磷酸铁锂电池低温生热特性的研究1.pdf

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1、第31卷增刊电工电能新技术Vol31，Suppl!!!!!!星皇竺竺!!!里兰!!!!墅!!里!!!：：!!!!!￡!!竺：：!￡竺!!!!：!!坚!!!!!!磷酸铁锂电池低温生热特性的研究袁吴，王丽芳，鏖承林，王立业中圜科学院电力电子与电力传动重点实验室，电i研究所，北京100190精要：主要探讨7磷酸缺锂电池在低温每件下的热轴理特性，通过克放电实验获得7磷醯铁担电池酌熬朝理参敏，“厦通过低温实验剥得磷酸铁担电池在不同温度务件下酌自阻，并且基于“上物理参数建立7基于有限元方法的三雏模型，通过常温时的电池温升实驻对模型进行验证，然后通过模型仿真得出磷酸铁枉电海在低温务件

2、下表面温度分布的规律，为谩计低温环境下的电池热管理系统提供7理论依据．关整词：磷酸铁枉电池；内阻；有限元模型：低温特挂中国分娄号：TM912．9文献标*码：A文章编号1003．3076f2012)S0-0078-051引言锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命、较高电压以盈不存在记忆效应等优点，并且被广泛地用于电动汽车领域。然而．由于现阶段电化学工业水平的限制，磷酸铁锂电池的使用需要有特定的环境。高温和低温都会对电池造成严重的损害⋯；较高的温度会缩短电池的使用寿命，而在-20℃的温度下，电池的能量被丈幅地衰醯，并且在低温条件下是无法对电池进行充电的9”。无论是在高温环境还

3、是低温环境．电池的使用寿命和性能都会被严重影响，这也导致了电动汽车的不可靠性和高昂的成本。新型的磷酸铣锂屯池与以往的电池相比具有报好的高温特性，但是在低温环境中性能非常差。因此，磷酸铁锂电{也低温特性的研究对于电动汽车在寒冷地区的应用有非常积极的意义。本文首先进行室温条件(25"C)下磷酸铁锂屯池组的充放电实验以获得其热物理参鼓，然后在．30℃枷℃范围内对单体磷酸铁锤电池内阻进行了检测。最后建立了一个基于有限元方法的电池三维电化学-热模型，并且利用该模型研究了磷酸铣锂电池在不同温度条件和边界燕件情况F的生热特性。2电池电化学．热模型方形的磷酸铁锂电池由以下部分组成：电池

4、内核、电池外壳和正负极耳，其中电池内核是电池最复杂的部分并且呈现出层状结构，它由正极、正极集流体、隔膜、负极、负极集流体和电解涟组成，前四层组成了一十基奉的电池单元，如图1所示．一定数目的基本电池单元放置在一起组成了电浊内核的主要部分。电解藏存在于正负极和隔膜的空隙中，为锂离子和电子的运动提供了介质。同时，正负极流体分别和电池的正负极耳相连接，电流通过正负极耳流八、流出电池，目I电池基本单i#*目FigI＆h∞圳cm"ramo“basicbatt“y1】凸i【在电池内部，由于电池内部的温度热辐射基本上可以忽略不计，并且空隙中的电解液基本上是静止的，不存在对流传热，故热传

5、导占据了主要地位H。三维的瞬态热传导公式如下所示：矿署2去卜罢卜导一号)+；0(t．O。Tj+-t·，作奢筒介；袁昊(1987．)．*．安蕾藉，碰上研究生，研究方向为镕离子电池热管理：i丽芳(1971-)．女。山西藉．研究员，研究方向为车载总线拄术和电池管Ⅸ技术增刊袁昊，等：磷酸铁锂电池低温生热特性的研究79其中，户，C，七和g分别表示密度、热容量、导热率和生热率。在边界上，只考虑对流传热边界条件，因为在常温甚至低温条件下，热辐射所传导的热量非常小，可以忽略不计。对流传热的方程可以表示如下；鼋c=矗(C一瓦)(2)其中，吼，h，互和瓦分别表示对流传热方式传导的热量，对流

6、换热系数，物体表面温度和环境湿度。对流换热系数是温度和几何尺寸的函数，并且自然对流换热系数一般在3～10之间。为了求解热传导方程(1)，首先要确定源项g，即电池生热率。Bernardi等人【7】提出的电池生热模型可以用来计算电池的生热率。用方程表示如下：g=瓦I[、E。-E)一r割(3)其中，，，％，晶和E分别表示工作电流(I>0为充电，I<0为放电)，电池体积、电池开路电压和工作电压。虽然Bernadi的方程从理论上定量描述了电池的生热规律，但是方程的参数较为复杂，比如电池的开路电压随着SOC值的变化而交化，这需要进行大量的实验测定。式(4)不仅提供了式(3)中电化学

7、生热效应的计算方法，同时也给出比热容的求解方法：三塑：旦』一三坠(4)一一=一，一●q-ldtmCdT?j其中，胄和m表示电池内阻和总的质量。在式(4)中，由于r(dEo／drl是电池本身的参数，针对固定的电池可以认为是定值，所以(1／r)(dr／dt)是电流，的线性函数，式(4)的定量表达会在下一个部分中进行阐述。根据式(5)，式(3)可以被简化成：晶一E；／R(5)g=专卜r割旧池基本单元，这些单元由不同材料组成的层状结构堆驴喜2琴藤。)毛：艺：∑字=丛生型≯蝼(8)其中，t，屯·恕表示工，Y，2方向的导热率：k，七。，毛，k，k分别