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全气候新能源汽车关键技术及展望.pdf

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一、前言

近年来,我国新能源汽车产业快速发展,技术水平大幅提升,产业链日趋完

善,发展成就举世瞩目。但是,随着新能源汽车市场规模的不断扩大,气候环境

对新能源汽车性能的影响不断凸显。相对于目前在高温高湿环境下较为成熟的电

池冷却与电气防护等技术,新能源汽车在极寒环境下的综合性能(包括续驶里程、

启动时间、空调性能、安全性与可靠性等)会明显下降,是目前国际公认的技术

难题,也是当前新能源汽车运行的“禁区”。

根据新能源汽车国家监测与管理平台数据显示,我国新能源汽车应用聚集区

主要分布于京津冀、江浙沪和珠江三角洲等中东部地区,而广袤的西北与东北地

区则几乎成为了新能源汽车推广应用的“真空地带”。这除了与当地经济发展水平、

人口聚集、政策等因素密切相关外,新能源汽车低温环境下的适应性,尤其是低

温条件下的“续航里程焦虑”问题成为其规模化推广的掣肘。

近期,美国汽车协会(AAA)对特斯拉公司、宝马集团、通用汽车公司、大

众汽车股份有限公司和日产汽车公司等企业的多款新能源汽车进行了续驶里程

测试,研究显示,在打开空调的工况下,与24℃的舒适环境相比,在–7℃的寒

冷环境下新能源汽车续驶里程平均减少41%,在35℃的高温环境下续驶里程平

均减少17%。

新能源汽车在极寒环境下存在无法启动、续驶里程锐减、充电困难而且存

在安全隐患等问题,已成为制约新能源汽车全气候规模化应用的主要障碍。因

此,重点围绕制约新能源汽车低温环境应用的三大问题,创新性地提出了电池

快速自加热、高效低温增焓空调、整车保温隔热等技术方案,解决了新能源汽

车在极寒环境下的应用难题。

二、全气候新能源汽车技术方案

(一)动力电池自加热技术

锂离子动力电池系统在低温环境下会出现明显的性能下降。首先,在低温

环境下,电池容量衰减明显,导致新能源汽车续驶里程以及整车动力性能显著下

降;其次,车辆启动时间延长,–30℃时在无外部加热情况下车辆无法正常启动;

最后,低温环境下电池充电困难,传统的先预热后充电的方式存在能耗高、充电

时间长、成本高、结构复杂的缺点,且影响动力电池使用寿命,严重的甚至会引

发安全事故。王朝阳教授团队提出的基于第三极镍箔自加热的全气候动力电池技

术方案很好地解决了上述问题。

1.动力电池自加热原理

电池自加热原理如图1所示,在传统锂离子动力电池电极部件之间植入50

μm厚的镍箔充当自加热热源。当电池处于较低温度时,系统控制连接正极和加

热极耳间的加热控制开关闭合,电池内部人为产生了可控的内短路,电子被迫通

过镍箔在电池内部形成了闭合回路,由于有电流通过,在镍箔上产生了热效应,

使得电池获得了内部自加热,因而电池温度开始回升。当电池温度超过0℃时,

电池内部的电化学反应得到激活,电化学反应的进行能够为电池提供更为可靠和

大功率的加热源,同时可进行正常的充放电行为,因而加热控制开关在此时被断

开,电池自动停止加热,转入正常使用状态。

图1全气候动力电池自加热原理图

使用混合动力脉冲能力特性(HPPC)对电池脉冲功率进行测试,在–30℃的

情况下,50%及80%荷电状态(SOC)的电池其放电功率分别提高到了1061W/kg

和1600W/kg,功率水平是在相同温度条件下普通电池的5~6倍。

在单体层面对电池自加热性能和耗能水平进行的研究结果如图2所示,电

池可在30s内从–30℃加热至0℃,电池耗能水平在自身能量的5%以内。与传

统外部加热方式相比,电池自加热技术具有升温快速、耗能低、加热均匀的优点,

能够解决电池在极寒环境下的使用“瓶颈”问题。

图2单体电池从–30℃加热至0℃实验效果

2.单体电池关键技术

为了使全气候动力电池能够实现产业化生产并向全国推广,针对电池在设计

和生产方面的关键技术难题,北京理工大学联合中信国安盟固利动力科技有限公

司对全气候电池单体电芯及自加热技术方案进行了攻关,对电池的结构设计、

热场设计、加热片的几何参数等进行了系统的选择和研究。

为了满足电池产业化生产的要求,节约开发时间,全气候动力电池结构设计

采用加热极与电池极耳对侧引出的方式,如图3所示,极耳对侧引出的方案能够

使得极耳具有足够的截面积以满足大电流输出的需求。同时为了保证电池封装的

可靠性且方便与铝塑膜壳体进行封装,

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