鉅大LARGE | 點擊量：240次 | 2024年01月17日
有關電熱膜在動力鋰離子電池低溫加熱中的應用領域
1、電動汽車的一般加熱方法
電動汽車當前比較常用的加熱方法，一大類型是與冷卻系統復合在一起的制熱功能，比如熱泵空調，熱管、相變材料等等，這種制熱系統中，加熱過程以制冷的逆過程形式出現，制冷制熱基本在一個系統內部進行，靠控制器和系統工作期間的物理、化學等屬性實現制冷制熱的切換，不確定這個系統的專業名稱是什么，這里暫且給它起個名字，一體化熱管理系統。另一種加熱方法，專門針對電動汽車在寒冷環境下工作的要設計，是一套獨立的加熱設備，與制冷無關，我們暫且稱之為獨立制熱系統。
當前應用的獨立制熱系統，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
傳統加熱膜，重要在建筑行業應用，用作隱蔽供暖系統，將電熱膜預埋到墻壁或者地板下面，寒冷季節，通電后給空間加熱。相比于傳統的集中式暖氣，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防爆標準
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用，是最近幾年逐漸被提及的事情。相關標準還沒有發現，能夠參考的都還是建筑行業、家用電器行業的標準。《JGJ319-2013低溫輻射電熱膜供暖系統應用技術規程》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品，采用氣相生長等成膜技術，將導電的金屬材質附著到絕緣材質上，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，形成薄片狀導電膜。通電后，金屬內阻發熱，形成電熱效應。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熱功率，不同金屬材質配合不同的電路設計，滿足不同的用戶參數要求。不同金屬材質的選擇，也會直接影響電熱膜的造價。
無機電熱膜，無機指的是導電材料為無機物，比如石墨、SiC、SiO2、導電油墨、炭纖維和其他導電硅酸鹽等等。無機電熱膜，將上述無機導電物質與阻燃劑、成膜劑等輔料混合到一起，一同涂抹到絕緣基材上，形成導電膜。給加熱膜兩端加載電壓，導電層實際上是一層半導體，將電能轉化成熱能。
要說明的是，一部分無機導電材料常溫下是脆性物質，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。而另外一部分表現為柔性，比如導電油墨和炭纖維。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用。
高分子電熱膜，是在有機材料中加入導電粒子，加工成薄膜材料后封裝，或者把導電材料涂抹在絕緣材料基底上，制成有機導電膜，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，都屬于應用比較廣的品類。
3電熱膜在動力鋰電池包中的應用
電熱膜在動力鋰電池包中的應用，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有著極大的優勢。
電動汽車用電加熱膜產品參數示例：
但電熱膜并沒有在道路車輛上大量應用的先例，關于他的安全性和可靠性，還要進一步考察。參照建筑行業標準，并新增考慮汽車應用環境的影響因素，關于電熱膜安全性要求，下面幾個方面應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，作為一個發熱元件，功率控制的準確性直接影響系統對環境溫度的掌控能力。家電行業的薄膜加熱產品標準，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，在穩定達到最高耐熱溫度以后，經歷了一段時間，產品的外觀和構造不會受到損壞，絕緣性能沒有大的改變，冷態電阻阻值變化在一定范圍以內。
耐高溫，加熱膜環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生改變。加熱膜可以處于正常工作狀態時，或者斷電擱置狀態時。
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，高分子材質或者無機物，在反復快速經歷高低溫的循環變化以后，加熱膜關鍵性能變化應該在一定范圍以內。
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
在以往面對航天特種等行業的電熱膜公司中，已經有先行者在產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用還不成熟，選擇怎么樣的電熱膜，以怎么樣的方式應用到電池包中，可能要結構設計和電氣設計共同參與。選擇一個電熱膜，除了先考慮前面可靠性因素以外，就是產品實際的可用性。
什么是加熱膜應用最重要的參數？
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，應該是要考慮的重點因素。
電熱膜種類，是權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，電氣需求和結構需求等因素，綜合考慮以后確定的。
安裝方式，結合電池包具體情況，尤其空間布置情況，維修計劃，冷卻系統的類型等等，確定電熱膜的安裝位置和方法。
工作溫度范圍，明確產品目標地區，確定加熱需求；
功率密度，是加熱膜單位面積的發熱能力。根據前面的工作溫度范圍，結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，一個設計完成的電熱膜，其加熱功率是依靠電壓調節的，并且可調范圍很寬。我們要先選定一個理想的加熱時長，再根據電池包熱負荷選取目標功率和目標電壓。假如希望加熱功率可調，則要配置調壓電源。
5、在電動汽車上的應用形式
轉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：一款串聯式的純電動驅動車輛，在低溫環境下(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，即使滿電情況，車輛的驅動能力也會大打折扣；另一個，低溫充電，已經被認為是是動力鋰電池折損壽命最快途徑。低溫下，電池內部帶電離子的傳導能力差，電荷在負極材料結構內部的轉移和嵌入能力也差。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，形成鋰單質堆積；鋰金屬非常容易發生晶體不均勻生長的現象，枝晶生長到足夠規模，就可能刺穿隔膜，造成正負極之間直接連通形成內短路?？傊蜏貑与妱悠?，后果很嚴重，因此要發動之前，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。目標加熱時間1h，考慮電池包在充公電過程會散發掉一部分熱量，計算得到加熱功率單片14W；電熱膜電壓為1.8V。電池包為2P90S設計，共180顆電芯，使用180片加熱片。加熱片之間采用串聯方式。
選擇整個系統的溫度最低點，文章經過測試，認為加熱過程中，文圖的最低點出現在單體電芯的正極柱上，因此在此設置溫度檢測點。
與加熱裝置配合使用的，是為電池包設計保溫方法。文章選擇二氧化硅氣凝膠作為保溫材料，材質厚度10mm。
將電池包放置在零下20度環境中，靜置16小時，達到內外溫度均衡。經過了54min加熱過程，電池包最高溫度達到11℃，電池管理系統監測到的最大溫差2℃，達到可以正常充電狀態。經歷如此處理的電池包，單次續駛里程達到常溫的90%以上，遠遠高于不加熱直接起動行駛的里程數（一般為常溫續駛里程的60%左右）。
加熱膜占用空間小確實是難得的優點，但在動力鋰電池包內的使用上，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、循環倍率性能差、析鋰問題等。研究發現制約鋰離子低溫性能的根本原因歸結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，導致離子電導率低；
（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，其產物沉淀導致固態電解質界面（SEI）厚度新增；
（4）低溫下鋰離子在活性物質內部擴散系數降低，電荷轉移阻抗（Rct）顯著增大。
