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Vol31，Suppl!!!!!!星皇竺竺!!!里蘭!!!!墅!!里!!!：：!!!!!￡!!竺：：!￡竺!!!!：!!堅!!!!!!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)中圜科學院電力電子與電力傳動重點實驗室，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，通過克放電實驗獲得7磷醯鐵擔電池酌熬朝理參敏，“廈通過低溫實驗剝得磷酸鐵擔電池在不同溫度務件下酌自阻，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，通過常溫時的電池溫升實駐對模型進行驗證，然后通過模型仿真得出磷酸鐵枉電海在低溫務件

2、下表面溫度分布的規(guī)律，為謾計低溫環(huán)境下的電池熱管理系統(tǒng)提供7理論依據(jù)．關整詞：磷酸鐵枉電池；內(nèi)阻；有限元模型：低溫特掛中國分婁號：TM912．9文獻標*碼：A文章編號1003．3076f2012)S0-0078-051引言鋰離子電池具有高能量密度、長循環(huán)壽命、較高電壓以盈不存在記憶效應等優(yōu)點，并且被廣泛地用于電動汽車領域。然而．由于現(xiàn)階段電化學工業(yè)水平的限制，磷酸鐵鋰電池的使用需要有特定的環(huán)境。高溫和低溫都會對電池造成嚴重的損害?；較高的溫度會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法對電池進行充電的9”。無論是在高溫環(huán)境還

3、是低溫環(huán)境．電池的使用壽命和性能都會被嚴重影響，這也導致了電動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于電動汽車在寒冷地區(qū)的應用有非常積極的意義。本文首先進行室溫條件(25"C)下磷酸鐵鋰屯池組的充放電實驗以獲得其熱物理參鼓，然后在．30℃枷℃范圍內(nèi)對單體磷酸鐵錘電池內(nèi)阻進行了檢測。最后建立了一個基于有限元方法的電池三維電化學-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．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、電池外殼和正負極耳，其中電池內(nèi)核是電池最復雜的部分并且呈現(xiàn)出層狀結構，它由正極、正極集流體、隔膜、負極、負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。電解藏存在于正負極和隔膜的空隙中，為鋰離子和電子的運動提供了介質(zhì)。同時，正負極流體分別和電池的正負極耳相連接，電流通過正負極耳流八、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，并且空隙中的電解液基本上是靜止的，不存在對流傳熱，故熱傳

5、導占據(jù)了主要地位H。三維的瞬態(tài)熱傳導公式如下所示：礦署2去卜罷卜導一號)+；0(t．O。Tj+-t·，作奢筒介；袁昊(1987．)．*．安蕾藉，碰上研究生，研究方向為镕離子電池熱管理：i麗芳(1971-)．女。山西藉．研究員，研究方向為車載總線拄術和電池管Ⅸ技術增刊袁昊，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、導熱率和生熱率。在邊界上，只考慮對流傳熱邊界條件，因為在常溫甚至低溫條件下，熱輻射所傳導的熱量非常小，可以忽略不計。對流傳熱的方程可以表示如下；黿c=矗(C一瓦)(2)其中，吼，h，互和瓦分別表示對流傳熱方式傳導的熱量，對流

6、換熱系數(shù)，物體表面溫度和環(huán)境濕度。對流換熱系數(shù)是溫度和幾何尺寸的函數(shù)，并且自然對流換熱系數(shù)一般在3～10之間。為了求解熱傳導方程(1)，首先要確定源項g，即電池生熱率。Bernardi等人【7】提出的電池生熱模型可以用來計算電池的生熱率。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)較為復雜，比如電池的開路電壓隨著SOC值的變化而交化，這需要進行大量的實驗測定。式(4)不僅提供了式(3)中電化學

7、生熱效應的計算方法，同時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)，針對固定的電池可以認為是定值，所以(1／r)(dr／dt)是電流，的線性函數(shù)，式(4)的定量表達會在下一個部分中進行闡述。根據(jù)式(5)，式(3)可以被簡化成：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構堆驢喜2琴藤。)毛：藝：∑字=叢生型≯螻(8)其中，t，屯·恕表示工，Y，2方向的導熱率：k，七。，毛，k，k分別