磷酸鐵鋰電池低溫生熱特性的研究1.pdf

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1、第31卷增刊電工電能新技術(shù)Vol31，Suppl!!!!!!星皇竺竺!!!里蘭!!!!墅!!里!!!：：!!!!!￡!!竺：：!￡竺!!!!：!!堅(jiān)!!!!!!磷酸鐵鋰電池低溫生熱特性的研究袁吳，王麗芳，鏖承林，王立業(yè)中圜科學(xué)院電力電子與電力傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，電i研究所，北京100190精要：主要探討7磷酸缺鋰電池在低溫每件下的熱軸理特性，通過(guò)克放電實(shí)驗(yàn)獲得7磷醯鐵擔(dān)電池酌熬朝理參敏，“廈通過(guò)低溫實(shí)驗(yàn)剝得磷酸鐵擔(dān)電池在不同溫度務(wù)件下酌自阻，并且基于“上物理參數(shù)建立7基于有限元方法的三雛模型，通過(guò)常溫時(shí)的電池溫升實(shí)駐對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，然后通過(guò)模型仿真得出磷酸鐵枉電海在低溫務(wù)件

2、下表面溫度分布的規(guī)律，為謾計(jì)低溫環(huán)境下的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提供7理論依據(jù)．關(guān)整詞：磷酸鐵枉電池；內(nèi)阻；有限元模型：低溫特掛中國(guó)分婁號(hào)：TM912．9文獻(xiàn)標(biāo)*碼：A文章編號(hào)1003．3076f2012)S0-0078-051引言鋰離子電池具有高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、較高電壓以盈不存在記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，并且被廣泛地用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域。然而．由于現(xiàn)階段電化學(xué)工業(yè)水平的限制，磷酸鐵鋰電池的使用需要有特定的環(huán)境。高溫和低溫都會(huì)對(duì)電池造成嚴(yán)重的損害?；較高的溫度會(huì)縮短電池的使用壽命，而在-20℃的溫度下，電池的能量被丈幅地衰醯，并且在低溫條件下是無(wú)法對(duì)電池進(jìn)行充電的9”。無(wú)論是在高溫環(huán)境還

3、是低溫環(huán)境．電池的使用壽命和性能都會(huì)被嚴(yán)重影響，這也導(dǎo)致了電動(dòng)汽車的不可靠性和高昂的成本。新型的磷酸銑鋰屯池與以往的電池相比具有報(bào)好的高溫特性，但是在低溫環(huán)境中性能非常差。因此，磷酸鐵鋰電{也低溫特性的研究對(duì)于電動(dòng)汽車在寒冷地區(qū)的應(yīng)用有非常積極的意義。本文首先進(jìn)行室溫條件(25"C)下磷酸鐵鋰屯池組的充放電實(shí)驗(yàn)以獲得其熱物理參鼓，然后在．30℃枷℃范圍內(nèi)對(duì)單體磷酸鐵錘電池內(nèi)阻進(jìn)行了檢測(cè)。最后建立了一個(gè)基于有限元方法的電池三維電化學(xué)-熱模型，并且利用該模型研究了磷酸銑鋰電池在不同溫度條件和邊界燕件情況F的生熱特性。2電池電化學(xué)．熱模型方形的磷酸鐵鋰電池由以下部分組成：電池

4、內(nèi)核、電池外殼和正負(fù)極耳，其中電池內(nèi)核是電池最復(fù)雜的部分并且呈現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)，它由正極、正極集流體、隔膜、負(fù)極、負(fù)極集流體和電解漣組成，前四層組成了一十基奉的電池單元，如圖1所示．一定數(shù)目的基本電池單元放置在一起組成了電濁內(nèi)核的主要部分。電解藏存在于正負(fù)極和隔膜的空隙中，為鋰離子和電子的運(yùn)動(dòng)提供了介質(zhì)。同時(shí)，正負(fù)極流體分別和電池的正負(fù)極耳相連接，電流通過(guò)正負(fù)極耳流八、流出電池，目I電池基本單i#*目FigI＆h∞圳cm"ramo“basicbatt“y1】凸i【在電池內(nèi)部，由于電池內(nèi)部的溫度熱輻射基本上可以忽略不計(jì)，并且空隙中的電解液基本上是靜止的，不存在對(duì)流傳熱，故熱傳

5、導(dǎo)占據(jù)了主要地位H。三維的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)公式如下所示：礦署2去卜罷卜導(dǎo)一號(hào))+；0(t．O。Tj+-t·，作奢筒介；袁昊(1987．)．*．安蕾藉，碰上研究生，研究方向?yàn)殚F離子電池?zé)峁芾恚篿麗芳(1971-)．女。山西藉．研究員，研究方向?yàn)檐囕d總線拄術(shù)和電池管Ⅸ技術(shù)增刊袁昊，等：磷酸鐵鋰電池低溫生熱特性的研究79其中，戶，C，七和g分別表示密度、熱容量、導(dǎo)熱率和生熱率。在邊界上，只考慮對(duì)流傳熱邊界條件，因?yàn)樵诔厣踔恋蜏貤l件下，熱輻射所傳導(dǎo)的熱量非常小，可以忽略不計(jì)。對(duì)流傳熱的方程可以表示如下；黿c=矗(C一瓦)(2)其中，吼，h，互和瓦分別表示對(duì)流傳熱方式傳導(dǎo)的熱量，對(duì)流

6、換熱系數(shù)，物體表面溫度和環(huán)境濕度。對(duì)流換熱系數(shù)是溫度和幾何尺寸的函數(shù)，并且自然對(duì)流換熱系數(shù)一般在3～10之間。為了求解熱傳導(dǎo)方程(1)，首先要確定源項(xiàng)g，即電池生熱率。Bernardi等人【7】提出的電池生熱模型可以用來(lái)計(jì)算電池的生熱率。用方程表示如下：g=瓦I[、E。-E)一r割(3)其中，，，％，晶和E分別表示工作電流(I>0為充電，I<0為放電)，電池體積、電池開(kāi)路電壓和工作電壓。雖然Bernadi的方程從理論上定量描述了電池的生熱規(guī)律，但是方程的參數(shù)較為復(fù)雜，比如電池的開(kāi)路電壓隨著SOC值的變化而交化，這需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)定。式(4)不僅提供了式(3)中電化學(xué)

7、生熱效應(yīng)的計(jì)算方法，同時(shí)也給出比熱容的求解方法：三塑：旦』一三墜(4)一一=一，一●q-ldtmCdT?j其中，胄和m表示電池內(nèi)阻和總的質(zhì)量。在式(4)中，由于r(dEo／drl是電池本身的參數(shù)，針對(duì)固定的電池可以認(rèn)為是定值，所以(1／r)(dr／dt)是電流，的線性函數(shù)，式(4)的定量表達(dá)會(huì)在下一個(gè)部分中進(jìn)行闡述。根據(jù)式(5)，式(3)可以被簡(jiǎn)化成：晶一E；／R(5)g=專卜r割舊池基本單元，這些單元由不同材料組成的層狀結(jié)構(gòu)堆驢喜2琴藤。)毛：藝：∑字=叢生型≯螻(8)其中，t，屯·恕表示工，Y，2方向的導(dǎo)熱率：k，七。，毛，k，k分別