淺談磷酸鐵鋰電池系統散熱必要性及方式

李艷杰

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

關鍵詞：磷酸鐵鋰;容量;散熱方式

引言：

隨著環境污染的問題日趨凸顯，國家在十三五戰略性新興產業發展中提到要扶持新能源汽車的發展.同時要求大幅提升新能源汽車和新能源的應用比例，在此背景下新能源產業高速發展。而磷酸鐵鋰電池具有安全性能高循環壽命長等特性，是目前電動汽車的首選電池。而電池本身是個發熱體，溫度對電池性能是否有影響？是否考慮電池系統的散熱？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境下工作會加劇電池系統的容量衰減：

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，恢復容量結果來看，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情況：

循環制度：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℃）循環容量趨勢圖。藍色曲線代表高溫55±2℃循環容量趨勢圖。

從常溫和高溫循環數據來看，在同樣都循環到2000多次時，常溫循環電池容量保持率在90.7%，而高溫循環電池容量保持率在81.98%，兩者容量保持率差異達到9%。高溫循環明顯加速了電池的容量衰減。

3、高溫環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，電池內部反應尤其是副反應速率增長迅速，其中已知的最為明顯的副反應為鋰鹽遇水分解產HF的反應，不僅造成了活性鋰損失，同時分解產生的強腐蝕性HF對電池內部各組分都將起到明顯的破壞作用。隨著溫度升高，電池內部化學反應較多，生成較厚的界面膜，從而導致電池內阻及厚度增加。與此同時，高溫下正極鐵元素的溶出，鐵元素負極的沉積導致SEI的破壞和反復修復，都導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，車輛所需電池數目較大，電池均為緊密排列連接。當車輛在高速、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，以不同速率產生大量熱量，加上時間累積以及空間影響會產生不均勻熱量聚集，從而導致電池組運行環境溫度復雜多變。

下面單獨以一電池包（76Ah-2P54S-C箱）環境溫度為常溫（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，重復三次。

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

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℃。

因發熱電池體的密集擺放，中間區域必然熱量聚集較多，邊緣區域較少，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、單體內阻和容量不一致。為使電池包發揮最佳性能和壽命，就需要優化電池包結構，對他進行熱管理，增加散熱措施，控制電池運行的溫度環境。

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。被動散熱系統要求的成本比較低，采取的措施也相對簡單。主動散熱系統結構相對復雜，需要更大的附加功率，但它的熱管理更加有效。

根據熱傳導特性，按照采用的傳熱介質不同可以分為采用氣體或液體或相變材料等傳熱介質進行散熱。

采用氣體（空氣）做為傳熱介質的主要優點有：結構簡單，質量輕，有效通風，成本較低;不足之處在于：與電池壁面之間換熱系數低，冷卻速度慢，效率低。目前應用較多。如：比較常見的風冷結構散熱方式：在電池包一端加裝散熱風扇，另一端留出通風孔，使空氣在電芯的縫隙間加速流動，帶走電芯工作時產生的高熱量。

采用液體作為傳熱介質的主要優點有：與電池壁面之間換熱系數高，冷卻速度快;不足之處在于：密封性要求高，質量相對較大，維修和保養復雜，需求水套、換熱器等部件，結構相對復雜。如：電芯的熱量通過導熱膠或導熱硅膠片傳遞至液冷管，由冷卻液熱脹冷縮自由循環流動將熱量帶走，使整個電池包的溫度統一，冷卻液強大的比熱容吸收電芯工作時產生的熱量，使整個電池包在安全溫度內運作。

采用相變材料的主要優點有：與電池壁面之間換熱系數高，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：研發制造成本高。目前相對應用較少。

因此，電池包采取哪種散熱方式，應根據電池特性、客戶要求、成本要求、車輛運營環境、使用工況等綜合因素來選擇合理的散熱方式。總之所設計的散熱系統需要滿足結構簡單、系統可靠耐用、低成本以及低寄生功率等特性。