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雅斯顿原创文章 | Zinc

要说电动汽车上最让人操心的就是电池了，因为它时刻处在「水深火热」之中。 上一期 ，我们从电池冷却技术的角度给大家做了介绍。

再过一个多月我们就将迎来冬至，电池充电慢、续航里程大幅跳水的问题恐怕又要让不少人气得敲方向盘了。为了改善这个问题，工程师们为锂电池设计了加热技术，为的就是保证电池处在比较理想的温度环境下工作。

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为什么电池怕冷？

为了更好理解为什么要设计加热装置，我们先花一点时间介绍下为什么电池怕冷。我们说的电池怕冷用专业术语来说是： 低温下，锂离子动力电池的能量和功率特性会出现明显衰减。这两个参数会影响到电池的续航能力、充放电能力等。

上图是不同温度下锂离子电池0.5C速率放电曲线，可以看到锂电池放电特性受低温的影响明显

至于为什么会引起这个问题，现在看来是一系列原因综合影响的结果。比如低温下电池电化学反应速率低、电解液离子电导率和负极石墨材料颗粒中的锂离子扩散系数降低、负极颗粒表面SEI膜的电导率低等。

我们以某款锂离子电池为例，常温下其离子电导率为10mS/cm左右，但是在-40℃时，电导率急剧下降到了0.02mS/cm。我们知道电导率是指物质传送电流的能力，电导率下降如此严重，汽车自然就不给力了。

当然，并不是说只能提供提升温度才能解决这个问题，比如在电解液中添加特殊添加剂（降低粘度），以此增加低温性能也是可以的。其他几个方面的影响因素也同样如此，并不是说电池加热的解决办法才是王道。

不过这种看似治标不治本的做法，却相对来说是现阶段的最优解。因为它能权衡各方的利弊，在其他技术难以突破发展的现实因素下，可以以相对较低的成本、更直接地将电池稳定在良好的工作状态。

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锂电池低温加热技术

既然是加热，自然需要热源，所以我们可以根据热源来划分加热系统。

我们介绍几个比较有特色的加热系统给大家。

1）外置电源预热

拿捷豹I-PACE来说，我们可以通过手机APP预约上车时间，这时候只要是插着充电线，外置电源就会提前给车舱和电池组加热，就这一项的设计就可以为I-PACE增加了几十公里的续航里程。

就特点来说，这种方式属于交流激励加热，它的优点是不需要设计传热结构，而是利用一定频率范围的小幅值交流电直接作用于电芯正负极，通过采用短周期少量充放电的形式，激励电池内部电化学物质自身发热。

策略是好，不过局限性比较高，在行驶中就比较尴尬了。因此捷豹I-PACE还采用了热泵加热技术，这项技术后文会有介绍

2）威马柴油加热系统

威马汽车采用的柴油加热系统在业内来说比较特别，因为它是用柴油燃烧产生的热量来为动力电池预热，这套系统在温度低于0℃时会自动启动。

拿威马EX5来说，它设计了一个6L的储油罐。按柴油加热系统0.1-0.2L/h的耗油量来说。如果我们按每天运行3h来算，每次可以使用10~20天。不过开着电动汽车一个月跑一两次加油站，多少还是有点尴尬。

威马EX5这套柴油系统不是独立的，也有电加热系统的支持。现在看来，这种综合模式是为了提升纯电续航里程。不过浪费跑加油站的功夫到底划算吗？

3）电加热系统

像2012年款的日产电动车LEAF就都使用了一款6kW的电加热模块用于制热。它的原理并不复杂，利用电池包供电，先是通过电阻丝加热水，水再加热电池包。

电阻加热可细分为可变式电阻加热和恒定电阻加热，前者包括PTC加热板和碳膜加热板；后者包含硅胶加热板、PI加热膜、环氧板加热膜

不过从以上两项技术知道，加热系统要尽可能避免和电池包抢电，所以电加热的局限性也就出现了。为此，电池管理系统对加热系统会制定严格的管理控制策略。

比如我们先要启动温度调节模式，并且电池管理器通过温度传感器检测到异常低温并得到授权后，才能启动加热，且一旦温度达到运行温度，加热系统就会关闭。

4）热泵加热系统

热泵是一种将低温热源的热能转移到高温热源的装置。热泵加热是在电动压缩机制冷回路的基础上，增加电磁阀控制制冷剂流向，通过蒸发冷凝器从周围环境中吸收热量，通过内部冷凝器向驾驶室释放热量。

不过热泵加热系统并不是直接对电池进行加热，速度相对来说要慢一些。这套系统的优势还是在于能兼顾多环境使用需求。换言之，既能制冷也能制热，大众e-Golf高尔夫纯电动版在美国市场加装的热泵空调系统就是这个特点。

5）液体加热系统

比起热泵加热系统这种空气加热，液体加热具有更好的导热率与更高的热转化效率，因此纯电续航里程比较紧张的混动车更常配置。我们拿在新款雪佛兰Volt来说，它采用的是环绕电池组热交换液，由360V的加热器加热。

不过这套系统的缺点是更复杂，体积占比也比较大，导致成本较高

今年年初的时候，博格华纳推出了一款高压液体加热器，它有单板和双板两种版本：单板加热器仅负责电池热管理或座舱加热功能之一，双板加热器可同时管理。据称它有着高热功率密度、低蓄热和体积小的优点，不过现在还没有消息通知哪款车有搭载。

除以上五种之外，还有些是比较特殊的，我们接着来看。

6）废热加热系统

就一般理解上，相对于传统燃油车可利用发动机废热加热，电动汽车的电动传动系统无法实现该功能。不过也不是100%无法实现了，我们知道一旦车辆启动，电机会产生热量。如果加以利用，可为加热电池。

比如特斯拉开发的发热加热系统，机舱液体乙二醇加热循环装置会连接到驱动电动机和电力电子乙二醇冷却循环阀上，以此获得热量，这些废热会用来加热电池。

这种方法的优势不用多说，但是就好比动能回收系统一样，缺点是时间慢、获得的能量也不会很多，但可以称得上是很好的辅助加热系统了。

7）相变材料加热

转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。如果不好理解，我们看看水就知道了，最常见的相变材料就是水，它在0度的时候会吸收大量的热，从「冰」的状态熔化成「水」的状态。

当电池温度降到相变材料的相变温度点之后，相变材料储存的热量会被释放出来，保持环境温度恒定，也就是向电池组传递热量。

出于成本的原因，现在使用到相变材料的车型还比较少。不过相变材料的主要优势在于其可以用在温度变化较迅速的环境中，且能降低热失控的风险，这些特点为相变材料的未来发展提供了很大的保证。

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外部加热和内部加热技术之争

关于以上这些技术，我们又可以根据所处的位置做一个粗略划分，也就是外部加热和内部加热。

外部加热方式有空气加热、燃料加热、液体加热、热阻加热器、热泵加热或相变材料加热等。这些加热方式一般位于电池包中，或者设置在热循环介质的容器中。内部加热法则是通过交流电流激励电池内部电化学物质，使电池本身产生热量。

可以看到现在使用外部加热的方式更多，不过相比外部加热方法，内部加热避免了长路径的热传导和靠近加热装置的地方局部热点的形成。因此内部加热可以以更高的效率，更均匀地加热电池。

至于为什么内部加热的模式发展相对慢一些，原因还是与技术更加复杂，需要兼顾的内容更多有关。

目前对内部交流预热方案研究大多集中在加热速度与效率上，但加热策略对预防锂沉积等副反应的影响还是各个难题。比如实现预热过程中预防锂沉积的产生，需要BMS 能实时监测并控制锂沉积产生的条件，难度其实不小。这也是为什么有些人认为通过这个方式会伤电池的原因之一。

雅斯顿小结

经过两期介绍，我们了解了电池温控方式的一些基本特点，因为各家在技术上会有一定调整和拓展，很难介绍地面面俱到。能肯定的是，电池温控系统的“水很深”，各家因为成本、技术积累、市场定位等原因，表现确实会存在差异的地方。

现在看来，还不能说有100%完美的解决方案，使得动力电池时刻处在最佳的工作温度环境下，但大方向还是好的、正确的，我们需要做的是多一些耐心，供新技术生根发芽，开出花朵。