请问纹波电流加热技术及对新能源汽车性能有何影响

在新能源汽车研发及测试过程中，有些性能参数的测试如纹波电流/电压等过去并未被生产厂家重视，但在汽车出口时却至关重要。事实上，纹波电流如果发生异常，不仅影响动力电池及其管理系统的运行品质，严重时甚至会影响整车的安全性能。为此，分析了新能源汽车纹波电流的来源及其对整车性能的影响；探讨了利用纹波电流进行动力电池自加热技术，即利用纹波电流对电池正负极施加交流激励，使电池内部阻抗产生热量，实现电池的交流自加热，从而提升动力电池输出性能、增加新能源汽车续航里程。

我国汽车行业正面临快速进入全球竞争的挑战,过去并不重视的一些性能参数测试在出口时却至关重要,如纹波电流测试｡国内鲜有对新能源汽车的纹波产生机理及如何降低纹波危害等方面的研究,而国外许多国家在汽车验收时将纹波限值作为判定整车合格与否的8个考核指标之一｡纹波过大不仅会造成严重的电磁干扰,还会对动力电池性能产生巨大影响,因此,全面认识并解决纹波的影响成为众多新能源整车厂家和动力电池厂家亟待解决的课题 ^[2]^ ｡

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纹波来源

大量理论分析和实际应用表明 ^[3]^ ,纹波的来源主要包括以下3个方面:①车辆电机控制器产生;②车辆电机产生;③充电桩充电时引入｡

经过大量不同变量对纹波幅值和频率影响的测试发现,新能源汽车的动力输出转矩和转速是影响纹波波形的重要因素,即转矩影响纹波的幅值分布,转速影响纹波的频率分布｡在转速不变的情况下,增大转矩,纹波的频率范围不变,幅值增大;在转矩不变的情况下,增大转速,纹波的频率随之增大,两者呈线性相关｡

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纹波影响

对动力电池的影响

对于新能源汽车的动力电池而言,纹波可能会造成电池析锂､阳极颗粒开裂､热分布不一致等现象,这对电芯模块会造成不可逆的损伤｡电池包模块由电芯模块串联､并联组成,纹波对电芯的影响会传导至电池包模块,继而产生不可控的谐振大电流,而谐振大电流会诱发热失衡,这对电池的热管理提出了挑战 ^[4]^ ｡

对电池管理系统(BMS)的影响

新能源汽车BMS会受到纹波的影响[2]｡BMS控制动力电池多方面的功能,如电池组管理､充放电控制､功率限制､热管理､电池安全保护和预警等｡纹波一旦对BMS产生干扰,或影响传感器(如温度传感器)的正常工作,这对新能源汽车整车的正常､稳定运行提出了巨大挑战,而新能源汽车的高压系统组件是高频纹波传播的最主要途径｡

对整车运行的影响

新能源汽车动力电池包由继电器､保险丝､复合母排､模组等组成,各组件自身及相互连接均会产生寄生电感,最终导致电池包阻抗随纹波频率的提高而增大｡在车辆行驶过程中,在一定频段内发生谐振,对应纹波电流大幅增大,导致电池严重发热,且呈现不均衡发热,这对电池的热管理提出了严峻挑战｡在车辆行驶过程中,电池温度过高,BMS会切断电池对车辆的供电,导致车辆在路上失去动力｡

纹波具有随机性,叠加到电池包中的纹波呈现频率宽､幅值大的特点｡在研究纹波对动力电池的影响时,向电池中注入扫频纹波,查看测试数据后发现,个别单体电芯会超过限制电压,触发BMS的单压过压保护和单体压差保护,进而影响车辆正常运行｡电池包会在特定频率点检测到异常､非真实值的电流信号,进而触发电池包的断开保护,使电池包继电器脱开,停止工作｡

测试过程表明,不同电池包会在不同的频率点出现此现象,在检测过程中一般此类保护可以通过手动清除故障来恢复,但如果在车辆的实际行驶过程中,电池与继电器断开会导致车辆无法启动,在运行中失去动力,甚至导致行车故障｡

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纹波用于电池内部加热

为了消除和避免新能源汽车的纹波危害,一些新能源汽车制造厂家和动力电池厂家已经开始进行改善性或利用性研究｡如目前已有厂家开始研究利用纹波来给动力电池加热,实现电池的交流自加热,从而提升动力电池输出性能｡

动力电池加热方式

新能源汽车发展的一大瓶颈是续航里程问题,尤其是在北方寒冷的冬季,续航里程“跳水”让消费者无法接受｡在低温环境下对5辆不同新能源汽车进行续航测试,结果表明续航里程平均下降率为37%,这与消费者对于续航里程衰减的容忍度(约为10%)差距较大｡此外,在低温寒冷的条件下车辆冷启动时动力不足､剩余里程突然下降､充电变慢等问题也成为新能源汽车发展的技术瓶颈 ^[5]^ ｡

根据加热方式,现有的主流动力电池热管理加热方法可分为外部加热法和内部加热法｡

外部加热法包括循环空气加热法､液体循环加热法､正温度系数电阻(PTC)加热膜法和热泵加热法;内部加热法包括内部镍片自加热法､直流自加热法､直流脉冲自加热法和交流纹波自加热法｡外部加热法中循环空气加热法､液体循环加热法的工业成本高,涉及到整车各系统的热源､管路零部件数量较多,系统复杂度高,并且环境适应性差[6];而PTC加热膜法的加热方式为单侧加热,温升热均衡效果不佳且能耗比较高,在极端温度下需要消耗40%的电池能量｡

采用外部加热法时需要先加热箱体结构件､电池壳体,再将热量传导至集流体活性材料,因此存在大量热损失,热接触和热负荷一致性较差,导致加热工况中存在加热速度慢､能量利用率低､温度不均匀等先天固有缺陷;而内部加热法自内向外的加热路径可以极大克服以上缺陷｡

纹波加热原理

交流纹波是指电动汽车整车处于能量回收､车辆运行或电池充电等状态时会在直流高压母线上产生的交流谐波｡纹波加热是对电池正负极施加一定频率和幅值的交流激励,电流经电池内部的欧姆阻抗后产生焦耳热等,电芯内部被加热后,热量经过热传导和热交换传递至电池壳体表面,实现交流自加热,加热原理图如图1所示｡纹波加热技术应用的关键在于针对不同电池,找到其不同低温场景下长循环寿命的电流和频率完全安全的策略边界｡

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结语

本文分析了新能源汽车纹波电流的来源及其对整车性能的影响,探讨了利用纹波电流进行动力电池内部自加热的技术｡

目前,新能源汽车的整车纹波加热有6种潜在的应用场景,因此可以从实际需求出发,设计满足不同应用场景的纹波波形,评估不同场景下不同波形对电池循环寿命的影响,找到纹波电流加热效果与电池老化寿命的平衡点,加快纹波电流加热技术在实际整车中的应用｡