解决电动汽车冬季里程问题——电池预热系统

冬天里，电动汽车性能下降。前文书说到，给电动汽车预热，是提高续航里程，保护电池寿命的好办法。那么，电动汽车是怎样做预热的，有哪些加热方式，具体怎么实施的，这里一并汇总。

电动汽车的预热，指在发动汽车以前，利用充电机提供的外部电源，用各种加热手段给动力电池加热，使它达到最佳放电工作温度以后，再发动汽车或者开始充电。

PTC预热系统

PTC，PositiveTemperatureCoefficient的缩写，翻译过来就是正温度系数热敏电阻，一种温度敏感性半导体器件，当温度超过某一个值以后，电阻随着自身温度的升高而增大。在加热系统中，作为发热元件使用。

在电池包内部，按照系统热负荷计算需要的PTC总体数量。用DCDC提供12V电源，在预热阶段，DCDC的输入端连接车辆以外的电源，比如民用交流电；如果车辆行驶过程中需要加热，则DCDC的输入切换成动力电池。预热和行驶过程中加热，都由电池管理系统BMS总体控制加热过程。温度传感器检测电池温度，通过CAN总线将温度数据实时传送给BMS。BMS根据设计人员预先设定的预热或者加热控制策略，管理加热过程，达到预定温度后，切断加热电路。

有研究具体介绍了BMS与充电机配合，进行预热的逻辑过程。充电枪物理连接完成以后，充电机向BMS发送握手CAN报文；BMS检测电池状态，如果电池温度低于设定的预热阈值，则进入预热模式，BMS闭合预热回路。由充电机提供电源给DCDC，DCDC将电能转换成12V直流电，给PTC供电，加热电池组。此时的电池组主回路为断开状态，只有电池管理系统在工作。当加热温度超过预设的电池正常工作温度以后，BMS收到温度传感器的温度数据，判断加热过程可以借书。接着，检测电池电量，如果低于一个预设值，则系统切换至充电状态，充电机给动力电池充电，后续充电过程和充电结束程序与正常充电一致，不再赘述；如果电量高于充电预设阈值，则结束加热过程，切断充电机与动力电池的联系。完成预热过程后，汽车可以进入起动模式，开始自检等一系列起动程序。

电热膜预热系统

电热膜加热，结构设计上与PTC不同，但本质上都是利用电热器件发热，提高电池温度。

电热膜的加热功率依靠加载的电压调节，如果条件允许，电热膜加热功率范围比较宽，可以实现大范围调节。但需要配备可调节电压范围的电源。

电热膜可以串联供电也可以并联供电。串联情形下，单片电热膜的端电压与内阻成正比，当内阻出现较大差异时，电热膜的加热功率也会出现很大不同，不同位置电芯的温升速率出现差异。如果按照等功率的设定布置电热膜的位置，电热膜的内阻均匀一致性需要考虑。

电热膜并联，则每一篇电热膜需要一组电源线，连接至电源，线路比较复杂一些。但优点是，电热膜发热功率差异性小，且加热功率调节范围宽。

使用电热膜的管理策略，与PTC没有特别大的不同，这里不再赘述。

液冷预热系统

这里用液冷系统这个名字，想聊的却是它的加热能力。液冷系统是针对动力电池包整体热管理需求设计的系统，夏季冷却，冬季加热，是个全能型选手。

液冷系统主要包括液冷散热器，冷却液循环管路、热交换系统和液体循环动力几个部分组成。热量从热交换系统经过循环管路通过散热器传递给动力电池。

利用充电机给液冷系统加热，由于冷却系统本身的复杂性，使得液冷系统实现预热，也比PTC预热系统要复杂。加热过程需要考虑给冷却液和电池两个部分加热，因而除了加热过程的控制，还有液体循环系统的控制配合。如果液体循环系统的控制权限在整车控制器而不是在电池管理系统BMS，则交互过程需要充电机、整车控制器和BMS三方共同参与完成。

液冷系统预热，复杂性比较高，但完成预热以后，效果也会保持的更为持久。因为其他几种形式，预热只是加热了电池和周边的结构器件，热容量比较小；而液冷系统预热，同时还加热了冷却液。在预热完成以后，冷却液可以停止循环，作为一个具有大的热容量的保温系统，一般地区，电池箱体不需要保温层，也能确保电动汽车起动后，全程正常工作而无需再使用动力电池作为电源加热。因此，对于具有液冷系统的电池包，预热提高里程的效果是最明显的。

相变材料预热系统

相变材料，PCM，PhaseChangeMaterial的缩写。相变材料冷却技术，是利用材料的相变潜热，维持系统环境保持在恒定温度范围不变。应用较多的相变材料有石蜡-膨胀石墨。相变材料的作用过程，有下面一个曲线图可以比较清晰的展示出来。

相变材料的具体应用形式，可以将相变材料填充在导热良好的壳体里面，也可以将电池直接浸泡在绝缘性能良好的相变材料中，直接接触吸热。

由于相变材料加热，本身的潜热是受到体积和潜热容量限制的，因此，一般相变材料都与其他热管理手段联合使用。比如与风冷结合，让空气流动带来外部加热器的热量；与热管结合使用，通过热管的作用，将外部热量传递到电池包内部。

相变材料具有较大的热容量，在预热完成以后，大量的潜热保存在材料当中，起到系统保温恒温的作用。

热管预热系统

热管，一个全封闭的空间内，毛细作用驱动液体运动、温差驱动蒸汽流动的高效率传热器件。冷却介质在高温区域气化，在低温区域冷凝。通过物态变化，将热量从高温部分传递至低温部分。

微型热管，顾名思义，尺寸极小的热管，截面尺寸在微米量级，长度一般几个厘米。工作原理与普通热管相似，但是内部无吸液芯，通道截面带有尖角，冷凝液体主要依靠尖角毛细作用回流。

总之，可以说，热管不是一个热量存储装置，而是一个高效率的热量传递装置。热管在加热系统中的应用，一定需要其他类型热管理装置的配合。比如，在电池包外部有发热装置，在电池包内部，有与动力电池进行热量传递的散热器等。热管和散热器设计安装完成以后，就可以自行工作，但发热元件需要管理系统的支配，配合充电机一起工作。

交流预热系统

交流加热系统，是结构形式上最简单的系统，不需要额外配置传热元件，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，以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。因此，交流加热系统，需要一个调频调压的整流逆变电源，以及与之配合的BMS电池管理预热策略，交互过程与PTC预热过程类似，需要增加一个变频电源控制器，交互过程中需要BMS、变频电源控制器和充电机三方参与，过程由BMS主导。

交流加热优势很明显，就是结构形式简单，并且加热均匀，效率高。但针对该加热方式对于电池寿命是否存在明显损害的研究，还没有看到明确的结论。