LiFePO4动力电池热物性测定及温升特性研究

2015-08-01林坚生宋文吉高日新冯自平

电源技术 2015年4期

关键词：物性温升动力电池

林坚生，宋文吉，高日新，冯自平

(1.中国科学院广州能源研究所，广东广州510640；2.中国科学院大学，北京100049)

LiFePO4动力电池热物性测定及温升特性研究

林坚生1,2，宋文吉1，高日新1，冯自平1

(1.中国科学院广州能源研究所，广东广州510640；2.中国科学院大学，北京100049)

温度是影响LiFePO4动力电池性能、安全及寿命的重要因素。电池热物性参数的测定及其温升特性的研究是电池热管理设计中的重要一环。通过实验测定了额定容量20 Ah的方块LiFePO4动力电池单体的比热容、生热速率、导热系数等重要热物性参数；并研究了强制风冷条件下，风速对电池在1、2、3电流倍率下的温升特性。电池热物性测定及温升研究将为电池散热设计提供重要的理论依据。

LiFePO4电池；导热系数；比热容；生热速率；温升特性

LiFePO4动力电池在电动汽车上已经得到广泛应用。但是与其他电池一样，其性能、安全和寿命均会受工作温度的影响[1]，必须对LiFePO4电池进行热管理。在电池热管理系统研究、设计过程中，电池热物性参数及电池温升特性是相当重要的。

然而，目前针对锂离子电池热物性参数的文献并不多见。电池导热系数方面，相当多的文献将电池简单视为各向同性物体[2-5]。事实上，由于锂离子电池层叠的内部结构，各向导热性能是有差异的。文献[6]用稳态法测定了圆柱锂/二氧化硫电池轴向导热系数。文献[7]用实验与仿真结合的方法测定了方块三元材料锂电池各向导热系数。关于LiFePO4动力电池导热系数实验测定的文献则尚未见到。关于比热容的文献也相当少。文献[8-9]根据Bernadi等人[10]提出的电池热模型，在绝热条件下得到了电池比热和生热速率。完整测定锂电池的导热系数、比热容、生热速率等热参数的文献尚未见到。

本文通过实验同时测定所研究电池单体的比热、生热速率、各向导热系数等热物性参数，并以此为基础，重点研究了多种冷却风速强制冷却的条件下，该电池在1(20 A)、2(40 A)、3(60 A)电流倍率下的温升特性。

1 电池热物性参数测定

本文实验对象为一种方块LiFePO4动力电池，铝塑膜外包装，额定电压 3.2 V，额定容量 20 Ah，质量 0.545 kg，高230 mm，长170 mm，厚7 mm。

1.1 电池内阻测定

电池的内阻R由欧姆内阻R0和极化内阻RJ两部分组成，可表示为

对于不同的电流，有：

由式(1)、式(2)得：

图1 电池内阻随的变化

1.2 电池比热容及电池生热速率的测定

锂离子电池生热主要包括焦耳热、极化热和化学反应热，电池生热速率是电池一个很重要的参数。根据Bernardi模型，生热速率：

将电池绝热，有：

在一个充满电的电池表面布置热电偶，并用保温材料包覆绝热。电池先以10 A电流放电25 min，预热电池，该过程保温材料也将受热升温，从而使得实验有效阶段电池散热减小，减小实验误差。接着电池以5个不同的电流依次放电3 min。实验完成后，整理数据，做曲线(一维拟合)，得到斜率和截距，如图2所示。

图2 ×(d/d )与放电电流的关系

拟合结果：

整理可得：单位体积生热速率：

电池生热速率与放电电流成二次关系，电流越大，生热速率上升得越快。

1.3 导热系数测定

方块电池是由正极材料、隔膜、负极材料等层叠而成的，根据等效热阻法可以得到电池导热系数

在电池静置状态下，给电池表面一个小的区域恒温加热，其他区域自然冷却，热平衡之后，电池内部将形成稳定的温度场，测定此时电池表面不同位置的温度，利用这些温度值，借助于Fluent软件得到具体做法如下：

如图3，将一小加热片(不锈钢云母加热片，长58 mm，宽40 mm，厚2 mm，功率约3 W)紧贴在电池表面一侧居中处(设该面为正面)，利用温控器控制该加热片进行定温加热()，电池各处温度随之上升，由于电池表面与空气对流换热，最终电池温度场趋于稳定。

图3 电池导热系数测定示意图

在电池正面布置热电偶#1、#3、#4，在背面中心处布置热电偶#2。热电偶#1为温控器热传感器。测定温度2、3、4。设一个值，利用Fluent软件在-平面上做出相应于点#2、#3、#4温度的三条等温线，经过微调，得到三条相交于一个公共点的等温线，如图4。此时=2 W/(m2·K)，交点即所求值：

2 电池放电温度效应仿真计算

2.1 电池能量方程

能量方程：

边界条件：

图4 =2 W/m2K时相应于点#2、#3、#4温度的等温线

式中：ρ为电池平均密度，1 991 kg/m3；0为电池初始温度，300 K；f为冷却空气来流温度，300 K。

2.2 表面换热系数

电池厚度比长、宽小得多，将空气吹过电池表面视为流体外掠平板流动，表面换热系数按文献[11]经验公式计算，即：层流全板长平均

表1 3O ℃时空气物性参数[11]

表2 各种冷却风速对应的表面换热系数

图5 2 m/s冷却风速时电池1、2、3温升曲线

2.3 结果与讨论

图6 4 m/s冷却风速时电池2、3温升曲线

图7 5、10、12 m/s风速时电池温升曲线(3放电)

综合图5～图7可见，从2 m/s到4 m/s，最高温度下降了3.3 K；而从10 m/s到12 m/s，同样是速度增加了2 m/s，最高温度仅仅下降了0.8 K，随着风速的增大，电池温度下降趋缓。

由表3，在相同的风速下，放电电流越大，电池自身的温度差越大；在放电电流不变的情况下，随着冷却风速增大，电池自身的温度差也随之扩大。3放电时，12 m/s的冷却风速将造成7.6 K的电池温差。过大的电池自身温差对电池是不利的，一般要求不大于5 K。

表3 电池自身最大温差 K

3 结论

(1)通过实验和仿真结合的方法，得到了所要研究的方块形锂电池的比热容、生热速率、导热系数等热物性参数。结果表明，电池生热速率与电流呈二次曲线关系，生热速率随着电流的增大而增大。三向导热系数W/(m·K)，各向异性明显。

(2)电流较小时，电池生热量较小，空气自然冷却即可满足控温要求；电流较大时(如1以上)，则需要采用强制风冷，而且电流越大，要求的冷却风速也越大。

(3)强制风冷，特别是冷却风速较大时，在降低电池温度的同时，将使得电池本身产生一个不容忽略的内外温差，这对电池整体性能是不利的。

参考文献：

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[10]BERNARDI D，PAWLIKOWSKI E，NEWMAN J.A general energy balance for battery systems[J].Journal of Electrochemical Society,1984,132(1)：5-12.

[11] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：220-221，559.

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

LIN Jian-sheng1,2，SONG Wen-ji1，GAO Ri-xin1，FENG 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

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