動力鋰電池的加熱系統(tǒng)設計

1、動力鋰電池的加熱系統(tǒng)設計 摘 要鋰離子電池在溫度低的環(huán)境中充電時，在電池負極Li+容易以金屬鋰的形式析出。這種反應是不可逆的，它不但消耗了電池內(nèi)部的Li+，且析出來的鋰以枝晶的形式在電池負極不斷生長，這種不斷生長的枝晶存在著刺穿隔離膜致使電池短路的風險。為了避免這種風險，在低溫環(huán)境對鋰電池充電時一般會采取兩種方法：一是降低充電電流，這種效果有限且會增加充電的時間；二是對電池加熱，這就需要通過合理的加熱系統(tǒng)設計保證高效、可靠和快速的充電。常見的鋰電池加熱方式有三種：電加熱膜加熱、PTC加熱和液加熱，本文主要對這三種加熱方式的設計進行分析。為從業(yè)者在進行電池加熱系統(tǒng)設計方面提供可行的思路。 關鍵詞

2、電動汽車，電池加熱，低溫充電，鋰電池 中圖分類號：TK175 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）31-0075-01 1 設計需求 加熱系統(tǒng)設計除了需要滿足功能的要求之外，還需要滿足安全、可靠和長壽命等需求。 1.1 功能需求 加熱系統(tǒng)的功能是快速地將電池系統(tǒng)中所有電池單體的溫度加熱到特定的溫度，并保證加熱過程中電池單體的溫度一致性。因此，與之對應的兩個功能需求參數(shù)則是電池單體的升溫速率和電池單體間的溫差。 對升溫速率和加熱均勻性的控制目標需要根據(jù)客戶的需求和電芯本身的特性來定。一般要求電池單體的升溫速率在0.150.8/min范圍內(nèi)，電池單體間的溫差控制在1015以內(nèi)。

3、 1.2 安全需求 當鋰電池的溫度超過限值之后，其內(nèi)部會出現(xiàn)副反應和原件失效，這是誘發(fā)安全隱患的主因。加熱系統(tǒng)直接面對的是鋰電池，是鋰電池溫度升高的主要熱源（加熱過程中），因此加熱系統(tǒng)的管控尤為重要。 加熱系統(tǒng)的管控主要從兩方面出發(fā)：一是盡量保證加熱回路的控制不出現(xiàn)失效；二是設計合理的干燒溫度，這樣即使加熱回路控制失效，加熱系統(tǒng)達到干燒溫度之后不再上升，以確保安全。 加熱回路的控制一般有兩種方法：一是加熱回路中串入保險絲，當電流超過額定電流一定值之后切斷加熱回路；二是采用雙繼電器串聯(lián)的模式，減少繼電器粘連風險。 干燒溫度是加熱系統(tǒng)安全的重要的保障。干燒溫度是指加熱系統(tǒng)在額定工況下持續(xù)運行，其本

4、身或電池溫度的最大值，前者稱為加熱系統(tǒng)干燒溫度，后者稱為電池單體干燒溫度。干燒溫度須設計在鋰電池極限工作溫度以下，以確保加熱回路控制失效時鋰電池不出現(xiàn)熱失控。一般電池的溫度不允許超過85，加熱系統(tǒng)的干燒溫度控制在65以下。 1.3 壽命需求 作為汽車的一個零部件，加熱系統(tǒng)的使用壽命不低于整車的使用壽命要求。 2 電加熱膜設計 電加熱膜一般由電阻絲、絕緣包覆層、引出導線和接插件組成。在有些情況下，為了便于安裝，包覆層的外表面會背上一層膠。電阻絲一般為鎳鎘合金和鐵鉻鋁合金，在講究成本的時候也會采用304不銹鋼。絕緣包覆層一般為聚酰亞氨（PI）、硅膠和環(huán)氧樹脂，這三種材料的包覆層都可以起到絕緣的作用

5、，但又有各自不同的特點：聚酰亞氨電加熱膜的厚度可以做到0.3mm，且具備耐腐蝕性，但缺點是容易被毛刺刺穿從而導致絕緣失效；硅膠電加熱膜不易被毛刺刺穿，硅膠電加熱膜的厚度一般在1.5mm以上，且不耐磨也不耐電解液腐蝕；環(huán)氧樹脂電加熱膜不易被毛刺刺穿，耐磨耐腐蝕，厚度一般也在1.5mm以上，但其硬度高，內(nèi)應力大。 2.1 方案設計 電加熱膜方案設計參數(shù)主要有兩個：安裝位置和加熱功率；設計目標有三個：電池升溫速率、電池間溫差和干燒溫度。 方案設計一般會借助熱流體仿真分析工具，先建立熱流體模型，重復調(diào)整參數(shù)直至仿真結(jié)果滿足三個功能性設計目標即完成仿真分析，再制作樣品進行測試，滿足目標即完成方案設計。

6、2.2 安裝位置 安裝位置有模組側(cè)邊、底部和電池間隙三種方式。對于模組側(cè)邊安裝的方式又可分為單側(cè)安裝和雙側(cè)安裝兩種形式。 2.3 電氣控制 加熱膜加熱高壓回路由電加熱膜、保險絲和繼電器串聯(lián)而成，整個高壓回路與電池系統(tǒng)的高壓回路并聯(lián)。為減少繼電器粘連風險，加熱高壓回路中使用兩個繼電器。 2.4 測試驗證 除進行設計目標的驗證之外，還需對加熱膜的安全性、可靠性和壽命進行測試。常見的測試包括：外觀、尺寸、常溫內(nèi)阻、絕緣、耐壓、雙面膠剝離強度、引出線拉力、高低溫交變、鹽霧、干燒溫度、加熱膜表面溫差、壽命。 3 PTC加熱設計 PTC，即正溫度系數(shù)，指材料的電阻會隨溫度的升高而增加。PTC加熱器的結(jié)構(gòu)：

7、PTC加熱器由PTC元件、導熱金屬板和引出導線組成。PTC元件是PTC加熱器的發(fā)熱元件，在電連接方面，它通過引出導線串入加熱高壓回路，在結(jié)構(gòu)方面，它被絕緣密封于導熱金屬板內(nèi)部；導熱金屬板起導熱、均熱和結(jié)構(gòu)強度的作用，導熱金屬板的厚度就是PTC加熱器的厚度，一般情況下PTC的厚度在8mm左右。 3.1 方案設計 PTC加熱器設計參數(shù)主要有兩個：安裝位置和加熱功率；設計目標有三個：電池升溫速率、電池間溫差和干燒溫度。 方案設計一般有兩種。一種是實驗方法：先根據(jù)電池的情況。結(jié)合經(jīng)驗初步設計一款PTC加熱器并制作樣品進行模擬測試，再根據(jù)測試結(jié)果修正設計參數(shù)并進行新一輪模擬測試，循環(huán)上述作業(yè)直至滿足功能

8、性設計目標。第二種是仿真和實驗結(jié)合的方法：先建立CFD數(shù)值模型，將安裝位置和加熱功率兩個參數(shù)輸入模型進行仿真分析，并根據(jù)仿真結(jié)果修正設計參數(shù)直至仿真結(jié)果滿足功能性設計目標，然后制作樣品并進行模擬測試，如果測試結(jié)果滿足功能性設計目標，則完成方案設計，否則重復上述作業(yè)。 3.2 安裝位置 安裝位置有模組側(cè)邊的和底部兩種方式。對于模組側(cè)邊安裝的方式又可分為單側(cè)安裝和雙側(cè)安裝兩種形式。 3.3 電氣控制 PTC高壓回路由PTC和繼電器串聯(lián)組成。單塊兒PTC加熱器之間先進行并聯(lián)后與繼電器串聯(lián)，再與電池系統(tǒng)高壓進行并聯(lián)。 3.4 測試驗證 除?M行設計目標驗證外，還需要對PTC加熱器的安全性、可靠性和壽命

9、進行測試。 4 液體加熱設計 液熱是建立在液冷系統(tǒng)之上的一種加熱形式，通過在外循環(huán)冷卻回路中接入加熱回路，可對電池系統(tǒng)進行加熱。收到加熱指令時，三通閥指向加熱回路，工質(zhì)被加熱之后流經(jīng)液冷系統(tǒng)并對電池系統(tǒng)進行加熱，收到冷卻指令時，三通閥指向換熱器，工質(zhì)被冷卻之后流經(jīng)液冷系統(tǒng)并對電池系統(tǒng)進行冷卻。這種加熱形式在實現(xiàn)較高升溫速率的同時，將干燒溫度控制在一個較低的水平，且大部分零部件與液冷系統(tǒng)共用。 液熱系統(tǒng)包括外部熱管理系統(tǒng)和內(nèi)部熱管理系統(tǒng)。外部系統(tǒng)主要為三通閥和加熱器，三通閥一般為標準件，加熱器目前有兩種形式，電阻絲加熱和PTC加熱。內(nèi)部系統(tǒng)與液冷系統(tǒng)共用，內(nèi)部系統(tǒng)的零部件設計一般在液冷系統(tǒng)設計時完成。 液冷系統(tǒng)設計時需要確定的參數(shù)主要是液冷系統(tǒng)冷卻液的入口溫度和冷卻液流量。通常冷卻液入口溫度在40到60范圍內(nèi)，冷卻液流量為10L/min。 5 結(jié)論 本文從動力電池加熱系統(tǒng)設計入手、深入分析了電池加熱系統(tǒng)設計方法，對于電池系