什么是電池熱管理？

電池的習性其實與人相似，它既受不了太熱，也不喜歡太冷，最適宜的工作溫度在15-40℃之間。但是汽車的工作環境卻非常寬廣，零下20℃到55°C都很常見，那怎么辦呢？那就給電池配個空調吧，以實現熱管理的3個功能：散熱：溫度過高時，電池會折壽(容量衰減)，暴斃(熱失控)風險增加。因此，溫度過高時，就需要散熱。加熱：溫度過低時，電池會折壽(容量衰減)、衰弱(性能衰減)，若此時充電還會埋下暴斃隱患(析鋰導致的內短路存在引發熱失控的風險)。因此，溫度過低時，就需要加熱(或保溫)溫度一致性：還記得小時候家里買的空調嗎？啟動起來就一陣冷風猛吹，吹完就歇一會。而如今的空調，大多具備了變頻與環繞吹風功能，目的就是為了保持溫度在時間與空間兩個維度上的一致性。類似地，動力電池也需要盡可能降低溫度在空間上的差異性。（盡量保證電芯溫度差越小越好）低溫環境對車輛和電池的影響大家都知道，動力電池是電動汽車的最重要的一個大件，在方方面面影響著汽車的性能：能跑多少公里？最大加速度是多少？壽命如何？當然還有更重要的安全性能，上述問題，在很大程度上取決于動力電池。諸多因素影響著動力電池的性能，最大的一個因素便是溫度。尤其是北方的電動車主們都深有感觸，談“溫”色變。很多早期的電動車，到冬天后，里程只剩原先的70%，很多人舍不得打開空調取暖，就怕影響到駕駛里程。

電池溫度影響行駛里程

實際上，低溫也同樣帶來電池的放電能力降低。較低的電池溫度，完全抑制了電池的放電能力，影響的不僅僅是續航里程，甚至車輛的動力性，能量回收等。我們以常見的鋰離子電池為例：鋰離子電池工作原理本質上是內部正負極與電解液之間的氧化還原反應，在低溫下電極表面活性物質嵌鋰反應速率減慢、活性物質內部鋰離子濃度降低，這將引起電池平衡電勢降低、內阻增大、放電容量減少，極端低溫情況甚至會出現電解液凍結、電池無法放電等現象，極大的影響電池系統低溫性能，造成電動汽車動力輸出性能衰減和續駛里程減少。 此外，在低溫環境下充電容易在負極表面形成鋰沉積，金屬鋰在負極表面積累會刺穿電池隔膜造成電池正負極短路，威脅電池使用安全，電動汽車電池系統低溫充電安全問題極大的制約了電動汽車在寒冷地區的推廣。

鋰電池內部反應過程示意圖

有沒有一種技術可以緩解上面的問題？

通過以上信息可以看到，新能源汽車在沒有電池熱管理或者熱管理做的不好的情況下，對電動車的性能影響有多大。當然，隨著技術的發展，現在的電動汽車，基本上都有電池熱管理系統。而電池的熱管理系統的最終目的，簡單的說，就是為了讓電池的溫度盡量處于最適宜它的工作溫度。

電池熱管理的必要性取決于車輛選用的不同的電池類似，以及不通電池的發熱率、能量效率和性能對溫度的敏感性。熱管理包括升溫和降溫，同樣重要。電池預加熱技術，是電池熱管理中的重要組成部分，是為了讓電池在溫度較低時，可以快速將電池溫度上升到最佳工作溫度的技術。 通常來說，包括這樣幾種主流的電池加熱方式：電池自然發熱加熱利用電池自身工作，放電或充電時，產生的熱量，來提高電池的溫度。這種方式加熱，效果慢，有時候往往車都用完了，電池溫度還沒上來。除了在一些早期車型和一些低成本的車輛上，基本上已經被主流的主機廠棄用。鼓風加熱說實話，風冷的電池包市面上真的不多見，據說比亞迪開發過風冷的電池包。用過外部的空調吹熱風或者冷風，對電池包內部進行溫度控制。但是這種技術，需要對電池包內的風道進行嚴格的設計，電池溫升的效果也是比較慢，而且如果設計不好，很容易出現局部溫度過高的現象。電池包內加熱設備加熱加熱系統主要由加熱元件和電路組成，其中加熱元件是最重要的部分。常見的加熱元件有可變電阻加熱元件和恒定電阻加熱元件，前者通常稱為PTC（positive temperature coefficient），后者則是通常由金屬加熱絲組成的加熱膜，譬如硅膠加熱膜、撓性電加熱膜等。 PTC或者加熱膜的方式，通常情況下，加熱效果好，速度快。但是也會存在電池溫升不均勻現象，與加熱源靠的近的電芯溫升會明顯高于遠離加熱源的電芯。尤其是加熱膜，是緊貼在電池模組表面進行加熱。所以，對電池包內的散熱結構也有一定的要求。

常見的PTC和加熱膜

PTC由于使用安全、熱轉換效率高、升溫迅速、無明火、自動恒溫等特點而被廣泛使用。其成本較低，對于目前價格較高的動力電池來說，是一個有利的因素。但是PTC的加熱件體積較大，會占據電池系統內部較大的空間。絕緣撓性電加熱膜是另一種加熱器，它可以根據工件的任意形狀彎曲，確保與工件緊密接觸，保證最大的熱能傳遞。硅膠加熱膜是具有柔軟性的薄形面發熱體，但其需與被加熱物體完全密切接觸，其安全性要比PTC差些。液體循環加熱液冷的電池包在當前的設計中，因為其加熱效果好，散熱分布均勻，安全可靠等特點，占據了主流的位置。在電池包內結構上，通常是會設計利于散熱的水道，將熱量均勻的散發到電池包內部，達到電池溫度的均勻上升。

兩種常見的電池液冷循環示意圖

圖中紅色箭頭部分是加熱部分，外部大循環是電池包的降溫部分

在控制原理上，用已經上市的小鵬G3為例，采用的也是熱管理更加先進的液冷控制方法，G3采用更加集成的HVAC控制器，對于電池的溫度控制更加敏銳。 上圖中可以看得出來，電池包加熱功能，使用的是單獨的電池包內PTC加熱液體，進行循環加熱，可以使電池加熱的更加迅速，均勻。 在用戶啟動車輛充電（無論快充還是慢充都可以哦）的開始階段，整車控制器就對電池的溫度信號進行收集，當電池的溫度較低，需要啟動加熱時，整車控制器會控制冷卻液進入加熱循環。此時通常會有一個熱源（圖中的PTC2加熱器）將循環的液體進行加熱，然后再流經動力電池內部，給電池加熱。這就是電池加熱的原理。 另外，透露一點內部消息給大家，正處于研發的小鵬P7，會增加更加新穎的一鍵導航充電站預加熱功能哦，可以讓你的愛車在前往超級充電站的途中，就對電池進行預加熱，并且根據導航的距離，調整加熱的功率。這樣，就可以讓電池在到達充電站后，以最佳的電池溫度來迎接超級充電啦！電池預加熱的使用場景和特點關于電池預加熱的主要使用場景，更多的還是集中在北方城市的冬天里。主要的使用場景還是包括兩個方向，放電和充電場景。 車輛靜置在低溫環境中一段時間后，啟動車輛，此時電池溫度較低，嚴重影響車輛駕駛體驗和感覺，若此時前往充電樁進行充電，也嚴重影響充電效率。所以，在電池包預加熱的啟動和關閉策略上，需要進行詳細的溫度標定，才能達到更好的使用效果，不會浪費資源，又能滿足客戶的使用場景。——這也是考驗一個主機廠集成匹配能力的時候。 而動力電池的木桶效應（電池系統的性能、可靠性取決于最弱的一個電芯，系統的安全性取決于最不穩定的一個電芯）決定了只有電池溫度一致性越好的電池包，才能發揮出最好的性能。所以這也是目前大多數電池包的設計都采用液冷電池包的原因。

如上圖所示，假設大部分電芯溫度為20度，而電芯B因為加熱慢溫度只有10度，那么整個電池包都必須遷就B電芯，放電電流被迫從140A下降到100A，性能下降了三分之一，可謂是“一顆老鼠屎壞了一鍋粥

其實關于電池預加熱技術的，還有很多很多的細節和可以挖掘的點，比如說，方形電池的散熱啊，不同電芯材料的最佳工作溫度范圍啊，乘員艙熱管理和電池熱管理的匹配結合啊， 電池包結構優化啊，等等……每一個話題都值得進行深入研究。

審核編輯：郭婷