汽车|电动汽车电池箱底部加热试验分析
来源 |电动学堂
1 电动汽车低温热管理的必要性
电动汽车上的各种动力电池的适宜运行温度通常 与整车的设计运行温度范围有很大的差异 ， 如锂离子电池适宜的工作温度范围在 25 ～ 45 ℃ ， 而整车设计的运行温度范围一般达到了 -30 ～ 60 ℃ 。 几乎所有 的电池在低温下都会由于电化学反应速率降低和内阻 的增大而出现明显的性能衰退 。
图1 显示了一种圆柱 形锂离子电池随着温度的降低而出现的容量和能量衰 退情况 ， 其中初始状态 SOC=100% 。 电动汽车电池包 的热管理系统的目标是在电池包内提供适宜的温度范 围 ， 尽量降低电池模块之间和电池包之间的温度梯度 。 在低温（0 ℃或者更低）下运行的电动车辆在设 计电池包时必须考虑电池的预加热以使电池能够获得可接受的能量与功率性能 。
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2 目前电池包加热方式与优缺点
热管理系统按照电池箱内部是否设计制冷 或生热装置分为主动及被动热管理系统 ， 前者能够更好地适应严酷的环境条件 。
仿真实验表明：利用内核加热可以达到最佳内部温度场的均匀性 ， 利用一定频率（如 60 Hz）的交流电通过电池极柱来对内核进行加热是最快速并且寄生能耗最低的办法 ， 但是可能对电池内部结构造成破坏 ， 因此这一方法的可行性需要进一步探讨；利用加热元 件在电池模块外部进行整体加热导致的电池内部温度 场一致性最差；利用加热元件分别包围在单体外部进 行加热的效果介于两者之间 。
传热介质的选择对于电池包热管理系统的性能和成本具有直接的影响 。 空气流经电池模块的表面从而 与电池之间进行热交换 ， 不需要专门设计的管路 ， 但 对于电池合理排布和电池间隙的要求较高；流体介质 通过在电池包表面专门设计的套管与电池进行间接地 热量交换 ， 或者将电池浸没在绝缘液体中直接进行热交换 。
利用空气作为传热的介质是最为简便的方法 ，但也会导致相比于液体介质更低的热交换速率和能量 效率 。 需要指出的是 ， 因为液体存在较大的粘性并且 热交换泵的功率有限 ， 因此液体的流速通常会受到限 制 ， 因此实际上利用液体作为介质的热管理系统交换 的速率也只是空气的 1.5 ～ 4 倍 ， 但整体设计的结构难 度和成本会有明显的增加 ， 因此在目前已经商业化应 用的电池包中绝大多数还是采用了利用空气作为介质 的热管理系统 。
本文主要通过实验的方法研究电池箱底部加热方式在温度场均匀性、加热速率、内部空气 循环对改善温度场均匀性的影响、加热对电池性能改善的影响 。
3 底部加热试验设计与实验过程
3.1 实验台架设计
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采用的加热元件为PTC（正温度系数热敏电阻）材料 ， 这种材料具有正的温度系数 ， 是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻 ， 超过一定的温度时 ， 它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高 ， 试验中采用的PTC 热敏电阻的功率为400W ， 电源由外部提供 ， 加热过程中温度稳定在100℃ 左右 。 为了达到更好的温度均匀性 ， 加热丝缠绕于铝质板材上 ， 通过铝板加热量均匀地传递到电池底部 ， 如图3、图4 所示 。 在电池箱内部安装3 个风扇进行空气的内部循环 ， 这样可以加速电池模块内部的热交换 ， 提高温度场的一致性 。
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