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北汽新能源的零下30°C极寒电池升温技术

2020-01-20 23:44:46·  来源：知化汽车  
　
这两天，有关北汽新能源零下30严寒极寒环境测试成功的报道在朋友圈传散开，让电动汽车的低温问题再次成为焦点。低温工况，主要包括低温充电、低温启动、低温度行
这两天，有关北汽新能源零下30°严寒极寒环境测试成功的报道在朋友圈传散开，让电动汽车的低温问题再次成为焦点。
低温工况，主要包括低温充电、低温启动、低温度行驶，一直是制约电动汽车大范围普及的一个主要障碍。这也是因电芯的特性所致，在极低温度下充放电会对电芯的寿命造成损伤，严重的会因低温析锂而引发起火爆炸的安全事故。
这些电芯低温特性在整车的外在表现为：低温无法启动、低温无法充电或充电极慢、低温度续航大幅缩水、低温安全事故高。
因此，整车企业在低温工况下往往会采取相应的保护措施，以避免发生类似的事情发生。
北汽报道的这个技术，来自于孙逢春院士的全天侯新能源汽车技术研究，我这里摘录下孙院士的一篇论坛介绍下如何实现。概括来看，这个全天侯新能源汽车关键技术方案为：单体自加热技术+电池系统/BMS技术+高效冷暖一体增焓热泵空调技术+整车隔热保温技术。这里重点看下前两个。
自加热单体电芯
单体自加热技术原理主要采用的是2016年Nature上的一篇文章，基本思路如下。
本质上，你可以认为是一种电芯内短路。它在传统电池电极之间植入一个镍箔（约50μm）充当自加热热源，当电池处于较低温度时，正极和加热极耳间接通，电池内部人为产生了可控的内短路，在镍箔上产生了热效应，使得电池获得了内部自加热，因而电池温度开始回升。
当电池温度超过0 ℃时，电芯内电化学反应的进行能够为电池提供更为可靠和大功率的加热源，进行正常的充放电行为，此时断开加热极耳回路，电池自动停止加热，转入正常使用状态。
使用混合动力脉冲能力特性（HPPC）对电芯脉冲功率进行测试，在–30 ℃的情况下，50% 及
80% 荷电状态（SOC）的电池其放电功率分别提高到了1061 W/kg 和1600 W/kg，功率水平是在相同温度条件下普通电芯的5~6 倍。可在30 s 内从–30 ℃加热至0 ℃，电池耗能水平在自身能量的5% 以内。
 
这个文献中采用的电芯来自于北理工与盟固利共同开发的一款软包电芯，电芯结构设计采用加热极与电池极耳对侧引出的方式，如下图。极耳对侧引出的方案能够使得极耳具有足够的截面积以满足大电流输出的需求。同时为了保证电池封装的可靠性且方便与铝塑膜壳体进行封装，发热体引出端采用与电池相同的铜镀镍极耳进行连接，连接完成后与铝塑膜进行热封。
 
加热片的设计是一个重点，具体如下图所示，除了要满足发热量及发热点产热均匀需求外，还需与外部保持良好的绝缘性，即要在金属加热片的外表面设计绝缘隔离层，保证加热片既不与外部产生电接触，又要保证加热片的金属本体不与电解液接触。
所选用的基体电芯参数如下：
对自加热电芯进行测试，从–40 ℃自加热至0 ℃耗时45 s，自热耗电量不超过单体电量的5%，电池内外温度最大偏差≤ 5 ℃。
目前，已开发出更高能量68 Ah 电芯，其基本性能如下：比能量为230 Wh/kg，电池的直流内阻小于1.2 mΩ（50%SOC），功率密度大于1500 W/kg，常温循环2000次容量保持在90% 以上，通过了外部短路、针刺、挤压、过充电、过放电等安全性测试。
电池系统/BMS技术
电池包层面主要还是对结构防护提了更高要求，达到IP68，尚没有看到对隔热保温方面的考虑，理论上来说，这应该是个设计点。电池包内的技术更多集中在对电芯自加热的控制策略下，如下：
从电芯到电池包，再到整车，是个多技术集成的方案，总体构建的思路如下：
电池包的样品如下图：
整车低温环境试验
该技术于2018 年和2019年冬季，两次在内蒙古海拉尔极寒环境下进行了场地试验，车型分别为福田12 m 纯电动大客车、7 m 纯电动中型客车和纯电动乘用车（北汽新能源 EX3、EX5）。
在–30 ℃的环境中，整车静置40 h 以上，在动力电池系统最低温度达到–22 ℃的情况下，整车进行了冷启动、全气候动力电池低温加热、空调制热、除霜及冰雪条件下的整车20% 爬坡、加速、制动、能耗等系列试验。驻车加热试验结果如表2 所示，试验实现了6 min 快速自加热启动，温升速度超过5 ℃ /min，低温启动环节电池加热能耗不高于5%，在车辆行驶过程中无需再对电池加热。试验结果如下：
北汽披露的极寒测试，整车在零下30度的环境下，放置超过48小时后，电池电芯温度由零下18度，以7℃/min的速度，升至至零度以上，成功启动。自加热的速度比文献中的方案还要快40%。
这种多技术融合的整车集成开发思路其实是非常有效的，毕竟整车层面能够整合的资源更多，所掌握的工况信息更多，单纯的电芯研究更多做为一种基础。不过，这其中还有不少的工作要做，主要在电芯层面，相当于要对电芯的结构进行较大的改变，由此而引起的一致性，安全问题需要更多验证和更长时间的评估。 
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