电动车低温环境下电池加热系统研究

吉祥，曾国建，许杨，杨法松，熊珊珊

（安徽锐能科技有限公司，安徽合肥，230009）

0 引言

锂电池低温环境下将导致电动车续航里程缩短以及充放电安全等问题[1]～[4]。因此，低温环境下提前给电池预热对于保证电动车动力性能具有重要的意义。目前电动汽车车载热管理系统对于电池加热的方式主要可分为两种：利用外加装置对电池进行加热和利用电池本身放电进行加热[5]。外加装置对电池加热可根据其加热方法分为：流体加热法[6]～[8]、帕尔贴效应加热法[9]～[10]、材料相变加热[11]、加热板、电热膜和电热丝等加热法[12]～[15]。其中流体加热法常用的流体介质包括空气、水、油等，采用空气加热的方法给电池包加热的方法装置简便，但由于空气潜热能力较差，通过空气与电池包的对流换热的方法使得加热效率较低且加热时间长，为了解决空气加热效率较低的问题，文献[16]中提出使用液体加热的方法来给电池包加热，但是由于液体本身具有一定的导电性和流动性，故对密闭性和安全性能的要求较高。帕尔贴效应加热法实质上是利用帕尔贴效应产生热量先加热空气，再对电池进行加热，该方法的本质依然是通过空气与电池包的对流换热进行热传导，在加热程中会造成不必要的能量损失，使得加热效率难以提高。雷治国、张承宁等人在文献[17]中提出使用宽线金属膜对电池包进行加热，将宽线金属膜贴在电池侧面面积最大的地方，利用镀在宽线金属膜上的铜本身的电阻在通过交流电时产生的热量给电池包加热，该方法可在短时间内加热电池包，但由于宽线金属膜是贴在电池包外侧，电池加热过程热量的传递是由外而内进行多级传递，导致加热过程中电池组单体电池受热温度不均匀，局部单体电池温度过高，对电池组均衡产生不利的影响，严重影响电池的寿命，且采用镀铜宽线金属加热成本较高。内部加热法主要是通过将电池正负极短接的方法或在电池正、负端加入不同频率或幅值电流来实现电池加热[18]～[23]，该方法可使用直流、交流电对电池进行加热。相对于外部加热法，内部加热法主要优势在于内部加热法是通过电池在充放电过程中电池内阻产生的焦耳热给电池组本身加热，该方法不需要设置外部加热设备，能量利用率高，且能实现电池组的均衡加热。其中通过在将电池正负极短接的方法可在短时间内加热电池包使得电池包达到正常工作的温度状态，加热效率较高，但由于短时间电流激增，不易调节控制，容易导致电池热失控问题，潜伏着很大安全隐患[24]。在文献[25]中提出采用正弦交流电对电池进行内部加热。然而，加热过程伴随着高瞬态电压的问题，在实际应用中，如果没有正确选择交流电的振幅和频率，电池可能会出现过电压，对电池造成一定的损坏。且有研究表明高频交流电会加速电池内部电离，也会对电池的寿命产生影响。

为改善锂离子电池在低温状态下的使用性能，本文基于现有低温环境下电池包加热方法所存在的问题，提出一种自放电限流电路来加热电池包，通过内外加热相结合加热方法使得电池包可在短时间内加热从而达到正常的工作状态，一方面可通过电池包本身的瞬间短路加热发热电阻，另一方面通过设置外加并联电阻产生的热量可对电池包进行加热，且能控制短路电流在可接受的范围之内，保证电池加热过程安全性。

1 电池组加热方案

目前最简单的内部加热方式即将电池短接，利用短路电流流过电池内阻进行加热，然而这种方法可靠性有待提高，这是由于电池升温过程中内阻会迅速减小，一旦内阻减小到一定程度，而温度尚未上升到预期值时，加热过程仍然继续，但此时短路电流会迅速增大，就会存在温度失控的危险，因此，在这种情况下需要切入辅助加热电路，实现电流的可控，从而保证整个加热过程的可靠性。

图1给出了电池组的加热方案，其中图1（a）所示为加热系统整体结构，其工作分为两个阶段，在温度低于一定值时，即第一阶段，单刀双掷开关连接节点2，即直接短路加热，当温度升高但尚未达到预期目标时，进入第二阶段，单刀双掷开关连接节点3，切入辅助加热电路。

图1 电池组加热方案

图1（b）所示为加热系统主电路，其中电池组端电压为Uc，图中给出了其戴维南等效电路，其可以看做理想直流源E和内部等效参数的串并联组合，图中Rohm为欧姆内阻，Rpol和Cpol分别为极化内阻和极化电容，Sd为断路器，其仅在加热系统工作的第一阶段闭合，在第二阶段断开。S1和S2为高频功率开关IGBT，其在第一阶段始终截止，在第二阶段高频工作，且两者互补导通。Cau为电解电容，起到产生瞬时电流脉冲的作用，Rau为发热电阻，在构成能量泄放回路的同时，能够利用自身发热为电池组加热。

辅助加热电路的基本原理为电池组本身的瞬间短路加热发热电阻，通过电阻产生的热量对电池包进行加热，电池组电压为330V，电流脉冲幅值300A，功率开关管S2和功率电阻Rau组成限流环节，可以控制短路电流在电池可接受范围内。

2 辅助加热电路原理

2.1 工作模态分析

加热电路中主功率IGBT功率开关管S1和辅助IGBT功率开关管S2互补导通，占空比各为0.5。流过主功率IGBT功率开关管S1和辅助IGBT功率开关管S2的电流如图2所示，其中流过S1的电流为电池组的放电电流，流过S2的电流为电解电容的放电电流。根据功率管导通状态，电路可划分为两个工作模态。

图2 功率管S1及S2电流波形图

模态1：t0-t1时刻，IGBT功率开关管S1开通，辅助IGBT功率开关管S2关断，电池通过等效电阻给电容充电，回路中等效电阻为S1导通内阻R1、电池欧姆内阻Rohm和极化内阻之和，回路中电阻和功率管导通内阻Rpol之和。该模态等效电路如图 3（a）所示。

模态 2：t1-t2时刻，辅助IGBT功率开关管S2开通，主功率IGBT功率开关管S1关断，电容通过发热电阻放电，使得电容电压小于电池电压，从而保证下一周期脉冲产生的条件。此时等效电路如图3（b）所示，电路中R2为辅助IGBT功率开关管S2导通内阻。

图3 等效电路

2.2 脉冲电流控制

由此可以根据最大放电电流确定功率管的开关频率和加热电阻的阻值。可以看出，S1、S2、Cau和Rau组成的辅助加热电路同时具有内部加热和外部加热功能，一方面，利用电解电容Cau的瞬时短路原理产生电流脉冲，实现内部加热，另一方面，利用发热电阻Rau自身产生的热量，实现了外部加热。

3 实验验证

在理论分析的基础上搭建仿真模型，功率管的开关频率为300Hz，加热电阻为500Ω，图4给出了仿真结果，波形由上至下分别为流过主功率IGBT功率开关管S1和辅助IGBT功率开关管S2的电流。

图4 仿真结果

可以看出，仿真结果与理论分析相一致，验证了加热方案的可行性。在此基础上搭建实验原理样机，相关参数与仿真模型一致，选用英飞凌的型号为FF450R06ME3的IGBT模块作为功率开关，电解电容参数是100uF/400V，功率电阻是4个2000Ω/100W的电阻并联成的500Ω功率电阻。IGBT功率开关管S1和辅助IGBT功率开关管S2可集成在一个IGBT模块中减小体积。

由信号发生器发出频率300Hz，占空比为0.5，幅值5V的方波信号后，经IGBT驱动板后输出给IGBT模块的驱动信号如图5所示，极电压GE为+14V开通，极电压GE为-9V关断。

图5 驱动信号

实验样机实物图如图6所示，图6（a）给出了试验系统的结构，其包括供电电源、测试仪器和主功率电路，其中主功率电路有包括驱动电路、IGBT模块和发热电阻，如图6（b）所示，IGBT模块FF450R06ME3为双管模块，即一个模块内集成了两个IGBT，实验过程中直流电压最大加至200V。

图6 实验样机

当输入200V直流电压时流经电源的电流波形如图7所示，可见当主功率IGBT功率开关管S1开通时电源给电容充电，出现电流尖峰，可达13A。

图7 流经电源电流波形

当输入为200V直流电压时，输出各波形图如图8所示，图中1号采样脚是流经电源的电流波形。2号采样脚是IGBT开关管的CE级压差，可见当主功率IGBT功率开关管S1开通时，CE级无压差；当主功率IGBT功率开关管S1关断时，由于电容对功率电阻线性放电，故CE级压差线性上升，产生10V压差。3号采样脚是电容两端电压差，当主功率IGBT功率开关管S1开通时，电容被瞬间充满电所以显示恒压200V；当主功率IGBT功率开关管S1关断时，电容对功率电阻线性放电，所以电容两端电压差线性下降，产生与IGBT的CE级上升电压差相对应的10V下降电压。

图8 各波形对比

从样机验证结果来看，所提出的方案能够实现理想的电流脉冲，证明了方案的可行性，将样机与实际电池相连接，并在初始温度为-20℃的环境下进行加温测试，电池表面温度随时间变化曲线如图9所示。

图9 电池表面温度变化曲线

可以看出，所提出的加热电路能够实现动力电池低温环境下的快速升温，切升温过程安全、可控。

4 结论

针对锂电池在低温环境下充放电性能下降的问题，本文提出自放电限流电路加热电池包的方法，设计了加热电路，与现有技术相比，具有以下优点：（1）省去了传统加热系统能量供给来源，减小了系统的体积和成本。（2）在本实验设计中使用的发热电阻不仅起到了加热的作用，还起到了在电路中的限流作用，可以保证电池包的放电电流在安全的范围内。（3）本文中采用的两级式电路实现电池包的自放电加热，减小了发热电阻的功率等级，从而减少了系统的体积和成本。