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纯电动汽车低温自加热技术研究进展

摘要：低温环境显著降低了纯电动汽车电池的使用性能，从而制约了纯电动汽车在寒冷地区的推广。纯电动汽车的低温自加热技术可有效提升电池在低温条件下的使用性能并延长其使用寿命，是解决低温天气条件下纯电动汽车应用和推广的关键措施。对纯电动汽车在低温环境下进行自加热的方式进行了分类，概述了相应电池自加热技术。
关键词：纯电动汽车；低温环境；自加热技术

Research progress of low-temperature self-heating technology for pure electric vehicles

Abstract: The low temperature environment significantly reduces the performance of pure electric vehicle batteries, thus restricting the promotion of pure electric vehicles in cold regions. The low-temperature self-heating technology of pure electric vehicles can effectively improve the battery's performance and extend its lifetime under low temperature conditions, which is a key measure to solve the application and promotion of pure electric vehicles under low-temperature weather conditions. The self-heating methods of pure electric vehicles in low-temperature environments are classified, and the corresponding battery self-heating technology is summarized.
Keywords: pure electric vehicle; low temperature environment; self-heating technology

1 前言
新能源汽车采用非常规的车用燃料作为动力来源（采用新型车载动力装置），其综合了车辆的动力控制和驱动方面的先进技术[1]。目前，新能源汽车主要包括燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV）、混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle, HEV）、氢能源动力汽车（Hydrogen Powered Vehicle, HPV）、纯电动汽车（Battery Electric Vehicles, BEV）和其他新能源（如高效储能器、二甲醚）汽车等[2, 3]。
与混合动力汽车、插电式混合动力汽车以及增程式电动车不同的是，纯电动汽车的电能来源仅为动力电源本身，而动力电源主要包括锂离子电池、镍氢电池、燃料电池、铅酸电池、超级电容器等[4, 5]。其中，锂离子电池因具有如下优势而广泛应用于电动汽车领域[6-8]：绿色电源，不会造成重金属对土壤的污染；无记忆效应，可以随时充放电；能量密度高，已可达500 wh/kg；循环使用寿命长，循环充放电可达千次以上；自放电率低等。然而，随着我国纯电动汽车产业的快速发展与普及，其使用地域也在日渐拓宽，导致气候环境对纯电动汽车性能的影响不断凸显。纯电动汽车在低温环境下存在的充电困难、无法启动、续航里程锐减甚至存在安全隐患等问题都与其最为核心的部件--电池--密切相关，而这些问题也成为了目前制约纯电动汽车大规模推广的主要障碍[7-11]。因此研究纯电动汽车电池在低温环境下的加热技术成为了改善其使用性能的必要措施。
对于纯电动汽车而言，在极端情况下或者无外部热源时，只能依赖电池自身以及充电设备对其电池进行加热。本文主要对此种情况下电池如何进行自加热进行了分类，并对相应技术进行了概述。
2 电池自加热技术
2.1 在电芯外部进行自加热
目前，现有技术中通过将用于新能源汽车的加热板等电阻放置在电池模块中各电芯的底部、顶部、单体的外表面等位置，通过交替布置、包覆等方式，施加必要的保温措施，使得加热板等通过直接连接电池正负极的方式，作为电池的供电部件进行加热。
为了提高加热效率，现有技术中对加热板、其位置设施、保温措施以及控制方式进行了改进。逐渐发展出了具有柔性，能够紧密贴合的加热膜、碳纤维膜片以及石墨烯膜片等加热电阻；在位置上，使其布置在电芯内表面，不仅可以进一步提高热利用率，还能够进一步减少针刺、震动和壳体腐蚀对锂离子电池产生的危害；为了节约电能，通过在加热回路内进一步设置控制模块，使得加热能够被精准控制。
2.2 内部无附加部件加热
由于电池具有一定内阻，在进行充放电发生电化学反应时，也能够产生一定的热量。通过提高恒流放电中的放电电流即可显著缩短电池的预热时间，该方式能够从电池内部进行加热，使其受热更均匀直接，进一步缩短了加热时间，还具有能量损耗小、热利用率高等优点[12]。在仅具有充电桩的情况下，将充电桩附以加热情况下的充放电电路，即可以实现该加热功能。
例如，使用充电控制电路，通过对电池施加方波电流或脉冲电流等，采用快速和周期性的充/放电过程来实现锂离子电池组的自加热，该过程使电池荷电状态保持相对稳定，除了具有工作频率高、损耗小之外，通常还能避免枝晶的生成。现有技术中对电流施加的频率和振幅进行了不同形式的改进，例如采用高频脉冲放电以及正弦交流电流等，均获得了较好的加热效果。
2.3 内置加热电极自加热
近年来，采用第三电极作为电阻，利用电池单体进行自供电，由此产生焦耳热为单体进行加热的方式逐渐成熟。第三电极作为电池单体的内部部件，具有节约空间，加热效率高，加热速度快，节约电能等优势。
金属箔或薄片通常被选择作为电池的第三电极，同时也尤其适用于电池电极的集流体，例如铜箔、铝箔以及镍片等。在对电池进行自加热时，首先将该第三电极的欧姆内阻控制在一定范围内，然后在低温条件下通过将其与电池的正极或负极进行连接，造成正负极之间的短接，使得较大电流瞬间通过，由此发热使电池内部温度得到较高提升。
采用第三电极，配合在电池壳体表面上设置的温度传感器或温感仪等温控装置，能够实现对电池温度的精确控制，可以控制自加热被安全地实施。
2.4 自短路自加热
为了使得电池能够被迅速、自发地进行加热，现有技术中给出了更为直接的方式，即直接将正极和负极短接而获得热量。为了对短路过程进行控制，使得电池自加热过程安全可控，逐渐发展出了不同的控制方式。
例如，通过在正负极极耳的表面包覆橡胶绝缘垫层，在低温环境，通过对此进行挤压，使得橡胶绝缘垫层变形，正极和负极相互接触放电实现自身加热，当到达预定温度时，即去除施加的挤压力，橡胶绝缘垫层恢复原状，正极和负极加热区隔离即结束加热过程。或者，在加热电路上设置开关部件，控制加热过程不会产生较大的瞬时电流，防止将电池烧坏。
由于固态锂离子电池的正极和负极被固态电解质物理隔离，因此这种加热方式尤其适用于该类电池。
2.5 其他自加热技术
通过对电池装置结构的改进，例如在电池装置中布置压电转换装置，低温时通过晃动产生的机械能撞击在压电元件上产生电压和电流，并使用相匹配的电阻丝生成一定的热量，进而实现对电池的均匀加热。
另外，众多电池采用了通过先储能后加热的技术，例如在集流体上包覆具有较高的相变储热焓值的相变微胶囊层，或者在电池的其他部件中使用相变材料，即可使电池在过热的条件下吸收多余热量，消除热量峰值，而在外部环境温度较低情况下又可以将储存的热量释放以对电池进行加热[13, 14]。
3 结语
电池自加热技术的最终目标是尽快恢复电池在寒冷气候下的性能，但需要综合考虑到能源消耗、温度均匀性、系统复杂性、安全性、可靠性和成本等问题。在碳达峰、碳中和的大背景下，纯电动汽车应用前景广阔，而电池加热问题一直以来都制约着纯电动汽车的广泛应用，电池加热技术的不断改进将有助于电动汽车应对全球不同地区的各种气候条件，进而推动行业的发展。
参考文献
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