電池系統的加熱方式主要分為兩種，內部加熱法和外部加熱法。內部加熱方式是通過電池電阻或電池內部的化學反應等直接對電池內部進行加熱，該方法加熱效率高，能耗低。外部加熱方式，即通過外部加熱組件產生熱量，從外部對電池進行加熱，主要加熱方式有氣體加熱、液體加熱、電阻式加熱等。外部加熱簡單，效率相對較低。

1  內部加熱方式

電池內部加熱不受電池箱尺寸和空間以及安裝方式限制，同一類型電芯，每個電芯的加熱功率基本相同，熱量從內部產生，加熱均勻，但須配套高低頻加載控制電路裝置或者外控電路。

1.1  高/低頻交流電加熱

TA.Stuart和A.Hande等最早提出利用低頻或高頻交流電對氫鎳或鉛酸電池進行內部加熱，其中低頻交流電的頻率是60Hz，高頻交流電的頻率是10~20kHz。主要原理是通過電池自身的電阻進行加熱，在電池組通交流電的同時可以對電池進行充電和放電。低頻交流電的裝置體積相對于高頻交流電體積較為龐大，較難實現裝車，并且有人指出，低頻交流電會使電池內部發生電離，電池壽命降低，但未有數據證實。針對鋰離子動力電池系統，有多項類似加熱的專利出現，由于涉及到交流電產生裝置的成本、質量、安裝空間等限制，目前該種方法還沒有在電動汽車上批量應用。

1.2  電池內部放電加熱

Wang等開發出一種具有快速自發熱功能的鋰離子電池。在電池中設計了鎳箔作為第三極，只要環境溫度低于0℃，正極和第三極就會形成放電回路，產生熱量對電池進行加熱；電池內部溫度超過0℃，第三極斷開，電池回到工作狀態。電池從－30℃加熱到0℃，只要30s，同時消耗5.5%的電量，效率高，時間短，有望應用于電動汽車上解決低溫嚴寒應用，加熱結構和原理見圖1。


但在電動汽車應用中，由于為數百上千只電池串并聯，電池包內部各電池溫度存在差異，由于加熱為電池內部自行控制，會造成有些電池加熱時間長，有些電池加熱時間短，從而加大單體電池之間荷電量的不一致性，所以對電池組內部的溫度一致性、電池系統的均衡等方面提出了更高的要求。在電池組低溫貯存和車輛駐停期間，還有可能造成電池組電量完全放空甚至過放電，影響電池組性能和壽命。

1.3  其他

某些情況下，有利用低溫下電芯內阻較高的特點，通過負載以小電流對電池組進行放電的形式產生熱量加熱，但通常加熱效率較低，加熱時間長，實際應用較少。

2  外部加熱系統

外部加熱方式相對比較多，結構設計也有比較大的差別，但總體上應當滿足：

(1)成本低；(2)能效高；(3)安全可靠；(4)壽命長；(5)溫度一致性好，小于5℃，最佳小于3℃；(6)與車輛設計匹配，包括與電芯結構、電池箱結構、系統參數及車載充電機等參數的匹配性等。

外部加熱相對安全，容易實現，但能效低，加熱時間長。部分外部加熱還需與電池組在高溫下的散熱、低溫下的保溫等結合起來設計。外部加熱按熱量傳導介質分，主要有以下幾種方法：熱風加熱、液體加熱、加熱板或加熱膜加熱等。

2.1  熱風加熱

熱風加熱有兩種方式：一是引入外部熱風，這種方式對電池箱及管道等的密封性要求比較高，而且熱量散失比較大，能量效率直接與氣體流速、進出風口溫度等有關，但這種方式電池箱內若產生有害氣體可以直接排出，并且可以同時作為散熱系統；二是在電池箱內部熱風循環，配合其他加熱裝置(如PTC加熱器)，加熱器通電產生熱量，風扇將吹向散熱器形成熱氣流，在電池箱內部形成熱空氣內循環。王發成等試驗了用空氣進行電加熱電池組的試驗，證明是一種有效方法，從－15℃加熱到電池表面0℃，僅用了21min。

熱風加熱方式結構簡單、質量輕、成本低，但由于電池包中氣流速度及通道限制等原因，空氣將熱量傳導到電池上效率較低，且各處流速不均勻，很難保證均勻傳熱，加熱效率相對最低。氣體加熱相對來說溫差較大，所以對電池箱內部安全性、氣流通道等設計要求較高，必須對流場進行專門設計，電池箱內部不能形成死角，各區域傳熱、電池箱體對外散熱要基本一致，才能較好地控制溫差，在環境極冷情況下，容易產生更大的不均勻。

熱風加熱適合于圓柱、方形結構的電池，其組成模塊或模組時電池之間自然形成或留出有氣體通道，變更與加熱或散熱的結構設計，對于軟包電池，由于組合體積、方式、成本等方面的限制，應用較少。

2.2  液體加熱

液體加熱方法是在外部或電池箱內將液體加熱，使其流經電池周圍實現對電池加熱。通常液體加熱方式電池組的加熱與散熱兩者功能是做在一起的。通用的VOLT、TELSA等采用此方式進行加熱和散熱。液體加熱對電池箱的密封和絕緣要求較高，電池模塊、電池箱的設計復雜，可靠性要求高。使用液體作為傳熱介質，需要考慮絕緣性、安全性、密封性，以及電池組的維護方便性，還應考慮電池包的整體質量。其主要優點包括：

(1)加熱或冷卻的效率比較高；

(2)液體有較好的保溫作用，電池組充電或放電一段時間后液體溫度已經上升到足夠高的溫度，車輛運行中停駐幾小時，不會由于電池組溫度很快下降而影響再次行駛，但加熱時要首先將液體進行加熱，會多消耗能量；

(3)電池組溫度一致性高，一般可以控制在3℃以內。液體加熱或散熱的情況下，電芯產生的熱量或液體熱量傳遞到電芯的速度，受傳熱路徑和傳熱方式影響較大，液體管道或導熱部件最好直接和電芯接觸，但電池系統通常為高壓系統，管道或導熱部件與電芯之間的絕緣、耐壓要求很高，需滿足相關標準要求。導熱一般采用金屬鋁板等，可用導熱硅膠等對其進行絕緣；

(4)適宜于各種不同結構和類型的電池。液體加熱/冷卻是目前主要研究和應用的方式之一。

液體加熱要避免液體的泄露，電池箱內接口越少越好，同時要考慮泄露后液體的存在不能產生電池包的安全性問題；成本相對比較高，包括液體的加熱/冷卻裝置、管道、導熱板等；質量高，對電池系統的比能量影響比較大。儲液槽、加熱/冷卻裝置、泵等一般安裝在電池箱外部。

2.3  PTC加熱

PTC加熱器由PTC陶瓷發熱元件與鋁管組成。PTC發熱體熱阻小、換熱效率高達99%，安全性好，任何應用情況下均不會產生過熱現象。與風扇結合使用，即遇風機故障停轉時，PTC加熱器因得不到充分散熱，其功率會自動急劇下降，不會導致持續大功率發熱而出現的安全性問題。PTC使用壽命長；電壓使用范圍寬，根據電池系統電壓需要設計；功率可根據需求設計；阻燃。

使用時，可在電池模塊中不同單體之間加鋁制加熱板，加熱板和PTC加熱器連接，對電池組進行加熱，但要注意加熱板和電池之間的絕緣問題，在加熱器不工作時，加熱板還可用于電池的散熱。PTC加熱器可以作為單獨加熱裝置與風扇結合使用形成熱風循環，也可以做成板狀對電池組進行加熱，其成本較低，已在電池組中廣泛使用。

但PTC加熱器體積較大，做成板狀厚度超過10mm，不能直接夾在電池或電池模塊之間。通常做成板狀安裝在電池箱底部或電池模組之間；多個PTC加熱片一起使用時，應并聯，不可串聯，要注意與電池組/充電機的電壓、電流匹配；不同散熱條件使得PTC加熱片的發熱功率差別很大，穩定功率與使用條件有關，同一件PTC發熱器，使用條件不同，則功率可能相差幾倍，散熱越快則穩定功率越大，PTC的表面溫度越高則功率越高，所以采用導熱快的鋁板，或者在熱風循環中直接用風扇對加熱器吹風進行對流散熱。

2.4  加熱膜加熱

加熱膜有兩種組成方式，一種是采用金屬箔作為發熱元件，通常覆以絕緣、耐壓高、耐高溫、強度好的聚亞酰胺膜，厚度只有0.1mm左右，也可以與其他導熱材料(如導熱硅膠等)組合使用，做成厚度較大、更可靠的加熱膜；另一種則是以合金絲等作為發熱元件，涂覆由硅橡膠與玻璃纖維布等組成的絕緣層，厚度相對較大，有幾毫米左右。圖2為不同形狀的加熱膜/板。



加熱膜成型性好，厚度薄、質量輕、柔性好，可貼在電池殼體上，傳熱效率更高而且能量損失更小；通電發熱迅速、溫升快、發熱面大、發熱均勻，有利于電池箱內部溫度一致性；耐腐蝕、環保、阻燃、安裝方便、壽命長、絕緣強度高、擊穿電壓高，并且不受尺寸限制，可以根據電池或模塊的結構任意彎曲，確保緊密接觸，保證最大的熱能傳遞，也可以做成板狀替代PTC加熱板。發熱功率可以根據設計要求進行設計，對金屬箔的寬度、長度或金屬絲的直徑和長度等予以調整，加熱膜可以串并聯使用。

劉存山等根據傳熱學原理，對比分析兩種PTC 加熱和加熱膜加熱兩種方式，選用了電熱膜的低溫加熱方法。其成本接近于PTC加熱板，是電池組目前應用的主要加熱方式之一。

但使用該類電熱器件必須注意，其持續使用工作溫度應小于240℃，瞬時不超過300℃；粘貼式安裝工作溫度應小于150℃；空中干燒受材料耐溫限制；工作電壓的選取以大功率-高電壓、小功率-低電壓為原則；加熱膜引出端點處容易出現溫度過高等現象。加熱膜適用于各種類型電芯組成的電池組。

2.5  其他加熱方式

(1)加熱套加熱

加熱套加熱是在每一個電池單體加上一個加熱套，加熱套由電阻材料制成，外部通電對電池組進行加熱，加熱速度快，并且單體受熱均勻，能量損失小，但高溫情況下電池散熱較慢。

(2)珀爾貼效應加熱

珀爾貼效應指電流流過兩種不同導體界面時，將從外界吸收熱量，或者向外界放出熱量。利用此性質，通過改變電流方向，可以實現加熱和制冷兩種功能，強度可以通過電流大小進行精確控制。ALAOUIC等做出了利用珀爾貼效應對電池組進行加熱和冷卻的裝置，該裝置還可以替代汽車空調。

(3)相變材料保溫與加熱

相變材料蓄熱能力強，在達到相變溫度時可以大量吸熱或放熱而溫度不變。選用合適的相變材料能夠使電池單體有效地達到熱平衡，可以很好地控制電池溫度上下限，避免產生溫度過高或過低現象，但是成本較高。相變材料本身不能產熱，但在車輛行駛過程中或電池組充電過程中，溫度在上升，相變材料能儲存部分熱量，可以在低溫環境下延緩電池組擱置溫度的下降速度，解決車輛低溫停駐問題，降低能耗。

3  電池組的保溫

如果電池箱內各部位散熱條件不一致，即使加熱效果很好，也有可能造成較大的溫差，影響電池組使用壽命和加熱效果。如在金屬電池箱底部直接安裝加熱板，上面放置電池模組，在溫度較低情況下，由于電池箱底部散熱本身比較快，造成熱損耗較大，實際電池組會很難加熱到所要求的溫度。

對電池箱體進行保溫設計可以有效提高加熱效能和溫度一致性，適用于動力電池組的保溫材料主要有高分子改性泡沫材料、氣凝膠等。保溫材料應滿足下列性能指標：

(1)導熱系數小；(2)阻燃，達到UL94-V0級，且在溫度較高時不會產生有毒氣體；(3)吸水率低；(4)抗老化，與電池組同壽命甚至更長；(5)應用在電池箱底部時，抗壓縮性要好。其他還有如密度、抗化學性能、尺寸穩定性等。

保溫材料多為有機絕緣材料，如聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯等，其中聚氨酯泡沫塑料是保溫性能較好的一種保溫材料。硬質聚氨酯的導熱系數為0.023W/(m·K)，材料密度約40kg/m3(可調整)，比熱容為2380J/kg，作為電池組的保溫和結構材料已成功應用。

新型的氣凝膠是另一種保溫材料，其孔隙率高，密度低，室溫導熱系數可達0.013W/(m·K)。但由于抗壓性差，不能直接被電池模塊壓迫，需要對模塊的安裝方式進行特殊設計。圖3為幾種隔熱材料導熱系數對比。幾種加熱方法的特點比較如表1所示。





4  熱控設計細節或者應考慮的其他因素

除了選擇合適的加熱方法外，還需考慮溫度采集點的位置以及溫度控制策略。內部加熱，采集點布置在電池極柱、匯流板等上面，采集溫度低于電池內部溫度；外部加熱時熱量最先傳遞到的是電池外殼，采集溫度高于電池內部溫度，不同電芯其滯后時間不同，還與加熱方式、加熱速度、傳熱情況等有關。采用外部加熱時，通常將加熱的控制溫度比所需求的溫度高5~10℃。隨著新材料、新技術的發展，更經濟實用的加熱方式和加熱技術將會不斷涌現。
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