LiFePO4動(dòng)力電池?zé)嵛镄詼y定及溫升特性研究

林堅(jiān)生，宋文吉，高日新，馮自平

(1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州510640；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

LiFePO4動(dòng)力電池?zé)嵛镄詼y定及溫升特性研究

林堅(jiān)生1,2，宋文吉1，高日新1，馮自平1

(1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州510640；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

溫度是影響LiFePO4動(dòng)力電池性能、安全及壽命的重要因素。電池?zé)嵛镄詤?shù)的測定及其溫升特性的研究是電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。通過實(shí)驗(yàn)測定了額定容量20 Ah的方塊LiFePO4動(dòng)力電池單體的比熱容、生熱速率、導(dǎo)熱系數(shù)等重要熱物性參數(shù)；并研究了強(qiáng)制風(fēng)冷條件下，風(fēng)速對(duì)電池在1、2、3電流倍率下的溫升特性。電池?zé)嵛镄詼y定及溫升研究將為電池散熱設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)。

LiFePO4電池；導(dǎo)熱系數(shù)；比熱容；生熱速率；溫升特性

LiFePO4動(dòng)力電池在電動(dòng)汽車上已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但是與其他電池一樣，其性能、安全和壽命均會(huì)受工作溫度的影響[1]，必須對(duì)LiFePO4電池進(jìn)行熱管理。在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究、設(shè)計(jì)過程中，電池?zé)嵛镄詤?shù)及電池溫升特性是相當(dāng)重要的。

然而，目前針對(duì)鋰離子電池?zé)嵛镄詤?shù)的文獻(xiàn)并不多見。電池導(dǎo)熱系數(shù)方面，相當(dāng)多的文獻(xiàn)將電池簡單視為各向同性物體[2-5]。事實(shí)上，由于鋰離子電池層疊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，各向?qū)嵝阅苁怯胁町惖?。文獻(xiàn)[6]用穩(wěn)態(tài)法測定了圓柱鋰/二氧化硫電池軸向?qū)嵯禂?shù)。文獻(xiàn)[7]用實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)合的方法測定了方塊三元材料鋰電池各向?qū)嵯禂?shù)。關(guān)于LiFePO4動(dòng)力電池導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)測定的文獻(xiàn)則尚未見到。關(guān)于比熱容的文獻(xiàn)也相當(dāng)少。文獻(xiàn)[8-9]根據(jù)Bernadi等人[10]提出的電池?zé)崮Ｐ?，在絕熱條件下得到了電池比熱和生熱速率。完整測定鋰電池的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、生熱速率等熱參數(shù)的文獻(xiàn)尚未見到。

本文通過實(shí)驗(yàn)同時(shí)測定所研究電池單體的比熱、生熱速率、各向?qū)嵯禂?shù)等熱物性參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究了多種冷卻風(fēng)速強(qiáng)制冷卻的條件下，該電池在1(20 A)、2(40 A)、3(60 A)電流倍率下的溫升特性。

1 電池?zé)嵛镄詤?shù)測定

本文實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一種方塊LiFePO4動(dòng)力電池，鋁塑膜外包裝，額定電壓 3.2 V，額定容量 20 Ah，質(zhì)量 0.545 kg，高230 mm，長170 mm，厚7 mm。

1.1 電池內(nèi)阻測定

電池的內(nèi)阻R由歐姆內(nèi)阻R0和極化內(nèi)阻RJ兩部分組成，可表示為

對(duì)于不同的電流，有：

由式(1)、式(2)得：

圖1 電池內(nèi)阻隨的變化

1.2 電池比熱容及電池生熱速率的測定

鋰離子電池生熱主要包括焦耳熱、極化熱和化學(xué)反應(yīng)熱，電池生熱速率是電池一個(gè)很重要的參數(shù)。根據(jù)Bernardi模型，生熱速率：

將電池絕熱，有：

在一個(gè)充滿電的電池表面布置熱電偶，并用保溫材料包覆絕熱。電池先以10 A電流放電25 min，預(yù)熱電池，該過程保溫材料也將受熱升溫，從而使得實(shí)驗(yàn)有效階段電池散熱減小，減小實(shí)驗(yàn)誤差。接著電池以5個(gè)不同的電流依次放電3 min。實(shí)驗(yàn)完成后，整理數(shù)據(jù)，做曲線(一維擬合)，得到斜率和截距，如圖2所示。

圖2 ×(d/d )與放電電流 的關(guān)系

擬合結(jié)果：

整理可得：單位體積生熱速率：

電池生熱速率與放電電流成二次關(guān)系，電流越大，生熱速率上升得越快。

1.3 導(dǎo)熱系數(shù)測定

方塊電池是由正極材料、隔膜、負(fù)極材料等層疊而成的，根據(jù)等效熱阻法可以得到電池導(dǎo)熱系數(shù)

在電池靜置狀態(tài)下，給電池表面一個(gè)小的區(qū)域恒溫加熱，其他區(qū)域自然冷卻，熱平衡之后，電池內(nèi)部將形成穩(wěn)定的溫度場，測定此時(shí)電池表面不同位置的溫度，利用這些溫度值，借助于Fluent軟件得到具體做法如下：

如圖3，將一小加熱片(不銹鋼云母加熱片，長58 mm，寬40 mm，厚2 mm，功率約3 W)緊貼在電池表面一側(cè)居中處(設(shè)該面為正面)，利用溫控器控制該加熱片進(jìn)行定溫加熱()，電池各處溫度隨之上升，由于電池表面與空氣對(duì)流換熱，最終電池溫度場趨于穩(wěn)定。

圖3 電池導(dǎo)熱系數(shù)測定示意圖

在電池正面布置熱電偶#1、#3、#4，在背面中心處布置熱電偶#2。熱電偶#1為溫控器熱傳感器。測定溫度2、3、4。設(shè)一個(gè)值，利用Fluent軟件在-平面上做出相應(yīng)于點(diǎn)#2、#3、#4溫度的三條等溫線，經(jīng)過微調(diào)，得到三條相交于一個(gè)公共點(diǎn)的等溫線，如圖4。此時(shí)=2 W/(m2·K)，交點(diǎn)即所求值：

2 電池放電溫度效應(yīng)仿真計(jì)算

2.1 電池能量方程

能量方程：

邊界條件：

圖4 =2 W/m2K時(shí)相應(yīng)于點(diǎn)#2、#3、#4溫度的等溫線

式中：ρ為電池平均密度，1 991 kg/m3；0為電池初始溫度，300 K；f為冷卻空氣來流溫度，300 K。

2.2 表面換熱系數(shù)

電池厚度比長、寬小得多，將空氣吹過電池表面視為流體外掠平板流動(dòng)，表面換熱系數(shù)按文獻(xiàn)[11]經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即：層流全板長平均

表1 3O ℃時(shí)空氣物性參數(shù)[11]

表2 各種冷卻風(fēng)速對(duì)應(yīng)的表面換熱系數(shù)

圖5 2 m/s冷卻風(fēng)速時(shí)電池1、2、3溫升曲線

2.3 結(jié)果與討論

圖6 4 m/s冷卻風(fēng)速時(shí)電池2、3溫升曲線

圖7 5、10、12 m/s風(fēng)速時(shí)電池溫升曲線(3放電)

綜合圖5～圖7可見，從2 m/s到4 m/s，最高溫度下降了3.3 K；而從10 m/s到12 m/s，同樣是速度增加了2 m/s，最高溫度僅僅下降了0.8 K，隨著風(fēng)速的增大，電池溫度下降趨緩。

由表3，在相同的風(fēng)速下，放電電流越大，電池自身的溫度差越大；在放電電流不變的情況下，隨著冷卻風(fēng)速增大，電池自身的溫度差也隨之?dāng)U大。3放電時(shí)，12 m/s的冷卻風(fēng)速將造成7.6 K的電池溫差。過大的電池自身溫差對(duì)電池是不利的，一般要求不大于5 K。

表3 電池自身最大溫差 K

3 結(jié)論

(1)通過實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)合的方法，得到了所要研究的方塊形鋰電池的比熱容、生熱速率、導(dǎo)熱系數(shù)等熱物性參數(shù)。結(jié)果表明，電池生熱速率與電流呈二次曲線關(guān)系，生熱速率隨著電流的增大而增大。三向?qū)嵯禂?shù)W/(m·K)，各向異性明顯。

(2)電流較小時(shí)，電池生熱量較小，空氣自然冷卻即可滿足控溫要求；電流較大時(shí)(如1以上)，則需要采用強(qiáng)制風(fēng)冷，而且電流越大，要求的冷卻風(fēng)速也越大。

(3)強(qiáng)制風(fēng)冷，特別是冷卻風(fēng)速較大時(shí)，在降低電池溫度的同時(shí)，將使得電池本身產(chǎn)生一個(gè)不容忽略的內(nèi)外溫差，這對(duì)電池整體性能是不利的。

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Study on thermo-physical property measurement and temperature rise characteristic of LiFePO4power battery

LIN Jian-sheng1,2，SONG Wen-ji1，GAO Ri-xin1，F(xiàn)ENG Zi-ping1

The temperature is an important factor affecting the performance,safety and cycle life of LiFePO4power batteries.It is very important to measure the thermo-physical properties of batteries and study the temperature rise characteristic in the design of battery thermal management.The specific heat capacity,heat generation rate and thermal conductivity of the LiFePO4power battery with the fixed capacity of 20 Ah were experimentally measured. The temperature rise characteristic of the battery at 1,2and 3with forced cooling were studied out.The results will provide important theory basis for the thermal design of the battery.

LiFePO4battery;thermal conductivity;specific heat capacity;heat generation rate;temperature rise characteristic

TM 912.9

A

1002-087 X(2015)04-0739-04

2014-09-05

廣東省中科院戰(zhàn)略合作重點(diǎn)項(xiàng)目(2011A090100033)；廣東省高新區(qū)引導(dǎo)專項(xiàng)(2011B010700047)

林堅(jiān)生(1985—)，男，廣東省人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡姵責(zé)峁芾怼?/p>

宋文吉副研究員，songwj@ms.giec.ac.cn