动力电池热管理系统技术系列（四）— 加热技术

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电池的低温加热分为两大类：外部加热和内部加热。具体的分类如下图1所示。内部加热方式是通过电池内部的化学反应等直接对电池内部进行加热，该方法加热效率高，能耗低。外部加热方式是通过外部加热组件产生热量，从而对电池进行加热，主要加热方式有气体加热、液体加热和电阻加热等。外部加热的系统简单，但效率相对较低。内部加热不受电池箱尺寸和空间以及安装方式限制，热量从内部产生，加热均匀，但须配套高低频加载控制电路装置或者外控电路。目前由于技术和成本的原因，外部加热仍为电池系统加热的主流方式，内部加热基本均处于实验室阶段。下面将对主流的电池加热方式以及未来有较大发展趋势的发展方向进行介绍。


图1 电池系统低温加热的分类
空气加热
空气加热是利用空气强制对流，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。下图2为空气加热的原理示意图，空气加热的加热速率通常为0.5~3℃/min，系统的结构简单，但由于气体的对流换热系数小，导致温度梯度大，过大的温度梯度甚至造成电池寿命的不同，且容易产生噪音等问题。目前实际应用较为有限，代表车型为本田insight车型和丰田普锐斯。



图2 空气加热的原理示意图

液体加热

液体加热是先对换热板/管道里的换热介质（一般为乙二醇）进行加热，然后利用换热介质的温度对电池包进行加热。液体加热相比空气加热的速率更快，各模组受热更为均匀，集成度较高，比较稳定；其缺点是需要增加额外的管路/阀门/泵等控制系统，增加了结构复杂性，且能耗大，严重影响冬季续航里程。下图3为大众MEB平台的电池加热示意图。由于技术较为成熟、安全性较高，液体加热是目前主流的电池加热方式，目前应用于量产的典型车型代表有大众MEB、吉利 MPA、蔚来ES8/ES6、Tesla Model 3/X/Y 等。



图3 大众MEB平台的电池加热示意图

半导体效应加热
半导体效应加热是利用半导体的帕尔贴效应，在其两个表面分别形成热面和冷面，通过控制电流的方向也可控制冷热面的位置，从而实现电池加热或者冷却。半导体效应加热的加热速率较低，通常为0.6~1℃/min。其优点是温度的高低可以通过控制电流波幅的形式进行控制；缺点是设计复杂，造价昂贵，部分设计需要进行热面的散热，且对于电池能量的消耗比较大。基于以上，目前在量产上的应用有限。电热片/膜加热

电热片/膜加热顾名思义就是将电热片/膜放置在电池模组底部或侧部对电池包进行加热。它的系统简单、成本较低。但缺点是加热效率低、加热时间长、电池温度梯度大、安全性低。目前典型的车型应用有丰田 Prius和日产Leaf。内置Ni电极加热

内置Ni电极加热是在电池中还插入了一个薄镍箔，并在其上覆着电绝缘聚合物。镍箔的一端连接到负极端子，镍箔的另一端延伸电芯之外形成第三个端子。其工作原理如下图4所示：当温度低于设定温度时，激活开关打开，电流流过镍箔，产生大量的欧姆热迅速加热电池材料和电化学界面；当电池温度超过设定温度时，激活开关闭合，使电流绕过镍箔，电池就像传统锂电池一样，在较佳温度范围内工作。它的加热速率较高，大约60℃/min（实验室测试），且不需要额外的加热部件，简化了电池系统热管理系统设计，电池适应全天候气温环境；但缺点是需要改变电池目前的电池结构和生产工艺、技术应用不成熟，控制系统复杂、存在热失控安全风险。目前还处于理论研究阶段，尚无量产应用。


图4 内置Ni电极加热原理图