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电池加热系统

一、 简介

目前,新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置),综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车等。

现有技术中,由于电动汽车的动力电池低温性能差,因此需要设法在低温下提高电池温度。当前常用的电池加热方法加热冷区液之后由冷区液加热电池,实现间加热,或者通过电机控制器实现电机绕组的充放电,从而在电池里面产生交流电流,由电池内阻发热来加热电池,即电池内阻直接加热,或称电池加热。当前常用的电池加热方法中,其间接加热方法效率很低,大量的热量无法有效传递给电池而耗散到了环境中;传热慢,热量需要通过冷却液、电池外部结构等输入电池,电池温升很慢;电池加热不均匀,靠近冷却液的电芯温升快;采用传统利用电机绕组直接加热方法时,加热电流频率偏低,直接加热的交流电流频率一般为2khz左右,人耳十分敏感,噪声有很大;此类方法在车辆行驶状态下不宜使用,容易造成转矩抖动或影响电机功率输出。

二、 场景分析

1、高荷电态放电

锂电池放电温度区间可达-30°C~55°C,因此在该区间即便是低温也不影响车辆启动。但低温状态导致的容量衰减和能量回收限制将使得车辆续航里程骤降。采用即时加热的方法,车辆运行和电池加热同时进行既能逐渐恢复。

2、低荷电态放电

当低温引起的容量的衰减大于剩余电量的时候,车辆已经无法正常启动并运行,否则将触发BMS单体低压报警。在这种场景下可以先进入预热模式,动力电池输出较小的功率给车载加热设备,待动力电池容量恢复后再启动。或者直接进入充电模式。

3、低荷电态充电

锂电池在0°C以下充电容易产生析离现象,引起不可逆的损伤和安全问题。在此场景下可以利用充电设施输入的能量先对电池进行加热,升温后再进行充电。

4、高荷电态充电

在此场景下可同时利用电池和外部充电设施的能量共同为车载加热装置供能,提高加热效率。(PS:常见的交流充电设备功率为1.7kw/3.3kw,而有些车载加热装置的功率可达7kw)

三、加热方式

1、电池自然发热加热

利用电池自身工作,放电或充电时,产生的热量,来提高电池的温度。这种方式加热,效果慢,有时候往往车都用完了,电池温度还没上来。除了在一些早期车型和一些低成本的车辆上,基本上已经被主流的主机厂弃用。

2、鼓风加热

风冷的电池包市面上不多见,比亚迪开发过风冷的电池包。用过外部的空调吹热风或者冷风,对电池包内部进行温度控制。但是这种技术,需要对电池包内的风道进行严格的设计,电池温升的效果也是比较慢,而且如果设计不好,很容易出现局部温度过高的现象。

3、电池包内加热设备加热

加热系统主要由加热元件和电路组成,其中加热元件是最重要的部分。常见的加热元件有可变电阻加热元件和恒定电阻加热元件,前者通常称为PTC(positive temperature coefficient),后者则是通常由金属加热丝组成的加热膜,譬如硅胶加热膜、挠性电加热膜等。

PTC或者加热膜的方式,通常情况下,加热效果好,速度快。但是也会存在电池温升不均匀现象,与加热源靠得近的电芯温升会明显高于远离加热源的电芯。尤其是加热膜,是紧贴在电池模组表面进行加热。所以,对电池包内的散热结构也有一定的要求。

PTC由于使用安全、热转换效率高、升温迅速、无明火、自动恒温等特点而被广泛使用。其成本较低,对于目前价格较高的动力电池来说,是一个有利的因素。但是PTC的加热件体积较大,会占据电池系统内部较大的空间。绝缘挠性电加热膜是另一种加热器,它可以根据工件的任意形状弯曲,确保与工件紧密接触,保证最大的热能传递。硅胶加热膜是具有柔软性的薄形面发热体,但其需与被加热物体完全密切接触,其安全性要比PTC差些。

4、液体循环加热

液冷的电池包在当前的设计中,因为其加热效果好,散热分布均匀,安全可靠等特点,占据了主流的位置。

在电池包内结构上,通常是会设计利于散热的水道,将热量均匀地散发到电池包内部,达到电池温度的均匀上升。

在控制原理上,用已经上市的小鹏G3为例,采用的也是热管理更加先进的液冷控制方法,3G采用更加集成的HVAC控制器,对于电池的温度控制更加敏锐。


(部分图片来源网络)

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