【BMS】电池包低温加热技术

1、目的：

提高锂电池低温充放电性能。（如电动车在寒冷天气续航变短、启动困难、充电难以充满等一些列问题）

2、分类

2.1 外部加热

2.1.1 电热元件加热

电热原件加热为最常见的低温加热方式，主要有PCB电热板、橡胶电热膜、挠性电热膜和特殊的PTC加热板。前三者都属于恒定电阻加热元件，而PTC（Positive Temeperature Coefficient）属于可变电阻加热元件。

1、PCB电热板

PCB电热板 又叫环氧树脂电热板，PCB电热板是以环氧树脂为绝缘体，以金属箔/纳米浆料为内导电发热体，经高温热复合而成，环氧树脂加热板具有优异的绝缘强度，优异的耐电压性能，优异的热传导率，优异的电阻稳定性，现已广泛应用于电加热领域。

2、硅胶电热膜

硅胶加热膜是在有机材料中加入导电粒子，加工成薄膜材料后封装，或者把导电材料涂抹在绝缘材料基底上，制成有机导电膜，再用高分子绝缘材料封装。一般工作温度没有PCB电热膜高。

PTC热敏电阻加电后自热升温使阻值进入跃变区，恒温加热PTC热敏电阻表面温度将保持恒定值，该温度只与PTC热敏电阻的居里温度和外加电压有关，而与环境温度基本无关。

3、挠性电热膜

绝缘挠性电加热膜是另一种加热器，它可以根据工件的任意形状弯曲，确保与工件紧密接触，保证最大的热能传递。外形和PCB加热板相近，只不过是柔性材料。

4、可变电阻加热元件：PTC

PTC和NTC都属于热敏电阻，PTC是正向热敏电阻，即温度越高电阻越大，NTC为负向热敏电阻，即温度越高，电阻越低，常用于电池包温度采样元件和过温保护。
这里只说PTC，其原理为：PTC热敏电阻加电后自热升温使阻值进入跃变区，恒温加热PTC热敏电阻表面温度将保持恒定值，该温度只与PTC热敏电阻的居里温度和外加电压有关，而与环境温度基本无关。

PTC加热器具有恒温发热、无明火、热转换率高、受电源电压影响极小、自然寿命长等传统发热元件无法比拟的优势。不得不说，基础科学的发展对人类是多么有意义。

2.1.2 冷热一体组件加热

这里的冷热一体组件指的是半导体制冷片，乍一听这名字不是制冷吗，怎么用来加热。
其原理为：利用半导体材料的帕尔贴（Peltier）效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量。这个过程是可逆的，当改变电极，冷端和热端将对换。适合同时需要制冷和制热的场景，比如电池包在高温时需要散热，低温时需要加热。
注意，它的本质是形成温差，有些电池包厂家在冷热端分别加上风扇，便可加速这个热量传递的过程，例如利用风扇将环境温度吹向半导体的冷端，冷端会把多余的热量继续向热端传递，仍然稳点到一个温差。

其特点是高精度和高稳定度、长寿命、体积小、无噪声、无磨损、无振动、无污染、既可制冷又可加热等优点，是真正的绿色产品。

2.1.3 相变材料加热

相变材料 (Phase change materials, PCM) 通过物质相态变化实现热量的储存和释放，相变材料通过响应温度实现对热能的存储和释放。相变材料因其高储能密度、储能恒温等优势是目前高效的热能存储技术之一，在极速降温杯，恒温床垫，电子器件控温，建筑控温节能、太阳能光热利用、余热回收利用、冷链运输等领域具有广泛的应用前景。此外，相变材料是化学惰性的，几乎具有无限的寿命。

最常见的相变材料就是水：

相变材料掺杂在电芯的空隙之中：

2.1.4 空气对流式加热

空气对流式加热又称古风市加热，主要组成有：加热装置（加热丝）、风扇、风道，风扇将加热丝的热量通过风道吹向电池包。原理类似吹风机，自行脑补吧。这种方式因为体积不会太小，除了汽车动力电池，消费电子类产品一般不会直接用在电池包上，大多用在充电器上，充电时对电池包进行加热。

2.1.5 液体对流式加热

液体对流式加热类似于电池包水冷技术，也是用水带缠绕在电芯中间，很好理解，一般用于动力型电池。

特斯拉 水冷示意：

2.2 内部加热

2.2.1 交流电加热

交流电加热法是一种通过交流激励直接对电池内部进行加热的电池加热方法。 在低温情况下，交流电源输出交流电，使得电流不断流经电池内部的阻抗，产生热量，从而实现对电池内部的加热。目前可以达到3℃/min的温升速度。

2.2.2 脉冲电流电加热

脉冲电流电加热利用脉冲电流流经电池内部阻抗产生的热量对动力电池进行加热。脉冲电流的波形一般由充电电流、放电电流和间歇组成，间歇时间可以避免动力电池负极颗粒界面上的锂离子饱和，以避免析锂，对电池寿命影响较小。

2.2.3 电触发自加热法

该方法是一种通过电流流经电池内部加设的镍片产生欧姆热实现对电池自身加热的电池加热方法。采用在电池内部加装一片镍片的结构，当温度低于设定温度时，开关断开，电流流经镍片产生热量；当温度高于设定值时，开关闭合，停止加热，从而实现对锂离子动力电池低温加热的可控性。该方法由美国宾夕法尼亚州立大学王朝阳教授在其发表在Nature的一篇文章中提出。实验结果表明，该方法可在1min内将动力电池从-30℃加热到0℃以上，温升速度极高，但是该方法需要改变动力电池内部结构，实施过程具有挑战性。