淺談磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)散熱必要性及方式

李艷杰

摘 要：磷酸鐵鋰電池具有安全性能高循環(huán)壽命長等特性，是目前電動汽車的首選電池。為使電池發(fā)揮最佳性能和壽命，需要控制電池運行溫度，提升系統(tǒng)散熱。

關(guān)鍵詞：磷酸鐵鋰;容量;散熱方式

引言：

隨著環(huán)境污染的問題日趨凸顯，國家在十三五戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展中提到要扶持新能源汽車的發(fā)展.同時要求大幅提升新能源汽車和新能源的應(yīng)用比例，在此背景下新能源產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。而磷酸鐵鋰電池具有安全性能高循環(huán)壽命長等特性，是目前電動汽車的首選電池。而電池本身是個發(fā)熱體，溫度對電池性能是否有影響？是否考慮電池系統(tǒng)的散熱？通過下面的論述，大家就會有個清晰的概念。

一、磷酸鐵鋰電池長期在高溫環(huán)境下工作會加劇電池系統(tǒng)的容量衰減：

在能量密度逐年提升的政策背景下，單體電池的能量密度越做越大，來更好的保證電池系統(tǒng)能量密度達到國家對新能源車的補貼要求。而磷酸鐵鋰電池自身特性：

1、磷酸鐵鋰電池常溫和高溫存儲情況：

選取76Ah方型磷酸鐵鋰電池

1.1充電制式：在環(huán)境溫度（25±2）℃條件下，以1C（A）電流恒流充電至終止電壓3.65V 時轉(zhuǎn)恒壓充電，恒壓電壓為3.65V，至充電終止電流降至0.05C（A）時停止充電，充電后靜置1 小時。

1.2存儲試驗制式：100%SOC電池常溫25±2℃、高溫55±2℃存儲28天后，在常溫環(huán)境下在2.50～3.65V之間以1C倍率進行一次放電-充電-放電。從磷酸鐵鋰電池常溫與高溫長時間擱置，恢復(fù)容量結(jié)果來看，高溫存儲較常溫存儲加劇了電芯不可逆容量損失。

2、磷酸鐵鋰電池常溫和高溫循環(huán)情況：

循環(huán)制度：按充電制式進行充電;以1C電流恒流放電至2.0V，如此循環(huán)測試，記錄每次測試的容量保持率。

備注：紫色曲線代表常溫（25±2℃）循環(huán)容量趨勢圖。藍色曲線代表高溫55±2℃循環(huán)容量趨勢圖。

從常溫和高溫循環(huán)數(shù)據(jù)來看，在同樣都循環(huán)到2000多次時，常溫循環(huán)電池容量保持率在90.7%，而高溫循環(huán)電池容量保持率在81.98%，兩者容量保持率差異達到9%。高溫循環(huán)明顯加速了電池的容量衰減。

3、高溫環(huán)境加劇電池容量衰減機理分析：

鋰離子動力電池的性能對溫度變化較敏感，隨著溫度升高，電池內(nèi)部反應(yīng)尤其是副反應(yīng)速率增長迅速，其中已知的最為明顯的副反應(yīng)為鋰鹽遇水分解產(chǎn)HF的反應(yīng)，不僅造成了活性鋰損失，同時分解產(chǎn)生的強腐蝕性HF對電池內(nèi)部各組分都將起到明顯的破壞作用。隨著溫度升高，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)較多，生成較厚的界面膜，從而導(dǎo)致電池內(nèi)阻及厚度增加。與此同時，高溫下正極鐵元素的溶出，鐵元素負(fù)極的沉積導(dǎo)致SEI的破壞和反復(fù)修復(fù)，都導(dǎo)致了電池不可逆容量更快的衰減。

二、磷酸鐵鋰動力電池特別是車輛上運用的大容量、高功率鋰離子電池，車輛上裝載空間有限，車輛所需電池數(shù)目較大，電池均為緊密排列連接。當(dāng)車輛在高速、低速、加速、減速等交替變換的不同行駛狀況下運行時，電池會以不同倍率放電，以不同速率產(chǎn)生大量熱量，加上時間累積以及空間影響會產(chǎn)生不均勻熱量聚集，從而導(dǎo)致電池組運行環(huán)境溫度復(fù)雜多變。

下面單獨以一電池包（76Ah-2P54S-C箱）環(huán)境溫度為常溫（23-25°）無額外降溫措施模擬整車工況測試：

測試步驟：

1.工況放電2.5h，1C充電30min。

2.重復(fù)步驟1，三次。

3.充放電保護電壓3.65V和2.5V，達到即進入下一步驟。

4.放電保護溫度65°，充電保護溫度60°。

76Ah-2P54S-C箱常溫工況溫升摸擬試驗

備注：1、工況放電2.5h，1C充電30min，重復(fù)三次。

2、實際測試過程第二次循環(huán)充電后，高壓箱跳閘，測試中斷約1小時，造成了4℃溫降，第三第四次循環(huán)括號里的數(shù)值是修正后的數(shù)值

從此試驗來看，在進行第三次工況測試時，電池包溫度已達到50℃以上，溫差5℃。

因發(fā)熱電池體的密集擺放，中間區(qū)域必然熱量聚集較多，邊緣區(qū)域較少，增加了電池包中各單體之間的溫度不均衡，加劇各電池模塊、單體內(nèi)阻和容量不一致。為使電池包發(fā)揮最佳性能和壽命，就需要優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)，對他進行熱管理，增加散熱措施，控制電池運行的溫度環(huán)境。

三、電池包散熱主要有2種方式，即主動散熱方式和被動散熱方式，這兩者效率會有很大的差別。被動散熱系統(tǒng)要求的成本比較低，采取的措施也相對簡單。主動散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需要更大的附加功率，但它的熱管理更加有效。

根據(jù)熱傳導(dǎo)特性，按照采用的傳熱介質(zhì)不同可以分為采用氣體或液體或相變材料等傳熱介質(zhì)進行散熱。

采用氣體（空氣）做為傳熱介質(zhì)的主要優(yōu)點有：結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，有效通風(fēng)，成本較低;不足之處在于：與電池壁面之間換熱系數(shù)低，冷卻速度慢，效率低。目前應(yīng)用較多。如：比較常見的風(fēng)冷結(jié)構(gòu)散熱方式：在電池包一端加裝散熱風(fēng)扇，另一端留出通風(fēng)孔，使空氣在電芯的縫隙間加速流動，帶走電芯工作時產(chǎn)生的高熱量。

采用液體作為傳熱介質(zhì)的主要優(yōu)點有：與電池壁面之間換熱系數(shù)高，冷卻速度快;不足之處在于：密封性要求高，質(zhì)量相對較大，維修和保養(yǎng)復(fù)雜，需求水套、換熱器等部件，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。如：電芯的熱量通過導(dǎo)熱膠或?qū)峁枘z片傳遞至液冷管，由冷卻液熱脹冷縮自由循環(huán)流動將熱量帶走，使整個電池包的溫度統(tǒng)一，冷卻液強大的比熱容吸收電芯工作時產(chǎn)生的熱量，使整個電池包在安全溫度內(nèi)運作。

采用相變材料的主要優(yōu)點有：與電池壁面之間換熱系數(shù)高，冷卻速度快，效率高，還能一定程度上控制溫度上下限;不足之處在于：研發(fā)制造成本高。目前相對應(yīng)用較少。

因此，電池包采取哪種散熱方式，應(yīng)根據(jù)電池特性、客戶要求、成本要求、車輛運營環(huán)境、使用工況等綜合因素來選擇合理的散熱方式。總之所設(shè)計的散熱系統(tǒng)需要滿足結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)可靠耐用、低成本以及低寄生功率等特性。