鋰離子電池包的分類及熱傳遞分析

于方洲

摘 要：在新能源汽車中，最常用的動力源就是鋰離子電池，通過特定的串并聯將鋰離子電池制作成電池包，不僅有著較長的續航，而且安全性也較高。但是鋰離子電池包容易出現溫度過高的問題，因此本文從鋰離子電池包的特點和分類入手，重點分析其產熱和熱傳遞機理，希望可以借此給鋰離子電池包產熱的相關研究提供一定的參考。

關鍵詞：鋰離子電池包;分類;熱傳遞

1鋰離子電池包的特點

鋰離子電池包的商業化是從20世紀末期開始的，但是在短期內快速的發展，目前相關的技術已經較為成熟。與其他的可充電電池相比，鋰離子電池包的優勢主要體現在以下幾個方面：

（1）使用壽命較長。鋰離子電池包的循環壽命較長，通常循環次數在1000次左右，循環壽命較高的可達到2000次以上，如碳酸鋰電池，這就極大的增強了鋰離子電池包的使用壽命。

（2）能量密度較高。鋰離子電池包的能量密度較高，目前比亞迪生產的刀片電池能量密度甚至超過了400瓦時/千克，所以應用在電動汽車上時能夠極大的延長續航里程，這對于增強電動汽車的適用性有著極大的幫助。

（3）重量較輕。鋰金屬等密度較低，將其做成電池后整體的重量較輕，而且體積較小。同等的能量儲存鋰電池的體積僅為傳統鉛酸電池的一半左右，重量更是僅為傳統鉛酸電池的25%左右。所以，在同等的空間內可以放置更多的鋰離子電池。

（4）工作溫度范圍較寬。當前常見的鋰離子電池包都可在零下20℃到60℃的范圍內使用，鈦酸鋰電池更是可以在零下40攝氏度的環境中使用，能夠適應我國大多數的天氣環境。

2鋰離子電池包的分類

當前鋰離子電池包的分類通常是根據其正極材料來區分的，當前我國市場的主流鋰離子電池包分別為三元鋰電池包、鈦酸鋰電池包和磷酸鐵鋰電池包。不同鋰離子電池的特性如下所示：

（1）三元鋰電池包。三元鋰電池包的電池正極材料通常選用鎳、鈷、錳三種金屬，它的特性是能量密度較高，在同等的體制下能夠儲存更多的電能，因此應用在汽車領域時可極大地提升續航里程。除此之外，三元鋰電池的放電平臺也較高，同等體積能輸出更高的電壓，因此主要是應用于小型轎車的領域。但是三元鋰電池包也有自身的限制存在，首先是循環壽命較低，理論循環壽命在1000次左右，這就極大的縮短了其使用的壽命，成為三元鋰電池的短板。其次，三元鋰電池的安全性也相對較差，由于其能量密度較高，所以在發生短路時常出現起火、爆炸等問題。

（2）鈦酸鋰電池包。鈦酸鋰電池包的電池正極選擇范圍較寬，但是負極常采用鈦酸鋰材料，它的應用溫度范圍更寬，可承受零下40攝氏度的低溫和零上60攝氏度的高溫。在循環次數方面，其理論循環壽命可超過10000次，這就能極大的延長鈦酸鋰電池包的使用壽命。除此之外，鈦酸鋰電池包的安全性相對最好，在短路、碰撞等問題發生時不會出現起火等問題。

（3）磷酸鐵鋰電池包。磷酸鐵鋰電池包的電池正極材料為磷酸鐵鋰，它的能量密度相對居中，通?？蛇_到150瓦時/千克，但是安全性要明顯高于三元鋰電池包。磷酸鐵鋰電池。的循環壽命?？沙^2000次，能承受較高的溫度而不會分解，因此它成為當前電動汽車的主要動力選擇。相應的，磷酸鐵鋰電池也有自身的缺陷，它的能量密度不如三元鋰電池包，循環次數不如碳酸鋰電池包。

3鋰離子電池包的產熱及熱傳遞機理分析

3.1鋰離子電池包的產熱機理

鋰離子電池包在運作的過程中，電池內部鋰離子不斷的嵌入和脫出，并且在電解液中傳輸，這時電池內部的活性材料就會產生熱量。主要的熱量分別是可逆反應產生的熱量Qr、歐姆內阻產生的熱量Qj和極化內阻產生的熱量Qp，具體的總熱量表達式為：

當然，鋰離子電池包內部的副反應也會產生熱量，但是這部分熱量相對較小，因此可忽略不計?？傮w而言，鋰離子電池包在充放電過程中，其熱量主要是來源于極化熱、焦耳熱和反應熱，而焦耳熱的占比最高，它會隨著電池內阻的變化而變化。具體放電中，離子電池包隨著放電深度的增加，內阻會呈現出上升的趨勢，這時熱量產生也會明顯上升，而且充電過程的產熱要小于放電過程的產熱。

3.2鋰離子電池包的熱傳遞機理

根據熱傳遞的原理，鋰離子電池包在運行過程中產生的熱量會進行傳遞，其傳遞的方式分別為熱輻射、熱對流和熱傳導，熱傳導為其主動散熱的主要形式。從傅里葉定律可知，物體會從高溫部分下外部低溫部分傳輸熱能，而且單位時間內通過某一平面的熱導量與平面面積和溫度變化率有著直接的關系，具體的表達式如下。

其中，λ為導熱系數，它于材料有著直接的關系，通常為固定值，A表示平面面積，為溫度變化率，負號表示溫度溫度升高方向與熱量傳遞方向相反，φ表示導熱量。

在熱量傳遞的過程中，有一部分熱量會被材料所吸收，這時材料溫度升高。由于鋰離子電池包材料的不同，所以其溫度的上升存在一定的差異。當鋰離子電池包的內部熱量傳遞到其表面時，這時就會通過熱輻射和熱對流的方式來實現散熱，相應的熱量會散失到周圍環境中。熱對流是指冷空氣在經過鋰離子電池包表面時帶走熱量，這時發生了對流傳熱的效應，它可分為強制對流和自然對流兩種，強制對流是指用風機等來形成壓差而產生散熱，自然對流則是指由于冷熱和密度不均而引起的對流，具體的對流傳熱表達式如下。

其中，tw為表面溫度，tf為流體溫度，h為對流換熱系數。

4 結語

鋰離子電池在使用的過程中也存在一定問題，由于大倍率的放電，電池的會產生熱量，而鋰離子電池包為了實現防水的功能，其內部通常是密封的，這就導致熱量在鋰離子電池包的內部聚集，很容易出現溫度過高的問題，不僅影響電池正常性能的實現，而且存在一定的安全隱患。本文分析了鋰離子電池包的特點、分類和熱傳遞機理，希望可以借此給鋰離子電池包散熱的相關研究提供一定的參考。

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