鉅大LARGE | 點擊量：232次 | 2024年01月17日
有關(guān)電熱膜在動力鋰離子電池低溫加熱中的應(yīng)用領(lǐng)域
1、電動汽車的一般加熱方法
電動汽車當(dāng)前比較常用的加熱方法，一大類型是與冷卻系統(tǒng)復(fù)合在一起的制熱功能，比如熱泵空調(diào)，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(nèi)部進行，靠控制器和系統(tǒng)工作期間的物理、化學(xué)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)境下工作的要設(shè)計，是一套獨立的加熱設(shè)備，與制冷無關(guān)，我們暫且稱之為獨立制熱系統(tǒng)。
當(dāng)前應(yīng)用的獨立制熱系統(tǒng)，重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，重要在建筑行業(yè)應(yīng)用，用作隱蔽供暖系統(tǒng)，將電熱膜預(yù)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。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
具體到電熱膜在電動汽車上的應(yīng)用，是最近幾年逐漸被提及的事情。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)?！禞GJ319-2013低溫輻射電熱膜供暖系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和《JGT286-2010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(shù)，將導(dǎo)電的金屬材質(zhì)附著到絕緣材質(zhì)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(dǎo)電膜。通電后，金屬內(nèi)阻發(fā)熱，形成電熱效應(yīng)。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(zhì)配合不同的電路設(shè)計，滿足不同的用戶參數(shù)要求。不同金屬材質(zhì)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(dǎo)電材料為無機物，比如石墨、SiC、SiO2、導(dǎo)電油墨、炭纖維和其他導(dǎo)電硅酸鹽等等。無機電熱膜，將上述無機導(dǎo)電物質(zhì)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(dǎo)電膜。給加熱膜兩端加載電壓，導(dǎo)電層實際上是一層半導(dǎo)體，將電能轉(zhuǎn)化成熱能。
要說明的是，一部分無機導(dǎo)電材料常溫下是脆性物質(zhì)，比如SiO2是玻璃的重要成分，此類電熱膜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(dǎo)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(yīng)用。
高分子電熱膜，是在有機材料中加入導(dǎo)電粒子，加工成薄膜材料后封裝，或者把導(dǎo)電材料涂抹在絕緣材料基底上，制成有機導(dǎo)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(yīng)用比較廣的品類。
3電熱膜在動力鋰電池包中的應(yīng)用
電熱膜在動力鋰電池包中的應(yīng)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鋰電池包內(nèi)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(yīng)用的先例，關(guān)于他的安全性和可靠性，還要進一步考察。參照建筑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并新增考慮汽車應(yīng)用環(huán)境的影響因素，關(guān)于電熱膜安全性要求，下面幾個方面應(yīng)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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(gòu)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(nèi)。
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，要含義一個低溫范圍。
冷熱交變，又叫溫度沖擊，高分子材質(zhì)或者無機物，在反復(fù)快速經(jīng)歷高低溫的循環(huán)變化以后，加熱膜關(guān)鍵性能變化應(yīng)該在一定范圍以內(nèi)。
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(zhì)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)
在以往面對航天特種等行業(yè)的電熱膜公司中，已經(jīng)有先行者在產(chǎn)品品類中列出了動力鋰電池加熱專用電熱膜這個類別。電熱膜在動力鋰電池包中的應(yīng)用還不成熟，選擇怎么樣的電熱膜，以怎么樣的方式應(yīng)用到電池包中，可能要結(jié)構(gòu)設(shè)計和電氣設(shè)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。
什么是加熱膜應(yīng)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(yīng)該是要考慮的重點因素。
電熱膜種類，是權(quán)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(jié)構(gòu)需求等因素，綜合考慮以后確定的。
安裝方式，結(jié)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(biāo)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(jié)合電池包實際熱負荷，用極限溫度條件，計算要的最大功率密度。
工作電壓，一個設(shè)計完成的電熱膜，其加熱功率是依靠電壓調(diào)節(jié)的，并且可調(diào)范圍很寬。我們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(biāo)功率和目標(biāo)電壓。假如希望加熱功率可調(diào)，則要配置調(diào)壓電源。
5、在電動汽車上的應(yīng)用形式
轉(zhuǎn)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鋰電池加熱的方法。
問題描述：一款串聯(lián)式的純電動驅(qū)動車輛，在低溫環(huán)境下(例如－20℃)，鋰離子動力鋰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(qū)動能力也會大打折扣；另一個，低溫充電，已經(jīng)被認為是是動力鋰電池折損壽命最快途徑。低溫下，電池內(nèi)部帶電離子的傳導(dǎo)能力差，電荷在負極材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的轉(zhuǎn)移和嵌入能力也差。假如低溫正常電流充電，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(zhì)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(nèi)短路?？傊?，低溫啟動電動汽車，后果很嚴重，因此要發(fā)動之前，給動力鋰電池先加熱。
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(biāo)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(shè)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(shè)置溫度檢測點。
與加熱裝置配合使用的，是為電池包設(shè)計保溫方法。文章選擇二氧化硅氣凝膠作為保溫材料，材質(zhì)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(nèi)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，但在動力鋰電池包內(nèi)的使用上，可能要在可靠性和安全性上做充足的驗證。鋰離子電池在低溫下的使用存在諸多問題：放電比容量低、放電電壓下降、充不進電、循環(huán)倍率性能差、析鋰問題等。研究發(fā)現(xiàn)制約鋰離子低溫性能的根本原因歸結(jié)為低溫阻礙了鋰離子電池充放電過程中Li+和電子的有效傳輸，無論是電極/電解液界面的電荷轉(zhuǎn)移過程還是Li+在SEI膜、電解液以及電極中的傳輸過程均受到低溫的影響，會新增電池極化，從而導(dǎo)致電池性能變差。具體有以下幾點因素[]：
（1）低溫下電解液粘度增大，甚至部分凝固，導(dǎo)致離子電導(dǎo)率低；
（2）低溫下電解液與電極、隔膜之間相容性變差；
（3）低溫下負極析鋰嚴重、且析出的金屬鋰與電解液反應(yīng)，其產(chǎn)物沉淀導(dǎo)致固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）厚度新增；
（4）低溫下鋰離子在活性物質(zhì)內(nèi)部擴散系數(shù)降低，電荷轉(zhuǎn)移阻抗（Rct）顯著增大。
