LiFePO4動力電池熱物性測定及溫升特性研究

林堅生，宋文吉，高日新，馮自平

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

LiFePO4動力電池熱物性測定及溫升特性研究

林堅生1,2，宋文吉1，高日新1，馮自平1

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

溫度是影響LiFePO4動力電池性能、安全及壽命的重要因素。電池熱物性參數的測定及其溫升特性的研究是電池熱管理設計中的重要一環。通過實驗測定了額定容量20 Ah的方塊LiFePO4動力電池單體的比熱容、生熱速率、導熱系數等重要熱物性參數；并研究了強制風冷條件下，風速對電池在1、2、3電流倍率下的溫升特性。電池熱物性測定及溫升研究將為電池散熱設計提供重要的理論依據。

LiFePO4電池；導熱系數；比熱容；生熱速率；溫升特性

LiFePO4動力電池在電動汽車上已經得到廣泛應用。但是與其他電池一樣，其性能、安全和壽命均會受工作溫度的影響[1]，必須對LiFePO4電池進行熱管理。在電池熱管理系統研究、設計過程中，電池熱物性參數及電池溫升特性是相當重要的。

然而，目前針對鋰離子電池熱物性參數的文獻并不多見。電池導熱系數方面，相當多的文獻將電池簡單視為各向同性物體[2-5]。事實上，由于鋰離子電池層疊的內部結構，各向導熱性能是有差異的。文獻[6]用穩態法測定了圓柱鋰/二氧化硫電池軸向導熱系數。文獻[7]用實驗與仿真結合的方法測定了方塊三元材料鋰電池各向導熱系數。關于LiFePO4動力電池導熱系數實驗測定的文獻則尚未見到。關于比熱容的文獻也相當少。文獻[8-9]根據Bernadi等人[10]提出的電池熱模型，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熱系數、比熱容、生熱速率等熱參數的文獻尚未見到。

本文通過實驗同時測定所研究電池單體的比熱、生熱速率、各向導熱系數等熱物性參數，并以此為基礎，重點研究了多種冷卻風速強制冷卻的條件下，該電池在1(20 A)、2(40 A)、3(60 A)電流倍率下的溫升特性。

1 電池熱物性參數測定

本文實驗對象為一種方塊LiFePO4動力電池，鋁塑膜外包裝，額定電壓 3.2 V，額定容量 20 Ah，質量 0.545 kg，高230 mm，長170 mm，厚7 mm。

1.1 電池內阻測定

電池的內阻R由歐姆內阻R0和極化內阻RJ兩部分組成，可表示為

對于不同的電流，有：

由式(1)、式(2)得：

圖1 電池內阻隨的變化

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、極化熱和化學反應熱，電池生熱速率是電池一個很重要的參數。根據Bernardi模型，生熱速率：

將電池絕熱，有：

在一個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，預熱電池，該過程保溫材料也將受熱升溫，從而使得實驗有效階段電池散熱減小，減小實驗誤差。接著電池以5個不同的電流依次放電3 min。實驗完成后，整理數據，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 的關系

擬合結果：

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系，電流越大，生熱速率上升得越快。

1.3 導熱系數測定

方塊電池是由正極材料、隔膜、負極材料等層疊而成的，根據等效熱阻法可以得到電池導熱系數

在電池靜置狀態下，給電池表面一個小的區域恒溫加熱，其他區域自然冷卻，熱平衡之后，電池內部將形成穩定的溫度場，測定此時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居中處(設該面為正面)，利用溫控器控制該加熱片進行定溫加熱()，電池各處溫度隨之上升，由于電池表面與空氣對流換熱，最終電池溫度場趨于穩定。

圖3 電池導熱系數測定示意圖

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。設一個值，利用Fluent軟件在-平面上做出相應于點#2、#3、#4溫度的三條等溫線，經過微調，得到三條相交于一個公共點的等溫線，如圖4。此時=2 W/(m2·K)，交點即所求值：

2 電池放電溫度效應仿真計算

2.1 電池能量方程

能量方程：

邊界條件：

圖4 =2 W/m2K時相應于點#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

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，表面換熱系數按文獻[11]經驗公式計算，即：層流全板長平均

表1 3O ℃時空氣物性參數[11]

表2 各種冷卻風速對應的表面換熱系數

圖5 2 m/s冷卻風速時電池1、2、3溫升曲線

2.3 結果與討論

圖6 4 m/s冷卻風速時電池2、3溫升曲線

圖7 5、10、12 m/s風速時電池溫升曲線(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，隨著風速的增大，電池溫度下降趨緩。

由表3，在相同的風速下，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，隨著冷卻風速增大，電池自身的溫度差也隨之擴大。3放電時，12 m/s的冷卻風速將造成7.6 K的電池溫差。過大的電池自身溫差對電池是不利的，一般要求不大于5 K。

表3 電池自身最大溫差 K

3 結論

(1)通過實驗和仿真結合的方法，得到了所要研究的方塊形鋰電池的比熱容、生熱速率、導熱系數等熱物性參數。結果表明，電池生熱速率與電流呈二次曲線關系，生熱速率隨著電流的增大而增大。三向導熱系數W/(m·K)，各向異性明顯。

(2)電流較小時，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(如1以上)，則需要采用強制風冷，而且電流越大，要求的冷卻風速也越大。

(3)強制風冷，特別是冷卻風速較大時，在降低電池溫度的同時，將使得電池本身產生一個不容忽略的內外溫差，這對電池整體性能是不利的。

參考文獻：

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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，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

A

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

2014-09-05

廣東省中科院戰略合作重點項目(2011A090100033)；廣東省高新區引導專項(2011B010700047)

林堅生(1985—)，男，廣東省人，碩士生，主要研究方向為電池熱管理。

宋文吉副研究員，songwj@ms.giec.ac.cn