方形卷繞式磷酸鐵鋰電池?zé)嵛镄约鞍l(fā)熱功率計(jì)算

方形卷繞式磷酸鐵鋰電池?zé)嵛镄约鞍l(fā)熱

功率計(jì)算摘要：磷酸鐵鋰電池作為鋰離子電池中應(yīng)用極其廣泛的類型，常應(yīng)用于純電動汽車和大型電化學(xué)儲能等安全要求很高的場景。為避免電池在因溫度管控不當(dāng)引起溫度升高和起火等風(fēng)險，研究磷酸鋰特電池的熱性能是很有必要的。本文以某型號磷酸鐵鋰電池單體為研究對象。研究0.5C工況下的熱物性參數(shù)，為電池組或系統(tǒng)級別的仿真提供參考和指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：熱仿真；磷酸鐵鋰電池；電池比熱容；電池導(dǎo)熱系數(shù)；電池生熱功率引言鋰離子電池作為性能更優(yōu)異的新一代二次電池，因其具備工作倍率高、循環(huán)壽命長、能量密度高和無重金屬污染等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在純電動汽車、電化學(xué)儲能電站、電動工具和應(yīng)急電源等各行各業(yè)被廣泛的應(yīng)用。溫度對于磷酸鐵鋰電池的電性能、安全性能和使用壽命均有相當(dāng)大的影響。溫度過高不僅會加劇磷酸鐵鋰電池的壽命衰減，還會引起電池的熱失控，導(dǎo)致冒煙起火等安全風(fēng)險熱仿真已經(jīng)成為鋰離子電池?zé)釂栴}的主要研究方法。熱仿真的準(zhǔn)確程度，依賴于電池的熱物性參數(shù)的的準(zhǔn)確程度。目前行業(yè)內(nèi)生產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池種類繁多，熱物性參數(shù)也五花八門，①電池比熱容C為1083J/kg*k，導(dǎo)熱系數(shù)為K=0.905W/（m*K），K=2.687W/（m*K）；電池比熱容C=1010J/kg*k，導(dǎo)熱系數(shù)為K=0.95W/（m*K），K=2.73W/（m*K）；電池比熱容C=733J/kg*k，導(dǎo)熱系數(shù)為K=3.6W/（m*K），K=10.8W/（m*K）。yz

本文基于3.2V105Ah卷繞式方形磷酸鐵鋰電池的基礎(chǔ)材料特性進(jìn)行理論計(jì)算，并通過電池的實(shí)測溫度曲線對發(fā)熱功率進(jìn)行反向修正，最終得出此款電池的理論熱物性參數(shù)。1電池比熱容本研究采用卷繞式方形磷酸鐵鋰電池，標(biāo)稱電壓3.2V，標(biāo)稱容量105Ah，重量約2.17kg，尺寸為173mm*29mm*200mm。電芯內(nèi)部主材包含銅箔、鋁箔、磷酸鐵鋰、石墨、隔膜、電解液、鋁殼和絕緣膜。各主材比熱容及重量統(tǒng)計(jì)如表1所示：表1電池主材比熱容及重量統(tǒng)計(jì)6電解液20550.4557鋁殼10000.258絕緣膜19780.006按主材所占質(zhì)量大小不同，累積計(jì)算電池比熱容，其余占比較小的添加劑和小型構(gòu)件忽略不計(jì)，表達(dá)式如下:式中，-第i層材料的比熱容；，-第i層材料的重量；經(jīng)加權(quán)平均計(jì)算得本款磷酸鐵鋰電池的理論比熱容c=1232.4J/（kg*k）。2電池導(dǎo)熱系數(shù)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)為層狀箔材卷繞而成，內(nèi)部材料層數(shù)超過250層，為了便于計(jì)算，將同種材料按總厚度累加為一層計(jì)算。在對電池進(jìn)行仿真時，需要將磷酸鐵鋰電池主體等效成一個均質(zhì)體，均質(zhì)體在三個方向上的導(dǎo)熱系數(shù)可以基于簡化后的電池等效模型和內(nèi)部材料的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算得到，內(nèi)部材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以通過一些資料手冊查找獲得，如表2所示：表2電池主材導(dǎo)熱系數(shù)及厚度統(tǒng)計(jì)

1689.4240.222.6560.601.521701.30.220.0121689.4240.222.6560.601.521701.30.220.012由數(shù)值傳熱學(xué)中串并聯(lián)熱阻的基本理論，電池在某個方向上的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算如下:2_式中-電池三軸向?qū)嵯禂?shù)；-第i層材料的厚度；-第i層材料的導(dǎo)熱系數(shù)；1-電池寬度，取173mm；1-電池高度，取200mm；」'?-電池內(nèi)部卷芯高度，取191mm；1-電池厚度，取29mm；」'?-電池內(nèi)部卷芯至殼體上部的導(dǎo)電鋁排長度，取10mm；J'-電池內(nèi)部卷芯至殼體底部的隔膜厚度，取1.5mm；J'-電池內(nèi)部卷芯至殼體底部的電解液厚度，取1mm；，-導(dǎo)電鋁排截面，取80mm2；經(jīng)計(jì)算的=1.1768W/（m*K），??：=16.128W/（m*K）。3電池密度電池實(shí)物稱重為2.17kg，體積經(jīng)計(jì)算為0.001024m3，電池密度P為2117.5kg/m3。4電池生熱功率在估算電池生熱速率時，常用的方法是利用Bernardi等人的電池生熱速率模型。式中：,■-電池的體積（m3）；■'-電池單體端電壓（V）；J-熱力學(xué)溫度（K）；I-電池工作電流（A）；■'-電池開路電壓（V）；近丁-溫度影響系數(shù)（V/K）；上述模型涉及變量較多，尤其是端電壓和開路電壓，與電池內(nèi)部材料配方和荷電狀態(tài)均有密切關(guān)聯(lián)，無法直接代入仿真軟件進(jìn)行計(jì)算。因此選擇基于電池實(shí)測溫度曲線對不同時間段的電芯生熱功率進(jìn)行修正的方法，計(jì)算出幾個有代表性的關(guān)鍵功率點(diǎn)。電池在環(huán)境溫度為25°C0.5C倍率條件下進(jìn)行充放電，充放電過程中擱置0.5h，記錄全過程的溫度數(shù)據(jù)，溫度點(diǎn)在電芯外殼中心位置。起始溫度27C，充電2h后溫度達(dá)到32.8C，擱置0.5h后溫度下降至30.4C，放電2h后溫度上升至34.2C，如圖4所示。圖4電池實(shí)測溫度曲線將電池實(shí)測溫度曲線根據(jù)溫升斜率簡化分割為4段，a段功率持續(xù)時長約5000s,b段功率持續(xù)時間約2200s，c段功率持續(xù)時間約6600s，d段功率持續(xù)時間約600s。根據(jù)公式P=I2R初步計(jì)算電池發(fā)熱功率，其中I按電池0.5C工作倍率取52.5A,R根據(jù)電池常用HPPC(混合功率脈沖特性)法測量，取2.5mQ(30%SOC)，經(jīng)計(jì)算得電池此狀態(tài)的生熱功率約為6.9W，基于此功率預(yù)設(shè)電池常溫0.5C條件下生熱功率。根據(jù)電池外形尺寸，繪制相同尺寸大小的實(shí)體模型，設(shè)置材料熱物性參數(shù)，如表3所示：表3電池?zé)嵛镄詤?shù)

電池散熱面取電池所有表面，考慮到電池測試環(huán)境通風(fēng)狀況良好，自然對流換熱系數(shù)設(shè)置為10W/（m2*k），初始環(huán)境溫度設(shè)置為25°C。經(jīng)仿真計(jì)算，電池仿真溫度云圖如圖5所示，電池仿真溫度曲線趨勢近似，但與電池實(shí)測溫度值仍有偏差，需要進(jìn)行生熱功率修正。圖5電池仿真溫度云圖圖6電池仿真溫度曲線根據(jù)電池實(shí)測曲線對不同階段的電池生熱功率進(jìn)行逐一修正，最終得出電池不同充放電狀態(tài)和不同時間段的生熱功率，既而得出電池不同充放電狀態(tài)和荷電狀態(tài)的生熱功率，如表5所示：表4電池不同荷電狀態(tài)生熱功率表25C0.5C充電條件時間荷電狀態(tài)生熱功率0-5000S|0-70%|6.7kW/m350007200S70100%5.6kW/m325°C0.5C放電條件0-6600S0-91%5.5kW/m366007200s91%-100%13kW/m35結(jié)論本文磷酸鐵鋰電池進(jìn)行建模和參數(shù)辨識計(jì)算。通過實(shí)驗(yàn)并結(jié)合仿真分析，可以得到以下結(jié)論：3.2V105Ah能量型方形卷繞式磷酸鐵鋰電池，理論比熱容為1232.4J/（kg*k），三軸向理論導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.1768W/（m*K）（x軸&z軸）和16.128W/（m*K）（y軸）。通過電池試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真軟件結(jié)合，反向擬合電池0.5C自然散熱條件下的生熱功率。充電條件下，荷電狀態(tài)小于70%時單位體積生熱功率可取6.7kW/m3，