1 電動汽車的一般加熱方法

 

電動汽車當前比較常用的加熱方法，一大類型是與冷卻系統(tǒng)復合在一起的制熱功能，比如熱泵空調，熱管、相變材料等等，這種制熱系統(tǒng)中，加熱過程以制冷的逆過程形式出現(xiàn)，制冷制熱基本在一個系統(tǒng)內部進行，靠控制器和系統(tǒng)工作期間的物理、化學等屬性實現(xiàn)制冷制熱的切換，不確定這個系統(tǒng)的專業(yè)名稱是什么，這里暫且給它起個名字，一體化熱管理系統(tǒng)。另一種加熱方法，專門針對電動汽車在寒冷環(huán)境下工作的需要設計，是一套獨立的加熱設備，與制冷無關，我們暫且稱之為獨立制熱系統(tǒng)。

 

當前應用的獨立制熱系統(tǒng)，主要有電阻加熱器和電熱膜加熱兩大類。

2 電熱膜種類及工作原理

 

傳統(tǒng)加熱膜，主要在建筑行業(yè)應用，用作隱蔽供暖系統(tǒng)，將電熱膜預埋到墻壁或者地板下面，寒冷季節(jié)，通電后給空間加熱。相比于傳統(tǒng)的集中式暖氣，加熱膜可以更均勻的加熱空間，帶來更舒適的體驗。

 

具體到電熱膜在電動汽車上的應用，是最近幾年逐漸被提及的事情。相關標準還沒有發(fā)現(xiàn)，能夠參考的都還是建筑行業(yè)、家用電器行業(yè)的標準。《JGJ 319-2013 低溫輻射電熱膜供暖系統(tǒng)應用技術規(guī)程》和《JGT 286-2010 低溫輻射電熱膜》。

 

電熱膜分類，按照電熱膜封裝材料不同劃分，金屬電熱膜、無機電熱膜（包括炭纖維電熱膜、油墨電熱膜等）和高分子電熱膜。

 

金屬電熱膜，是第一代薄膜加熱產(chǎn)品，采用氣相生長等成膜技術，將導電的金屬材質附著到絕緣材質上，然后在金屬層表面再覆蓋一層絕緣材料，將金屬層嚴密包裹在里面，形成薄片狀導電膜。通電后，金屬內阻發(fā)熱，形成電熱效應。常用的金屬電熱材料有銅和鎳，不同的材料有不同的電阻率，不同的工作電壓和發(fā)熱功率，不同金屬材質配合不同的電路設計，滿足不同的用戶參數(shù)要求。不同金屬材質的選擇，也會直接影響電熱膜的造價。

 

無機電熱膜，無機指的是導電材料為無機物，比如石墨、SiC、SiO2、導電油墨、炭纖維和其他導電硅酸鹽等等。無機電熱膜，將上述無機導電物質與阻燃劑、成膜劑等輔料混合到一起，一同涂抹到絕緣基材上，形成導電膜。給加熱膜兩端加載電壓，導電層實際上是一層半導體，將電能轉化成熱能。

 

需要說明的是，一部分無機導電材料常溫下是脆性物質，比如SiO2是玻璃的主要成分，此類電熱膜需要涂覆在剛性基材上，作為板型材料使用。而另外一部分表現(xiàn)為柔性，比如導電油墨和炭纖維。無機物耐高溫，壽命長，易于取得，是一類性能優(yōu)良的加熱器材。但是無法彎折，變形困難是限制無機電熱膜使用的重要原因。柔性的無機物電熱膜能夠得到更為廣泛的應用。

 

高分子電熱膜，是在有機材料中加入導電粒子，加工成薄膜材料后封裝，或者把導電材料涂抹在絕緣材料基底上，制成有機導電膜，再用高分子絕緣材料封裝。一般工作溫度沒有無機電熱膜高。有機電熱膜類別里，硅膠加熱膜、聚酰亞胺加熱膜、PET加熱膜，都屬于應用比較廣的品類。

 

列舉幾個典型的加熱膜參數(shù)表：

 

3 電熱膜在動力電池包中的應用

 

電熱膜在動力電池包中的應用，是近兩年討論較多的一個問題。加熱膜的高效率和良好的空間利用效果，使得電熱膜在空間極為有限的動力電池包內有著極大的優(yōu)勢。

 

電動汽車用電加熱膜產(chǎn)品參數(shù)示例：

 

 

但電熱膜并沒有在道路車輛上大量應用的先例，對于他的安全性和可靠性，還需要進一步考察。參照建筑行業(yè)標準，并增加考慮汽車應用環(huán)境的影響因素，對于電熱膜安全性要求，下面幾個方面應該是比較重點的項目。

 

絕緣性，泄漏電流和電氣強度。加熱膜不是貼合在電池上，就是粘貼在傳熱能力強的金屬表面，其絕緣性能是第一個需要考慮的問題。一般絕緣性能，用檢測泄漏電流和介電強度的方法來衡量。

 

功率輸入偏差，作為一個發(fā)熱元件，功率控制的準確性直接影響系統(tǒng)對環(huán)境溫度的掌控能力。家電行業(yè)的薄膜加熱產(chǎn)品標準，要求其輸入功率偏差在-10%~5%之間。

 

干燒耐溫能力，指給加熱膜通電，在穩(wěn)定達到最高耐熱溫度以后，經(jīng)歷了一段時間，產(chǎn)品的外觀和構造不會受到損壞，絕緣性能沒有大的改變，冷態(tài)電阻阻值變化在一定范圍以內。

 

耐高溫，加熱膜環(huán)境溫度達到一定高溫以后，放置一定長度的時間，加熱膜的基本性能不發(fā)生改變。加熱膜可以處于正常工作狀態(tài)時，或者斷電擱置狀態(tài)時。

 

耐低溫，與耐高溫類似，需要定義一個低溫范圍。

 

冷熱交變，又叫溫度沖擊，高分子材質或者無機物，在反復快速經(jīng)歷高低溫的循環(huán)變化以后，加熱膜關鍵性能變化應該在一定范圍以內。

 

耐沖擊，道路車輛的重要器件，都必須具備耐沖擊能力。進一步的，考慮到加熱膜，最好考察期工作安裝狀態(tài)的耐沖擊性能。

 

耐振動，情形類似耐沖擊能力。

 

阻燃性，也是車輛材質的一個基本要求，尤其電動汽車，一般要求V0級。

 

 

4 電熱膜重要參數(shù)

 

在以往面對航天軍工等行業(yè)的電熱膜企業(yè)中，已經(jīng)有先行者在產(chǎn)品品類中列出了動力電池加熱專用電熱膜這個類別。電熱膜在動力電池包中的應用還不成熟，選擇怎樣的電熱膜，以怎樣的方式應用到電池包中，可能需要結構設計和電氣設計共同參與。選擇一個電熱膜，除了先考慮前面可靠性因素以外，就是產(chǎn)品實際的可用性。

 

哪些是加熱膜應用最重要的參數(shù)？

 

一般想來，電熱膜種類，安裝方式，工作電壓范圍，功率密度，工作溫度范圍，應該是需要考慮的重點因素。

 

電熱膜種類，是權衡電池包生命周期與電熱膜生命周期的匹配性，性價比，前面的可靠性，電氣需求和結構需求等因素，綜合考慮以后確定的。

 

安裝方式，結合電池包具體情況，尤其空間布置情況，維修計劃，冷卻系統(tǒng)的類型等等，確定電熱膜的安裝位置和方法。

 

工作溫度范圍，明確產(chǎn)品目標地區(qū)，確定加熱需求；

 

功率密度，是加熱膜單位面積的發(fā)熱能力。根據(jù)前面的工作溫度范圍，結合電池包實際熱負荷，用極限溫度條件，計算需要的最大功率密度。

 

工作電壓，一個設計完成的電熱膜，其加熱功率是依靠電壓調節(jié)的，并且可調范圍很寬。我們需要先選定一個理想的加熱時長，再根據(jù)電池包熱負荷選取目標功率和目標電壓。如果希望加熱功率可調，則需要配置調壓電源。

 

 

5 在電動汽車上的應用形式

 

轉述一個利用電熱膜給電動汽加熱的實際案例。作者潘成久，在他的論文《電動汽車電池包保溫與加熱的研究》中，介紹了在電動汽車上使用加熱膜進行低溫下動力電池加熱的方法。

 

問題描述：一款串聯(lián)式的純電動驅動車輛，在低溫環(huán)境下(例如－20 ℃)，鋰離子動力電池存在兩個方面的問題，一個是低溫下，電池放電能力極差，即使?jié)M電情況，車輛的驅動能力也會大打折扣；另一個，低溫充電，已經(jīng)被認為是是動力電池折損壽命最快途徑。低溫下，電池內部帶電離子的傳導能力差，電荷在負極材料結構內部的轉移和嵌入能力也差。如果低溫正常電流充電，大量鋰離子堆積到負極表面無法嵌入，多種途徑獲得電子后沉積在電極表面，形成鋰單質堆積；鋰金屬非常容易發(fā)生晶體不均勻生長的現(xiàn)象，枝晶生長到足夠規(guī)模，就可能刺穿隔膜，造成正負極之間直接連通形成內短路?？傊蜏貑与妱悠?，后果很嚴重，因此需要發(fā)動之前，給動力電池先加熱。

 

案例使用加熱膜加熱的方式，將聚酰亞胺加熱膜粘貼在方形電芯上，如下圖所示。目標加熱時間1h，考慮電池包在充公電過程會散發(fā)掉一部分熱量，計算得到加熱功率單片14W；電熱膜電壓為1.8V。電池包為2P90S設計，共180顆電芯，使用180片加熱片。加熱片之間采用串聯(lián)方式。

 

 

 

選擇整個系統(tǒng)的溫度最低點，文章經(jīng)過測試，認為加熱過程中，文圖的最低點出現(xiàn)在單體電芯的正極柱上，因此在此設置溫度檢測點。

 

與加熱裝置配合使用的，是為電池包設計保溫方案。文章選擇二氧化硅氣凝膠作為保溫材料，材質厚度10mm。

 

將電池包放置在零下20度環(huán)境中，靜置16小時，達到內外溫度均衡。經(jīng)過了54min加熱過程，電池包最高溫度達到11℃，電池管理系統(tǒng)監(jiān)測到的最大溫差2℃，達到可以正常充電狀態(tài)。經(jīng)歷如此處理的電池包，單次續(xù)駛里程達到常溫的90%以上，遠遠高于不加熱直接起動行駛的里程數(shù)（一般為常溫續(xù)駛里程的60%左右）。

 

 

加熱膜占用空間小確實是難得的優(yōu)點，但在動力電池包內的使用上，可能需要在可靠性和安全性上做充足的驗證。新能源電站，風力發(fā)電或者太陽能發(fā)電站，為了實現(xiàn)平抑輸出功率波動的目的，越來越多的發(fā)電廠開始配備儲能系統(tǒng)。

 

獨立儲能電站，隨著電力制度改革逐漸進入人們的視野，以倒賣電力為生的獨立儲能電站逐漸出現(xiàn)。

 

微電網(wǎng)，系統(tǒng)內部包含分布式電源，用電負荷，儲能系統(tǒng)和電網(wǎng)管理系統(tǒng)的一個小型供配電網(wǎng)絡。為了確保負荷的用電連續(xù)性和穩(wěn)定性，每個微電網(wǎng)都會配備儲能系統(tǒng)。