王文偉，孫逢春

（北京理工大學(xué)電動(dòng)車輛國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

一、前言

近年來，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，技術(shù)水平大幅提升，產(chǎn)業(yè)鏈日趨完善，發(fā)展成就舉世矚目[1]。但是，隨著新能源汽車市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，氣候環(huán)境對新能源汽車性能的影響不斷凸顯。相對于目前在高溫高濕環(huán)境下較為成熟的電池冷卻與電氣防護(hù)等技術(shù)[2,3]，新能源汽車在極寒環(huán)境下的綜合性能（包括續(xù)駛里程、啟動(dòng)時(shí)間、空調(diào)性能、安全性與可靠性等）會(huì)明顯下降，是目前國際公認(rèn)的技術(shù)難題，也是當(dāng)前新能源汽車運(yùn)行的“禁區(qū)”。

根據(jù)新能源汽車國家監(jiān)測與管理平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示，我國新能源汽車應(yīng)用聚集區(qū)主要分布于京津冀、江浙滬和珠江三角洲等中東部地區(qū)，而廣袤的西北與東北地區(qū)則幾乎成為了新能源汽車推廣應(yīng)用的“真空地帶”。這除了與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口聚集、政策等因素密切相關(guān)外，新能源汽車低溫環(huán)境下的適應(yīng)性，尤其是低溫條件下的“續(xù)航里程焦慮”問題成為其規(guī)模化推廣的掣肘[4]。

近期，美國汽車協(xié)會(huì)（AAA）對特斯拉公司、寶馬集團(tuán)、通用汽車公司、大眾汽車股份有限公司和日產(chǎn)汽車公司等企業(yè)的多款新能源汽車進(jìn)行了續(xù)駛里程測試，研究顯示，在打開空調(diào)的工況下，與24 ℃的舒適環(huán)境相比，在-7 ℃的寒冷環(huán)境下新能源汽車?yán)m(xù)駛里程平均減少41%，在35 ℃的高溫環(huán)境下續(xù)駛里程平均減少17% [5]。

新能源汽車在極寒環(huán)境下存在無法啟動(dòng)、續(xù)駛里程銳減、充電困難而且存在安全隱患等問題，已成為制約新能源汽車全氣候規(guī)?；瘧?yīng)用的主要障礙。因此，本文重點(diǎn)圍繞制約新能源汽車低溫環(huán)境應(yīng)用的三大問題，創(chuàng)新性地提出了電池快速自加熱、高效低溫增焓空調(diào)、整車保溫隔熱等技術(shù)方案，解決了新能源汽車在極寒環(huán)境下的應(yīng)用難題。

二、全氣候新能源汽車技術(shù)方案

（一）動(dòng)力電池自加熱技術(shù)

鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)在低溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)明顯的性能下降。首先，在低溫環(huán)境下，電池容量衰減明顯，導(dǎo)致新能源汽車?yán)m(xù)駛里程以及整車動(dòng)力性能顯著下降；其次，車輛啟動(dòng)時(shí)間延長，-30 ℃時(shí)在無外部加熱情況下車輛無法正常啟動(dòng)；最后，低溫環(huán)境下電池充電困難，傳統(tǒng)的先預(yù)熱后充電的方式存在能耗高、充電時(shí)間長、成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，且影響動(dòng)力電池使用壽命，嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)安全事故。王朝陽教授團(tuán)隊(duì)[6]提出的基于第三極鎳箔自加熱的全氣候動(dòng)力電池技術(shù)方案很好地解決了上述問題。

1.動(dòng)力電池自加熱原理

電池自加熱原理如圖1所示，在傳統(tǒng)鋰離子動(dòng)力電池電極部件之間植入50 μm 厚的鎳箔充當(dāng)自加熱熱源。當(dāng)電池處于較低溫度時(shí)，系統(tǒng)控制連接正極和加熱極耳間的加熱控制開關(guān)閉合，電池內(nèi)部人為產(chǎn)生了可控的內(nèi)短路，電子被迫通過鎳箔在電池內(nèi)部形成了閉合回路，由于有電流通過，在鎳箔上產(chǎn)生了熱效應(yīng)，使得電池獲得了內(nèi)部自加熱，因而電池溫度開始回升。當(dāng)電池溫度超過0 ℃時(shí)，電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)得到激活，電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行能夠?yàn)殡姵靥峁└鼮榭煽亢痛蠊β实募訜嵩?，同時(shí)可進(jìn)行正常的充放電行為，因而加熱控制開關(guān)在此時(shí)被斷開，電池自動(dòng)停止加熱，轉(zhuǎn)入正常使用狀態(tài)。

使用混合動(dòng)力脈沖能力特性（HPPC）對電池脈沖功率進(jìn)行測試，在-30 ℃的情況下，50%及80%荷電狀態(tài)（SOC）的電池其放電功率分別提高到了1061 W/kg和1600 W/kg，功率水平是在相同溫度條件下普通電池的5～6倍。

在單體層面對電池自加熱性能和耗能水平進(jìn)行的研究結(jié)果如圖2所示，電池可在30 s內(nèi)從-30 ℃加熱至0 ℃，電池耗能水平在自身能量的5%以內(nèi)。與傳統(tǒng)外部加熱方式相比，電池自加熱技術(shù)具有升溫快速、耗能低、加熱均勻的優(yōu)點(diǎn)，能夠解決電池在極寒環(huán)境下的使用“瓶頸”問題。

圖1 全氣候動(dòng)力電池自加熱原理圖[6]

2.單體電池關(guān)鍵技術(shù)

為了使全氣候動(dòng)力電池能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)并向全國推廣，針對電池在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面的關(guān)鍵技術(shù)難題，北京理工大學(xué)聯(lián)合中信國安盟固利動(dòng)力科技有限公司對全氣候電池單體電芯及自加熱技術(shù)方案進(jìn)行了攻關(guān)，對電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱場設(shè)計(jì)、加熱片的幾何參數(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)的選擇和研究。

為了滿足電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的要求，節(jié)約開發(fā)時(shí)間，全氣候動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用加熱極與電池極耳對側(cè)引出的方式，如圖3所示，極耳對側(cè)引出的方案能夠使得極耳具有足夠的截面積以滿足大電流輸出的需求。同時(shí)為了保證電池封裝的可靠性且方便與鋁塑膜殼體進(jìn)行封裝，發(fā)熱體引出端采用與電池相同的銅鍍鎳極耳進(jìn)行連接，連接完成后與鋁塑膜進(jìn)行熱封。

加熱片設(shè)計(jì)是全氣候電池單體的關(guān)鍵技術(shù)，加熱片除了要滿足發(fā)熱量及發(fā)熱點(diǎn)產(chǎn)熱均勻需求外，還需與外部保持良好的絕緣性，即要在金屬加熱片的外表面設(shè)計(jì)絕緣隔離層，保證加熱片既不與外部產(chǎn)生電接觸，又要保證加熱片的金屬本體不與電解液接觸。

圖2 單體電池從-30 ℃加熱至0 ℃實(shí)驗(yàn)效果

圖3 全氣候電池單體

通過對加熱片的電學(xué)、熱學(xué)性能的分析和實(shí)驗(yàn)，全氣候動(dòng)力電池采用如圖4所示的外覆隔離膜的加熱片方案。為保持電芯容量并減小電芯厚度，基于更高能量密度電芯設(shè)計(jì)原則，加熱片優(yōu)選參數(shù)如表1所示，優(yōu)化后的加熱片阻值為8 mΩ，且小線寬、小間隙密度的“S”型加熱片能夠使產(chǎn)熱更加均勻。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，全氣候鋰離子動(dòng)力電池單體電芯從-40 ℃自加熱至0 ℃耗時(shí)45 s，自熱耗電量不超過單體電量的5%，電池內(nèi)外溫度最大偏差≤5 ℃。經(jīng)封裝、耐壓、絕緣等可靠性驗(yàn)證，使用陶瓷隔離膜及熱復(fù)合技術(shù)的加熱片能夠在電池內(nèi)部與電解液實(shí)現(xiàn)電隔離，在改善全氣候自加熱電池性能的同時(shí)提升了全氣候電池的安全可靠性。目前，已開發(fā)出高能量68 Ah電芯，其基本性能如下：電池比能量為230 Wh/kg，在50%荷電狀態(tài)下，電池的直流內(nèi)阻小于1.2 mΩ，功率密度大于1500 W/kg，常溫循環(huán)2000次容量保持在90%以上，同時(shí)單體電池通過了外部短路、針刺、擠壓、過充電、過放電等安全性測試。

3.電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

全氣候動(dòng)力電池系統(tǒng)（見圖5）由絕緣密封箱體、電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)等組成，完善的電池管理策略對電池的一致性、安全性和耐久性至關(guān)重要。

圖4 加熱片覆膜外形

表1 基體電池優(yōu)化參數(shù)

圖5 全氣候動(dòng)力電池系統(tǒng)樣機(jī)

全氣候動(dòng)力電池管理系統(tǒng)包含系統(tǒng)自加熱控制電路和控制策略（見圖6），通過建立電池內(nèi)部溫度預(yù)測模型監(jiān)控動(dòng)力電池?zé)犴憫?yīng)特性，預(yù)警熱失控行為，完善了動(dòng)力電池系統(tǒng)熱-電耦合集成管理。全氣候動(dòng)力電池綜合物理模型如圖7所示，動(dòng)力電池綜合物理模型融合了電化學(xué)機(jī)理模型、分?jǐn)?shù)階阻抗模型和動(dòng)力電池N階RC（N-RC）等效電路模型。通過對動(dòng)力電池模型的優(yōu)化及參數(shù)在線辨識(shí)，基于存檔和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力電池模型能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)容量和SOC多尺度聯(lián)合估計(jì)，保障了電池的使用壽命和使用性能。

全氣候動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)低溫自加熱技術(shù)采用整車一鍵加熱控制方式，全氣候動(dòng)力電池系統(tǒng)一鍵加熱設(shè)計(jì)如圖8所示，通過對車輛啟動(dòng)狀況、緊急情況和車輛充電狀態(tài)的加熱方式進(jìn)行合理的邏輯設(shè)計(jì)，保證了在不同工況下電池均能夠獲得合理有效的加熱，同時(shí)提高了駕駛員決策的重要度和人機(jī)交互水平。

考慮到車輛可能遇到涉水路面等不同行駛路況，系統(tǒng)對環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了充分的考慮，持續(xù)性超強(qiáng)防護(hù)能力測試流程如圖9所示，經(jīng)過嚴(yán)苛的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測試，電池系統(tǒng)能夠達(dá)到IP68的防護(hù)等級(jí)，能夠適應(yīng)全氣候、全路況的使用要求。

圖6 全氣候動(dòng)力電池梯次加熱控制策略

圖7 全氣候動(dòng)力電池系統(tǒng)綜合物理模型

圖8 人機(jī)交互界面

4.整車低溫環(huán)境試驗(yàn)

2018年和2019年冬季，研發(fā)團(tuán)隊(duì)兩次在內(nèi)蒙古海拉爾開展了12 m純電動(dòng)大客車、7 m純電動(dòng)中型客車和純電動(dòng)乘用車極寒環(huán)境下的場地試驗(yàn)。在-30 ℃的環(huán)境中，整車靜置40 h以上，在動(dòng)力電池系統(tǒng)最低溫度達(dá)到-22 ℃的情況下，整車進(jìn)行了冷啟動(dòng)、全氣候動(dòng)力電池低溫加熱、空調(diào)制熱、除霜及冰雪條件下的整車20%爬坡、加速、制動(dòng)、能耗等系列試驗(yàn)。駐車加熱試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了6 min快速自加熱啟動(dòng)，溫升速度超過5 ℃/min，低溫啟動(dòng)環(huán)節(jié)電池加熱能耗不高于5%，在車輛行駛過程中無需再對電池加熱。

（二）高效冷暖一體增焓熱泵空調(diào)技術(shù)

圖9 持續(xù)性超強(qiáng)防護(hù)能力測試流程圖

燃油汽車的空調(diào)制熱通過利用發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱作為熱源為車廂提供熱量，而電動(dòng)汽車冬天制熱時(shí)由于可以利用的熱源有限，只能依靠正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻制熱等方式。相關(guān)研究顯示，在打開空調(diào)的工況下，與24 ℃的舒適環(huán)境相比，在-7 ℃的寒冷環(huán)境下新能源汽車?yán)m(xù)駛里程平均減少41%，在35 ℃的高溫環(huán)境下續(xù)駛里程平均減少17% [5]，極端高低溫環(huán)境下空調(diào)的能量消耗嚴(yán)重制約著電動(dòng)汽車的續(xù)航能力。針對這一問題，相關(guān)學(xué)者提出了熱泵型空調(diào)系統(tǒng)等多種解決方案[7,8]，傳統(tǒng)熱泵空調(diào)具有能量效率高、節(jié)能效果顯著、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的效果，但是其也存在低溫制熱效率低下、技術(shù)難度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和制熱速度慢的缺點(diǎn)。

為了解決空調(diào)高耗能對電動(dòng)汽車的影響，作者團(tuán)隊(duì)研發(fā)了低溫補(bǔ)氣增焓熱泵空調(diào)技術(shù)，該技術(shù)具有寬溫區(qū)、高能效和安全性好等特點(diǎn)，能夠解決空調(diào)使用溫度受限及能效低的難題，適合新能源汽車的使用。

采用低溫補(bǔ)氣增焓熱泵空調(diào)技術(shù)的高效冷暖一體化熱泵空調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)方案如圖10所示，其工作原理是通過具有兩級(jí)節(jié)流、中間噴氣技術(shù)的增焓壓縮機(jī)，并使用閃蒸器進(jìn)行氣液分離來實(shí)現(xiàn)增焓，同時(shí)在換熱介質(zhì)通過中低壓時(shí)，一邊壓縮一邊噴氣混合冷卻，然后在高壓時(shí)正常壓縮，提高壓縮機(jī)排氣量，從而達(dá)到低溫環(huán)境下提升制熱能力的目的。

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特征，針對空調(diào)的準(zhǔn)二級(jí)壓縮制熱循環(huán)進(jìn)行了仿真模擬，分析了噴射支路膨脹閥開度對準(zhǔn)二級(jí)壓縮制熱循環(huán)的影響，對冷暖增焓熱泵進(jìn)行了優(yōu)化分析，得到了制熱循環(huán)優(yōu)化的方法，揭示了制冷劑噴射和系統(tǒng)循環(huán)各參數(shù)之間的影響關(guān)系，獲得了基于最佳能效的噴射規(guī)律。

基于上述研究，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了熱泵空調(diào)系統(tǒng)樣機(jī)開發(fā)和性能測試，電動(dòng)客車高效電動(dòng)冷暖一體化空調(diào)樣機(jī)及測試裝置如圖11所示，在低溫增焓空調(diào)制熱試驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了30 min內(nèi)整車車廂溫度從-30 ℃提升到19 ℃。在車外-20 ℃，車內(nèi)20 ℃工況下，制熱能效比達(dá)到1.64；在車外35 ℃，車內(nèi)27 ℃工況下，制冷能效比達(dá)到3.0，實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境下快速啟動(dòng)與高效運(yùn)行，熱泵空調(diào)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表2 駐車加熱試驗(yàn)結(jié)果

圖10 高效冷暖一體化熱泵空調(diào)系統(tǒng)

圖11 電動(dòng)客車低溫空氣源熱泵樣機(jī)以及測試裝置

經(jīng)過一系列的原理創(chuàng)新、仿真優(yōu)化和方案改進(jìn)，采用低溫補(bǔ)氣增焓熱泵空調(diào)技術(shù)的高效冷暖一體化熱泵空調(diào)系統(tǒng)能夠很好地權(quán)衡制冷制熱效果和能耗之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)了高能效低能耗的整車應(yīng)用要求。

（三）整車隔熱保溫技術(shù)

全氣候新能源汽車車體結(jié)構(gòu)的高溫散熱、低溫保溫直接影響整車能耗及續(xù)駛里程。作者團(tuán)隊(duì)從傳熱途徑和熱量產(chǎn)生的兩個(gè)方面研究了全氣候新能源汽車新型車體隔熱保溫技術(shù)，采用隔熱材料、在車輛內(nèi)部安裝額外的加熱源這兩種途徑實(shí)現(xiàn)整車的隔熱保溫。

表3 熱泵空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

車體采用納米多孔氣凝膠隔熱材料進(jìn)行隔熱保溫減少了車輛內(nèi)部與環(huán)境之間的傳熱，降低了車體熱量散失。納米多孔氣凝膠作為一種分散介質(zhì)為氣體的凝膠固體材料可作為新型車體隔熱材料，其由膠體粒子或高聚物分子相互聚積成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米多孔性材料組成，如圖12所示，氣凝膠材料孔洞大小和骨架尺寸為納米量級(jí)，孔洞的典型尺寸為1～100 nm，孔洞率可達(dá)80%～99.8%，比表面積為200～1000 m2/g，密度可低至3 kg/m3，具有穩(wěn)定的納米多孔結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱系數(shù)小（低于0.03 W/m·K）的優(yōu)點(diǎn)。

整車玻璃隔熱材料采用低輻射隔熱玻璃，其傳熱特性如圖13所示，通過加入真空層，低輻射隔熱玻璃可降低傳熱，同時(shí)內(nèi)壁鍍低輻射膜，可使得輻射熱量盡可能小，具有導(dǎo)熱系數(shù)小，隔熱效果好、吸音等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠在寒冷地區(qū)保持車內(nèi)溫度，達(dá)到減少空調(diào)電耗，節(jié)約能源的目的。

另外在車輛內(nèi)部安裝了石墨烯電加熱膜熱源實(shí)現(xiàn)對車體的保溫。如圖14所示，石墨烯電加熱膜具有可利用紅外輻射對汽車內(nèi)部進(jìn)行加熱，同時(shí)厚度小，可節(jié)省空間，能量效率高，采用面狀加熱，加熱均勻，可進(jìn)行低溫輻射加熱，避免過熱，不排放任何有害氣體，材料無毒害，可通過控制系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的加熱效果。

綜合使用氣凝膠隔熱材料、低輻射隔熱玻璃和石墨烯電加熱膜對車輛進(jìn)行全面可靠的保溫和加熱，在保持車輛溫度改善車輛行駛性能的同時(shí)降低了能耗，有助于純電動(dòng)客車的全域推廣。

圖12 納米多孔氣凝膠

圖13 低輻射隔熱玻璃傳熱特性

圖14 石墨烯電加熱膜

三、全氣候新能源汽車技術(shù)展望

要推動(dòng)全氣候新能源汽車的規(guī)?；瘧?yīng)用，在上述關(guān)鍵技術(shù)樣機(jī)的基礎(chǔ)上開展技術(shù)優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)化研究至關(guān)重要。

（一）高溫液冷與低溫自加熱集成設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)新能源汽車“全氣候無禁區(qū)運(yùn)行”

目前新能源汽車多采用液冷式散熱來解決高溫環(huán)境下電池的散熱問題，液冷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是降溫速度快、均溫性好、流體（溫度和流量）控制簡單和精準(zhǔn)，而電池自加熱是解決極寒環(huán)境應(yīng)用的創(chuàng)新性技術(shù)。因此，使新能源汽車兼具高溫和極寒環(huán)境下應(yīng)用的能力，則需進(jìn)一步將高溫液冷與自加熱技術(shù)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，通過冷卻與加熱使電池組維持在一定的溫度范圍區(qū)間，從而保證電動(dòng)車的電機(jī)、電池和電控系統(tǒng)在全氣候環(huán)境下正常運(yùn)行。

（二）突破低溫禁區(qū)，推進(jìn)全氣候動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化

電池自加熱技術(shù)創(chuàng)新性地解決了電池低溫性能劣化的問題，但距產(chǎn)業(yè)化還有一定距離，因此提高全氣候電池安全性、降低成本至關(guān)重要。在自加熱低溫電池全面推廣之前還需對加熱片、隔離膜的選材和制造工藝進(jìn)行優(yōu)化，并加強(qiáng)對電池安全性能影響因素的研究。

（三）高效冷暖一體化熱泵空調(diào)升溫速率提升

目前高效冷暖一體化熱泵空調(diào)雖然具有寬溫區(qū)、高能效等特點(diǎn)，但是在實(shí)際樣機(jī)測試中熱泵空調(diào)的升溫速率不夠理想，因此在系統(tǒng)能耗和升溫速率間找到合適的匹配是今后的重點(diǎn)研究方向。

（四）配套的工藝裝備和高效生產(chǎn)技術(shù)，助力新能源汽車規(guī)模化推廣

全氣候新能源汽車的部分生產(chǎn)工藝相對于傳統(tǒng)汽車有較大改動(dòng)，需要開發(fā)相應(yīng)設(shè)備同時(shí)優(yōu)化生產(chǎn)工藝，如熱復(fù)合絕緣隔離膜、焊接與封裝設(shè)備、整車保溫隔熱材料等配套的生產(chǎn)設(shè)備及工藝，降低制造成本，提高動(dòng)力電池一致性及整車安全性。

四、結(jié)語

全氣候新能源汽車是多項(xiàng)技術(shù)綜合集成和應(yīng)用的典范，包含了自加熱電池及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、高效低溫增焓熱泵空調(diào)、車體隔熱與保溫等多項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)，解決了極寒環(huán)境下新能源汽車無法充放電、整車無法啟動(dòng)、空調(diào)能耗高等多項(xiàng)技術(shù)難題，可在-40～60 ℃超寬環(huán)境溫度下正常運(yùn)行。系列化項(xiàng)目成果已在低溫環(huán)境下進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，并將在2022年北京冬季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)低溫環(huán)境下進(jìn)行示范應(yīng)用，從而推動(dòng)我國乃至國際新能源汽車的全氣候應(yīng)用。