电池热管理

mengmianren

什么是电池热管理？

电池的习性其实与人相似，它既受不了太热，也不喜欢太冷，最适宜的工作温度在15-40℃之间。但是汽车的工作环境却非常宽广，零下20℃到55°C都很常见，那怎么办呢？那就给电池配个空调吧，以实现热管理的3个功能：散热：温度过高时，电池会折寿(容量衰减)，暴毙(热失控)风险增加。因此，温度过高时，就需要散热。加热：温度过低时，电池会折寿(容量衰减)、衰弱(性能衰减)，若此时充电还会埋下暴毙隐患(析锂导致的内短路存在引发热失控的风险)。因此，温度过低时，就需要加热(或保温)温度一致性：还记得小时候家里买的空调吗？启动起来就一阵冷风猛吹，吹完就歇一会。而如今的空调，大多具备了变频与环绕吹风功能，目的就是为了保持温度在时间与空间两个维度上的一致性。类似地，动力电池也需要尽可能降低温度在空间上的差异性。（尽量保证电芯温度差越小越好）低温环境对车辆和电池的影响大家都知道，动力电池是电动汽车的最重要的一个大件，在方方面面影响着汽车的性能：能跑多少公里？最大加速度是多少？寿命如何？当然还有更重要的安全性能，上述问题，在很大程度上取决于动力电池。诸多因素影响着动力电池的性能，最大的一个因素便是温度。尤其是北方的电动车主们都深有感触，谈“温”色变。很多早期的电动车，到冬天后，里程只剩原先的70%，很多人舍不得打开空调取暖，就怕影响到驾驶里程。


电池温度影响行驶里程
实际上，低温也同样带来电池的放电能力降低。较低的电池温度，完全抑制了电池的放电能力，影响的不仅仅是续航里程，甚至车辆的动力性，能量回收等。我们以常见的锂离子电池为例：锂离子电池工作原理本质上是内部正负极与电解液之间的氧化还原反应，在低温下电极表面活性物质嵌锂反应速率减慢、活性物质内部锂离子浓度降低，这将引起电池平衡电势降低、内阻增大、放电容量减少，极端低温情况甚至会出现电解液冻结、电池无法放电等现象，极大的影响电池系统低温性能，造成电动汽车动力输出性能衰减和续驶里程减少。此外，在低温环境下充电容易在负极表面形成锂沉积，金属锂在负极表面积累会刺穿电池隔膜造成电池正负极短路，威胁电池使用安全，电动汽车电池系统低温充电安全问题极大的制约了电动汽车在寒冷地区的推广。


锂电池内部反应过程示意图

有没有一种技术可以缓解上面的问题？

通过以上信息可以看到，新能源汽车在没有电池热管理或者热管理做的不好的情况下，对电动车的性能影响有多大。当然，随着技术的发展，现在的电动汽车，基本上都有电池热管理系统。而电池的热管理系统的最终目的，简单的说，就是为了让电池的温度尽量处于最适宜它的工作温度。

电池热管理的必要性取决于车辆选用的不同的电池类似，以及不通电池的发热率、能量效率和性能对温度的敏感性。热管理包括升温和降温，同样重要。电池预加热技术，是电池热管理中的重要组成部分，是为了让电池在温度较低时，可以快速将电池温度上升到最佳工作温度的技术。通常来说，包括这样几种主流的电池加热方式：电池自然发热加热利用电池自身工作，放电或充电时，产生的热量，来提高电池的温度。这种方式加热，效果慢，有时候往往车都用完了，电池温度还没上来。除了在一些早期车型和一些低成本的车辆上，基本上已经被主流的主机厂弃用。鼓风加热说实话，风冷的电池包市面上真的不多见，据说比亚迪开发过风冷的电池包。用过外部的空调吹热风或者冷风，对电池包内部进行温度控制。但是这种技术，需要对电池包内的风道进行严格的设计，电池温升的效果也是比较慢，而且如果设计不好，很容易出现局部温度过高的现象。电池包内加热设备加热加热系统主要由加热元件和电路组成，其中加热元件是最重要的部分。常见的加热元件有可变电阻加热元件和恒定电阻加热元件，前者通常称为PTC（positive temperature coefficient），后者则是通常由金属加热丝组成的加热膜，譬如硅胶加热膜、挠性电加热膜等。PTC或者加热膜的方式，通常情况下，加热效果好，速度快。但是也会存在电池温升不均匀现象，与加热源靠的近的电芯温升会明显高于远离加热源的电芯。尤其是加热膜，是紧贴在电池模组表面进行加热。所以，对电池包内的散热结构也有一定的要求。


常见的PTC和加热膜
PTC由于使用安全、热转换效率高、升温迅速、无明火、自动恒温等特点而被广泛使用。其成本较低，对于目前价格较高的动力电池来说，是一个有利的因素。但是PTC的加热件体积较大，会占据电池系统内部较大的空间。绝缘挠性电加热膜是另一种加热器，它可以根据工件的任意形状弯曲，确保与工件紧密接触，保证最大的热能传递。硅胶加热膜是具有柔软性的薄形面发热体，但其需与被加热物体完全密切接触，其安全性要比PTC差些。液体循环加热液冷的电池包在当前的设计中，因为其加热效果好，散热分布均匀，安全可靠等特点，占据了主流的位置。在电池包内结构上，通常是会设计利于散热的水道，将热量均匀的散发到电池包内部，达到电池温度的均匀上升。


两种常见的电池液冷循环示意图



图中红色箭头部分是加热部分，外部大循环是电池包的降温部分，这里不多做介绍，优秀的同学可以自行参悟…
在控制原理上，用已经上市的小鹏G3为例，采用的也是热管理更加先进的液冷控制方法，G3采用更加集成的HVAC控制器，对于电池的温度控制更加敏锐。上图中可以看得出来，电池包加热功能，使用的是单独的电池包内PTC加热液体，进行循环加热，可以使电池加热的更加迅速，均匀。在用户启动车辆充电（无论快充还是慢充都可以哦）的开始阶段，整车控制器就对电池的温度信号进行收集，当电池的温度较低，需要启动加热时，整车控制器会控制冷却液进入加热循环。此时通常会有一个热源（图中的PTC2加热器）将循环的液体进行加热，然后再流经动力电池内部，给电池加热。这就是电池加热的原理。另外，透露一点内部消息给大家，正处于研发的小鹏P7，会增加更加新颖的一键导航充电站预加热功能哦，可以让你的爱车在前往超级充电站的途中，就对电池进行预加热，并且根据导航的距离，调整加热的功率。这样，就可以让电池在到达充电站后，以最佳的电池温度来迎接超级充电啦！电池预加热的使用场景和特点关于电池预加热的主要使用场景，更多的还是集中在北方城市的冬天里。主要的使用场景还是包括两个方向，放电和充电场景。车辆静置在低温环境中一段时间后，启动车辆，此时电池温度较低，严重影响车辆驾驶体验和感觉，若此时前往充电桩进行充电，也严重影响充电效率。所以，在电池包预加热的启动和关闭策略上，需要进行详细的温度标定，才能达到更好的使用效果，不会浪费资源，又能满足客户的使用场景。——这也是考验一个主机厂集成匹配能力的时候。而动力电池的木桶效应（电池系统的性能、可靠性取决于最弱的一个电芯，系统的安全性取决于最不稳定的一个电芯）决定了只有电池温度一致性越好的电池包，才能发挥出最好的性能。所以这也是目前大多数电池包的设计都采用液冷电池包的原因。


如上图所示，假设大部分电芯温度为20度，而电芯B因为加热慢温度只有10度，那么整个电池包都必须迁就B电芯，放电电流被迫从140A下降到100A，性能下降了三分之一，可谓是“一颗老鼠屎坏了一锅粥
其实关于电池预加热技术的，还有很多很多的细节和可以挖掘的点，比如说，方形电池的散热啊，不同电芯材料的最佳工作温度范围啊，乘员舱热管理和电池热管理的匹配结合啊， 电池包结构优化啊，等等……每一个话题都值得进行深入研究。