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电热膜在动力电池低温加热中的应用

发布来源:深圳市铨隆五金制品有限公司  发布日期: 2022-05-01  访问量:45

1 电动汽车的一般加热方法

目前,电动汽车常用的加热方法之一是与冷却系统相结合的加热功能,如热泵空调、热管、相变材料等。在这种加热系统中,加热过程以制冷的逆过程形式出现,制冷和加热基本上是在一个系统内进行的,制冷和加热的切换取决于控制器和系统工作过程中的物理和化学属性,不确定系统的专业名称是什么。这里暂时给它起个名字,集成热管理系统。另一种加热方法是专门为电动汽车在寒冷环境中工作的需要而设计的。它是一套与制冷无关的独立加热设备,暂时称为独立加热系统。

电阻加热器和电热膜加热是目前应用的独立加热系统。本文主要讨论电热膜加热方案的相关内容。



2 电热膜类型及工作原理

传统的加热膜主要用于建筑业,用作隐蔽的加热系统,将电热膜埋在墙壁或地板下,在寒冷的季节,通电后加热空间。与传统的集中供暖相比,加热膜可以更均匀地加热空间,带来更舒适的体验。

近年来,电热膜在电动汽车中的应用逐渐被提及。相关标准尚未发现,可参考建筑业和家电行业的标准。《JGJ 319-2013 低温辐射电热膜供热系统应用技术规程《JGT 286-2010 低温辐射电热膜。

金属电热膜、无机电热膜(包括碳纤维电热膜、油墨电热膜等。)和聚合物电热膜按电热膜包装材料的不同分类。

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,将导电金属材料附着在绝缘材料上,然后在金属层表面覆盖一层绝缘材料,将金属层紧属层,形成薄片导电膜。通电后,金属内阻加热,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、不同的工作电压和加热功率,不同的金属材料有不同的电路设计,以满足不同的用户参数要求。不同金属材料的选择也会直接影响电热膜的成本。

无机电热膜,无机是指石墨、SiC、SiO2、导电墨、碳纤维等导电硅酸盐。无机电热膜将上述无机导电材料与阻燃剂、成膜剂等辅助材料混合,涂抹在绝缘基材上,形成导电膜。在加热膜的两端加载电压,导电层实际上是一层半导体,将电能转化为热能。

需要注意的是,一些无机导电材料在室温下是脆性物质,如SiO2它是玻璃的主要成分,需要涂在刚性基材上作为板材。另一部分是柔性的,如导电墨和碳纤维。无机耐高温,使用寿命长,易于获得,是一种性能优良的加热设备。但不能弯曲,变形困难是限制无机电热膜使用的重要原因。柔性无机电热膜可以得到更广泛的应用。

聚合物电热膜是在有机材料中加入导电颗粒,加工成薄膜材料,然后包装,或将导电材料涂抹在绝缘材料的基础上,制成有机导电膜,然后用聚合物绝缘材料包装。一般工作温度不如无机电热膜高。硅胶加热膜、聚酰亚胺加热膜、聚酰亚胺加热膜、PET加热膜属于应用广泛的类别。

列出几个典型的加热膜参数表:

聚酯膜:






聚酰亚胺膜:






硅橡胶加热膜:






3 电热膜在动力电池组中的应用

电热膜在动力电池包中的应用,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电池包内有着极大的优势。

电动汽车电加热膜产品参数示例:



然而,电热膜并没有广泛应用于道路车辆的先例。需要进一步调查其安全性和可靠性。参照建筑业标准,增加对汽车应用环境的影响因素,以下方面应是电热膜安全要求的重点项目。

绝缘、泄漏电流和电气强度。加热膜要么贴在电池上,要么贴在传热能力强的金属表面。其绝缘性能是首先要考虑的问题。一般绝缘性能通过检测泄漏电流和介电强度来衡量。

功率输入偏差作为加热元件,直接影响系统控制环境温度的能力。家电行业的薄膜加热产品标准要求其输入功率偏差-10%~5%之间。

干烧耐温性是指在稳定达到最高耐热温度后,产品的外观和结构不会受损,绝缘性能变化不大,冷电阻值在一定范围内变化。

耐高温,加热膜环境温度达到一定高温后,放置一定长度,加热膜加热膜的基本性能不会改变。当加热膜可以正常工作或停电时,加热膜可以搁置。

耐低温,类似于耐高温,需要定义低温范围。

冷热交变,又称温度冲击、聚合物材料或无机物质,在反复快速经历高低温循环变化后,加热膜的关键性能变化应在一定范围内。

道路车辆的重要设备必须具有耐冲击性。此外,考虑到加热膜,最好检查工作安装状态的耐冲击性。

耐振动,情况类似于耐冲击性。

阻燃性也是车辆材料的基本要求,尤其是电动汽车V0级。


4 电热膜的重要参数

在过去,面对航天军工等行业的电热膜企业中,一些先驱已经在产品类别中列出了电力电池加热专用电热膜的类别。电热膜在电力电池组中的应用还不成熟。电热膜的选择和应用方式可能需要结构设计和电气设计的共同参与。选择电热膜,除了考虑之前的可靠性因素外,还是产品的实际可用性。

应用加热膜最重要的参数是什么?

一般来说,应考虑电热膜的类型、安装方法、工作电压范围、功率密度和工作温度范围。

电热膜的类型是综合考虑后确定的,以权衡电池组生命周期与电热膜生命周期的匹配性、性价比、以前的可靠性、电气需求和结构需求。

安装方法,结合电池组的具体情况,特别是空间布置、维护计划、冷却系统类型等,确定电热膜的安装位置和方法。

工作温度范围,明确产品目标区域,确定加热需求;

功率密度是加热膜单位面积的加热能力。根据之前的工作温度范围和电池组的实际热负荷,计算所需的最大功率密度。

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。我们需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。如果希望加热功率可调,则需要配置调压电源。


5 在电动汽车上的应用形式

转述一个使用电热膜加热电动汽车的实际案例。作者潘成久在论文《电动汽车电池组保温加热研究》中介绍了电动汽车低温电池加热的方法。

问题描述:在低温环境下(如-20 ),一系列纯电动驱动车辆℃),锂离子动力电池有两个问题。一是低温下电池放电能力极差,即使满电,车辆的驱动能力也会大大降低;另一方面,低温充电被认为是电力电池损坏寿命最快的方式。低温下,电池内带电离子的传导能力差,负极材料结构内电荷的转移和嵌入能力差。如果低温正常电流充电,大量锂离子堆积在负极表面不能嵌入,电子后沉积在电极表面,形成锂单质堆积;锂金属容易晶体生长不均匀,分支晶体生长到足够大,可能刺穿隔膜,导致正负极直接连接,形成内短路。简而言之,低温启动电动汽车的后果非常严重,因此需要在启动前加热电力电池。

聚酰亚胺加热膜粘贴在方形电池上,如下图所示。目标加热时间1h,考虑到电池组在充电过程中会释放部分热量,计算加热功率单片14W;电热膜电压为1.8V。电池包为2P90S设计有180个电池和180个加热片。加热片串联。




选择整个系统的最低温度点。经过,文章认为图纸的最低点出现在单个电池的正极柱上,因此在此设置了温度检测点。

配合加热装置,为电池组设计保温方案。本文选用二氧化硅气凝胶作为保温材料,材料厚度10mm。

将电池组放置在零下20度的环境中,静置16小时,达到内外温度平衡。54min在加热过程中,电池组的最高温度达到11℃,电池管理系统监测的最大温差2℃,达到正常充电状态。经过这样处理的电池组,单次行驶里程达到室温的90%以上,远高于不加热直接启动行驶的里程(一般约为室温行驶里程的60%)。


加热膜占用空间小确实是难得的优势,但在使用动力电池组时,可能需要充分验证其可靠性和安全性。


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参考文献

1 TB/T 2704-2005 铁路客车电加热器;

2 JGJ 319-2013 低温辐射电热膜加热系统应用技术规程;

3 JGT 286-2010 低温辐射电热膜;

4 研究汽车动力电池低温加热方法;

5 电动汽车电池组保温加热研究;

6 丁宣中,基于电热膜的车辆电加热装置研究。


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