汽车动力电池热管理系统分析与设计
严永利 赵国驰 刘东远 陆俊南 李会丰
[摘 要]锂离子电池在温度低的环境中充电时，在电池负极Li+容易以金属锂的形式析出。这种反应是不可逆的，它不但消耗了电池内部的Li+，且析出来的锂以枝晶的形式在电池负极不断生长，这种不断生长的枝晶存在着刺穿隔离膜致使电池短路的风险。为了避免这种风险，在低温环境对锂电池充电时一般会采取两种方法：一是降低充电电流，这种效果有限且会增加充电的时间；二是对电池加热，这就需要通过合理的加热系统设计保证高效、可靠和快速的充电。常见的锂电池加热方式有三种：电加热膜加热、PTC加热和液加热，本文主要对这三种加热方式的设计进行分析。为从业者在进行电池加热系统设计方面提供可行的思路。
[关键词]电动汽车，电池加热，低温充电，锂电池
中图分类号：TK175 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0075-01
1 设计需求
加热系统设计除了需要满足功能的要求之外，还需要满足安全、可靠和长寿命等需求。
1.1 功能需求
加热系统的功能是快速地将电池系统中所有电池单体的温度加热到特定的温度，并保证加热过程中电池单体的温度一致性。因此，与之对应的两个功能需求参数则是电池单体的升温速率和电池单体间的温差。
对升温速率和加热均匀性的控制目标需要根据客户的需求和电芯本身的特性来定。一般要求电池单体的升温速率在0.15～0.8℃/min范围内，电池单体间的温差控制在10～15℃以内。
1.2 安全需求
当锂电池的温度超过限值之后，其内部会出现副反应和原件失效，这是诱发安全隐患的主因。加热系统直接面对的是锂电池，是锂电池温度升高的主要热源（加热过程中），因此加热系统的管控尤为重要。
加热系统的管控主要从两方面出发：一是尽量保证加热回路的控制不出现失效；二是设计合理的干烧温度，这样即使加热回路控制失效，加热系统达到干烧温度之后不再上升，以确保安全。
加热回路的控制一般有两种方法：一是加热回路中串入保险丝，当电流超过额定电流一定值之后切断加热回路；二是采用双继电器串联的模式，减少继电器粘连风险。
干烧温度是加热系统安全的重要的保障。干烧温度是指加热系统在额定工况下持续运行，其本身或电池温度的最大值，前者称为加热系统干烧温度，后者称为电池单体干烧温度。干烧温度须设计在锂电池极限工作温度以下，以确保加热回路控制失效时锂电池不出现热失控。一般电池的温度不允许超过85℃，加热系统的干烧温度控制在65℃以下。
1.3 寿命需求
作为汽车的一个零部件，加热系统的使用寿命不低于整车的使用寿命要求。
2 电加热膜设计
电加热膜一般由电阻丝、绝缘包覆层、引出导线和接插件组成。在有些情况下，为了便于安装，包覆层的外表面会背上一层胶。电阻丝一般为镍镉合金和铁铬铝合金，在讲究成本的时候也会采用304不锈钢。绝缘包覆层一般为聚酰亚氨（PI）、硅胶和环氧树脂，这三种材料的包覆层都可以起到绝缘的作用，但又有各自不同的特点：聚酰亚氨电加热膜的厚度可以做到0.3mm，且具备耐腐蚀性，但缺点是容易被毛刺刺穿从而导致绝缘失效；硅胶电加热膜不易被毛刺刺穿，硅胶电加热膜的厚度一般在1.5mm以上，且不耐磨也不耐电解液腐蚀；环氧树脂电加热膜不易被毛刺刺穿，耐磨耐腐蚀，厚度一般也在1.5mm以上，但其硬度高，内应力大。
2.1 方案设计
电加热膜方案设计参数主要有两个：安装位置和加热功率；设计目标有三个：电池升温速率、电池间温差和干烧温度。
方案设计一般会借助热流体仿真分析工具，先建立热流体模型，重复调整参数直至仿真结果满足三个功能性设计目标即完成仿真分析，再制作样品进行测试，满足目标即完成方案设计。
2.2 安装位置
安装位置有模组侧边、底部和电池间隙三种方式。对于模组侧边安装的方式又可分为单侧安装和双侧安装两种形式。
2.3 电气控制
加热膜加热高压回路由电加热膜、保险丝和继电器串联而成，整个高压回路与电池系统的高压回路并联。为减少继电器粘连风险，加热高压回路中使用两个继电器。
2.4 测试验证
除进行设计目标的验证之外，还需对加热膜的安全性、可靠性和寿命进行测试。常见的测试包括：外观、尺寸、常温内阻、绝缘、耐压、双面胶剥离强度、引出线拉力、高低温交变、盐雾、干烧温度、加热膜表面温差、寿命。
3 PTC加热设计
PTC，即正温度系数，指材料的电阻会随温度的升高而增加。PTC加热器的结构：PTC加热器由PTC元件、导热金属板和引出导线组成。PTC元件是PTC加热器的发热元件，在电连接方面，它通过引出导线串入加热高压回路，在结构方面，它被绝缘密封于导热金属板内部；导热金属板起导热、均热和结构强度的作用，导热金属板的厚度就是PTC加热器的厚度，一般情况下PTC的厚度在8mm左右。
3.1 方案设计
PTC加热器设计参数主要有两个：安装位置和加热功率；设计目标有三个：电池升温速率、电池间温差和干烧温度。
方案设计一般有两种。一种是实验方法：先根据电池的情况。结合经验初步设计一款PTC加热器并制作样品进行模拟测试，再根据测试结果修正设计参数并进行新一轮模拟测试，循环上述作业直至满足功能性设计目标。第二种是仿真和实验结合的方法：先建立CFD数值模型，将安装位置和加热功率两个参数输入模型进行仿真分析，并根据仿真结果修正设计参数直至仿真结果满足功能性设计目标，然后制作样品并进行模拟测试，如果测试结果满足功能性设计目标，则完成方案设计，否则重复上述作业。
3.2 安装位置
安装位置有模组侧边的和底部两种方式。对于模组侧边安装的方式又可分为单侧安装和双侧安装两种形式。
3.3 电气控制
PTC高压回路由PTC和继电器串联组成。单块儿PTC加热器之间先进行并联后与继电器串联，再与电池系统高压进行并联。
3.4 测试验证
除進行设计目标验证外，还需要对PTC加热器的安全性、可靠性和寿命进行测试。
4 液体加热设计
液热是建立在液冷系统之上的一种加热形式，通过在外循环冷却回路中接入加热回路，可对电池系统进行加热。收到加热指令时，三通阀指向加热回路，工质被加热之后流经液冷系统并对电池系统进行加热，收到冷却指令时，三通阀指向换热器，工质被冷却之后流经液冷系统并对电池系统进行冷却。这种加热形式在实现较高升温速率的同时，将干烧温度控制在一个较低的水平，且大部分零部件与液冷系统共用。
液热系统包括外部热管理系统和内部热管理系统。外部系统主要为三通阀和加热器，三通阀一般为标准件，加热器目前有两种形式，电阻丝加热和PTC加热。内部系统与液冷系统共用，内部系统的零部件设计一般在液冷系统设计时完成。
液冷系统设计时需要确定的参数主要是液冷系统冷却液的入口温度和冷却液流量。通常冷却液入口温度在40到60℃范围内，冷却液流量为10L/min。
5 结论
本文从动力电池加热系统设计入手、深入分析了电池加热系统设计方法，对于电池系统常见的加热膜加热、PTC加热、液体加热三种加热方式进行分析，为电动汽车锂电池的加热系统设计提供了思路和方法，对于锂电池pack从业者具有参考意义。
参考文献
[1] 崔胜民.新能源汽车技术解析[M].北京：化学工业出版社，2017.
[2] 王芳，夏军.电动汽车动力电池系统[M].北京：科学出版社，2017.
