锂离子电池包的分类及热传递分析

于方洲

摘 要：在新能源汽车中，最常用的动力源就是锂离子电池，通过特定的串并联将锂离子电池制作成电池包，不仅有着较长的续航，而且安全性也较高。但是锂离子电池包容易出现温度过高的问题，因此本文从锂离子电池包的特点和分类入手，重点分析其产热和热传递机理，希望可以借此给锂离子电池包产热的相关研究提供一定的参考。

关键词：锂离子电池包;分类;热传递

1锂离子电池包的特点

锂离子电池包的商业化是从20世纪末期开始的，但是在短期内快速的发展，目前相关的技术已经较为成熟。与其他的可充电电池相比，锂离子电池包的优势主要体现在以下几个方面：

（1）使用寿命较长。锂离子电池包的循环寿命较长，通常循环次数在1000次左右，循环寿命较高的可达到2000次以上，如碳酸锂电池，这就极大的增强了锂离子电池包的使用寿命。

（2）能量密度较高。锂离子电池包的能量密度较高，目前比亚迪生产的刀片电池能量密度甚至超过了400瓦时/千克，所以应用在电动汽车上时能够极大的延长续航里程，这对于增强电动汽车的适用性有着极大的帮助。

（3）重量较轻。锂金属等密度较低，将其做成电池后整体的重量较轻，而且体积较小。同等的能量储存锂电池的体积仅为传统铅酸电池的一半左右，重量更是仅为传统铅酸电池的25%左右。所以，在同等的空间内可以放置更多的锂离子电池。

（4）工作温度范围较宽。当前常见的锂离子电池包都可在零下20℃到60℃的范围内使用，钛酸锂电池更是可以在零下40摄氏度的环境中使用，能够适应我国大多数的天气环境。

2锂离子电池包的分类

当前锂离子电池包的分类通常是根据其正极材料来区分的，当前我国市场的主流锂离子电池包分别为三元锂电池包、钛酸锂电池包和磷酸铁锂电池包。不同锂离子电池的特性如下所示：

（1）三元锂电池包。三元锂电池包的电池正极材料通常选用镍、钴、锰三种金属，它的特性是能量密度较高，在同等的体制下能够储存更多的电能，因此应用在汽车领域时可极大地提升续航里程。除此之外，三元锂电池的放电平台也较高，同等体积能输出更高的电压，因此主要是应用于小型轿车的领域。但是三元锂电池包也有自身的限制存在，首先是循环寿命较低，理论循环寿命在1000次左右，这就极大的缩短了其使用的寿命，成为三元锂电池的短板。其次，三元锂电池的安全性也相对较差，由于其能量密度较高，所以在发生短路时常出现起火、爆炸等问题。

（2）钛酸锂电池包。钛酸锂电池包的电池正极选择范围较宽，但是负极常采用钛酸锂材料，它的应用温度范围更宽，可承受零下40摄氏度的低温和零上60摄氏度的高温。在循环次数方面，其理论循环寿命可超过10000次，这就能极大的延长钛酸锂电池包的使用寿命。除此之外，钛酸锂电池包的安全性相对最好，在短路、碰撞等问题发生时不会出现起火等问题。

（3）磷酸铁锂电池包。磷酸铁锂电池包的电池正极材料为磷酸铁锂，它的能量密度相对居中，通常可达到150瓦时/千克，但是安全性要明显高于三元锂电池包。磷酸铁锂电池。的循环寿命常可超过2000次，能承受较高的温度而不会分解，因此它成为当前电动汽车的主要动力选择。相应的，磷酸铁锂电池也有自身的缺陷，它的能量密度不如三元锂电池包，循环次数不如碳酸锂电池包。

3锂离子电池包的产热及热传递机理分析

3.1锂离子电池包的产热机理

锂离子电池包在运作的过程中，电池内部锂离子不断的嵌入和脱出，并且在电解液中传输，这时电池内部的活性材料就会产生热量。主要的热量分别是可逆反应产生的热量Qr、欧姆内阻产生的热量Qj和极化内阻产生的热量Qp，具体的总热量表达式为：

当然，锂离子电池包内部的副反应也会产生热量，但是这部分热量相对较小，因此可忽略不计。总体而言，锂离子电池包在充放电过程中，其热量主要是来源于极化热、焦耳热和反应热，而焦耳热的占比最高，它会随着电池内阻的变化而变化。具体放電中，离子电池包随着放电深度的增加，内阻会呈现出上升的趋势，这时热量产生也会明显上升，而且充电过程的产热要小于放电过程的产热。

3.2锂离子电池包的热传递机理

根据热传递的原理，锂离子电池包在运行过程中产生的热量会进行传递，其传递的方式分别为热辐射、热对流和热传导，热传导为其主动散热的主要形式。从傅里叶定律可知，物体会从高温部分下外部低温部分传输热能，而且单位时间内通过某一平面的热导量与平面面积和温度变化率有着直接的关系，具体的表达式如下。

其中，λ为导热系数，它于材料有着直接的关系，通常为固定值，A表示平面面积，为温度变化率，负号表示温度温度升高方向与热量传递方向相反，φ表示导热量。

在热量传递的过程中，有一部分热量会被材料所吸收，这时材料温度升高。由于锂离子电池包材料的不同，所以其温度的上升存在一定的差异。当锂离子电池包的内部热量传递到其表面时，这时就会通过热辐射和热对流的方式来实现散热，相应的热量会散失到周围环境中。热对流是指冷空气在经过锂离子电池包表面时带走热量，这时发生了对流传热的效应，它可分为强制对流和自然对流两种，强制对流是指用风机等来形成压差而产生散热，自然对流则是指由于冷热和密度不均而引起的对流，具体的对流传热表达式如下。

其中，tw为表面温度，tf为流体温度，h为对流换热系数。

4 结语

锂离子电池在使用的过程中也存在一定问题，由于大倍率的放电，电池的会产生热量，而锂离子电池包为了实现防水的功能，其内部通常是密封的，这就导致热量在锂离子电池包的内部聚集，很容易出现温度过高的问题，不仅影响电池正常性能的实现，而且存在一定的安全隐患。本文分析了锂离子电池包的特点、分类和热传递机理，希望可以借此给锂离子电池包散热的相关研究提供一定的参考。

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