新能源汽车动力电池低温加热技术应用与发展

马秀勤,程正伟,仇 磊,李永湘

（贵州工程应用技术学院机械工程学院,贵州 毕节 551700）

0 引言

随着能源紧缺和环境污染问题的日益突出，新能源汽车作为传统燃油车的替代品，受到了政府和社会的广泛关注。动力电池作为新能源汽车的核心部件，其温度控制对于电池的性能、寿命和安全性至关重要。然而，新能源汽车在极寒条件下的性能表现受到了限制，其中一个主要原因是动力电池的低温效应。动力电池在低温环境下其可用能量和功率衰减严重，原因是在低温环境下，动力电池的电荷传输速率会降低，电池内部的化学反应也会减缓，导致电池容量和功率输出下降。尤其是长期处于低温环境下使用会加速动力电池的老化，影响电池的充放电安全性，降低其整体性能，缩短使用寿命，进而影响新能源汽车的可靠性和可用性[1-4]。为解决这一问题，动力电池低温加热技术应运而生。低温加热技术是通过向动力电池供应热量，提高电池温度，从而改善电池的性能。

研究表明，在-10 ℃时，新能源汽车锂离子动力电池的容量和工作压力会明显降低，当环境温度降低至-20 ℃时，其放电容量大约为常温时的30%[5-6]。低温加热技术对于新能源汽车的正常运行至关重要，动力电池的低温加热技术已逐渐得到研究者的广泛关注。该文对动力电池低温加热技术的研究现状进行了分析，在此基础上，对动力电池低温加热技术的发展趋势进行了展望。

1 动力电池低温加热技术的研究现状

1.1 动力电池低温性能衰减机制

动力电池在低温环境下会出现性能衰减[7]。研究者们普遍采用建立电池模型，开展仿真分析与实验验证的方式对电池低温环境下的衰减机制进行研究。T. Waldmann等[8]研究发现，低温充电的正极锂离子电池在其负极有锂枝晶析出，而常温下无该现象。由此认为，析锂是引发锂离子电池低温充电容量衰减的主要因素。鱼乐等人[9]以锂离子电池为实验对象，建立的低温充电容量衰减规律的多应力经验模型预测效果较好。樊亚平[10]对锂离子电池全生命周期内容量衰减机理进行了研究，发现电池容量衰减主要是由于低温下锂离子扩散速率低，导致循环期间在负极表面析锂、阻抗增大、活性锂损失，从而导致电池极化增大、容量衰减；过充会使负极表面析锂，同时会使电解液发生分解，从而导致电池容量衰减，为电池在低温条件下的性能诊断和安全状态评估提供了参考。整体来看，电池在低温环境下的衰减机制主要包括：

（1）电化学反应速率降低。低温下，电解质的离子传导能力降低，导致电化学反应速率减慢，降低了电池的功率输出能力。

（2）枝晶生长。低温下，电池中的锂离子会生成枝晶，导致电池内部的电解质膜破裂，影响电池的循环寿命。

（3）电极活性物质的失活。低温下，电极活性物质的反应活性降低，导致电极的储能能力下降。

1.2 电加热技术

传统的电加热技术主要通过在电池外部加热提高电池的温度。这种方法通常使用电加热丝或加热板将热量传递给电池。然而，传统的电加热技术存在以下问题：

（1）热量传递效率低。由于电池与外部加热装置之间存在热阻，传统的电加热技术往往需要较长的加热时间才能将电池加热到所需温度。

（2）能耗较高。需要消耗大量的电能来加热电池，从而增加车辆的能耗，降低车辆的续航里程。

（3）温差大。电池组分布不均，电池单体之间出现较大温差，对电池组整体使用寿命不利。

随着研究的深入，学者们提出了内部充电加热法。该方法利用电流通过有一定电阻值的导体所产生的焦耳热来加热动力电池。相较于外部电加热法，内部充电加热法具有所需能量低、经济性高的特点[11-13]。吉祥等人[14]提出一种自放电限流电路加热电池包的方法，可实现低温条件下电池自发加热达到正常工作温度，其具有加热时间短、电池损耗低的特点，在一定程度上可以延长电池的使用寿命，降低安全风险。但为了避免在充电过程中电池产生过压，需严格控制电池电压，在一定程度上限制了加热的灵活性以及加热效果。

1.3 流体循环加热技术

流体循环加热技术是一种将热量通过循环流体传递给电池的方法，主要包括热交换器、循环流体和控制系统三部分。在电池周围设置热交换器，热交换器中有高温流体流动，通过对流传热和热传导等方式将循环流体的热量传递给电池，从而实现对电池的加热。循环流体流经热交换器温度降低，经循环管路加热后又进入热交换器开始下一轮工作循环。控制系统则用于调节循环流体的温度和流速，以确保电池的温度在合适的范围内。根据流体的不同，可采用空气、水、乙二醇、油以及制冷剂等作为传热介质。流体循环加热技术可以提高热能的传递效率、减少能耗、加热均匀性好，并且可以实现对电池温度的精确控制，但需对流道进行特殊设计，存在系统复杂、泄漏风险大等问题。

1.4 相变材料加热技术

相变材料加热技术是一种利用相变材料的相变过程释放热量来加热电池的方法。将相变材料加热到相变温度以上，使其转变为液体状态，并储存热能。当电池温度低于所需温度时，相变材料释放储存的热量，将电池加热至所需温度。不同类型的相变材料释放热量的能力有差别，通常选取具有合适相变温度且可控变化的固体－液体相变材料。相变材料加热技术具有加热速度快、热能储存密度高和加热温度可控等优点，可以有效地提高电池的低温性能[15-16]。

2 动力电池低温加热技术的研究热点和挑战

2.1 提高加热效率与降低能源消耗

传统的电加热技术加热效率低，电池加热需要较长时间。因此，研究人员致力于开发更高效的加热技术，例如液体循环加热技术和相变材料加热技术。通过优化设计和材料选择，可以提高加热效率，减少加热时间。外部加热方法依靠外部加热源通过热传导来加热动力电池，其结构较为复杂、能耗较高、加热温度场分布不均匀、加热速度较慢；内部加热方法依靠动力电池自身阻抗产热，具有加热快速且发热均匀的优点。为进一步提高加热效率，优化加热策略吸引了研究者的注意[17-20]。其中的交流加热方法因具有对动力电池能耗小、温度场分布均匀、使用成本较低和加热效率较高的优势已成为人们关注的焦点之一。宋彦孔[21]对电池单体内部交流加热策略进行了研究，实现了50%SOC下的圆柱电池在580 s内从-15~5 ℃的加热。洪彪明[22]对电池内部交流加热装置进行了研究，提出了两种锂离子电池内部交流预热电路，并通过仿真分析确定了加热电路的最佳开关频率，该加热电路可在425 s内将电池从-15 ℃加热到5 ℃。电池加热后，需维持在适宜的工作环境温度内。裴国亮[23]对电池自加热保温方法进行研究并对其装置进行了开发，预测了在环境温度-15 ℃下电池在不同频率下保持在0 ℃时的最小边界电流并进行了实验验证。焦红星[24]提出的动力电池低温加热策略有效地避免了低温充电过程中模式转换失败的风险，确保电动汽车在极端条件下的充电稳定性及安全性。但无论是对电加热技术的改进，抑或对加热策略的优化，电加热技术都需要消耗大量的电能来实现电池的加热，进而增加车辆的能耗，降低其续航里程。为了降低由于低温环境对电池加热所导致的能量消耗，需不断探索使用更高效的能源供应系统，例如利用废热回收技术将车辆废热转化为加热能源[25]。

2.2 减小系统复杂性与降低制造成本

通常，电池低温加热系统的结构包括加热元件、温度传感器、控制器和供电系统等组成部分。加热元件可以采用多种方式实现，常见的包括电热丝、电热膜、PTC热敏电阻、热管等[26-27]。电池低温加热系统的复杂程度取决于具体的应用场景和要求。若只需将电池保持在一个相对较高的温度下，其系统的结构和控制较为简单。但是，要实现电池温度的精确控制，并且在不同环境条件下能够自动调节加热功率，那么系统的结构和控制就会相对复杂。流体循环虽然传热效率和能耗均较为理想，但流体的热导率、黏度、密度和流动速度等因素会影响流体与电池之间的传热速率，同时，为了增强传热，流体的流道结构复杂、密封性及绝缘性要求高，会增加整个电池箱设计的复杂程度，从而提高其成本。

3 结语

温度是影响动力电池性能的关键因素，动力电池低温加热技术的研究可降低其低温下的可用能量和功率衰减严重的问题，增强新能源汽车低温环境下的可用性和可靠性。新能源汽车动力电池低温加热技术的应用与发展，对于提高新能源汽车在低温乃至极寒环境下的性能表现具有重要意义。电加热、流体循环加热和相变材料加热等技术各有优缺点，从提高加热效率与降低能源消耗、减小系统复杂性与降低制造成本的角度来看，新能源汽车动力电池低温加热技术还存在以下方面的问题有待进一步研究。

（1）研究新型加热材料。目前使用的导热材料在低温下的加热效果有限，一定程度上限制了电池加热效率的提高以及新能源汽车的应用场景，需寻找具有更高导热性能和更低温度激活性能的新型材料，以提高加热效率和响应速度，改善电池的导热性能和加热均匀性。

（2）应用智能控制策略。智能控制技术可以通过实时监测电池温度、外部环境条件和电池状态等信息，自动调节加热功率和加热时间，以实现最佳的加热效果，提高能源利用率，减少能源消耗，同时保护电池不受过热或过冷的影响，降低潜在的风险。

（3）多种低温加热技术的综合应用。当前的低温加热技术多为单一方式，未来可以将不同的低温加热技术进行综合应用，进一步提高电池低温加热效果和加热的均匀性。

（4）系统集成的优化。为顺应汽车轻量化以及紧凑化的发展趋势，需进一步通过优化设计和布局，将加热装置、传感器、控制系统等组件紧密集成在一起，以减少系统复杂性和体积。还可以考虑将低温加热系统与其他车辆系统进行集成，以实现更高效的能量利用和整体性能提升。