李存俊，胡　寧，白志浩

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽　合肥　230009）

Li Cunjun，Hu Ning，Bai Zhihao

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磷酸鐵鋰電池溫升特性的研究

李存俊，胡寧，白志浩

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽合肥230009）

Li Cunjun，Hu Ning，Bai Zhihao

摘要：介紹磷酸鐵鋰電池的工作原理和生熱特性，通過(guò)對(duì)鋰電池單體三維模型在不同放電倍率下的仿真計(jì)算，分析放電倍率對(duì)電池溫升特性的影響，最后通過(guò)鋰電池單體試驗(yàn)驗(yàn)證單體三維模型的可行性。

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰電池；溫升特性；放電倍率；單體電池試驗(yàn)

0　引　言1

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源，其電池性能好壞與溫度緊密相關(guān)，需要對(duì)動(dòng)力電池的工作溫度嚴(yán)格控制。動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車(chē)正常使用當(dāng)中，經(jīng)常處于各種不同放電倍率組合的工況下，不同放電倍率對(duì)電池的溫升影響不同，文中選取電動(dòng)汽車(chē)正常使用工況下幾種典型的放電倍率，分析不同放電倍率對(duì)電池溫升的影響。

1　磷酸鐵鋰電池分析

1.1磷酸鐵鋰電池的工作原理

磷酸鐵鋰電池主要由正負(fù)極材料、電解液、隔膜等材料組成。充電時(shí)，正極材料上的Li+從正極上脫落下來(lái)，經(jīng)電解質(zhì)，到達(dá)負(fù)極，相應(yīng)的電荷從外部電路到負(fù)極上。放電時(shí)，負(fù)極材料上的Li+從負(fù)極脫落，到達(dá)正極，同時(shí)相應(yīng)的電荷，從外部電路到達(dá)正極形成電流[1]。磷酸鐵鋰電池的正負(fù)極上的化學(xué)反應(yīng)式為

正極反應(yīng)式

負(fù)極反應(yīng)式

電池的總反應(yīng)式

充放電的反應(yīng)過(guò)程如圖1所示。

圖1　磷酸鐵鋰電池充放電示意圖

1.2磷酸鐵鋰電池的生熱特性

鋰電池在電池的正常充放電過(guò)程中，電池內(nèi)部發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)，其生熱源特別復(fù)雜。研究表明鋰電池在充放電過(guò)程產(chǎn)生的熱量[4]主要有反應(yīng)熱、焦耳熱和極化熱[2]。

1.2.1反應(yīng)熱

反應(yīng)熱是指鋰離子在正負(fù)極產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。在充電時(shí)，產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)表現(xiàn)為吸熱；放電時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)表現(xiàn)為放熱。

反應(yīng)熱Qr可以表示為

式中，Ee是鋰電池的電動(dòng)勢(shì)；T為開(kāi)氏溫度；n為鋰電池充放電反應(yīng)中產(chǎn)生的電荷數(shù)；F為法拉第常數(shù)96485.4C/mol。

1.2.2焦耳熱

焦耳熱是指鋰電池工作時(shí)，電荷在電池內(nèi)部轉(zhuǎn)移時(shí)，克服電池內(nèi)部電阻而產(chǎn)生的熱量。焦耳熱可以表示為

式中，Rj為焦耳內(nèi)阻。

1.2.3極化熱

極化熱是指鋰電池在充放電過(guò)程中，因電流作用在正負(fù)極上發(fā)生極化現(xiàn)象而產(chǎn)生的熱量。極化熱可以表示為

式中，Rp為極化內(nèi)阻。

因此電池的總生熱量可以表示為

式中，R=Rj+Rp。

美國(guó)的Benadi在假設(shè)鋰電池是均勻生熱的基礎(chǔ)上，提出一種電池生熱模型[3]，其模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為

為溫度系數(shù)，在給定放電倍率的情況下，其為一個(gè)常數(shù)。

2　磷酸鐵鋰電池的散熱模擬

2.1磷酸鐵鋰電池的參數(shù)

采用國(guó)內(nèi)某電池廠家9A×h的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池。

規(guī)格尺寸為112mm×6mm×120mm，電池單體的密度為1987kg/m3，等效比熱容為1091J/(kg×K)，在x、y和z方向上的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.2W/(m×K)、5.7W/(m×K)和5.7W/(m×K)。

2.2電池散熱模型

使用散熱三維模型[4]

式中，r為電池單體的密度；Cp為電池單體的等效比熱容；T為電池的溫度；hx、hy及hz分別為電池單體在x、y及z方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；f為電池的生熱率。

2.3動(dòng)力電池在不同倍率下的仿真分析

圖2～圖4分別為磷酸鐵鋰電池在環(huán)境溫度為30℃下不同放電倍率的仿真結(jié)果圖。

圖2　0.5C放電倍率下電池溫度分布

圖3　1C放電倍率下電池溫度分布

從圖2～圖4中可以看到，0.5C倍率下，電池溫升為5.195℃；1C倍率下，電池溫升為14.638℃；2C倍率下，電池溫升為39.546℃。當(dāng)放電倍率為0.5C與1C時(shí)，電池處于正常的工作溫度范圍；當(dāng)放電倍率為2C時(shí)，電池的溫度已經(jīng)超出正常工作范圍，此時(shí)電池的性能已經(jīng)受到影響。從以上這些溫升數(shù)據(jù)可以看出，電池的放電倍率對(duì)電池的溫升影響極大，特別是在高倍率下，電池溫度極易超出電池的極限，造成電池?fù)p傷，甚至可能出現(xiàn)熱失控等后果。因此在平常使用電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，盡量避免突然加速等對(duì)電池傷害極大的行為。

2.4電池單體的試驗(yàn)驗(yàn)證

采用充放電設(shè)備分別對(duì)電池進(jìn)行不同倍率的放電，采用溫度記錄儀進(jìn)行溫度采集。

操作步驟：將溫度傳感器布置在動(dòng)力電池單體4個(gè)側(cè)面的中心處（將平行于長(zhǎng)度方向上的面定為x面，平行于寬度方向的面定為y面），并用絕熱材料將電池包裹放置在恒溫箱內(nèi)，分別對(duì)動(dòng)力電池在0.5C、1C和2C下進(jìn)行放電，記錄下溫度傳感器的數(shù)值，將相同方向上的傳感器溫度取平均值作為電池單體的表面溫度。表1為各個(gè)電池單體在各個(gè)放電倍率下的仿真數(shù)值與試驗(yàn)數(shù)值的比較。

表1　各放電倍率下電池表面的溫度℃

從表1各放電倍率下電池表面的溫度中可以看出，各表面的仿真數(shù)值與試驗(yàn)數(shù)值的誤差在0.7～1.4之間，所建立的電池三維散熱模型的仿真結(jié)果與電池單體的試驗(yàn)結(jié)果很接近，證明所建立的磷酸鐵鋰電池三維散熱模型具有可行性。

3　結(jié)　論

通過(guò)不同放電倍率下仿真磷酸鐵鋰電池的溫度分布，了解電池的溫升特性，結(jié)果表明，放電倍率對(duì)電池的溫升影響很大，特別是在高倍率下電池的溫度極易超出極限，造成安全事故。

通過(guò)對(duì)磷酸鐵鋰單體電池的試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了所使用的電池單體的三維散熱模型的正確性。

參考文獻(xiàn)

[1]李相哲，蘇芳，林道勇.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電源系統(tǒng)[M].北京：化學(xué)出版社，2011.

[2]胡銳鴻.電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子電池?zé)崽匦约吧嵫b置的數(shù)值模擬[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014.

[3]Bernardi D, Pawlikowski E, Newman J.A General Energy Balance for Battery Systems[J].Journal of the Electrochemical Society, 1984，132（1）：5-12.

[4]朱聰，呂江毅，李興虎，等.方形鋰離子電池組熱模型[J].汽車(chē)工程，2012，36（4）：339-344.

收稿日期：2016-01-18

基金項(xiàng)目：安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（1308085ME64）；合肥工業(yè)大學(xué)春華計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013HGCH0010）。

文章編號(hào)：1002-4581（2016）02-0005-03

中圖分類(lèi)號(hào)：TM912.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.02.002