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新能源汽车低温电池热管理方法研究
2021-03-10 21:46:26· 来源：热管理文摘精选 作者：肖军
【摘要】低温气候显著地降低新能源汽车的综合使用性能，而低温电池加热可以有效提升电池的充放电性能和使用寿命，是解决寒冷环境下新能源汽车应用和推广难题的有
【摘要】低温气候显著地降低新能源汽车的综合使用性能，而低温电池加热可以有效提升电池的充放电性能和使用寿命，是解决寒冷环境下新能源汽车应用和推广难题的有效措施。系统性地综述了低温电池热管理方法，总结归纳了近年低温电池加热方法的最新研究成果，为新能源汽车低温电池热管理研究提供参考方向。
主题词:新能源汽车 低温环境 电池加热方法
1 前言
随着新能源汽车的快速普及，使用地域也不断拓宽至寒冷地区，甚至环境温度可达-30℃，低温环境对电池的充放电性能、容量衰减和使用寿命的影响不断凸显[1-2]，而电池作为“三大电”核心部件，直接影响着新能源汽车的使用性能，导致车辆用户最直观的表现为低温车辆快充时间较慢，甚至无法充电[3]，冬季纯电续驶里程衰减严重[4]，这些都极大地影响着新能源汽车用户的满意度和低温地域的推广进度。因此，低温环境下新能源汽车电池热管理方法成为延长电池使用寿命和提升车辆低温使用性能的必要措施，系统性地研究和总结低温电池加热方法对后续低温电池热管理研究具有一定参考意义。
2 低温电池加热方法
根据电池加热过程中不同的热源位置，电池加热方法主要分成电池外部加热方法和电池内部加热方法，如图1所示。
2.1 电池外部加热方法
电池外部加热方法主要包括基于空气介质的电池加热、基于液体介质的电池加热、基于相变材料的电池加热和基于热电效应的电池加热，其主要加热方法的优劣势比较、应用情况等如表1所示[5-11]。此4大类电池外部加热方法的主要热源来自于电池外部，通过外置热源的方式对热传递介质进行加热，再通过热辐射、热对流或者热传导的综合作用来达到有效加热电池的目的。从表1中可以得知，基于空气介质的电池加热方法技术比较成熟，但是随着电池能量密度的提高和电池安全性的愈加重视，电池加热与电池冷却一体化集成设计成为各车企的主要设计思路，因此基于液体介质的间接接触式电池加热方法正在成为汽车企业量产车型的主流应用技术，其余外部电池加热方法由于成本高、结构复杂、或者安全风险等因素导致应用较少或尚未进行产业化应用，目前主要处于研究与实验阶段。
2.1.1 基于空气介质的电池加热方法
通过将已加热的空气流过按照设计的流道与电池单体或模组进行热交换，从而达到加热电池的目的。按照空气流动是否需要动力源分为被动式和主动式，依据电池包内电池单体或模组排列形式分为串行式和并行式。
Mahamud等[12]提出了一种可以改变电池包空气入口和出口方向的特殊空气流道换向系统，该系统可以按照设定的时间周期进行切换电池包入口和出口，从而有效地提高电池包内电池温度的均匀性，经过仿真分析验证表明，采用该空气换向系统比固定入口的电池包内部温差明显降低，可以显著提高电池包内部热量分布一致性。于远彬等[5]设计了一种通过利用低温环境发动机余热来加热空气介质实现预热电池包的电池加热系统，仿真分析了不同电池包入口进气质量流量下电池包温差和电池包出口单体温度的变化趋势，并且得到满足电池包温差小于5℃的空气入口质量流量应该大于3g/s，并采用该整车电池预热控制策略与不采用预热策略进行仿真分析结果表明，采用预热策略的车辆油耗低于不预热的油耗，随着外温的降低，预热策略的节油率更高。夏顺礼等[13]针对某纯电动汽车设计了一种集成车架、乘员舱与车身底板一体化的以空气为介质的电池组热管理系统，并制定了低温环境工况以单体最低温度为基本规则的电池组充放电加热策略。搭载该电池热管理系统的车辆进行-10℃环境舱试验结果表明，低温工况下可以正确实现加热功能，车辆低温充电预加热试验工况的电池组最大电芯温差为5℃，最大温升率为15℃/h。王发成等[14]依据热力学基本原理建立空气电加热丝热量传递模型，并通过试验研究表明，电池组单体表面温度从-15℃加热至0℃用时约21min，加热速率约为0.71℃/min。黄堪丰等[15]搭建了基于涡流管效应原理的电池热管理系统台架，通过空压机压缩空气进入涡旋发生器，将在涡旋发生器的两端分别产生可以预热电池的热气流和冷却电池的冷气流，试验结果表明，32℃室温和0.7MPa压力条件下涡流管热气流可以达到56.4℃。
2.1.2 基于液体介质的电池加热方法
基于空气介质的电池加热方法应用较早，技术成熟，但是空气加热目前已无法满足新能源汽车高续航里程、短快充时间的要求，为此，主流车企基本倾向采用具有更高换热效率、空间更紧凑的液体间接接触式电池加热方法，典型应用包括Tesla Model S/Model 3、BMW i3、BYD EV系列等量产车型。
陈通等[16]通过CFD软件仿真模拟了基于水暖型高压电加热器的电池热管理系统，仿真分析表明电池加热过程中电芯最高温度达到30℃，上下极柱温差为8.5℃，并经试验验证仿真模拟的精度可以满足电池热管理要求。Fan等[17]基于COMSOL软件建立集电池加热与冷却一体化设计的换热板和电池包模型，并设定外温-20℃条件下研究分析电池放电倍率、电池入口液体质量流量和电池加热入口水温对电池加热性能的影响。研究结果表明，电池放电倍率相较于外部加热源而言对电池温升速率的影响可以忽略不计，电池入口液体质量流量达到0.065kg/s之后，电池温升速率再通过增大电池入口液体质量流量的提升效果不明显。电池入口水温最佳目标值为45℃。肖军等[18]公开了一种具有多种电池加热模式的车用电池热管理系统，该系统主要由水暖型燃油加热器、水暖型高压电加热器、电机电控总成、电子控制三通阀、电池包、双芯体Chiller和电子水泵等组成，多种电池加热模式主要包括电加热模式、油加热模式、电机余热回收模式以及两种混合加热模式，可以满足新能源汽车极低温环境行驶的需求，拓宽了新能源汽车使用地域,一定程度上缓解了电池加热耗电量较高问题。张春秋等[19]研究总结了集成电机电控、电池与乘客舱的液冷式热管理系统架构发展趋势，并提出构建充分利用电机电控等电子部件余热的节能高效热管理系统为未来发展趋势。而特斯拉汽车公司[20-21]则是电机电控等电子部件热量利用的实践者之一，其充分利用电机电控总成的散热量或者压缩机总成的发热量通过多向换向阀与液冷电池热管理系统高效集成之后来预热电池，并于量产车型取得显著节能效果，高度集成化亦降低了电池热管理系统成本。
相比于液体间接接触式电池加热方法，直接接触式电池加热方法具有更高的加热效率，更好的温度一致性，其缺陷也很明显，即需要直接接触的液体具有高绝缘性能和高导热性能。颜艺等[22]通过Fluent软件研究分析了3种不同流道结构对绝缘导热硅胶油浸没式电池热管理系统的加热效果和冷却性能的影响。结果表明，高低交错式“U”型流道比其他两种流道结构具有更好的加热和冷却综合性能效果。采用高低交错式“U”型流道结构进行加热仿真分析得到电池起始温度为-30℃加热至10℃之后，电池温差为6℃，硅油温差为12℃。罗玉涛等[7]设计了一种浸没于变压器油的电池组加热装置，试验结果表明，电池组从-30℃加热至0℃需35min，从-10℃加热至0℃约12min，电池的平均温升速率约为0.85℃/min。
2.1.3 基于相变材料的电池加热方法
基于流体介质的传统电池热管理方法均存在系统相对复杂，且未能充分利用电池自身热能的缺点，而使用能够吸收和释放潜热的相变材料电池热管理系统具有结构简单、耗能低等优点，能为车辆电池包轻量化设计以及提升电池包系统质量能量密度做出一定贡献[23]。
Chen等[24]研究分析了被动型相变材料、增强型相变材料和基于相变材料混合式的电池热管理系统，其中一种典型增强型相变材料结构如图2所示，并指出相变材料可以通过增加碳纳米管、泡沫金属、膨胀石墨等方法提高导热系数，以及基于相变材料混合式的电池热管理系统可以显著改善低温环境下电池的性能表现。Zhang等[6,25]设计了一种车辆应用的相变热蓄能器，并通过搭建的试验台进行试验研究蓄能器入口液体温度、相变熔点、蓄能器入口液体流量和多熔点相变材料组合方式对相变热蓄能器换热性能的影响。试验结果表明，一定条件下储热过程中蓄能器入口液体温度越高或者相变材料熔点越低，则储存潜热的热量越多和速率越快；放热过程中，蓄能器入口液体温度越低或者相变材料熔点越高，释放潜热的热量越多和速率越快。随着蓄能器入口液体流量的增加，储存和释放热量的速率均在增大，但蓄能器入口液体流量增加到一定程度之后的影响会减弱。且多熔点相变材料组合体对多温区位电机电控等部件的余热利用有益。施尚等[26]试验研究基于泡沫铜/石蜡的复合相变材料电池热管理系统,试验结果表明具有93%泡沫铜孔隙率的复合相变材料是纯石蜡导热系数的25.4倍。Lei等[27]提出了一种集成相变材料、热管与喷雾冷却一体化设计的锂电池热管理系统，环境温度-10℃放电试验结果表明，浸置于低温1h工况下，锂电池采用新设计的电池热管理系统比没有采用的放电容量提升约33.9%，浸置于低温4 h工况下，带电池热管理系统的锂电池放电容量提升约52.5%。
2.1.4 基于热电效应的电池加热方法
电池外部加热方法除了以传热介质为基础之外，还有基于热电效应原理实现加热电池的方法，主要包括帕尔贴效应加热（Peltier element）、电热效应加热和电阻温度效应加热方式。
Troxler等[28]利用帕尔贴元件实现控制电芯温度梯度,两端温度梯度最大可达40℃，并试验研究电芯温度梯度对电芯性能的影响，使用的帕尔贴元件示意结构如图3所示。Alaoui等[9]设计了一种基于帕尔贴元件的车载电池热管理系统，试验结果表明，环境温度为17℃条件下，加热20min之后，前电池包的温度最高值升高至37℃，后电池包的温度最高值增加至29℃，加热过程所耗能约为2.5%初始电池包容量。曾爽等[29]提出了一种基于电池组供电的电加热膜自加热装置。测试结果表明，电池包表面温度从-20℃加热至0℃用时约10min，从-20℃加热至10℃耗时约15min，电池平均加热速率为2℃/min。刘菲菲等[30]研究分析了两种不同形状尺寸的硅橡胶电加热膜安装方式对微热管电池包低温电池热管理性能的影响。试验结果表明，“三明治”电加热膜安装结构的电池加热效率高于电加热膜贴于微热管翅片的安装结构，前者的平均加热功率约为后者的1.35倍，前者所需的最优电池加热功率为100W，后者需要180W。
2.2 电池内部加热方法
由于电池外部加热方法具有加热效率相对较低、加热能耗相对较高、受系统空间布置限制等缺点，为此电池内部加热方法已成为各大企业和科研院所的重要研究方向，主要类型包括基于内部短路的电池自加热方法和基于外部电流激励的电池加热方法[31-34]，其优劣势比较、车载应用等情况如表2所示。根据已有文献资料[31-40]得到电池内部加热方法的电池温升速率统计情况，如图4所示，从图中可以得知基于内部短路的电池自加热方法的电池温升速率最高。
2.2.1 基于内部短路的电池自加热方法
Wang等[31]提出了一种含有加热极耳的三极自加热锂电池结构，如图5所示，其中采用室温25℃条件下电阻为56mΩ的50µm镍铂片作为锂电池内部自加热的产热源，镍铂片的一端与锂电池负极连接，另一端与锂电池的加热极耳连接，并在锂电池负极与加热极耳之间设置加热激活开关。当锂电池内部温度＜0℃时，加热激活开关断开，导致形成电流的电子从正极耳经负极耳流过镍铂片，再到镍铂片的加热极耳，从而使得镍铂片发热加热锂电池；当锂电池内部温度≥0℃时，加热激活开关闭合，形成电流的电子旁通绕过镍铂片，从而恢复到正常的锂电池。测试结果表明，锂电池温度从-20℃、-30℃加热至0℃的加热时间分别为19.5s、29.6s，加热能耗分别为3.8%和5.5%,并指出自加热锂电池的重量和成本预计分别增加1.5%和0.04%。
Zhang等[41]优化了自加热锂电池结构，基本控制原理为加热激活开关设置于锂电池正极与加热极耳之间，加热激活开关闭合情况下形成电流的电子流过2片镍铂产生热量从而实现锂电池自加热，加热激活开关断开情况下，恢复为正常锂电池。并首次提出采用镍铂的电阻值与温度值线性对应关系来实时测量锂电池内部温度的方法。测试结果表明，采用优化的自加热锂电池温度从-20℃加热至0℃仅需为12.5s，加热能耗仅为2.9%，其余工况的试验结果如图6所示。
2.2.2 基于外部电流激励的电池加热方法
相比于基于内部短路的自加热电池需要改变现有电池结构和生产工艺等缺陷，外部电流激励的电池加热方法具有更好的电池适应性和电芯温度一致性等优点，主要类型包括交流电流加热、脉冲电流加热和直流电流加热。
何锡添等[42]利用MATLAB搭建了基于热-电耦合的电池模型，研究了不同电池温度下对应的电池最佳加热频率，设计了一种恒定极化电压幅值、以电池产热功率最大为优化目标的新型变频变幅交流电加热策略，试验结果表明，电池采用新型变频变幅交流加热策略加热700s的温升为47.67℃，比采用1700Hz恒频变幅交流加热策略的温升高6.84℃，前者比后者的电池温度提升率增加约16.8%。Guo等[43]研究分析了低温交流电加热方法对锂电池循环使用寿命的影响,试验结果表明，经过210个低温加热循环之后，锂电池的充电容量从1.055A·h降至1.045A·h,仅衰减1%SOC;锂电池的放电容量从1.056A·h降至1.047A·h，仅衰减0.9%SOC，这说明该低温交流加热方法对锂电池循环使用寿命和安全性能没有明显影响。Qu等[39]通过环境舱试验研究分析了18650圆柱形电芯脉冲加热性能的影响因素，测试结果表明，脉冲开关间隔周期从0.1s至1.0s范围内的变化对电芯脉冲加热性能影响很小，脉冲加热时间随着环境温度的升高是先减少而后缓慢增大，随着电芯起始SOC的增加，脉冲加热时间将增大，当起始SOC＞80%时，-10℃环境温度下脉冲加热200s可以实现温升20℃。徐智慧等[44]基于最短加热时间和防止电池过压2个变量为目标优化加热电流幅值和频率，采用该优化策略之后，电池温度从-10.5℃加热至1.4℃用时7min，电池平均加热速率约为1.7℃/min。Ruan等[34]采用基于II型非支配排序遗传算法的多目标优化方法来权衡电池加热时间目标和电池容量损失目标，优化后的直流电加热策略将电池温度从-30℃加热至2.1℃用时103s，且经过500个直流电加热循环之后的电池容量损失仅为1.4%。
3 结束语
本文系统性地综述了新能源汽车低温电池热管理方法，并对电池主要加热方法进行优劣势、车载应用情况、加热速率等因素进行了比较分析。总结如下：
（1）基于空气介质和液体介质的电池加热方法的车载应用最成熟，普及率也最高，且随着电芯能量密度的提升和车辆大功率快充的需求，基于液体介质的电池加热与电池冷却一体化集成设计成为新能源汽车的主流应用趋势。
（2）自加热锂电池可以实现最快的加热速率，同时，能耗也在可接受的范围之内，但需要改变现有电池结构和生产工艺，导致其距离产业化和普及化还有较长时间。
（3）由于基于外部电流激励的电池加热方法不需要改变现有电池结构，布置空间相对较小，加热速率高，电池温度均匀性较好等优点，目前正在成为各企业和科研院所的研究热点。
（4）充分利用各个电池加热方法的优缺点，基于相变材料与液体介质等两种或以上的复合加热方法将是电池加热的未来发展方向之一。
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备注：已发表于《汽车文摘》2020年第10期
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