多角度解决新能源汽车动力电池低温劣化问题的技术手段

崔岩　马宏珺　田远　郭耀斌

摘 要：电池低温性能劣化是制约新能源汽车的发展的主要原因之一，电池需要保持在合适的工作温度下以维持良好的充放电性能。因此低温对电池的安全性和性能有着重要的影响。该文通过对国外企业的专利进行分析，总结出了解决电池低温劣化的多种技术手段，为企业解决该问题提供启示和方向。

关键词：动力电池 新能源 低温 劣化

中图分类号：U469.7 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（c）-0049-02

电池，特别是锂离子电池经过低温循环后，内阻增大、容量下降。安全测试结果表明，低温循环后电池的安全性能明显降低，与室温循环电池相比，表现为热箱和内部短路测试全部喷爆，并且热箱测试失效提前。分析表明，这是低温下锂离子在碳材料和SEI膜中的扩散阻力增大所致的表面析锂导致的。根据电池失效机理分析，低温下负极表明锂枝晶的沉积严重降低了整个锂离子电池的安全性[1]。并且新能源汽车的使用环境决定了新能源汽车电池必须能够在高寒地区以及冬季使用，在低温情况下，比如小于0 ℃，电池充放电能力就会降低，在极低温的情况下，比如低于-20 ℃，电池基本不能放电或放电深度较浅，如果低温环境电池冷启动效率低，电池放电深度与新能源汽车动力性能不匹配，进而会制约新能源汽车的发展，因此电池需要保持在合适的工作温度下以维持良好的充放电性能。因此低温对电池的安全性和性能有着重要的影响。

每一个技术问题都会存在不同的解决手段，通过对解决同一技术问题的不同的技术手段的分析，可以使企业以一种更宽阔的视角去探索解决技术问题的更好的途径，为企业的创新和发展提供启示和方向。

对于上述技术问题，研究人员为了防止电池低温劣化这一技术问题进行了一系列的研究，并且形成了多种技术手段。由于在电池热管理领域，核心技术大部分都掌握在专利申请量靠前的各大跨国公司的手中，因此以全球排名为前17名的公司丰田、日产、三洋、本田、松下、LG、三星、博世、现代、日立、戴姆勒、通用、电装、比亚迪、雪铁龙、三菱、雷诺为研究对象，目前上述17家公司对于防止电池低温劣化方面的专利数量为136项，而通过对上述专利进行技术功效的分析过程中发现，为了防止电池低温劣化，一般可以从加热结构、充放电和加热控制这3个方面进行设计研发，这3个方面的专利申请数量分别为93项、22项、21项。从这3个方面的专利申请数量上可以看出，从加热结构上进行设计研发是该领域中解决防止电池低温劣化这一技术问题的主要方式，根据解决手段的不同特点，上述3个方面中所包含的专利文献都可以进行更加准确具体的分类，如图1所示，该图展示了防止电池低温劣化的技术手段的构成情况。其中，在加热结构方面，包括直接电热、空气加热、液体加热、相变材料等方面的设计手段，而直接电热包括PTC热敏电阻和其他电热件两种技术手段，空气加热则包括采用空调热源、采用发动机热源、电热3种技术手段，液体加热包括采用空调热源、采用发动机热源、采用电热等。在充放电来加热电池方面，通过充放电电路和电流波形两个方面进行设计。在加热控制方面，主要通过仅控制温度信号、控制温度和电量信号、控制温度和电压信号等方面进行控制来完成电池加热升温。下面通过具体案例对上述不同类型的技术手段进行详细的分析。

1 加热结构

为了防止电池低温劣化，对电池进行加热结构的设计是一种比较传统而且效果明显的解决方式，其中主要涉及采用直接电热手段（43项）、空气加热手段（31项）、液体加热手段（15项）、相变材料加热手段（4项），参见图1。

（1）直接电热手段。

对电池进行直接电热的方式加热，是对电池进行升温比较直接的技术手段，其主要包括PTC加热手段（15项）以及其他电热体（28项）该领域中大部分采用PTC热敏电阻和其他电热方式比如电热丝来进行直接加热以防止电池低温劣化。比如文献JP2012209248A中公开了一种车载用蓄电池，其具有PTC加热器组件。采用直接电热的方式不仅结构简单，并且升温迅速，效果明显，这也是采用该技术手段的专利申请比较多的主要原因。

（2）空气加热手段。

空气加热是采用空气作为传热介质以对电池进行加热以防止低温劣化的手段，根据热源的不同，主要包括电热方式（15项）、空调热源（13项）、以发动机热源（3项）来加热电池以防止低温劣化。比如文献US2006210868A1公开了一种二次电池模块，其中设置风扇以将电加热器加热的空气流过电池对电池进行加热升温，防止电池低温劣化。比如文献WO2010017900A1，其通过空调装置产生的热空气加热电池以防止电池低温劣化。比如文献US2010175938A1公开了发动机热量加热电池的方式，将来自于所述发动机的废气的热能输送给电池进行加热以防止低温劣化。

采用空气作为传热介质对电池进行加热以防止低温劣化的手段属于间接加热的方式，需要借助了其他的热源对空气进行加热，需要考虑与其他系统的结合。

（3）液体加热手段。

液体加热手段是采用液体作为传热介质以对电池进行加热以防止低温劣化的手段，主要包括电热方式（5项）、发动机热源（4项）、空调热源（2项）等来加热电池以防止低温劣化。比如文献EP2371026A1，其通过发动机的热量加热液体以使电池升温防止电池低温劣化。比如文献US2013122331其设置加热元件，加热介电流体，以加热电池组件防止低温劣化。比如文献US2010012295A1，其通过空调系统的冷却剂加热器加热冷却剂，使加热的冷却剂引导入电池系统中以对电池进行加热防止低温劣化。

采用液体作为传热介质对电池进行加热以防止低温劣化的手段属于间接加熱的方式，需要借助其他的热源对液体进行加热，需要考虑与其他系统的结合。

（4）相变材料加热手段。

相变材料来使电池加热手段，是利用相变材料在特定温度下发生相变以释放热量来使电池升温以防止低温劣化的手段。比如文献DE102011002549A1，其通过相变材料发出的结晶热对电池进行加热防止低温劣化。

采用相变材料的结晶热来加热电池以防止低温劣化，结构简单，但是系统成本较高。

2 充放电加热手段

充放电加热手段是指当对电池进行充电或放电操作时，使电池有电流流过，由于电池具有内阻，因此当有因此当有电流流过时电池会产生热量，以此来给电池预热，使电池温度升高，防止电池低温劣化。比如文献EP2518817A2，其将充电和放电脉冲电流供应到电池模块，以使电池升温，防止低温劣化。比如文献CN102473976A，其通过预定频率的波纹电流对电池进行充放电，以使电池产生热量，防止低温劣化。

通过充放电加热电池的手段是比较直接的方式，并不需要设置其他的加热构件，系统简单，并且节省了成本。

3 加热控制

为了更加精确地控制电池的升温，以防止低温劣化，通常需要精确地控制加热升温的过程，对加热升温过程的控制通常可以通过仅控制电池的温度信号（11项）或控制电池的温度和电量信号（3项）或者控制电池的温度和电压信号（4项）等方式。

（1）仅控制温度信号。

通过温度信号来控制电池的加热过程，以使电池维持在合适的温度，可以有效地防止电池低温劣化。比如文献CN102738535，其通过温度信号控制加热过程中的电池温度均匀分布以达到合适的温度防止低温劣化。

（2）控制温度信号和电压信号。

通过温度信号和电压信号来控制电池的加热过程，以使电池维持在合適的温度，可以有效地防止电池低温劣化。比如文献US2007210769A1其通过电池温度信号和电压变化信号来控制电池的升温过程，以使电池维持在合适的温度防止低温劣化。

（3）控制温度信号和电量信号。

通过温度信号和电量信号来控制电池的加热过程，以使电池维持在合适的温度，可以有效地防止电池低温劣化。比如文献CN102473982A，其通过控制控制温度信号和电量信号，使加热控制部发出对锂离子电池中的至少一个进行加热以达到规定的目标温度的指令，以使电池维持在合适的温度防止低温劣化。

智能的加热控制手段能够对电池的加热温度进行精确的控制，是电池热管理系统今后的整体发展趋势。

参考文献

[1] 李贺，陈志奎，曹际娜，等.低温对锂离子电池安全性的影响”[C]//第29届全国化学与物理电源学术年会论文集.2011.

[2] 张剑波，卢兰光，李哲.车用动力电池系统的关键技术与学科前沿[J].汽车安全与节能学报，2010（2）：87-104.