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北汽新能源的零下30°C極寒電池升溫技術(shù)

2020-01-20 23:44:46·  來源：知化汽車  
　
這兩天，有關(guān)北汽新能源零下30嚴(yán)寒極寒環(huán)境測試成功的報(bào)道在朋友圈傳散開，讓電動(dòng)汽車的低溫問題再次成為焦點(diǎn)。低溫工況，主要包括低溫充電、低溫啟動(dòng)、低溫度行
這兩天，有關(guān)北汽新能源零下30°嚴(yán)寒極寒環(huán)境測試成功的報(bào)道在朋友圈傳散開，讓電動(dòng)汽車的低溫問題再次成為焦點(diǎn)。
低溫工況，主要包括低溫充電、低溫啟動(dòng)、低溫度行駛，一直是制約電動(dòng)汽車大范圍普及的一個(gè)主要障礙。這也是因電芯的特性所致，在極低溫度下充放電會(huì)對電芯的壽命造成損傷，嚴(yán)重的會(huì)因低溫析鋰而引發(fā)起火爆炸的安全事故。
這些電芯低溫特性在整車的外在表現(xiàn)為：低溫?zé)o法啟動(dòng)、低溫?zé)o法充電或充電極慢、低溫度續(xù)航大幅縮水、低溫安全事故高。
因此，整車企業(yè)在低溫工況下往往會(huì)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以避免發(fā)生類似的事情發(fā)生。
北汽報(bào)道的這個(gè)技術(shù)，來自于孫逢春院士的全天侯新能源汽車技術(shù)研究，我這里摘錄下孫院士的一篇論壇介紹下如何實(shí)現(xiàn)。概括來看，這個(gè)全天侯新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)方案為：單體自加熱技術(shù)+電池系統(tǒng)/BMS技術(shù)+高效冷暖一體增焓熱泵空調(diào)技術(shù)+整車隔熱保溫技術(shù)。這里重點(diǎn)看下前兩個(gè)。
自加熱單體電芯
單體自加熱技術(shù)原理主要采用的是2016年Nature上的一篇文章，基本思路如下。
本質(zhì)上，你可以認(rèn)為是一種電芯內(nèi)短路。它在傳統(tǒng)電池電極之間植入一個(gè)鎳箔（約50μm）充當(dāng)自加熱熱源，當(dāng)電池處于較低溫度時(shí)，正極和加熱極耳間接通，電池內(nèi)部人為產(chǎn)生了可控的內(nèi)短路，在鎳箔上產(chǎn)生了熱效應(yīng)，使得電池獲得了內(nèi)部自加熱，因而電池溫度開始回升。
當(dāng)電池溫度超過0 ℃時(shí)，電芯內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行能夠?yàn)殡姵靥峁└鼮榭煽亢痛蠊β实募訜嵩?，進(jìn)行正常的充放電行為，此時(shí)斷開加熱極耳回路，電池自動(dòng)停止加熱，轉(zhuǎn)入正常使用狀態(tài)。
使用混合動(dòng)力脈沖能力特性（HPPC）對電芯脈沖功率進(jìn)行測試，在–30 ℃的情況下，50% 及
80% 荷電狀態(tài)（SOC）的電池其放電功率分別提高到了1061 W/kg 和1600 W/kg，功率水平是在相同溫度條件下普通電芯的5~6 倍。可在30 s 內(nèi)從–30 ℃加熱至0 ℃，電池耗能水平在自身能量的5% 以內(nèi)。
 
這個(gè)文獻(xiàn)中采用的電芯來自于北理工與盟固利共同開發(fā)的一款軟包電芯，電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用加熱極與電池極耳對側(cè)引出的方式，如下圖。極耳對側(cè)引出的方案能夠使得極耳具有足夠的截面積以滿足大電流輸出的需求。同時(shí)為了保證電池封裝的可靠性且方便與鋁塑膜殼體進(jìn)行封裝，發(fā)熱體引出端采用與電池相同的銅鍍鎳極耳進(jìn)行連接，連接完成后與鋁塑膜進(jìn)行熱封。
 
加熱片的設(shè)計(jì)是一個(gè)重點(diǎn)，具體如下圖所示，除了要滿足發(fā)熱量及發(fā)熱點(diǎn)產(chǎn)熱均勻需求外，還需與外部保持良好的絕緣性，即要在金屬加熱片的外表面設(shè)計(jì)絕緣隔離層，保證加熱片既不與外部產(chǎn)生電接觸，又要保證加熱片的金屬本體不與電解液接觸。
所選用的基體電芯參數(shù)如下：
對自加熱電芯進(jìn)行測試，從–40 ℃自加熱至0 ℃耗時(shí)45 s，自熱耗電量不超過單體電量的5%，電池內(nèi)外溫度最大偏差≤ 5 ℃。
目前，已開發(fā)出更高能量68 Ah 電芯，其基本性能如下：比能量為230 Wh/kg，電池的直流內(nèi)阻小于1.2 mΩ（50%SOC），功率密度大于1500 W/kg，常溫循環(huán)2000次容量保持在90% 以上，通過了外部短路、針刺、擠壓、過充電、過放電等安全性測試。
電池系統(tǒng)/BMS技術(shù)
電池包層面主要還是對結(jié)構(gòu)防護(hù)提了更高要求，達(dá)到IP68，尚沒有看到對隔熱保溫方面的考慮，理論上來說，這應(yīng)該是個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)。電池包內(nèi)的技術(shù)更多集中在對電芯自加熱的控制策略下，如下：
從電芯到電池包，再到整車，是個(gè)多技術(shù)集成的方案，總體構(gòu)建的思路如下：
電池包的樣品如下圖：
整車低溫環(huán)境試驗(yàn)
該技術(shù)于2018 年和2019年冬季，兩次在內(nèi)蒙古海拉爾極寒環(huán)境下進(jìn)行了場地試驗(yàn)，車型分別為福田12 m 純電動(dòng)大客車、7 m 純電動(dòng)中型客車和純電動(dòng)乘用車（北汽新能源 EX3、EX5）。
在–30 ℃的環(huán)境中，整車靜置40 h 以上，在動(dòng)力電池系統(tǒng)最低溫度達(dá)到–22 ℃的情況下，整車進(jìn)行了冷啟動(dòng)、全氣候動(dòng)力電池低溫加熱、空調(diào)制熱、除霜及冰雪條件下的整車20% 爬坡、加速、制動(dòng)、能耗等系列試驗(yàn)。駐車加熱試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了6 min 快速自加熱啟動(dòng)，溫升速度超過5 ℃ /min，低溫啟動(dòng)環(huán)節(jié)電池加熱能耗不高于5%，在車輛行駛過程中無需再對電池加熱。試驗(yàn)結(jié)果如下：
北汽披露的極寒測試，整車在零下30度的環(huán)境下，放置超過48小時(shí)后，電池電芯溫度由零下18度，以7℃/min的速度，升至至零度以上，成功啟動(dòng)。自加熱的速度比文獻(xiàn)中的方案還要快40%。
這種多技術(shù)融合的整車集成開發(fā)思路其實(shí)是非常有效的，畢竟整車層面能夠整合的資源更多，所掌握的工況信息更多，單純的電芯研究更多做為一種基礎(chǔ)。不過，這其中還有不少的工作要做，主要在電芯層面，相當(dāng)于要對電芯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大的改變，由此而引起的一致性，安全問題需要更多驗(yàn)證和更長時(shí)間的評估。 
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