1 電動汽車的一般加熱方法

目前，電動汽車常用的加熱方法之一是與冷卻系統(tǒng)相結(jié)合的加熱功能，如熱泵空調(diào)、熱管、相變材料等。在這種加熱系統(tǒng)中，加熱過程以制冷的逆過程形式出現(xiàn)，制冷和加熱基本上是在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行的，制冷和加熱的切換取決于控制器和系統(tǒng)工作期間的物理和化學(xué)屬性，不確定系統(tǒng)的專業(yè)名稱是什么，暫時(shí)給它起個(gè)名字，集成熱管理系統(tǒng)。另一種加熱方法是專門為電動汽車在寒冷環(huán)境中工作的需要而設(shè)計(jì)的。它是一套與制冷無關(guān)的獨(dú)立加熱設(shè)備，暫時(shí)稱為獨(dú)立加熱系統(tǒng)。

電阻加熱器和電熱膜加熱是目前應(yīng)用的獨(dú)立加熱系統(tǒng)。本文主要討論電熱膜加熱方案的相關(guān)內(nèi)容。

2 電熱膜的類型和工作原理

傳統(tǒng)的加熱膜主要用于建筑業(yè)，用作隱蔽的加熱系統(tǒng)，將電熱膜埋在墻壁或地板下，在寒冷的季節(jié)，通電后加熱空間。與傳統(tǒng)的集中供暖相比，加熱膜可以更均勻地加熱空間，帶來更舒適的體驗(yàn)。

近年來，電熱膜在電動汽車中的應(yīng)用逐漸被提及。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未發(fā)現(xiàn)，可參考建筑業(yè)和家電行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。《JGJ 319-2013 低溫輻射電熱膜加熱系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程《JGT 286-2010 低溫輻射電熱膜。

金屬電熱膜、無機(jī)電熱膜(包括碳纖維電熱膜、油墨電熱膜等。)和聚合物電熱膜按電熱膜包裝材料的不同分類。

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)電金屬材料附著在絕緣材料上，然后在金屬層表面覆蓋一層絕緣材料，將金屬層緊密包裹，形成薄片導(dǎo)電膜。通電后，金屬內(nèi)阻發(fā)熱，形成電熱效應(yīng)。常用的金屬電加熱材料有銅和鎳，不同的材料有不同的電阻率、不同的工作電壓和加熱功率，不同的金屬材料有不同的電路設(shè)計(jì)，以滿足不同的用戶參數(shù)要求。不同金屬材料的選擇也會直接影響電熱膜的成本。

無機(jī)電熱膜，無機(jī)是指石墨、SiC、SiO2、導(dǎo)電墨、碳纖維等導(dǎo)電硅酸鹽等。無機(jī)電熱膜將上述無機(jī)導(dǎo)電材料與阻燃劑、成膜劑等輔助材料混合，涂抹在絕緣基材上，形成導(dǎo)電膜。在加熱膜的兩端加載電壓，導(dǎo)電層實(shí)際上是一層半導(dǎo)體，將電能轉(zhuǎn)化為熱能。

需要注意的是，一些無機(jī)導(dǎo)電材料在室溫下是脆性物質(zhì)，如SiO2是玻璃的主要成分，需要涂在剛性基材上作為板材。另一部分是柔性的，如導(dǎo)電墨和碳纖維。無機(jī)耐高溫，使用壽命長，易于獲得，是一種性能優(yōu)良的加熱設(shè)備。但無法彎曲，變形困難是限制無機(jī)電熱膜使用的重要原因。柔性無機(jī)電熱膜可廣泛應(yīng)用。

聚合物電熱膜是在有機(jī)材料中加入導(dǎo)電顆粒，加工成薄膜材料，然后包裝，或?qū)?dǎo)電材料涂抹在絕緣材料的基礎(chǔ)上，制成有機(jī)導(dǎo)電膜，然后用聚合物絕緣材料包裝。一般工作溫度不如無機(jī)電熱膜高。硅膠加熱膜、聚酰亞胺加熱膜、聚酰亞胺加熱膜、PET加熱膜屬于應(yīng)用廣泛的類別。

列出幾個(gè)典型的加熱膜參數(shù)表：

聚酯膜：

聚酰亞胺膜：

硅橡膠加熱膜：

3 電熱膜在動力電池組中的應(yīng)用

電熱膜在動力電池組中的應(yīng)用是近兩年討論較多的問題。加熱膜的高效率和良好的空間利用效果使電熱膜在空間極其有限的動力電池組中具有很大的優(yōu)勢。

電動汽車電加熱膜產(chǎn)品參數(shù)示例：

然而，電熱膜并沒有廣泛應(yīng)用于道路車輛的先例。需要進(jìn)一步調(diào)查其安全性和可靠性。參照建筑業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，增加對汽車應(yīng)用環(huán)境的影響因素，以下方面應(yīng)是電熱膜安全要求的重點(diǎn)項(xiàng)目。

絕緣、泄漏電流和電氣強(qiáng)度。加熱膜要么貼在電池上，要么貼在傳熱能力強(qiáng)的金屬表面。其絕緣性能是首先要考慮的問題。一般絕緣性能通過檢測泄漏電流和介電強(qiáng)度來衡量。

功率輸入偏差作為加熱元件，直接影響系統(tǒng)控制環(huán)境溫度的能力。家電行業(yè)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。

干燒耐溫性是指在穩(wěn)定達(dá)到較高耐熱溫度后，產(chǎn)品的外觀和結(jié)構(gòu)不會受損，絕緣性能變化不大，冷電阻值在一定范圍內(nèi)變化。

耐高溫，加熱膜環(huán)境溫度達(dá)到一定高溫后，放置一定長度，加熱膜加熱膜的基本性能不會改變。當(dāng)加熱膜可以正常工作或停電時(shí)，加熱膜可以擱置。

耐低溫，類似于耐高溫，需要定義低溫范圍。

冷熱交變，又稱溫度沖擊、聚合物材料或無機(jī)物質(zhì)，在反復(fù)快速經(jīng)歷高低溫循環(huán)變化后，加熱膜的關(guān)鍵性能變化應(yīng)在一定范圍內(nèi)。

道路車輛的重要設(shè)備必須具有耐沖擊性。此外，考慮到加熱膜，較好檢查工作安裝狀態(tài)的耐沖擊性。

耐振動，情況類似于耐沖擊性。

阻燃性也是車輛材料的基本要求，尤其是電動汽車V0級。

4 電熱膜的重要參數(shù)

在過去，面對航天**等行業(yè)的電熱膜企業(yè)中，一些先驅(qū)已經(jīng)在產(chǎn)品類別中列出了電力電池加熱專用電熱膜的類別。電熱膜在電力電池組中的應(yīng)用還不成熟。電熱膜的選擇和應(yīng)用方式可能需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)的共同參與。選擇電熱膜，除了考慮之前的可靠性因素外，還是產(chǎn)品的實(shí)際可用性。

應(yīng)用加熱膜較重要的參數(shù)是什么？

一般來說，應(yīng)考慮電熱膜的類型、安裝方法、工作電壓范圍、功率密度和工作溫度范圍。

電熱膜的類型是綜合考慮后確定的，以權(quán)衡電池組生命周期與電熱膜生命周期的匹配性、性價(jià)比、以前的可靠性、電氣需求和結(jié)構(gòu)需求。

安裝方法，結(jié)合電池組的具體情況，特別是空間布置、維護(hù)計(jì)劃、冷卻系統(tǒng)類型等，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)區(qū)域，確定加熱需求；

功率密度是加熱膜單位面積的加熱能力。根據(jù)之前的工作溫度范圍和電池組的實(shí)際熱負(fù)荷，計(jì)算所需的最大功率密度。

工作電壓，設(shè)計(jì)的電熱膜，其加熱功率依賴于電壓調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍很廣。我們需要首先選擇理想的加熱時(shí)間，然后根據(jù)電池組的熱負(fù)荷選擇目標(biāo)功率和目標(biāo)電壓。如果需要可調(diào)加熱功率，則需要配置壓力調(diào)節(jié)電源。

5 電動汽車的應(yīng)用形式

轉(zhuǎn)述一個(gè)使用電熱膜加熱電動汽車的實(shí)際案例。作者潘成久在論文《電動汽車電池組保溫加熱研究》中介紹了電動汽車低溫電池加熱的方法。

問題描述:在低溫環(huán)境下(如-20)，一系列純電動驅(qū)動車輛 ℃)，鋰離子動力電池有兩個(gè)問題。一是低溫下電池放電能力極差。即使?jié)M電，車輛的驅(qū)動能力也會大大降低；另一方面，低溫充電被認(rèn)為是電力電池?fù)p壞壽命的較快途徑。在低溫下，電池內(nèi)帶電離子的傳導(dǎo)能力差，負(fù)極材料結(jié)構(gòu)內(nèi)電荷的轉(zhuǎn)移和嵌入能力差。如果低溫正常電流充電，大量鋰離子不能嵌入負(fù)極表面，電子沉積在電極表面，形成鋰單質(zhì)積累；鋰金屬容易晶體生長不均勻，分支晶體生長足夠大，可能穿透隔膜，導(dǎo)致正負(fù)極直接連接形成內(nèi)短路。簡而言之，低溫啟動電動汽車的后果非常嚴(yán)重，因此需要在啟動前加熱動力電池。

聚酰亞胺加熱膜粘貼在方形電池上，如下圖所示。目標(biāo)加熱時(shí)間1h，考慮到電池組在充電過程中會釋放部分熱量，計(jì)算加熱功率單片14W；電熱膜電壓為1.8V。電池包為2P90S設(shè)計(jì)有180個(gè)電池和180個(gè)加熱片。加熱片串聯(lián)。

選擇整個(gè)系統(tǒng)的較低溫度點(diǎn)。經(jīng)過，文章認(rèn)為圖紙的較低點(diǎn)出現(xiàn)在單個(gè)電池的正極柱上，因此在此設(shè)置了溫度檢測點(diǎn)。

配合加熱裝置，為電池組設(shè)計(jì)保溫方案。本文選用二氧化硅氣凝膠作為保溫材料，材料厚度10mm。

將電池組放置在零下20度的環(huán)境中，靜置16小時(shí)，達(dá)到內(nèi)外溫度平衡。min在加熱過程中，電池組的較高溫度達(dá)到11℃，電池管理系統(tǒng)監(jiān)測的較大溫差2℃，達(dá)到正常充電狀態(tài)。經(jīng)過這樣處理的電池組，單次行駛里程達(dá)到室溫的90%以上，遠(yuǎn)高于不加熱直接啟動行駛的里程(一般約為室溫行駛里程的60%)。

加熱膜占用空間小確實(shí)是難得的優(yōu)勢，但在使用動力電池組時(shí)，可能需要充分驗(yàn)證其可靠性和安全性。