馬秀勤,程正偉,仇 磊,李永湘

（貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,貴州 畢節(jié) 551700）

0 引言

隨著能源緊缺和環(huán)境污染問(wèn)題的日益突出，新能源汽車作為傳統(tǒng)燃油車的替代品，受到了政府和社會(huì)的廣泛關(guān)注。動(dòng)力電池作為新能源汽車的核心部件，其溫度控制對(duì)于電池的性能、壽命和安全性至關(guān)重要。然而，新能源汽車在極寒條件下的性能表現(xiàn)受到了限制，其中一個(gè)主要原因是動(dòng)力電池的低溫效應(yīng)。動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下其可用能量和功率衰減嚴(yán)重，原因是在低溫環(huán)境下，動(dòng)力電池的電荷傳輸速率會(huì)降低，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)也會(huì)減緩，導(dǎo)致電池容量和功率輸出下降。尤其是長(zhǎng)期處于低溫環(huán)境下使用會(huì)加速動(dòng)力電池的老化，影響電池的充放電安全性，降低其整體性能，縮短使用壽命，進(jìn)而影響新能源汽車的可靠性和可用性[1-4]。為解決這一問(wèn)題，動(dòng)力電池低溫加熱技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。低溫加熱技術(shù)是通過(guò)向動(dòng)力電池供應(yīng)熱量，提高電池溫度，從而改善電池的性能。

研究表明，在-10 ℃時(shí)，新能源汽車鋰離子動(dòng)力電池的容量和工作壓力會(huì)明顯降低，當(dāng)環(huán)境溫度降低至-20 ℃時(shí)，其放電容量大約為常溫時(shí)的30%[5-6]。低溫加熱技術(shù)對(duì)于新能源汽車的正常運(yùn)行至關(guān)重要，動(dòng)力電池的低溫加熱技術(shù)已逐漸得到研究者的廣泛關(guān)注。該文對(duì)動(dòng)力電池低溫加熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)動(dòng)力電池低溫加熱技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 動(dòng)力電池低溫加熱技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 動(dòng)力電池低溫性能衰減機(jī)制

動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)性能衰減[7]。研究者們普遍采用建立電池模型，開(kāi)展仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式對(duì)電池低溫環(huán)境下的衰減機(jī)制進(jìn)行研究。T. Waldmann等[8]研究發(fā)現(xiàn)，低溫充電的正極鋰離子電池在其負(fù)極有鋰枝晶析出，而常溫下無(wú)該現(xiàn)象。由此認(rèn)為，析鋰是引發(fā)鋰離子電池低溫充電容量衰減的主要因素。魚樂(lè)等人[9]以鋰離子電池為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，建立的低溫充電容量衰減規(guī)律的多應(yīng)力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)效果較好。樊亞平[10]對(duì)鋰離子電池全生命周期內(nèi)容量衰減機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)電池容量衰減主要是由于低溫下鋰離子擴(kuò)散速率低，導(dǎo)致循環(huán)期間在負(fù)極表面析鋰、阻抗增大、活性鋰損失，從而導(dǎo)致電池極化增大、容量衰減；過(guò)充會(huì)使負(fù)極表面析鋰，同時(shí)會(huì)使電解液發(fā)生分解，從而導(dǎo)致電池容量衰減，為電池在低溫條件下的性能診斷和安全狀態(tài)評(píng)估提供了參考。整體來(lái)看，電池在低溫環(huán)境下的衰減機(jī)制主要包括：

（1）電化學(xué)反應(yīng)速率降低。低溫下，電解質(zhì)的離子傳導(dǎo)能力降低，導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)速率減慢，降低了電池的功率輸出能力。

（2）枝晶生長(zhǎng)。低溫下，電池中的鋰離子會(huì)生成枝晶，導(dǎo)致電池內(nèi)部的電解質(zhì)膜破裂，影響電池的循環(huán)壽命。

（3）電極活性物質(zhì)的失活。低溫下，電極活性物質(zhì)的反應(yīng)活性降低，導(dǎo)致電極的儲(chǔ)能能力下降。

1.2 電加熱技術(shù)

傳統(tǒng)的電加熱技術(shù)主要通過(guò)在電池外部加熱提高電池的溫度。這種方法通常使用電加熱絲或加熱板將熱量傳遞給電池。然而，傳統(tǒng)的電加熱技術(shù)存在以下問(wèn)題：

（1）熱量傳遞效率低。由于電池與外部加熱裝置之間存在熱阻，傳統(tǒng)的電加熱技術(shù)往往需要較長(zhǎng)的加熱時(shí)間才能將電池加熱到所需溫度。

（2）能耗較高。需要消耗大量的電能來(lái)加熱電池，從而增加車輛的能耗，降低車輛的續(xù)航里程。

（3）溫差大。電池組分布不均，電池單體之間出現(xiàn)較大溫差，對(duì)電池組整體使用壽命不利。

隨著研究的深入，學(xué)者們提出了內(nèi)部充電加熱法。該方法利用電流通過(guò)有一定電阻值的導(dǎo)體所產(chǎn)生的焦耳熱來(lái)加熱動(dòng)力電池。相較于外部電加熱法，內(nèi)部充電加熱法具有所需能量低、經(jīng)濟(jì)性高的特點(diǎn)[11-13]。吉祥等人[14]提出一種自放電限流電路加熱電池包的方法，可實(shí)現(xiàn)低溫條件下電池自發(fā)加熱達(dá)到正常工作溫度，其具有加熱時(shí)間短、電池?fù)p耗低的特點(diǎn)，在一定程度上可以延長(zhǎng)電池的使用壽命，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。但為了避免在充電過(guò)程中電池產(chǎn)生過(guò)壓，需嚴(yán)格控制電池電壓，在一定程度上限制了加熱的靈活性以及加熱效果。

1.3 流體循環(huán)加熱技術(shù)

流體循環(huán)加熱技術(shù)是一種將熱量通過(guò)循環(huán)流體傳遞給電池的方法，主要包括熱交換器、循環(huán)流體和控制系統(tǒng)三部分。在電池周圍設(shè)置熱交換器，熱交換器中有高溫流體流動(dòng)，通過(guò)對(duì)流傳熱和熱傳導(dǎo)等方式將循環(huán)流體的熱量傳遞給電池，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的加熱。循環(huán)流體流經(jīng)熱交換器溫度降低，經(jīng)循環(huán)管路加熱后又進(jìn)入熱交換器開(kāi)始下一輪工作循環(huán)。控制系統(tǒng)則用于調(diào)節(jié)循環(huán)流體的溫度和流速，以確保電池的溫度在合適的范圍內(nèi)。根據(jù)流體的不同，可采用空氣、水、乙二醇、油以及制冷劑等作為傳熱介質(zhì)。流體循環(huán)加熱技術(shù)可以提高熱能的傳遞效率、減少能耗、加熱均勻性好，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池溫度的精確控制，但需對(duì)流道進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，存在系統(tǒng)復(fù)雜、泄漏風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題。

1.4 相變材料加熱技術(shù)

相變材料加熱技術(shù)是一種利用相變材料的相變過(guò)程釋放熱量來(lái)加熱電池的方法。將相變材料加熱到相變溫度以上，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀態(tài)，并儲(chǔ)存熱能。當(dāng)電池溫度低于所需溫度時(shí)，相變材料釋放儲(chǔ)存的熱量，將電池加熱至所需溫度。不同類型的相變材料釋放熱量的能力有差別，通常選取具有合適相變溫度且可控變化的固體－液體相變材料。相變材料加熱技術(shù)具有加熱速度快、熱能儲(chǔ)存密度高和加熱溫度可控等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地提高電池的低溫性能[15-16]。

2 動(dòng)力電池低溫加熱技術(shù)的研究熱點(diǎn)和挑戰(zhàn)

2.1 提高加熱效率與降低能源消耗

傳統(tǒng)的電加熱技術(shù)加熱效率低，電池加熱需要較長(zhǎng)時(shí)間。因此，研究人員致力于開(kāi)發(fā)更高效的加熱技術(shù)，例如液體循環(huán)加熱技術(shù)和相變材料加熱技術(shù)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料選擇，可以提高加熱效率，減少加熱時(shí)間。外部加熱方法依靠外部加熱源通過(guò)熱傳導(dǎo)來(lái)加熱動(dòng)力電池，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、能耗較高、加熱溫度場(chǎng)分布不均勻、加熱速度較慢；內(nèi)部加熱方法依靠動(dòng)力電池自身阻抗產(chǎn)熱，具有加熱快速且發(fā)熱均勻的優(yōu)點(diǎn)。為進(jìn)一步提高加熱效率，優(yōu)化加熱策略吸引了研究者的注意[17-20]。其中的交流加熱方法因具有對(duì)動(dòng)力電池能耗小、溫度場(chǎng)分布均勻、使用成本較低和加熱效率較高的優(yōu)勢(shì)已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。宋彥孔[21]對(duì)電池單體內(nèi)部交流加熱策略進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了50%SOC下的圓柱電池在580 s內(nèi)從-15~5 ℃的加熱。洪彪明[22]對(duì)電池內(nèi)部交流加熱裝置進(jìn)行了研究，提出了兩種鋰離子電池內(nèi)部交流預(yù)熱電路，并通過(guò)仿真分析確定了加熱電路的最佳開(kāi)關(guān)頻率，該加熱電路可在425 s內(nèi)將電池從-15 ℃加熱到5 ℃。電池加熱后，需維持在適宜的工作環(huán)境溫度內(nèi)。裴國(guó)亮[23]對(duì)電池自加熱保溫方法進(jìn)行研究并對(duì)其裝置進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，預(yù)測(cè)了在環(huán)境溫度-15 ℃下電池在不同頻率下保持在0 ℃時(shí)的最小邊界電流并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。焦紅星[24]提出的動(dòng)力電池低溫加熱策略有效地避免了低溫充電過(guò)程中模式轉(zhuǎn)換失敗的風(fēng)險(xiǎn)，確保電動(dòng)汽車在極端條件下的充電穩(wěn)定性及安全性。但無(wú)論是對(duì)電加熱技術(shù)的改進(jìn)，抑或?qū)訜岵呗缘膬?yōu)化，電加熱技術(shù)都需要消耗大量的電能來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的加熱，進(jìn)而增加車輛的能耗，降低其續(xù)航里程。為了降低由于低溫環(huán)境對(duì)電池加熱所導(dǎo)致的能量消耗，需不斷探索使用更高效的能源供應(yīng)系統(tǒng)，例如利用廢熱回收技術(shù)將車輛廢熱轉(zhuǎn)化為加熱能源[25]。

2.2 減小系統(tǒng)復(fù)雜性與降低制造成本

通常，電池低溫加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括加熱元件、溫度傳感器、控制器和供電系統(tǒng)等組成部分。加熱元件可以采用多種方式實(shí)現(xiàn)，常見(jiàn)的包括電熱絲、電熱膜、PTC熱敏電阻、熱管等[26-27]。電池低溫加熱系統(tǒng)的復(fù)雜程度取決于具體的應(yīng)用場(chǎng)景和要求。若只需將電池保持在一個(gè)相對(duì)較高的溫度下，其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制較為簡(jiǎn)單。但是，要實(shí)現(xiàn)電池溫度的精確控制，并且在不同環(huán)境條件下能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱功率，那么系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制就會(huì)相對(duì)復(fù)雜。流體循環(huán)雖然傳熱效率和能耗均較為理想，但流體的熱導(dǎo)率、黏度、密度和流動(dòng)速度等因素會(huì)影響流體與電池之間的傳熱速率，同時(shí)，為了增強(qiáng)傳熱，流體的流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、密封性及絕緣性要求高，會(huì)增加整個(gè)電池箱設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，從而提高其成本。

3 結(jié)語(yǔ)

溫度是影響動(dòng)力電池性能的關(guān)鍵因素，動(dòng)力電池低溫加熱技術(shù)的研究可降低其低溫下的可用能量和功率衰減嚴(yán)重的問(wèn)題，增強(qiáng)新能源汽車低溫環(huán)境下的可用性和可靠性。新能源汽車動(dòng)力電池低溫加熱技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，對(duì)于提高新能源汽車在低溫乃至極寒環(huán)境下的性能表現(xiàn)具有重要意義。電加熱、流體循環(huán)加熱和相變材料加熱等技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，從提高加熱效率與降低能源消耗、減小系統(tǒng)復(fù)雜性與降低制造成本的角度來(lái)看，新能源汽車動(dòng)力電池低溫加熱技術(shù)還存在以下方面的問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

（1）研究新型加熱材料。目前使用的導(dǎo)熱材料在低溫下的加熱效果有限，一定程度上限制了電池加熱效率的提高以及新能源汽車的應(yīng)用場(chǎng)景，需尋找具有更高導(dǎo)熱性能和更低溫度激活性能的新型材料，以提高加熱效率和響應(yīng)速度，改善電池的導(dǎo)熱性能和加熱均勻性。

（2）應(yīng)用智能控制策略。智能控制技術(shù)可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池溫度、外部環(huán)境條件和電池狀態(tài)等信息，自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱功率和加熱時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)最佳的加熱效果，提高能源利用率，減少能源消耗，同時(shí)保護(hù)電池不受過(guò)熱或過(guò)冷的影響，降低潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）多種低溫加熱技術(shù)的綜合應(yīng)用。當(dāng)前的低溫加熱技術(shù)多為單一方式，未來(lái)可以將不同的低溫加熱技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用，進(jìn)一步提高電池低溫加熱效果和加熱的均勻性。

（4）系統(tǒng)集成的優(yōu)化。為順應(yīng)汽車輕量化以及緊湊化的發(fā)展趨勢(shì)，需進(jìn)一步通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和布局，將加熱裝置、傳感器、控制系統(tǒng)等組件緊密集成在一起，以減少系統(tǒng)復(fù)雜性和體積。還可以考慮將低溫加熱系統(tǒng)與其他車輛系統(tǒng)進(jìn)行集成，以實(shí)現(xiàn)更高效的能量利用和整體性能提升。