汽车动力电池低温加热方法研究

刘存山，张红伟

(1.东莞职业技术学院，广东东莞523808；2.广州科技贸易职业学院，广东广州511442)

汽车动力电池低温加热方法研究

刘存山1，张红伟2

(1.东莞职业技术学院，广东东莞523808；2.广州科技贸易职业学院，广东广州511442)

为满足汽车动力电池的低温使用要求，根据传热学的原理，建立了动力电池的低温加热模型，并利用该模型设计了低温加热方案，通过对比分析两种不同的低温加热器的优缺点，选用了电热膜加热器方法。仿真计算和实验结果表明，设计的电热膜加热器具有良好的低温加热效果，不会影响动力电池的散热，而且具有良好的常温保持性能。

电动汽车；低温加热；电热膜加热器

车载可充电储能装置 (rechargeable energy storage system，RESS)是插电式混合动力电动汽车和纯电动汽车重要的能量存储装置，直接影响到整车的动力性和安全性。现阶段由于动力电池材料所限，动力电池的性能还无法满足低温和高温环境下的使用要求，因此需要设计单独的动力电池系统的温度管理系统(battery thermal management，BTM)来对动力电池进行安全监控和有效管理，使动力电池始终工作在合适的温度范围内，避免影响车辆的使用甚至引起安全事故，同时避免动力电池单体长时间存在较大的温差造成电池一致性恶化，从而降低动力电池系统的性能，缩短电池的使用寿命[1-2]。

本文以一款特殊结构类型的插电式混合动力车辆——增程式纯电动汽车(extended ranged electric vehicle，E-REV)使用的锂离子动力电池为研究对象，研究低温情况下动力电池的加热和保温方法。

1 E-REV的低温下动力电池使用问题

E-REV是一种新型结构的纯电动驱动类汽车，是纯电动汽车的增程。和其他过渡车型相比，E-REV在能源利用效率、价格、使用方便性上具有明显的优势，可以共用现有汽车发动机的生产设备、加油、维修等保障体系，解决了纯电动汽车对于基础充电设施过度依赖的缺点，因此最近几年来，各大整车企业开始加大对E-REV的研究[3-4]。

本文研究的E-REV从基本结构上来讲是一款串联式的纯电动驱动车辆。在低温环境下(例如－30℃)，如果动力电池不能充电或者没有足够的功率驱动车辆行驶，则增程式发动机不能启动或车辆不能行驶，E-REV完全无法使用；即使动力电池在低温下可以放出少量的电能驱动车辆行驶，整车动力性也会明显下降；同时由于锂离子动力电池的低温充电性能较差，在不能及时给动力电池充电的情况下，动力电池最终会被放空导致车辆完全失去动力。因此该款E-REV动力电池的低温加热功能非常必要，也是BTM设计的重要内容。

2 RESS的低温加热方法

表1列出了该款E-REV的动力电池在低温情况下的充放电容量与常温25℃标称容量的对比测试数据。由表1可知，低温下动力电池1C充放电容量下降得厉害，特别是在－30℃下动力电池容量几乎等于0，已经无法使用。表1的测试结果侧面说明了动力电池低温加热功能的重要性。

表1 动力电池低温充放电容量(1C）

动力电池低温加热和保温功能的设计要求：

(1)电池温度为－20℃时，加热到5℃的时间小于6 h；

(2)－20℃环境温度下，常温状态的电池包搁置12 h，温度下降≤20℃；

(3)－20℃环境温度下，电池加热系统可以维持电池温度在10℃以上。

为满足以上设计目标，需要对动力电池的低温加热系统进行针对性的设计。动力电池低温加热系统的能量来源主要有两种方式，如表2所示。

综合对比两种加热方式的优缺点，同时对标市场上目前较为成功的量产车型——通用汽车的沃蓝达和丰田公司的插电式普锐斯车型RESS的低温加热方案，选用通过充电机从电网取电方式作为动力电池低温加热系统的加热能量来源。通过车载充电机输入给动力电池的加热能量，设计输入参数为DC 330 V、峰值6 A的充电电流，该参数作为动力电池低温加热/保温系统的能量来源。

表2 动力电池低温加热能量来源对比

2.1 RESS的动力电池加热模型

该款RESS的冷却方式为强制风冷，因此选用瞬态传导方程建立动力电池的加热模型进行仿真计算[5]。

式中：ρ为材料密度；cp为质量定压热容；λ为热导率；T为温度；q为单位体积生热率；q(t)为电池加热时的热流密度；ΔT为电池表面温度和环境温度的差值；h为电池表面与空气的对流换热系数[6-8]。

表3为实验得到的锂离子动力电池计算参数。

表3 动力电池的计算参数

2.2 RESS的动力电池加热方案

RESS的动力电池加热电路和充电电路呈并联结构，电池低温情况下充电的基本原则是先加热再充电。当充电机连通电网后，如果动力电池需要充电，则RESS控制充电继电器闭合，充电回路接通，开始充电；如果动力电池温度过低需要加热，则RESS控制加热继电器闭合，加热电路接通，动力电池开始加热。

动力电池的加热装置采用并联式加热方法，以免加热装置分压不均造成动力电池加热温度不均匀，增大电池单体直接的温差，造成电池之间的不一致性。

非液冷的RESS动力电池的加热方法主要有PTC(positive temperature coeddicient)加热器法和电热膜加热器法两种方式。

2.3 RESS的动力电池PTC加热器法

该方法的基本原理是在动力电池模块中不同电池单体之间增加加热板，加热板和PTC加热器连接进行加热，加热板通常采用铝制，贴近电池单体一侧，铝制加热板不能影响电池的散热，同时还要尽量避免电池的绝缘问题。在加热器不工作的情况下，加热板有利于动力电池的辐射散热，如图1所示。

图1 动力电池PTC和电热膜加热方案

2.4 RESS的动力电池电热膜加热器法

动力电池电热膜加热器法与PTC加热器法相比，结构类似，只是加热方法有所不同。电热膜选用1 mm厚度的FR4板材，两面覆盖铜膜，加热电阻丝安装在其中一面的铜膜内，两端引出电源线。铜膜的表面覆盖有绝缘耐磨层。

表4是两种加热方法的优缺点对比，可以看出，电热膜加热器法优势明显，更适合作为动力电池低温加热/保温方法的首选。本文选择电热膜加热器法作为RESS动力电池的低温加热方法。

表4 动力电池PTC加热法和电热膜加热法对比

3 RESS动力电池低温加热/保温模拟仿真

利用建立的电池加热模型进行动力电池的低温加热/保温模拟仿真实验。设置恒定加热功率为1.65 kW，将动力电池在－20℃的环境温度下由同一个温度值进行加热仿真计算，电池温度达到5℃时终止计算；将动力电池温度设置为常温25℃，设置环境温度－20℃，启动加热器进行常温保温仿真计算，计算时间为5 h，得到图2所示的仿真结果。

图2 动力电池低温加热(上图)和常温保温仿真(下图)

由图2可知，设计的电热膜加热装置将动力电池由低温－20℃加热到5℃需要约4 h，加热器温度和电池温度上升曲线呈现接近线形变化趋势；由图2下图仿真结果可知，经过5 h的保温实验后，动力电池温度下降为17℃左右，加热器温度和电池温度曲线呈现线形下降关系，由此可以推知RESS动力电池加热/保温装置能够满足设计要求。

4 RESS动力电池低温加热/保温实验验证

为方便采集动力电池和加热器温度，节省实验成本，采用10串的电池模块作为实验样品进行替代实验。将实验电池模块放入恒温箱中，外接电池充放电设备进行实验，电池的温度采集位置为极耳位置。为验证前文分析的结论，电池低温加热实验采用PTC加热法和电热膜加热法同时进行。

4.1 电池低温加热/干烧实验

将实验电池模块放入(－20±2)℃的温箱搁置12 h后，启动加热器进行实验，持续10 h后，得到图3所示的PTC和电热膜低温加热/干烧实验结果。

图3 动力电池PTC和电热膜低温加热/干烧实验

由图3所示的结果可知，电热膜低温加热的速度明显快于PTC加热器，电池温度由－22℃加热到5℃，PTC加热器需要约4.9 h，而电热膜加热器仅需3.8 h；加热约8 h后，PTC加热器加热的电池温度不再上升，维持在43℃左右，此时PTC加热器的温度维持在53℃不再上升；电热膜加热器在约5 h后将电池加热至52℃，电池温度不再上升，电热膜温度约68℃。实验结果满足设计要求，同时也看出电热膜加热器的加热效果明显优于PTC加热器。两种加热方式在动力电池温度不再升高后，继续长时间干烧也不会造成加热器的热失控，同时动力电池的最高温度也在安全使用范围内，不会造成潜在的危险。

4.2 电池散热实验

将实验用的电池模块装配好加热器，放置在RESS的电池箱体内部，安装相应的导流槽和引风风道，安装冷却风扇并保证电池箱内部的冷却风流向与电池模块散热片的方向平行，然后将箱体密封。在25℃的环境温度下，将动力电池充电至充电截止电压，静置足够的时间到电池的温度和环境温度≤±2℃，设定冷却风流量4 m3/min，以2C的恒定电流(即80 A)放电至放电截止电压，对比测试加装了PTC散热器和未加装PTC散热器的动力电池模块散热情况，如图4所示。

图4 动力电池电热膜常温散热对比实验

由表5中的数据可知，有了电热膜加热器后，动力电池模块的温升要小于不加电热膜加热器的动力电池温升，这说明电池模块里面的加热片在不加热时，对于电池的散热是有利的。

表5 动力电池常温散热实验数据

4.3 电池常温保温实验

将实验电池模块放置在恒温箱内，设定常温条件下搁置足够长的时间，等到电池的测量温度≤(25±2)℃后，启动电热膜进行加热工作，同时将恒温箱的温度设置为－20℃，开始实验，记录电热膜加热器温度、电池温度和恒温箱环境温度，实验时间5 h，得到图5所示的结果。

由图5所示的测试结果可知，将恒温箱的温度设置为－20℃后，大约1.5 h后，恒温箱内部的环境温度达到平衡，维持在－20℃左右波动，电池温度在电热膜加热器开启后缓慢

图5 动力电池电热膜常温保温实验

下降，在50 min后有明显的下降，下降幅度在2℃左右，5 h保温实验后，电池温度达到平衡，维持在18℃左右，电热膜加热器温度在36℃左右达到平衡。实验结果满足设计要求。

理论仿真和实验结果表明，采用电热膜加热器方案的RESS低温加热装置，低温加热速度快，长时间干烧也不会造成加热器和动力电池的损坏，加热装置不启动时不会影响到电池散热，常温保温能够将电池温度维持在较好的温度范围内，并维持在良好的热平衡状态。

5 结论

(1)根据E-REV的结构特点，针对RESS的低温加热需求，建立了低温加热模型，并根据此模型进行了仿真计算，设计了合适的低温加热装置；

(2)对比PTC加热器和电热膜加热器的优缺点，确定了电热膜加热器方案，并进行了实验对比，验证了对比分析的结果；

(3)动力电池低温加热/干烧、电池散热和电池常温保温实验的结果表明，设计的电热膜加热方案具有良好的低温加热效果，不会影响到电池模块的散热，而且具有良好的保温性能。

本文的研究内容对于动力电池低温加热方法的研究有一定的参考意义。

[1]张承宁，雷治国，董玉刚.电动汽车锂离子电池低温加热方法研究[J].北京理工大学学报，2012，32(9)：921-925.

[2]王发成，张俊智，王丽芳.车载动力电池组用空气电加热装置设计[J].电源技术，2013，37(7)：1184-1187.

[3]苏忠根，龙江启，周斯加.增程式纯电动汽车后碰撞安全性仿真和试验研究[J].中国机械工程，2013，24(7)：964-970.

[4]吴韶建，陶元芳.增程式电动汽车的概念与设计方案[J].机械工业与自动化，2010(5)：209-213.

[5]CHEN S C,WAN C C,WANG Y Y.Thermal analysis of lithiumion batteries[J].Journal of Power Source,2005,140(1):111-124.

[6]HAND A,STUART T A.HEV battery heating using AC currents [J].Journal of Power Source,2004,129(2):368-378.

[7]AIAOUI C,SALAMEH Z M.Modeling and simulation of a thermal management system for electric vehicles[C]//Proceedings of the 29thAnnual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society,Industrial Electronics Society Roanoke.Virginia,USA:[S.l.], 2003:887-890.

[8]AIAOUI C,SALAMEH Z M.A novel thermal management for electric and hybrid vehicles[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2004,54(2):468-476.

Research on heating method at low temperature of electric vehicle battery

LIU Cun-shan1,ZHANG Hong-wei2
(1.Dongguan Polytechnic,Dongguan Guangdong 523808,China;2.Guangzhou Vocational College of Technology&Business, Guangzhou Guangdong 511442,China)

In order to meet low temperature requirement for electric vehicle battery,battery low temperature heating model and scheme were built and designed based on heat transfer theory. Electric film heater was chosen by comparing the advantages and disadvantages of different low temperature heaters. The simulation and test result show that electric film heater has excellent heating effect,so does not affect cooling function of battery,and has good normal temperature preservation performance.

electric vehicle;heating at low temperature;electric film heater

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1645-03

2015-01-19

广东教育研究院2014项目(GDJY-2014-B-b235)；东莞职业技术学院高等教育教学改革工程项目(JGXM2013101)

刘存山(1980—)，男，山西省人，硕士，讲师，主要研究方向为新能源汽车和汽车故障诊断。