是以合金絲等作為發(fā)熱元件，涂覆由硅橡膠與玻璃纖維布等組成的絕緣層，厚度相對(duì)較大，有幾毫米左右。圖2為不同形狀的加熱膜/板。



加熱膜成型性好，厚度薄、質(zhì)量輕、柔性好，可貼在電池殼體上，傳熱效率更高而且能量損失更??；通電發(fā)熱迅速、溫升快、發(fā)熱面大、發(fā)熱均勻，有利于電池箱內(nèi)部溫度一致性；耐腐蝕、環(huán)保、阻燃、安裝方便、壽命長、絕緣強(qiáng)度高、擊穿電壓高，并且不受尺寸限制，可以根據(jù)電池或模塊的結(jié)構(gòu)任意彎曲，確保緊密接觸，保證最大的熱能傳遞，也可以做成板狀替代PTC加熱板。發(fā)熱功率可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)金屬箔的寬度、長度或金屬絲的直徑和長度等予以調(diào)整，加熱膜可以串并聯(lián)使用。

劉存山等根據(jù)傳熱學(xué)原理，對(duì)比分析兩種PTC 加熱和加熱膜加熱兩種方式，選用了電熱膜的低溫加熱方法。其成本接近于PTC加熱板，是電池組目前應(yīng)用的主要加熱方式之一。

但使用該類電熱器件必須注意，其持續(xù)使用工作溫度應(yīng)小于240℃，瞬時(shí)不超過300℃；粘貼式安裝工作溫度應(yīng)小于150℃；空中干燒受材料耐溫限制；工作電壓的選取以大功率-高電壓、小功率-低電壓為原則；加熱膜引出端點(diǎn)處容易出現(xiàn)溫度過高等現(xiàn)象。加熱膜適用于各種類型電芯組成的電池組。

2.5  其他加熱方式

(1)加熱套加熱

加熱套加熱是在每一個(gè)電池單體加上一個(gè)加熱套，加熱套由電阻材料制成，外部通電對(duì)電池組進(jìn)行加熱，加熱速度快，并且單體受熱均勻，能量損失小，但高溫情況下電池散熱較慢。

(2)珀?duì)栙N效應(yīng)加熱

珀?duì)栙N效應(yīng)指電流流過兩種不同導(dǎo)體界面時(shí)，將從外界吸收熱量，或者向外界放出熱量。利用此性質(zhì)，通過改變電流方向，可以實(shí)現(xiàn)加熱和制冷兩種功能，強(qiáng)度可以通過電流大小進(jìn)行精確控制。ALAOUIC等做出了利用珀?duì)栙N效應(yīng)對(duì)電池組進(jìn)行加熱和冷卻的裝置，該裝置還可以替代汽車空調(diào)。

(3)相變材料保溫與加熱

相變材料蓄熱能力強(qiáng)，在達(dá)到相變溫度時(shí)可以大量吸熱或放熱而溫度不變。選用合適的相變材料能夠使電池單體有效地達(dá)到熱平衡，可以很好地控制電池溫度上下限，避免產(chǎn)生溫度過高或過低現(xiàn)象，但是成本較高。相變材料本身不能產(chǎn)熱，但在車輛行駛過程中或電池組充電過程中，溫度在上升，相變材料能儲(chǔ)存部分熱量，可以在低溫環(huán)境下延緩電池組擱置溫度的下降速度，解決車輛低溫停駐問題，降低能耗。

3  電池組的保溫

如果電池箱內(nèi)各部位散熱條件不一致，即使加熱效果很好，也有可能造成較大的溫差，影響電池組使用壽命和加熱效果。如在金屬電池箱底部直接安裝加熱板，上面放置電池模組，在溫度較低情況下，由于電池箱底部散熱本身比較快，造成熱損耗較大，實(shí)際電池組會(huì)很難加熱到所要求的溫度。

對(duì)電池箱體進(jìn)行保溫設(shè)計(jì)可以有效提高加熱效能和溫度一致性，適用于動(dòng)力電池組的保溫材料主要有高分子改性泡沫材料、氣凝膠等。保溫材料應(yīng)滿足下列性能指標(biāo)：

(1)導(dǎo)熱系數(shù)?。?2)阻燃，達(dá)到UL94-V0級(jí)，且在溫度較高時(shí)不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體；(3)吸水率低；(4)抗老化，與電池組同壽命甚至更長；(5)應(yīng)用在電池箱底部時(shí)，抗壓縮性要好。其他還有如密度、抗化學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性等。

保溫材料多為有機(jī)絕緣材料，如聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯等，其中聚氨酯泡沫塑料是保溫性能較好的一種保溫材料。硬質(zhì)聚氨酯的導(dǎo)熱系數(shù)為0.023W/(m·K)，材料密度約40kg/m3(可調(diào)整)，比熱容為2380J/kg，作為電池組的保溫和結(jié)構(gòu)材料已成功應(yīng)用。

新型的氣凝膠是另一種保溫材料，其孔隙率高，密度低，室溫導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)0.013W/(m·K)。但由于抗壓性差，不能直接被電池模塊壓迫，需要對(duì)模塊的安裝方式進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。圖3為幾種隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比。幾種加熱方法的特點(diǎn)比較如表1所示。





4  熱控設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)或者應(yīng)考慮的其他因素

除了選擇合適的加熱方法外，還需考慮溫度采集點(diǎn)的位置以及溫度控制策略。內(nèi)部加熱，采集點(diǎn)布置在電池極柱、匯流板等上面，采集溫度低于電池內(nèi)部溫度；外部加熱時(shí)熱量最先傳遞到的是電池外殼，采集溫度高于電池內(nèi)部溫度，不同電芯其滯后時(shí)間不同，還與加熱方式、加熱速度、傳熱情況等有關(guān)。采用外部加熱時(shí)，通常將加熱的控制溫度比所需求的溫度高5~10℃。隨著新材料、新技術(shù)的發(fā)展，更經(jīng)濟(jì)實(shí)用的加熱方式和加熱技術(shù)將會(huì)不斷涌現(xiàn)。
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