锂离子电池低温辅热方法研究

帅晓锋　刘克金叶新娜

（1.中航电动汽车（郑州）有限公司，河南 郑州450003；2.郑州飞机装备有限公司，河南 郑州450003，3.河南交通职业技术学院，河南 郑州450003）

锂离子电池低温辅热方法研究

帅晓锋1刘克金2叶新娜3

（1.中航电动汽车（郑州）有限公司，河南 郑州450003；2.郑州飞机装备有限公司，河南 郑州450003，3.河南交通职业技术学院，河南 郑州450003）

为提高锂离子动力电池的低温充放电性能，以某型特种车用磷酸铁锂电池组为研究对象，采用自限温伴热带方法进行辅热设计，分析并建立了该车电池组辅热模型，通过ANSYS有限元热仿真分析表明该辅热方法符合设计要求，最后通过电池组低温放电试验，验证了辅热方法设计符合该车的工程需要，该方法对其它电动车辆的电池组低温辅热设计同样有借鉴意义。

低温； 辅热； 锂离子电池； ANSYS；试验验证

1　引言

锂离子动力电池因其比功率高、能量密度大、寿命长等优点，然而在低温时充放电性能明显下降。本文以某型特种车用锂离子动力电池组为基础，设计自限温伴热带加热法，并进行验证。

2　锂离子电池辅热方法研究与应用

根据锂离子电池在各种温度下的放电特性，随着温度的降低，电池的放电电压和放电容量都在明显下降，尤其是在253 K（-20℃）以下，放电电压和放电容量的下降更为明显。当温度低至233 K（-40℃）时，电池已无法以30A恒流进行放电，瞬间电池电压就低于截止电压。

2.1自限温伴热带加热法

自限温伴热带是一种带状恒温电加热材料，加热温度达到75℃时，伴热带处于高阻状态，电流无穷小，辅热自动中止。现以某车用180Ah磷酸铁锂电池组为例，采用自限温伴热带加热法，对电池组进行加热，由带状伴热带均匀缠绕电池组。

2.2电池组辅热模型

由于电池内部无法安装温度传感器，因此无法对加热后电池内部的温度进行测量。为了能够对自限温伴热带加热效果和能耗进行计算，采用瞬态热传导方程（1）对电池加热进行建模，并用有限元法对电池不放电情况下加热进行仿真模拟计算。

式中：ρ，Cp，λ，T和q分别为密度、质量定压热容、热导率、温度和单位体积生热率。

边界条件：边界式（2）是电池组的两侧面固定槽底面上施加的热流密度；边界式（3）是电池组上下底面与空气进行热对流交换。

式中：q（t）表示自限温伴热带加热电池时提供的热流密度，由于自限温伴热带的电阻会随温度的升高而增大，从而造成加热功率的变化，因此热流密度不能采用常数，应取具体的实验值与时间的拟合函数；T为电池组表面温度、Tamb为环境温度；λ为电池导热系数；h为电池上下表面与空气的对流换热系数。

2.3电池参数

模型中所用的磷酸铁锂电池的外形长宽高分别为279.5mm，182mm和71 mm，物性参数可查电池物性参数特性，其数据可通过查阅文献获得。其导热系数和比热容无法由一种物质决定。在仿真计算中将采用电池的平均导热系数和平均比热容，对磷酸铁锂电池的比热容进行实验测试，Cp为2460J·kg-1·K-1。在计算中，电池在厚度方向的导热系数是由正极极片、负极极片和隔膜串联而成，而在长度和高度方向，导热系数是由正极极片、负极极片和隔膜并联而成，因此，导热系数可由式（5）（6）计算得到

其中：λp，λn，λs，分别为电池单体内的正极极片、负极极片和隔膜的导热系数；hx为电池厚度；hxp，hxn，hxs。分别为电池单体内的正极极片、负极极片和隔膜的厚度。

2.4电池组模拟仿真结果

取整组电池为8节，缠绕电池组一周的伴热带长度为1514mm，共缠绕10匝，伴热带总长15.14m，伴热带功率为25W/m，则总功率378.5W。采用ansys12.0建立热平衡模型，环境温度分别设置为-20℃，-30℃和-40℃，各低温环境下，电池组在伴热带辅热达到热平衡状态时，温度分布云图。在-40℃的环境中，辅热达到热平衡状态时，电池组平均温度大于-20℃，此时电池组能正常工作。在-20℃、-40℃环境中，平均温度均在-5℃以上，此时电池组放电性能基本不受低温影响。

3　结论

该辅热方法有效提升了电池的低温使用性能。由于低温环境辅热系统将消耗一部分电能，影响车辆续航时间，可采用外部电源作为电池辅热能源，以保证车辆具有更好的续航能力。

［1］ 林成涛，李腾，陈全世。锰酸锂动力蓄电池散热影响因素分析，兵工学报，2010，31（1）：88-93。

［2］ 张承宁，雷治国，董玉刚。电动汽车锂离子电池低温加热方法研究，北京理工大学学报，2012，32（9）：921-925。

TM912

A

1003-5168（2015）11-065-01

帅晓锋（1981.1-），男，硕士，工程师，主要研究方向：特种车辆。