一种用于提高电动汽车冬季续航能力的远程控制加热装置

杨雨欣

华北电力大学 北京市 102206

1 研制背景及意义

随着能源消耗的增加，环境污染的严重，电动汽车越来越受到重视，然而，在冬季使用时，出现续航里程显著减少的现象。冬季环境温度降低，锂电池正负极材料中活性物质减少，电解液黏度降低，放电容量减少。以当前锂电池中最常见的化合物磷酸铁锂为例，在零下20度时，放电容量减少近50%。因此，需要提前对电池加热，恢复续航能力。

当前，常见的加热元件有可变电阻加热元件（即PTC）和恒定电阻加热元件，PTC体积较大，增大电动汽车原有体积。因此，采用PI膜作加热元件。PI膜由聚酰亚胺膜型电加热器和导线焊接而成，以聚酰亚胺膜为电绝缘材料，铜镍箔或铜镍丝为电热材料，[1]厚度仅为0.2mm，极大地缩减了体积。[2]

电动汽车冬季利用空调制热，电量需求大，也造成里程数减少。为综合解决上述问题，在电动汽车连接充电桩时，远程控制开启电池、空调加热系统，有效增大断电后续航里程，增大电动汽车对温度的容忍度，有助于电动汽车更深入地替代传统能源汽车。

2 设计方案

2.1 整体设计

整个装置主要分为控制系统与加热系统。其中控制系统由GSM模块、STM32单片机、继电器、DS18B20温度传感器组成；加热系统分为电池加热系统和车内空调加热系统，电池的加热电路包括变压器、聚酰亚胺加热薄膜、LED灯带部分，车内空调的加热电路用风扇与变压器模拟。

在电池加热系统中，用户向GSM模块预装号码发送短信“START”，远程开启预热加热模式，同时回复短信“ALREADY BEGUN”，告知用户已开始工作。当温度达到0℃时，单片机控制继电器，自动切换加热档位至驱动加热模式。当温度达到25℃时，自动关闭加热系统，并回复短信“FINISH”，告知加热进程结束。当温度降低到20℃时，系统自动开启保温模式，重新为电池保温加热。在加热过程中，可实时发送短信“TELL”，问询加热情况，系统获取温度信息后，自动回复对应的温度范围，反馈机制的设置，方便动态监控加热情况，洞察系统工作情况。在车内空调加热系统中，原理与电池加热系统相似，用户向GSM模块预装号码发送短信“AC”（air conditioner缩写），空调加热系统开启，系统利用充电桩使空调制热，提高车内温度，达到人体舒适温度23℃后，回复短信“ALREADY”，告知用户可以上车。

为更加直观地观察到电池加热系统的开启与关闭，在模型外部加装LED灯带，当以预热加热模式工作时，可观察到黄灯亮；当以驱动模式加热时，红灯亮；空调加热开启时，绿灯亮。

2.2 控制系统

本设计的控制系统主要由GSM模块、STM32单片机、DS18B20温度传感器、三路继电器构成。技术路线如图1所示。

电池加热控制系统工作原理为：开机后首先进行初始化，单片机PA8和PD2输出低电平。GSM模块与单片机之间通过AT指令进行通信，单片机通过串口2持续向GSM模块发送AT指令：AT+CMGR=＜短信条数＞，当读取到的短信内容为“START”时，单片机控制IO口PD2输出高电平，触发继电器，开启预热加热系统。DS18B20温度传感器自启动后持续读取电池温度，当读取到的温度等于0℃时，单片机PD2口输出低电平，PA8口输出高电平，将加热系统切换到驱动加热。当温度等于25℃时，单片机PA8输出低电平，加热结束。当温度下降到20℃时，单片机PD2输出高电平，开启保温系统，为电池保温。

空调加热系统工作原理为：开机后与加热控制系统同时初始化，单片机PC1输出低电平。当读取到的短信内容“AC”时，PC1输出高电平，触发连接风扇的继电器，当温度传感器读取到温度为23℃时，空调加热系统停止工作。

GSM模块选择SIMCOM（希姆通）公司的S I M 8 0 0 C模块，工作温度范围为-40℃～+85℃，工作电压为12V，通信接口兼容3.3V/5V单片机，支持中国移动/中国联通micro SIM卡，能够低功耗地实现语音、SMS（短信）、MMS（彩信）、蓝牙数据信息的传输，[3]充分满足工作要求。选择ALIENTEK MiniSTM32 开发板，集成度高，功能强大，配有DS18B20温度传感器接口，连接方便。选取DALLAS半导体公司推出的DS18B20温度传感器，现场温度以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，测量温度范围为-55～+125℃，精度为±0.5℃，较为精确。[4]控制部分电路连接原理图分别如图2所示。

图1 远程加热控制装置的技术路线图

图2 加热系统控制部分接线示意图

2.3 加热系统

电池加热系统分为预热加热与驱动加热两种模式。由变压器，聚酰亚胺电加热薄膜，LED灯带构成，变压器将220V交流电分别转换成12V和24V直流电，给加热膜和灯带供电。当启动预热加热时，变压器输出12V直流电，黄灯亮，加热膜开始加热，加热功率为30W；启动驱动加热时，变压器输出24V直流电，黄灯灭，红灯亮，加热功率为70W。

本装置选用长方体磷酸铁锂电池进行实验，利用加热膜对电池侧面进行加热，对电池加热，观察温度变化情况。加热膜与电池最大的两个侧面充分贴合，热量通过加热膜直接传递，实现对电池的加热。

车内空调加热系统由变压器和风扇模拟，通过风扇模拟空调工作。

2.4 反馈系统

当收到短信“START”开启电池预热加热模式后，单片机通过串口2向GSM模块发送AT指令：AT+CMGS=＜”电话号码”＞，GSM模块返回＞后，单片机继续向GSM模块发送短信内容ALREADY BEGUN，最后发送0X1A，反馈加热系统已成功开启。当电池加热进程结束后，单片机通过AT指令发送短信内容“FINISH”至GSM模块，反馈加热结束。当空调加热系统结束工作后，系统发送短信内容“ALREADY”至用户，告知用户车内已达到人体舒适温度，可以准备上车。在运行过程中，用户可随时发送“TELL”至预装号码，单片机读取温度后，以短信形式反馈相应的温度范围。单片机通过串口向GSM模块发送AT指令，读取、发送短信，并与温度传感器配合，实现工作情况的反馈。

3 效果与应用前景分析

在用加热膜对磷酸铁锂电池加热后，电池活性得到明显改善，温度越低，提升效果越明显。加热电池对充电性能有改善作用，温度低于-20℃，锂电池充电可用容量比为0，温度上升到10℃，可用容量比升高至90.11%。

同时，低温充电存在电池爆炸的安全隐患，对电池加热，不仅节省了电能，提高了充放电性能，增加了续航里程，而且提高了电动汽车冬季使用安全系数。

现有的电动汽车加热模式有很大一部分是电动汽车插入充电桩后一直进行加热，浪费电能，且长时间加热对电池的性能会产生较大损害。本项目的电动汽车电池/空调加热远程控制装置可以提高纯电动汽车对于气温变化的容忍度，扩大纯电动汽车的温度适用范围，有助于纯电动汽车更深入地替代传统能源汽车，从而减少汽车尾气排放对环境的污染。