动力电池加热技术分析图,动力电池加热系统

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北极星储能网讯:导读：在低温环境中，锂离子动力电池的能量和功率特性会出现严重衰减。为提高动力电池低温性能，就需要对其进行加热。

（来源：微信公众号“电池联盟” ID：zgcbcu 作者：龙阙）

新能源汽车行业发展过程中，目前还存在着一些问题。比如电动汽车在低温环境中运行时，电池与电机等部件性能出现的动力故障问题。

在电动汽车的推广过程中，续航里程、充电时间和使用安全性均主要受动力电池特性的制约。

动力电池的特性受环境温度的影响比较显著，尤其是在低温环境中，锂离子动力电池的能量和功率特性会出现严重衰减。

制约锂离子动力电池低温特性的关键因素是多方面的，主要包括低温下电解液离子电导率、负极颗粒表面SEI膜的低电导率、电池电化学反应速率，和负极石墨材料颗粒中的锂离子扩散系数降低等。

为提高动力电池低温性能，就需要对其进行加热。

从动力电池管理系统角度来讲，可根据车用需求，开发针对车用动力电池模块和动力电池包的新型低温加热技术，使动力电池在低温环境下，能够保持在正常工作温度范围内，满足正常充放电的要求，从而使整车达到最佳性能状态。

低温加热技术按其热传导方式，主要可分为内部加热法与外部加热法。

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内部加热方法是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，导体为动力电池本身。

动力电池内部电解液在低温下黏度增加，阻碍了电荷载体的移动，导致动力电池内部阻抗增加，极端情况下电解液甚至会冻结。

利用动力电池在低温条件下阻抗增加的特性，可采用阻抗生热的方式来保持动力电池的工作温度。

根据电流的正负流向，可具体分为充电加热法、放电加热法和交流激励加热法，根据提供电流的电源不同，可分为自损耗型加热和外部能源供给加热。

动力电池低温充电加热方法是利用低温下动力电池阻抗增加的特性，在充电过程中的产热使动力电池恢复常温。

充电加热方法中，为避免电池产生过压，须对动力电池电压进行严格限制，而限制又严重制约了加热的灵活性和加热效果。

放电加热法是利用动力电池放电过程中的内部阻抗产热实现动力电池的升温。

动力电池放电与空气对流综合加热系统，利用车载动力电池的放电电流，通过加热元件时所产生的热量加热元件周围空气，热空气通过风扇输送至动力电池组，对动力电池组进行加热和保温。

同时，动力电池自身的产热也会加快动力电池的温度上升速率。

加热元件的电阻越小，系统的加热速率越快，效率就越高。但放电加热方法随着放电时间的增加，电池能量的损耗就较大，且需要调节负载对电池放电电流进行控制，这对放电负载要求较高。

当动力电池SOC较低时，放电加热方法的使用有局限性。在单体动力电池内部埋设镍箔加热片，当检测到电池温度低于0℃时，就会引导电子穿过镍箔产生热量加热电池自身。

图1.新型电池内部结构

放电加热方法通过电池放电产热和内部加热片综合升温，能在30s内将锂离子动力电池从－30℃加热到0℃以上，具有较好的温升效果和加热效率，但要对动力电池单体结构进行较大的改动，从而一定程度上减小了电池的能量密度。

采用交流激励加热法对18650型锂离子电池进行低温下内部加热，利用集总参数热模型仿真与实验验证相结合，得出在一定范围内，正弦交流电的幅值越高，频率越低，则动力电池的升温速度就越快。

当正弦交流电的幅值为7A( 2. 25C)，频率为1Hz，而外部对流换热系数为15. 9 W·m－2·K－1时，动力电池可在15min内从－20℃升高到5℃，且动力电池内部温度分布均匀，验证了交流加热方法应用到锂离子动力电池的可行性。

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外部加热法依托车用热管理技术，通过在动力电池包或动力电池模块外部添加高温液体/气体、电加热板、相变材料，及利用珀尔贴效应等方式来实现热量由外向内的热传导。

循环高温气体加热是指以空气作为介质直接穿过动力电池模块，从而达到加热动力电池组的目的。

循环高温气体加热一般采用强制空气对流的方式，即通过外加风扇等装置将热空气送入动力电池箱，与动力电池进行热交换。

热空气可由加热片产生，也可利用电机散发出来的热量和车内功率较大的电子电器加热装置获取。

对于混合动力汽车，可通过发动机提供加热空气的能量。这种方式要求尽可能增加空气与动力电池的热接触面积，具有成本低的优势。

但动力电池的封装、安装位置和热接触面积需要重点设计，来提高能量利用率和加热均匀性。利用热空气直接对电池箱进行加热的方式，对空气调节系统负荷较大，且经济性较差。

循环高温液体加热与循环高温气体加热方法类似，但因液体边界层薄，具有导热率高的优势，故在相同流速下，直接接触式液体的热传导速率远高于空气。

此外，在较为复杂的工况下，液体可更好地满足电动汽车动力电池的热管理要求。

目前主要的方式是采用液体与外界进行热交换，把热量送入电池组，可在模块间布置管线或围绕模块布置夹套，或把模块沉浸在液体中。

若液体与模块间采用传热管和夹套等，可采用水、乙二醇、油甚至制冷剂等作为传热介质。若动力电池模块沉浸在介质传热液中，必须采用绝缘措施防止短路。

传热介质和动力电池模块壁之间进行传热的速率，主要取决于液体的热导率、黏度、密度和流动速度。

目前液体加热方法对电池箱的密封和绝缘要求较高，这就增加了整个电池箱设计的复杂程度，在可靠性方面尚有许多问题需要解决。

动力电池表面布置的加热板、加热膜类加热法加热是指在动力电池包顶部，或底部，或之间添加电加热板，加热时电加热板通电，加热板的一部分热量通过热传导方式直接传给电池。

采用加热板加热，加热时间较长，加热后动力电池组温度分布不均匀，出现温差较大。

相变材料(PCM)由于其巨大的蓄热能力，被应用于动力电池组热管理系统。

相变冷却机理是靠相变材料的熔化潜热来工作，利用PCM作为动力电池热管理系统时，把电池组浸在PCM中，PCM吸收电池放出的热量，从而使温度迅速降低，热量以相变热的形式储存在PCM中。

图2. 变相材料填充法示意图

在低温环境下，PCM通过从液态转变为固态过程中释放存储的热量，可对动力电池进行加热和保温。

在相变过程中，PCM温度维持在相变温度，利用这个特性可有效解决动力电池在低温环境下温度过低的问题。

只是PCM的导热系数普遍较低，需要加入高导热材料如膨胀石墨、碳纳米管等增加其导热能力，导致使用成本增加。

珀尔贴效应是指电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。

利用珀尔贴效应这种特殊性质，通过改变电流的方向，可实现加热和制冷两种功能。加热和制冷的强度可通过调节电流的大小达到精确控制的目的。

图3. 珀尔贴效应加热法示意图

目前珀尔贴效应在电子设备上已经有一定的应用，但在动力电池上的应用研究还较少。

利用珀尔贴效应进行动力电池热管理的效率相对较低，会增加电源的功耗。此外，基于珀尔贴效应的热管理系统，其加工制造工艺也比较复杂，设计和使用成本较高。

对于混合动力汽车，使用发动机冷却液对动力电池模块加热，使动力电池升温至正常工作温度，以实现启动和正常充放电。

该方法充分利用发动机热量，但其结构复杂，成本较高，存在加热缓慢和动力电池内外温差大的缺点。

利用电热丝加热密闭电池模块，空气或加热电池表面，从而实现电池温升。只是加热效率较低，且需较大空间，对车辆布局影响较大。

纯电动汽车可使用汽车空调对电池包进行热管理，当电池包温度低于一定阈值后，空调向电池包输送热风，该方法能量损失较大，且加热效率低，系统加热响应也较为缓慢，同时还存电池模块温度梯度较大的缺点。

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，比内部加热法安全。但它一般需要额外的组件，且有结构较为复杂、能耗较高、加热温度场分布不均匀和加热较慢的缺点。

存在缺点的主要原因在于，外部加热法采用的是电池外部热源，热量由电池外部传递到电池内部，需要一定的时间，且易形成温度梯度。

内部加热方法依靠电池自身阻抗产热，具有加热快速且发热均匀的优势。

放电和充电两种直流电加热方式对设备要求低，适用性好，具有速度快，效率高，温升均匀的优点。

但直流电加热方式在加热过程中，所产生的大电流和低温环境下的巨大内阻会使电池发生严重的副反应，且低温持续充电易导致锂离子电池负极石墨产生“锂沉积”，造成动力电池寿命衰减过快，严重时“锂沉积”结晶会刺穿隔膜产生热失控。

与直流电加热方式相比，交流加热方式由于其交流电特性，可有效降低对动力电池的副作用。

综上来看，从结构复杂度、加热速率、温升均匀性和使用安全性对上述电池的几种主要加热方法进行总结，如表1。

表1.动力电池不同加热方法性能对比

总体来看，内部加热方法对锂离子动力电池的适用性和加热效果具有很好的可行性，但内部加热方法应用于电动汽车的研究尚处于初级阶段，使用安全性有待进一步的研究确认。

通过对不同加热方法的对比可知，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。其中交流加热方法具有对动力电池能耗小、温度分布均匀、使用成本较低和加热效率较高的优势。

原标题:动力电池加热技术分析

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冬天电池更需要保暖？来看看会“自热”的电池技术

人类自从 发现 并开始使用电力之后，对于电力使用的焦虑就一直存在，即便是用于储存电能的电池出现，也只是稍微减缓了这种焦虑。就像现在全球火热的电动车一样，即便是有新鲜的体验，但依旧无法避免电池续航带来的焦虑。

电池对于电动车的直接影响，也使得各大新能源厂商以及电池供应 商 都绞尽脑汁去推进增加续航的方法。不过无论是物理上的堆电池方案，还是改变电池电解质组成 元素 ，甚至改变物质形态的方法，在低温面前，这些电池的续航甚至都不能呈现出一个正常的状态，怎样能够让电池在低温下保温与升温，成为了对抗这个“电池杀手”的关键。

微核高频脉冲加热技术

在研发以及使用电池的过程中，我们已经知道了，电池是有一个正常的工作温度区间，而在低温环境下电池的实际使用效果将会大打折扣，所以在这种环境当中电池就需要一个很好的热管理来为它保温。

在4月21日， 长安汽车 旗下长安深蓝品牌举办了深蓝技术分享会，在会议上长安公布了一项名叫“微核高频脉冲加热技术”。

单听这个名字，就知道这项技术肯定是针对电池热管理系统的，尤其是有脉冲加热这个字眼在。看回长安这次公布的这项技术，实际上它的想法并不复杂，在加热这个大前提条件不变的情况下，让电池包的升温更加迅速且均衡，以便让电池包在低温条件下尽快达到合适的工作环境。

宁德时代专利 CN 108711662 B脉冲加热装置

原理方面其实是基于此前宁德时代公布的一项专利技术拓展开来的，这项专利就是利用了低温导致内阻增大的特性，通过在电池两端加装可以产生振荡电流的装置，使电流经过内阻很大的电芯，从而让电池内部产生大量的热量，最终让电池温度快速升高。

虽然这样的加热方式能够让宁德时代的电池组达到4℃/min的升温效率，但这种频繁让电流从正极向负 极流 经的方式，很容易让锂电池当中的锂离子，在负极上还原过程中形成树枝状金属锂单质，也就是“锂枝晶”。“锂枝晶”生长到一定程度轻则影响电池容量，重则造成锂电池内部短路，严重威胁人身安全。

因此为了避免由于频繁的过电造成电池负极出现锂枝晶的情况，长安在宁德时代这个技术的基础上，对这项技术稍微进行了改进，选择用交流电给电池组产生电流加热。

为什么一定要提及是交流电呢？此前的电池自加热技术，产生的电流都为直流电。按照物理定义，在单位时间内电流的大小和方向不发生变化的称为直流电，再看回“锂枝晶”的的产生条件，在放电过程中负极来不及处理锂离子导致出现金属锂单质。

需要喘息时间的电池负极，面对直流电恒定的输出，很容易到达极限，之后就容易出现“锂枝晶”，所以为了减弱这种“一成不变”，需要给负极一些喘息空间，而在单位时间内电流的大小和方向不断发生周期性变化的交流电就较为合适负责这项工作。

交流电并不像直流电一样一直保持恒定数值，它会一直保持正值-0-负值-0-正值的周期性变化，也正是因为交流电这种非恒定的特性，能够让电池负极减少负担，从而减轻产生锂枝晶的几率。

同时长安在会议上也提到了功率半导体IGBT(绝缘栅双极型晶体管），IGBT是一个非通即断的开关，它没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。再加上电机以及BMS系统配合工作，就可以实现随机高频率的电流充放切换，进一步的减少锂枝晶这种情况的出现。

长安官方公布的深蓝C385动力电池组，可以在零下30℃的环境温度中保持4℃/ mini 的升温速率，在零下30℃的环境温度中可以提升50%的动力表现以及缩短15%的充电时间。从数据来看，改进后的“电池自加热”技术不仅效率更高，还具备了更持久的电池寿命，这对于在低温地区的用户而言是相当好的消息。

电池：我也需要“暖宝宝”

目前市面上较为主流的电池种类，可以按照元素类型分为两种，即三元锂电池与磷酸铁锂电池，这两者最大的区别就是使用的电池正极材料不同。

磷酸铁锂电池是采用磷酸铁锂（ LiFe PO4）作为正极材料。它的优点是在高温条件下或过充时安全性非常高，缺点是在低温条件下（气温低于-10℃以下），磷酸锂电池衰减得非常快，经过不到100次充放电循环，电池容量将下降到初始容量的20%，基本与寒冷地区的使用绝缘了。

三元锂电池是采用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O2，NCM）或镍钴铝酸锂（NCA）三元正极材料的锂电池，把镍盐、钴盐、锰盐作为三种不同的成分比例进行不同的调整，所以称之为“三元”，像宁德时代的NCM811就是指镍、钴、锰三者配比为8:1:1的三元锂电池。

三元锂电池的优点是高能量密度，同为宁德时代出品，它旗下的磷酸铁锂电池能量密度为178Wh/kg，而NCM523为200Wh/kg，NCM811更是达到了240Wh/kg。在低温方面-30℃条件下三元锂电池也可保持正常电池容量，更适应北方低温地区的使用条件。缺点是在高温条件下，三元锂电池的三元材料会在200℃时发生分解，在高温作用下极易发生燃烧或爆炸的现象。

上述的两种电池，虽然材料以及优缺点有所不同，但从微观的角度讲，两者的工作原理同样是锂离子在正负极之间来回迁移的过程。

在低温环境下，电池的正负极材料活性降低，同时充当桥梁的电解液导电能力也下降，因此电池在充放电时，内部会产生阻力，它被称为内阻。电池内阻增大，在电池正常使用过程中，就会产生大量焦耳热引起电池温度升高，实验表明环境0℃以下时，温度每下降10℃，内阻约增大15%。

受到了内阻的阻碍，想要发力却只能导致电池过量放电，电能不断的转换为热能，不仅电量下降、没办法正常输出功率，还容易对电池的安全性产生影响，这一切的结果都是因为低温环境造成的。

为了解决这个问题，除了上面我们提到最新的“脉冲自加热”技术外，其实供应商以及厂家都做了很多“保暖”的措施。

PTC元件

加热膜

目前有几种常见的方案，第一种是大多数纯电车型选择的PTC与加热膜，这一种方案的想法是通过外部电热元件发热，提高电池温度。PTC有水暖与风暖两种，水暖通过PTC加热冷却液，再和散热器进行热交换，风暖是开启暖风后，冷空气直接和PTC进行换热，最终吹出暖风。而加热膜则像是给电池盖上一层导电加热的被子，但这两者的缺点都比较明显，PTC容易造成受热不均，并且占电池舱的空间，而加热膜由于安全的关系，整体的造价不低，并且实际的加热效率也不高。

另一种方案是液冷循环系统，它像是给电池包额外加一套暖气上去，通过加热冷却液来获得一个较为长效的热源。还有一种方案是热泵空调，整个原理像是强制抽取大气热量转换进车里的样子，但当环境温度过低的时候热泵容易失效，所以特斯拉也做了一个“魔改”，除了抽取外界空气的热量外，还收集动力电池系统、驱动系统以及PCS功率电子产生的余热，整套系统依靠八通换向阀进行复杂的热量汲取，以此提高热泵空调总体的效率。

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脉冲自加热真的足够稳定？

其实不然，虽然这套“脉冲自加热”技术整个设计都具备了“黑科技”的潜质，但实际上这项技术还需要更多的磨合、调试以及优化。而且，长安这套技术并非是市面上第一个采用脉冲自加热技术作为动力电池热管理的厂家，既为电池供应 商 也为汽车品牌的 比亚迪 实际上已经将这套技术应用到了它们的车型当中。

这项技术主要应用在 比亚迪 旗下的超级混动DM-i车型上， 秦PLUS 的混动专用刀片电池使用的正是脉冲自加热的热管理系统。不过比亚迪这套技术与长安深蓝所使用的方案有些区别，长安深蓝是使用交流电通过三 元 锂电池组进行加热，而比亚迪的方案则是通过两组磷酸铁锂刀片电池组之间互相放电（直流电）进行加热。

从原理上来说，其实长安与比亚迪都是使用温度下降内阻增加后，电流经过大电阻产生热量的方案，只不过长安是在电池组外产生交流电进行过电，而比亚迪是两个电池组互相提供直流电为对方“取暖”，这一点与宁德时代的方案是相似的。

比亚迪目前采用这套技术的车型是 秦 PLUS，现款 秦PLUS DM-i在2021年3月上市，在上市之后网上也出现了DM-i在实际使用当中的一些问题，其中最多车主反应的是 秦 PLUS DM-i在低温环境下会出现发动机抖动、失火等情况。

而出现这个情况，与刀片电池使用到的脉冲自加热技术有关。厂家对自加热功能开启的温度设定过于极限，导致在非极限低温的情况下，脉冲自加热功能不能正常启动，而DM-i的发动机是需要电池带动电机给予发动机初始转速，发动机才能避免启动时的抖动。

因此像上述秦PLUS DM-i车主们遇到的情况，就是脉冲自加热功能在非极限低温下的无法正常工作导致的。同时，由于脉冲自加热功能是两个电池组通过升压程序互相充电加热，因此在使用脉冲自加热功能时，电池无法输出完整、连续的工作电压，也就无法正常的为电驱提供稳定功率，这也表明了DM-i车型只能在脉冲自加热与电驱两种情况之间二选一。

看完比亚迪这套技术产生的问题，对于长安这套技术，我们作为消费者还是需要谨慎对待，长安除了需要解决电驱/自加热只能二选一的情况外，对于环境温度识别以及自加热启动的标定，也需要下更多的功夫，我们也期待长安给出“微核高频脉冲自加热”技术的实测数据。

小结：

在传统、新势力品牌百家争鸣的时代，军备竞赛已经不止在机械调校层面上，高精尖技术也是一项关键的一环，所以也不难理解为什么长安不辞劳苦的再推出一个电动相关的全新平台。单从这次公布的这个脉冲自加热技术来看，技术上的改良是值得我们期待的，但技术最终还是要看体验，加之上一家采用脉冲自加热技术的车企在低温地区已经遭受了重创，这次长安再推带有这款技术的车型，也希望长安能够在调校以及实测体验方面，给到我们消费者一个满意的答卷。（文： 高子健）

@2019

新能源汽车动力电池，为什么需要预热

对于新能源汽车来说，为了提升车辆在冬季时候电池续航的情况，对于电池而言需要进行预热，满足在冬季的用车需求，而电池的加热技术根据车辆不同，会有所不同，电池为什么要进行预热？主要还是根据电池的结构来决定的，电池的结构是由正极，隔膜，负极，电池的有机电解液，以及电池外壳等组成，而电池的核心之一的有机电解液在电池的内部扮演着一个比较重要的角色。
首先电解液在锂电池正、负极之间起到传导离子的作用，是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证，所以电解液的粘度低对于锂离子的运动来说就能够启动一定的作用，而粘度高的话就会形成一定的内阻，从而阻止锂离子的运动，而电池预热就是在低温的状况下面，电池内部的电解液黏度会随着温度的变化而出现上升的情况，电池的充放电性能下降所致。所以为了使得电池内部的电解液的粘度能够满足车辆的用电需求，就需要对电池来进行预热，但根据锂电的特点，在零下25度以下时，锂电子有可能会被冻结，导致不能充电或提供电能，极寒情况下，充电时车辆会提前给锂电池提供加热，延加充电时间，另外也会明显影响续航里程。