磷酸铁锂电池温升特性的研究

李存俊，胡　宁，白志浩

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽　合肥　230009）

Li Cunjun，Hu Ning，Bai Zhihao



磷酸铁锂电池温升特性的研究

李存俊，胡宁，白志浩

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009）

Li Cunjun，Hu Ning，Bai Zhihao

摘要：介绍磷酸铁锂电池的工作原理和生热特性，通过对锂电池单体三维模型在不同放电倍率下的仿真计算，分析放电倍率对电池温升特性的影响，最后通过锂电池单体试验验证单体三维模型的可行性。

关键词：磷酸铁锂电池；温升特性；放电倍率；单体电池试验

0　引　言1

动力电池作为电动汽车的动力源，其电池性能好坏与温度紧密相关，需要对动力电池的工作温度严格控制。动力电池在电动汽车正常使用当中，经常处于各种不同放电倍率组合的工况下，不同放电倍率对电池的温升影响不同，文中选取电动汽车正常使用工况下几种典型的放电倍率，分析不同放电倍率对电池温升的影响。

1　磷酸铁锂电池分析

1.1磷酸铁锂电池的工作原理

磷酸铁锂电池主要由正负极材料、电解液、隔膜等材料组成。充电时，正极材料上的Li+从正极上脱落下来，经电解质，到达负极，相应的电荷从外部电路到负极上。放电时，负极材料上的Li+从负极脱落，到达正极，同时相应的电荷，从外部电路到达正极形成电流[1]。磷酸铁锂电池的正负极上的化学反应式为

正极反应式

负极反应式

电池的总反应式

充放电的反应过程如图1所示。

图1　磷酸铁锂电池充放电示意图

1.2磷酸铁锂电池的生热特性

锂电池在电池的正常充放电过程中，电池内部发生各种化学反应，其生热源特别复杂。研究表明锂电池在充放电过程产生的热量[4]主要有反应热、焦耳热和极化热[2]。

1.2.1反应热

反应热是指锂离子在正负极产生的电化学反应产生的热量。在充电时，产生的电化学反应表现为吸热；放电时，电化学反应表现为放热。

反应热Qr可以表示为

式中，Ee是锂电池的电动势；T为开氏温度；n为锂电池充放电反应中产生的电荷数；F为法拉第常数96485.4C/mol。

1.2.2焦耳热

焦耳热是指锂电池工作时，电荷在电池内部转移时，克服电池内部电阻而产生的热量。焦耳热可以表示为

式中，Rj为焦耳内阻。

1.2.3极化热

极化热是指锂电池在充放电过程中，因电流作用在正负极上发生极化现象而产生的热量。极化热可以表示为

式中，Rp为极化内阻。

因此电池的总生热量可以表示为

式中，R=Rj+Rp。

美国的Benadi在假设锂电池是均匀生热的基础上，提出一种电池生热模型[3]，其模型数学表达式为

为温度系数，在给定放电倍率的情况下，其为一个常数。

2　磷酸铁锂电池的散热模拟

2.1磷酸铁锂电池的参数

采用国内某电池厂家9A×h的磷酸铁锂动力电池。

规格尺寸为112mm×6mm×120mm，电池单体的密度为1987kg/m3，等效比热容为1091J/(kg×K)，在x、y和z方向上的导热系数分别为1.2W/(m×K)、5.7W/(m×K)和5.7W/(m×K)。

2.2电池散热模型

使用散热三维模型[4]

式中，r为电池单体的密度；Cp为电池单体的等效比热容；T为电池的温度；hx、hy及hz分别为电池单体在x、y及z方向上的导热系数；f为电池的生热率。

2.3动力电池在不同倍率下的仿真分析

图2～图4分别为磷酸铁锂电池在环境温度为30℃下不同放电倍率的仿真结果图。

图2　0.5C放电倍率下电池温度分布

图3　1C放电倍率下电池温度分布

从图2～图4中可以看到，0.5C倍率下，电池温升为5.195℃；1C倍率下，电池温升为14.638℃；2C倍率下，电池温升为39.546℃。当放电倍率为0.5C与1C时，电池处于正常的工作温度范围；当放电倍率为2C时，电池的温度已经超出正常工作范围，此时电池的性能已经受到影响。从以上这些温升数据可以看出，电池的放电倍率对电池的温升影响极大，特别是在高倍率下，电池温度极易超出电池的极限，造成电池损伤，甚至可能出现热失控等后果。因此在平常使用电动汽车时，尽量避免突然加速等对电池伤害极大的行为。

2.4电池单体的试验验证

采用充放电设备分别对电池进行不同倍率的放电，采用温度记录仪进行温度采集。

操作步骤：将温度传感器布置在动力电池单体4个侧面的中心处（将平行于长度方向上的面定为x面，平行于宽度方向的面定为y面），并用绝热材料将电池包裹放置在恒温箱内，分别对动力电池在0.5C、1C和2C下进行放电，记录下温度传感器的数值，将相同方向上的传感器温度取平均值作为电池单体的表面温度。表1为各个电池单体在各个放电倍率下的仿真数值与试验数值的比较。

表1　各放电倍率下电池表面的温度℃

从表1各放电倍率下电池表面的温度中可以看出，各表面的仿真数值与试验数值的误差在0.7～1.4之间，所建立的电池三维散热模型的仿真结果与电池单体的试验结果很接近，证明所建立的磷酸铁锂电池三维散热模型具有可行性。

3　结　论

通过不同放电倍率下仿真磷酸铁锂电池的温度分布，了解电池的温升特性，结果表明，放电倍率对电池的温升影响很大，特别是在高倍率下电池的温度极易超出极限，造成安全事故。

通过对磷酸铁锂单体电池的试验验证，证明了所使用的电池单体的三维散热模型的正确性。

参考文献

[1]李相哲，苏芳，林道勇.电动汽车动力电源系统[M].北京：化学出版社，2011.

[2]胡锐鸿.电动汽车用锂离子电池热特性及散热装置的数值模拟[D].广州：华南理工大学，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]朱聪，吕江毅，李兴虎，等.方形锂离子电池组热模型[J].汽车工程，2012，36（4）：339-344.

收稿日期：2016-01-18

基金项目：安徽省自然科学基金项目（1308085ME64）；合肥工业大学春华计划资助项目（2013HGCH0010）。

文章编号：1002-4581（2016）02-0005-03

中图分类号：TM912.9

文献标志码：A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.02.002