浅谈磷酸铁锂电池系统散热必要性及方式

李艳杰

摘 要：磷酸铁锂电池具有安全性能高循环寿命长等特性，是目前电动汽车的首选电池。为使电池发挥最佳性能和寿命，需要控制电池运行温度，提升系统散热。

关键词：磷酸铁锂;容量;散热方式

引言：

随着环境污染的问题日趋凸显，国家在十三五战略性新兴产业发展中提到要扶持新能源汽车的发展.同时要求大幅提升新能源汽车和新能源的应用比例，在此背景下新能源产业高速发展。而磷酸铁锂电池具有安全性能高循环寿命长等特性，是目前电动汽车的首选电池。而电池本身是个发热体，温度对电池性能是否有影响？是否考虑电池系统的散热？通过下面的论述，大家就会有个清晰的概念。

一、磷酸铁锂电池长期在高温环境下工作会加剧电池系统的容量衰减：

在能量密度逐年提升的政策背景下，单体电池的能量密度越做越大，来更好的保证电池系统能量密度达到国家对新能源车的补贴要求。而磷酸铁锂电池自身特性：

1、磷酸铁锂电池常温和高温存储情况：

选取76Ah方型磷酸铁锂电池

1.1充电制式：在环境温度（25±2）℃条件下，以1C（A）电流恒流充电至终止电压3.65V 时转恒压充电，恒压电压为3.65V，至充电终止电流降至0.05C（A）时停止充电，充电后静置1 小时。

1.2存储试验制式：100%SOC电池常温25±2℃、高温55±2℃存储28天后，在常温环境下在2.50～3.65V之间以1C倍率进行一次放电-充电-放电。从磷酸铁锂电池常温与高温长时间搁置，恢复容量结果来看，高温存储较常温存储加剧了电芯不可逆容量损失。

2、磷酸铁锂电池常温和高温循环情况：

循环制度：按充电制式进行充电;以1C电流恒流放电至2.0V，如此循环测试，记录每次测试的容量保持率。

备注：紫色曲线代表常温（25±2℃）循环容量趋势图。蓝色曲线代表高温55±2℃循环容量趋势图。

从常温和高温循环数据来看，在同样都循环到2000多次时，常温循环电池容量保持率在90.7%，而高温循环电池容量保持率在81.98%，两者容量保持率差异达到9%。高温循环明显加速了电池的容量衰减。

3、高温环境加剧电池容量衰减机理分析：

鋰离子动力电池的性能对温度变化较敏感，随着温度升高，电池内部反应尤其是副反应速率增长迅速，其中已知的最为明显的副反应为锂盐遇水分解产HF的反应，不仅造成了活性锂损失，同时分解产生的强腐蚀性HF对电池内部各组分都将起到明显的破坏作用。随着温度升高，电池内部化学反应较多，生成较厚的界面膜，从而导致电池内阻及厚度增加。与此同时，高温下正极铁元素的溶出，铁元素负极的沉积导致SEI的破坏和反复修复，都导致了电池不可逆容量更快的衰减。

二、磷酸铁锂动力电池特别是车辆上运用的大容量、高功率锂离子电池，车辆上装载空间有限，车辆所需电池数目较大，电池均为紧密排列连接。当车辆在高速、低速、加速、减速等交替变换的不同行驶状况下运行时，电池会以不同倍率放电，以不同速率产生大量热量，加上时间累积以及空间影响会产生不均匀热量聚集，从而导致电池组运行环境温度复杂多变。

下面单独以一电池包（76Ah-2P54S-C箱）环境温度为常温（23-25°）无额外降温措施模拟整车工况测试：

测试步骤：

1.工况放电2.5h，1C充电30min。

2.重复步骤1，三次。

3.充放电保护电压3.65V和2.5V，达到即进入下一步骤。

4.放电保护温度65°，充电保护温度60°。

76Ah-2P54S-C箱常温工况温升摸拟试验

备注：1、工况放电2.5h，1C充电30min，重复三次。

2、实际测试过程第二次循环充电后，高压箱跳闸，测试中断约1小时，造成了4℃温降，第三第四次循环括号里的数值是修正后的数值

从此试验来看，在进行第三次工况测试时，电池包温度已达到50℃以上，温差5℃。

因发热电池体的密集摆放，中间区域必然热量聚集较多，边缘区域较少，增加了电池包中各单体之间的温度不均衡，加剧各电池模块、单体内阻和容量不一致。为使电池包发挥最佳性能和寿命，就需要优化电池包结构，对他进行热管理，增加散热措施，控制电池运行的温度环境。

三、电池包散热主要有2种方式，即主动散热方式和被动散热方式，这两者效率会有很大的差别。被动散热系统要求的成本比较低，采取的措施也相对简单。主动散热系统结构相对复杂，需要更大的附加功率，但它的热管理更加有效。

根据热传导特性，按照采用的传热介质不同可以分为采用气体或液体或相变材料等传热介质进行散热。

采用气体（空气）做为传热介质的主要优点有：结构简单，质量轻，有效通风，成本较低;不足之处在于：与电池壁面之间换热系数低，冷却速度慢，效率低。目前应用较多。如：比较常见的风冷结构散热方式：在电池包一端加装散热风扇，另一端留出通风孔，使空气在电芯的缝隙间加速流动，带走电芯工作时产生的高热量。

采用液体作为传热介质的主要优点有：与电池壁面之间换热系数高，冷却速度快;不足之处在于：密封性要求高，质量相对较大，维修和保养复杂，需求水套、换热器等部件，结构相对复杂。如：电芯的热量通过导热胶或导热硅胶片传递至液冷管，由冷却液热胀冷缩自由循环流动将热量带走，使整个电池包的温度统一，冷却液强大的比热容吸收电芯工作时产生的热量，使整个电池包在安全温度内运作。

采用相变材料的主要优点有：与电池壁面之间换热系数高，冷却速度快，效率高，还能一定程度上控制温度上下限;不足之处在于：研发制造成本高。目前相对应用较少。

因此，电池包采取哪种散热方式，应根据电池特性、客户要求、成本要求、车辆运营环境、使用工况等综合因素来选择合理的散热方式。总之所设计的散热系统需要满足结构简单、系统可靠耐用、低成本以及低寄生功率等特性。