一、前言

　　近年來，我國新能源汽車産業快速發展，技術水平大幅提升，産業鍊日趨完善，發展成就舉世矚目[1]。但是，随着新能源汽車市場規模的不斷擴大，氣候環境對新能源汽車性能的影響不斷凸顯。相對于目前在高溫高濕環境下較為成熟的電池冷卻與電氣防護等技術[2,3]，新能源汽車在極寒環境下的綜合性能（包括續駛裡程、啟動時間、空調性能、安全性與可靠性等）會明顯下降，是目前國際公認的技術難題，也是當前新能源汽車運行的“禁區”。

　　根據新能源汽車國家監測與管理平台數據顯示，我國新能源汽車應用聚集區主要分布于京津冀、江浙滬和珠江三角洲等中東部地區，而廣袤的西北與東北地區則幾乎成為了新能源汽車推廣應用的“真空地帶”。這除了與當地經濟發展水平、人口聚集、政策等因素密切相關外，新能源汽車低溫環境下的适應性，尤其是低溫條件下的“續航裡程焦慮”問題成為其規模化推廣的掣肘[4]。

　　近期，美國汽車協會（AAA）對特斯拉公司、寶馬集團、通用汽車公司、大衆汽車股份有限公司和日産汽車公司等企業的多款新能源汽車進行了續駛裡程測試，研究顯示，在打開空調的工況下，與24 ℃的舒适環境相比，在–7 ℃的寒冷環境下新能源汽車續駛裡程平均減少41%，在35 ℃的高溫環境下續駛裡程平均減少17% [5]。

　　新能源汽車在極寒環境下存在無法啟動、續駛裡程銳減、充電困難而且存在安全隐患等問題，已成為制約新能源汽車全氣候規模化應用的主要障礙。因此，本文重點圍繞制約新能源汽車低溫環境應用的三大問題，創新性地提出了電池快速自加熱、高效低溫增焓空調、整車保溫隔熱等技術方案，解決了新能源汽車在極寒環境下的應用難題。

　　二、全氣候新能源汽車技術方案

　　（一）動力電池自加熱技術

　　锂離子動力電池系統在低溫環境下會出現明顯的性能下降。首先，在低溫環境下，電池容量衰減明顯，導緻新能源汽車續駛裡程以及整車動力性能顯著下降；其次，車輛啟動時間延長，–30 ℃時在無外部加熱情況下車輛無法正常啟動；最後，低溫環境下電池充電困難，傳統的先預熱後充電的方式存在能耗高、充電時間長、成本高、結構複雜的缺點，且影響動力電池使用壽命，嚴重的甚至會引發安全事故。王朝陽教授團隊[6] 提出的基于第三極鎳箔自加熱的全氣候動力電池技術方案很好地解決了上述問題。

　　1. 動力電池自加熱原理

　　電池自加熱原理如圖1 所示，在傳統锂離子動力電池電極部件之間植入50 μm 厚的鎳箔充當自加熱熱源。當電池處于較低溫度時，系統控制連接正極和加熱極耳間的加熱控制開關閉合，電池内部人為産生了可控的内短路，電子被迫通過鎳箔在電池内部形成了閉合回路，由于有電流通過，在鎳箔上産生了熱效應，使得電池獲得了内部自加熱，因而電池溫度開始回升。當電池溫度超過0 ℃時，電池内部的電化學反應得到激活，電化學反應的進行能夠為電池提供更為可靠和大功率的加熱源，同時可進行正常的充放電行為，因而加熱控制開關在此時被斷開，電池自動停止加熱，轉入正常使用狀态。

　　圖 1  全氣候動力電池自加熱原理圖 [6]

　　使用混合動力脈沖能力特性（HPPC）對電池脈沖功率進行測試，在–30 ℃的情況下，50% 及80% 荷電狀态（SOC）的電池其放電功率分别提高到了1061 W/kg 和1600 W/kg，功率水平是在相同溫度條件下普通電池的5~6 倍。

　　在單體層面對電池自加熱性能和耗能水平進行的研究結果如圖2 所示，電池可在30 s 内從–30 ℃加熱至0 ℃，電池耗能水平在自身能量的5% 以内。與傳統外部加熱方式相比，電池自加熱技術具有升溫快速、耗能低、加熱均勻的優點，能夠解決電池在極寒環境下的使用“瓶頸”問題。

　　圖 2  單體電池從 –30 ℃加熱至 0 ℃實驗效果

　　2. 單體電池關鍵技術

　　為了使全氣候動力電池能夠實現産業化生産并向全國推廣，針對電池在設計和生産方面的關鍵技術難題，北京理工大學聯合中信國安盟固利動力科技有限公司對全氣候電池單體電芯及自加熱技術方案進行了攻關，對電池的結構設計、熱場設計、加熱片的幾何參數等進行了系統的選擇和研究。

　　為了滿足電池産業化生産的要求，節約開發時間，全氣候動力電池結構設計采用加熱極與電池極耳對側引出的方式，如圖3 所示，極耳對側引出的方案能夠使得極耳具有足夠的截面積以滿足大電流輸出的需求。同時為了保證電池封裝的可靠性且方便與鋁塑膜殼體進行封裝，發熱體引出端采用與電池相同的銅鍍鎳極耳進行連接，連接完成後與鋁塑膜進行熱封。

　　圖 3  全氣候電池單體

　　加熱片設計是全氣候電池單體的關鍵技術，加熱片除了要滿足發熱量及發熱點産熱均勻需求外，還需與外部保持良好的絕緣性，即要在金屬加熱片的外表面設計絕緣隔離層，保證加熱片既不與外部産生電接觸，又要保證加熱片的金屬本體不與電解液接觸。

　　通過對加熱片的電學、熱學性能的分析和實驗，全氣候動力電池采用如圖4 所示的外覆隔離膜的加熱片方案。為保持電芯容量并減小電芯厚度，基于更高能量密度電芯設計原則，加熱片優選參數如表1 所示，優化後的加熱片阻值為8 mΩ，且小線寬、小間隙密度的“S”型加熱片能夠使産熱更加均勻。

　　圖 4  加熱片覆膜外形

　　表 1  基體電池優化參數

　　實驗結果顯示，全氣候锂離子動力電池單體電芯從–40 ℃自加熱至0 ℃耗時45 s，自熱耗電量不超過單體電量的5%，電池内外溫度最大偏差≤ 5 ℃。經封裝、耐壓、絕緣等可靠性驗證，使用陶瓷隔離膜及熱複合技術的加熱片能夠在電池内部與電解液實現電隔離，在改善全氣候自加熱電池性能的同時提升了全氣候電池的安全可靠性。目前，已開發出高能量68 Ah 電芯，其基本性能如下：電池比能量為230 Wh/kg，在50% 荷電狀态下，電池的直流内阻小于1.2 mΩ，功率密度大于1500 W/kg，常溫循環2000 次容量保持在90% 以上，同時單體電池通過了外部短路、針刺、擠壓、過充電、過放電等安全性測試。

　　3. 電池系統關鍵技術

　　全氣候動力電池系統（見圖5）由絕緣密封箱體、電池管理系統和熱管理系統等組成，完善的電池管理策略對電池的一緻性、安全性和耐久性至關重要。

　　圖 5  全氣候動力電池系統樣機

　　全氣候動力電池管理系統包含系統自加熱控制電路和控制策略（見圖6），通過建立電池内部溫度預測模型監控動力電池熱響應特性，預警熱失控行為，完善了動力電池系統熱– 電耦合集成管理。全氣候動力電池綜合物理模型如圖7 所示，動力電池綜合物理模型融合了電化學機理模型、分數階阻抗模型和動力電池N 階RC（N-RC）等效電路模型。通過對動力電池模型的優化及參數在線辨識，基于存檔和實時運行數據驅動的動力電池模型能夠實現動力電池動态容量和SOC 多尺度聯合估計，保障了電池的使用壽命和使用性能。

　　圖 6 全氣候動力電池梯次加熱控制策略

　　注：BMS 為電池管理系統，OCV 為開路電壓

　　圖 7  全氣候動力電池系統綜合物理模型

　　注：SOE 為電池剩餘電量；BMS 為電池管理系統

　　全氣候動力電池熱管理系統低溫自加熱技術采用整車一鍵加熱控制方式，全氣候動力電池系統一鍵加熱設計如圖8 所示，通過對車輛啟動狀況、緊急情況和車輛充電狀态的加熱方式進行合理的邏輯設計，保證了在不同工況下電池均能夠獲得合理有效的加熱，同時提高了駕駛員決策的重要度和人機交互水平。

　　圖 8 人機交互界面

　　注：VCU 為電動汽車整車控制器；BMS 為電池管理系統

　　考慮到車輛可能遇到涉水路面等不同行駛路況，系統對環境适應性進行了充分的考慮，持續性超強防護能力測試流程如圖9 所示，經過嚴苛的系統設計及測試，電池系統能夠達到IP68 的防護等圖 5 全氣候動力電池系統樣機級，能夠适應全氣候、全路況的使用要求。

　　圖 9  持續性超強防護能力測試流程圖

　　4. 整車低溫環境試驗

　　2018 年和2019 年冬季，研發團隊兩次在内蒙古海拉爾開展了12 m 純電動大客車、7 m 純電動中型客車和純電動乘用車極寒環境下的場地試驗。在–30 ℃的環境中，整車靜置40 h 以上，在動力電池系統最低溫度達到–22 ℃的情況下，整車進行了冷啟動、全氣候動力電池低溫加熱、空調制熱、除霜及冰雪條件下的整車20% 爬坡、加速、制動、能耗等系列試驗。駐車加熱試驗結果如表2 所示，試驗實現了6 min 快速自加熱啟動，溫升速度超過5 ℃ /min，低溫啟動環節電池加熱能耗不高于5%，在車輛行駛過程中無需再對電池加熱。

　　表 2  駐車加熱試驗結果

　　（二）高效冷暖一體增焓熱泵空調技術

　　燃油汽車的空調制熱通過利用發動機的餘熱作為熱源為車廂提供熱量，而電動汽車冬天制熱時由于可以利用的熱源有限，隻能依靠正溫度系數（PTC）熱敏電阻制熱等方式。相關研究顯示，在打開空調的工況下，與24 ℃的舒适環境相比，在–7 ℃的寒冷環境下新能源汽車續駛裡程平均減少41%，在35 ℃的高溫環境下續駛裡程平均減少17% [5]，極端高低溫環境下空調的能量消耗嚴重制約着電動汽車的續航能力。針對這一問題，相關學者提出了熱泵型空調系統等多種解決方案[7,8]，傳統熱泵空調具有能量效率高、節能效果顯著、應用範圍廣的特點，可以實現一機多用的效果，但是其也存在低溫制熱效率低下、技術難度高、結構複雜和制熱速度慢的缺點。

　　為了解決空調高耗能對電動汽車的影響，作者團隊研發了低溫補氣增焓熱泵空調技術，該技術具有寬溫區、高能效和安全性好等特點，能夠解決空調使用溫度受限及能效低的難題，适合新能源汽車的使用。

　　采用低溫補氣增焓熱泵空調技術的高效冷暖一體化熱泵空調系統的技術方案如圖10 所示，其工作原理是通過具有兩級節流、中間噴氣技術的增焓壓縮機，并使用閃蒸器進行氣液分離來實現增焓，同時在換熱介質通過中低壓時，一邊壓縮一邊噴氣混合冷卻，然後在高壓時正常壓縮，提高壓縮機排氣量，從而達到低溫環境下提升制熱能力的目的。

　　圖 10  高效冷暖一體化熱泵空調系統

　　根據系統結構及運行特征，針對空調的準二級壓縮制熱循環進行了仿真模拟，分析了噴射支路膨脹閥開度對準二級壓縮制熱循環的影響，對冷暖增焓熱泵進行了優化分析，得到了制熱循環優化的方法，揭示了制冷劑噴射和系統循環各參數之間的影響關系，獲得了基于最佳能效的噴射規律。

　　基于上述研究，團隊進行了熱泵空調系統樣機開發和性能測試，電動客車高效電動冷暖一體化空調樣機及測試裝置如圖11 所示，在低溫增焓空調制熱試驗中，實現了30 min 内整車車廂溫度從–30 ℃提升到19 ℃。在車外–20 ℃，車内20 ℃工況下，制熱能效比達到1.64；在車外35 ℃，車内27 ℃工況下，制冷能效比達到3.0，實現低溫環境下快速啟動與高效運行，熱泵空調相關技術指标如表3 所示。

　　圖 11  電動客車低溫空氣源熱泵樣機以及測試裝置

　　表 3  熱泵空調系統技術指标

　　經過一系列的原理創新、仿真優化和方案改進，采用低溫補氣增焓熱泵空調技術的高效冷暖一體化熱泵空調系統能夠很好地權衡制冷制熱效果和能耗之間的矛盾，實現了高能效低能耗的整車應用要求。

　　（三）整車隔熱保溫技術

　　全氣候新能源汽車車體結構的高溫散熱、低溫保溫直接影響整車能耗及續駛裡程。作者團隊從傳熱途徑和熱量産生的兩個方面研究了全氣候新能源汽車新型車體隔熱保溫技術，采用隔熱材料、在車輛内部安裝額外的加熱源這兩種途徑實現整車的隔熱保溫。

　　車體采用納米多孔氣凝膠隔熱材料進行隔熱保溫減少了車輛内部與環境之間的傳熱，降低了車體熱量散失。納米多孔氣凝膠作為一種分散介質為氣體的凝膠固體材料可作為新型車體隔熱材料，其由膠體粒子或高聚物分子相互聚積成網絡結構的納米多孔性材料組成，如圖12 所示，氣凝膠材料孔洞大小和骨架尺寸為納米量級，孔洞的典型尺寸為1~100 nm，孔洞率可達80%~99.8%，比表面積為200~1000 m2/g，密度可低至3 kg/m3，具有穩定的納米多孔結構、導熱系數小（低于0.03 W/m·K）的優點。

　　圖 12  納米多孔氣凝膠

　　整車玻璃隔熱材料采用低輻射隔熱玻璃，其傳熱特性如圖13 所示，通過加入真空層，低輻射隔熱玻璃可降低傳熱，同時内壁鍍低輻射膜，可使得輻射熱量盡可能小，具有導熱系數小，隔熱效果好、吸音等優點，同時能夠在寒冷地區保持車内溫度，達到減少空調電耗，節約能源的目的。

　　圖 13  低輻射隔熱玻璃傳熱特性

　　另外在車輛内部安裝了石墨烯電加熱膜熱源實現對車體的保溫。如圖14 所示，石墨烯電加熱膜具有可利用紅外輻射對汽車内部進行加熱，同時厚度小，可節省空間，能量效率高，采用面狀加熱，加熱均勻，可進行低溫輻射加熱，避免過熱，不排放任何有害氣體，材料無毒害，可通過控制系統達到最優的加熱效果。

　　圖 14  石墨烯電加熱膜

　　綜合使用氣凝膠隔熱材料、低輻射隔熱玻璃和石墨烯電加熱膜對車輛進行全面可靠的保溫和加熱，在保持車輛溫度改善車輛行駛性能的同時降低了能耗，有助于純電動客車的全域推廣。

　　三、全氣候新能源汽車技術展望

　　要推動全氣候新能源汽車的規模化應用，在上述關鍵技術樣機的基礎上開展技術優化和産業化研究至關重要。

　　（一）高溫液冷與低溫自加熱集成設計，真正實現新能源汽車“全氣候無禁區運行”

　　目前新能源汽車多采用液冷式散熱來解決高溫環境下電池的散熱問題，液冷系統的優點是降溫速度快、均溫性好、流體（溫度和流量）控制簡單和精準，而電池自加熱是解決極寒環境應用的創新性技術。因此，使新能源汽車兼具高溫和極寒環境下應用的能力，則需進一步将高溫液冷與自加熱技術進行集成設計，通過冷卻與加熱使電池組維持在一定的溫度範圍區間，從而保證電動車的電機、電池和電控系統在全氣候環境下正常運行。

　　（二）突破低溫禁區，推進全氣候動力電池産業化

　　電池自加熱技術創新性地解決了電池低溫性能劣化的問題，但距産業化還有一定距離，因此提高全氣候電池安全性、降低成本至關重要。在自加熱低溫電池全面推廣之前還需對加熱片、隔離膜的選材和制造工藝進行優化，并加強對電池安全性能影響因素的研究。

　　（三）高效冷暖一體化熱泵空調升溫速率提升

　　目前高效冷暖一體化熱泵空調雖然具有寬溫區、高能效等特點，但是在實際樣機測試中熱泵空調的升溫速率不夠理想，因此在系統能耗和升溫速率間找到合适的匹配是今後的重點研究方向。

　　（四）配套的工藝裝備和高效生産技術，助力新能源汽車規模化推廣

　　全氣候新能源汽車的部分生産工藝相對于傳統汽車有較大改動，需要開發相應設備同時優化生産藝，如熱複合絕緣隔離膜、焊接與封裝設備、整車保溫隔熱材料等配套的生産設備及工藝，降低制造成本，提高動力電池一緻性及整車安全性。

　　四、結語

　　全氣候新能源汽車是多項技術綜合集成和應用的典範，包含了自加熱電池及系統設計、高效低溫增焓熱泵空調、車體隔熱與保溫等多項創新性技術，解決了極寒環境下新能源汽車無法充放電、整車無法啟動、空調能耗高等多項技術難題，可在–40~60 ℃超寬環境溫度下正常運行。系列化項目成果已在低溫環境下進行實車試驗，并将在2022 年北京冬季奧林匹克運動會低溫環境下進行示範應用，從而推動我國乃至國際新能源汽車的全氣候應用。

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