钜大LARGE | 点击量：1647次 | 2021年04月16日
谈谈有关电热膜在动力锂电池低温加热中的应用
1电动汽车的一般加热方法
电动汽车当前比较常用的加热方法，一大类型是与冷却系统复合在一起的制热功能，比如热泵空调，热管、相变材料等等，这种制热系统中，加热过程以制冷的逆过程形式出现，制冷制热基本在一个系统内部进行，靠控制器和系统工作期间的物理、化学等属性实现制冷制热的切换，不确定这个系统的专业名称是什么，这里暂且给它起个名字，一体化热管理系统。另一种加热方法，专门针对电动汽车在寒冷环境下工作的要设计，是一套独立的加热设备，与制冷无关，我们暂且称之为独立制热系统。
当前应用的独立制热系统，重要有电阻加热器和电热膜加热两大类。本文重要讨论电热膜加热方法的相关内容。
2电热膜种类及工作原理
传统加热膜，重要在建筑行业应用，用作隐蔽供暖系统，将电热膜预埋到墙壁或者地板下面，寒冷季节，通电后给空间加热。相比于传统的集中式暖气，加热膜可以更均匀的加热空间，带来更舒适的体验。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
具体到电热膜在电动汽车上的应用，是最近几年逐渐被提及的事情。相关标准还没有发现，能够参考的都还是建筑行业、家用电器行业的标准。《JGJ319-2013低温辐射电热膜供暖系统应用技术规程》和《JGT286-2010低温辐射电热膜》。
电热膜分类，按照电热膜封装材料不同划分，金属电热膜、无机电热膜（包括炭纤维电热膜、油墨电热膜等）和高分子电热膜。
金属电热膜，是第一代薄膜加热产品，采用气相生长等成膜技术，将导电的金属材质附着到绝缘材质上，然后在金属层表面再覆盖一层绝缘材料，将金属层严密包裹在里面，形成薄片状导电膜。通电后，金属内阻发热，形成电热效应。常用的金属电热材料有铜和镍，不同的材料有不同的电阻率，不同的工作电压和发热功率，不同金属材质配合不同的电路设计，满足不同的用户参数要求。不同金属材质的选择，也会直接影响电热膜的造价。
无机电热膜，无机指的是导电材料为无机物，比如石墨、SiC、SiO2、导电油墨、炭纤维和其他导电硅酸盐等等。无机电热膜，将上述无机导电物质与阻燃剂、成膜剂等辅料混合到一起，一同涂抹到绝缘基材上，形成导电膜。给加热膜两端加载电压，导电层实际上是一层半导体，将电能转化成热能。
要说明的是，一部分无机导电材料常温下是脆性物质，比如SiO2是玻璃的重要成分，此类电热膜要涂覆在刚性基材上，作为板型材料使用。而另外一部分表现为柔性，比如导电油墨和炭纤维。无机物耐高温，寿命长，易于取得，是一类性能优良的加热器材。但是无法弯折，变形困难是限制无机电热膜使用的重要原因。柔性的无机物电热膜能够得到更为广泛的应用。
高分子电热膜，是在有机材料中加入导电粒子，加工成薄膜材料后封装，或者把导电材料涂抹在绝缘材料基底上，制成有机导电膜，再用高分子绝缘材料封装。一般工作温度没有无机电热膜高。有机电热膜类别里，硅胶加热膜、聚酰亚胺加热膜、PET加热膜，都属于应用比较广的品类。
3电热膜在动力锂电池包中的应用
电热膜在动力锂电池包中的应用，是近两年讨论较多的一个问题。加热膜的高效率和良好的空间利用效果，使得电热膜在空间极为有限的动力锂电池包内有着极大的优势。
电动汽车用电加热膜产品参数示例：
但电热膜并没有在道路车辆上大量应用的先例，关于他的安全性和可靠性，还要进一步考察。参照建筑行业标准，并新增考虑汽车应用环境的影响因素，关于电热膜安全性要求，下面几个方面应该是比较重点的项目。
绝缘性，泄漏电流和电气强度。加热膜不是贴合在电池上，就是粘贴在传热能力强的金属表面，其绝缘性能是第一个要考虑的问题。一般绝缘性能，用检测泄漏电流和介电强度的方法来衡量。
功率输入偏差，作为一个发热元件，功率控制的准确性直接影响系统对环境温度的掌控能力。家电行业的薄膜加热产品标准，要求其输入功率偏差在-10%~5%之间。
干烧耐温能力，指给加热膜通电，在稳定达到最高耐热温度以后，经历了一段时间，产品的外观和构造不会受到损坏，绝缘性能没有大的改变，冷态电阻阻值变化在一定范围以内。
耐高温，加热膜环境温度达到一定高温以后，放置一定长度的时间，加热膜的基本性能不发生改变。加热膜可以处于正常工作状态时，或者断电搁置状态时。
耐低温，与耐高温类似，要含义一个低温范围。
冷热交变，又叫温度冲击，高分子材质或者无机物，在反复快速经历高低温的循环变化以后，加热膜关键性能变化应该在一定范围以内。
耐冲击，道路车辆的重要器件，都必须具备耐冲击能力。进一步的，考虑到加热膜，最好考察期工作安装状态的耐冲击性能。
耐振动，情形类似耐冲击能力。
阻燃性，也是车辆材质的一个基本要求，尤其电动汽车，一般要求V0级。
4电热膜重要参数
在以往面对航天特种等行业的电热膜公司中，已经有先行者在产品品类中列出了动力锂电池加热专用电热膜这个类别。电热膜在动力锂电池包中的应用还不成熟，选择怎么样的电热膜，以怎么样的方式应用到电池包中，可能要结构设计和电气设计共同参与。选择一个电热膜，除了先考虑前面可靠性因素以外，就是产品实际的可用性。
什么是加热膜应用最重要的参数？
一般想来，电热膜种类，安装方式，工作电压范围，功率密度，工作温度范围，应该是要考虑的重点因素。
电热膜种类，是权衡电池包生命周期与电热膜生命周期的匹配性，性价比，前面的可靠性，电气需求和结构需求等因素，综合考虑以后确定的。
安装方式，结合电池包具体情况，尤其空间布置情况，维修计划，冷却系统的类型等等，确定电热膜的安装位置和方法。
工作温度范围，明确产品目标地区，确定加热需求；
功率密度，是加热膜单位面积的发热能力。根据前面的工作温度范围，结合电池包实际热负荷，用极限温度条件，计算要的最大功率密度。
工作电压，一个设计完成的电热膜，其加热功率是依靠电压调节的，并且可调范围很宽。我们要先选定一个理想的加热时长，再根据电池包热负荷选取目标功率和目标电压。假如希望加热功率可调，则要配置调压电源。
5在电动汽车上的应用形式
转述一个利用电热膜给电动汽加热的实际案例。作者潘成久，在他的论文《电动汽车电池包保温与加热的研究》中，介绍了在电动汽车上使用加热膜进行低温下动力锂电池加热的方法。
问题描述：一款串联式的纯电动驱动车辆，在低温环境下(例如－20℃)，锂离子动力锂电池存在两个方面的问题，一个是低温下，电池放电能力极差，即使满电情况，车辆的驱动能力也会大打折扣；另一个，低温充电，已经被认为是是动力锂电池折损寿命最快途径。低温下，电池内部带电离子的传导能力差，电荷在负极材料结构内部的转移和嵌入能力也差。假如低温正常电流充电，大量锂离子堆积到负极表面无法嵌入，多种途径获得电子后沉积在电极表面，形成锂单质堆积；锂金属非常容易发生晶体不均匀生长的现象，枝晶生长到足够规模，就可能刺穿隔膜，造成正负极之间直接连通形成内短路。总之，低温启动电动汽车，后果很严重，因此要发动之前，给动力锂电池先加热。
案例使用加热膜加热的方式，将聚酰亚胺加热膜粘贴在方形电芯上，如下图所示。目标加热时间1h，考虑电池包在充公电过程会散发掉一部分热量，计算得到加热功率单片14W；电热膜电压为1.8V。电池包为2P90S设计，共180颗电芯，使用180片加热片。加热片之间采用串联方式。
选择整个系统的温度最低点，文章经过测试，认为加热过程中，文图的最低点出现在单体电芯的正极柱上，因此在此设置温度检测点。
与加热装置配合使用的，是为电池包设计保温方法。文章选择二氧化硅气凝胶作为保温材料，材质厚度10mm。
将电池包放置在零下20度环境中，静置16小时，达到内外温度均衡。经过了54min加热过程，电池包最高温度达到11℃，电池管理系统监测到的最大温差2℃，达到可以正常充电状态。经历如此处理的电池包，单次续驶里程达到常温的90%以上，远远高于不加热直接起动行驶的里程数（一般为常温续驶里程的60%左右）。
加热膜占用空间小确实是难得的优点，但在动力锂电池包内的使用上，可能要在可靠性和安全性上做充足的验证。
