鋰離子電池低溫輔熱方法研究

帥曉鋒　劉克金葉新娜

（1.中航電動汽車（鄭州）有限公司，河南 鄭州450003；2.鄭州飛機裝備有限公司，河南 鄭州450003，3.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州450003）

鋰離子電池低溫輔熱方法研究

帥曉鋒1劉克金2葉新娜3

（1.中航電動汽車（鄭州）有限公司，河南 鄭州450003；2.鄭州飛機裝備有限公司，河南 鄭州450003，3.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州450003）

為提高鋰離子動力電池的低溫充放電性能，以某型特種車用磷酸鐵鋰電池組為研究對象，采用自限溫伴熱帶方法進行輔熱設(shè)計，分析并建立了該車電池組輔熱模型，通過ANSYS有限元熱仿真分析表明該輔熱方法符合設(shè)計要求，最后通過電池組低溫放電試驗，驗證了輔熱方法設(shè)計符合該車的工程需要，該方法對其它電動車輛的電池組低溫輔熱設(shè)計同樣有借鑒意義。

低溫； 輔熱； 鋰離子電池； ANSYS；試驗驗證

1　引言

鋰離子動力電池因其比功率高、能量密度大、壽命長等優(yōu)點，然而在低溫時充放電性能明顯下降。本文以某型特種車用鋰離子動力電池組為基礎(chǔ)，設(shè)計自限溫伴熱帶加熱法，并進行驗證。

2　鋰離子電池輔熱方法研究與應(yīng)用

根據(jù)鋰離子電池在各種溫度下的放電特性，隨著溫度的降低，電池的放電電壓和放電容量都在明顯下降，尤其是在253 K（-20℃）以下，放電電壓和放電容量的下降更為明顯。當(dāng)溫度低至233 K（-40℃）時，電池已無法以30A恒流進行放電，瞬間電池電壓就低于截止電壓。

2.1自限溫伴熱帶加熱法

自限溫伴熱帶是一種帶狀恒溫電加熱材料，加熱溫度達到75℃時，伴熱帶處于高阻狀態(tài)，電流無窮小，輔熱自動中止?，F(xiàn)以某車用180Ah磷酸鐵鋰電池組為例，采用自限溫伴熱帶加熱法，對電池組進行加熱，由帶狀伴熱帶均勻纏繞電池組。

2.2電池組輔熱模型

由于電池內(nèi)部無法安裝溫度傳感器，因此無法對加熱后電池內(nèi)部的溫度進行測量。為了能夠?qū)ψ韵逌匕闊釒Ъ訜嵝Ч湍芎倪M行計算，采用瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程（1）對電池加熱進行建模，并用有限元法對電池不放電情況下加熱進行仿真模擬計算。

式中：ρ，Cp，λ，T和q分別為密度、質(zhì)量定壓熱容、熱導(dǎo)率、溫度和單位體積生熱率。

邊界條件：邊界式（2）是電池組的兩側(cè)面固定槽底面上施加的熱流密度；邊界式（3）是電池組上下底面與空氣進行熱對流交換。

式中：q（t）表示自限溫伴熱帶加熱電池時提供的熱流密度，由于自限溫伴熱帶的電阻會隨溫度的升高而增大，從而造成加熱功率的變化，因此熱流密度不能采用常數(shù)，應(yīng)取具體的實驗值與時間的擬合函數(shù)；T為電池組表面溫度、Tamb為環(huán)境溫度；λ為電池導(dǎo)熱系數(shù)；h為電池上下表面與空氣的對流換熱系數(shù)。

2.3電池參數(shù)

模型中所用的磷酸鐵鋰電池的外形長寬高分別為279.5mm，182mm和71 mm，物性參數(shù)可查電池物性參數(shù)特性，其數(shù)據(jù)可通過查閱文獻獲得。其導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容無法由一種物質(zhì)決定。在仿真計算中將采用電池的平均導(dǎo)熱系數(shù)和平均比熱容，對磷酸鐵鋰電池的比熱容進行實驗測試，Cp為2460J·kg-1·K-1。在計算中，電池在厚度方向的導(dǎo)熱系數(shù)是由正極極片、負(fù)極極片和隔膜串聯(lián)而成，而在長度和高度方向，導(dǎo)熱系數(shù)是由正極極片、負(fù)極極片和隔膜并聯(lián)而成，因此，導(dǎo)熱系數(shù)可由式（5）（6）計算得到

其中：λp，λn，λs，分別為電池單體內(nèi)的正極極片、負(fù)極極片和隔膜的導(dǎo)熱系數(shù)；hx為電池厚度；hxp，hxn，hxs。分別為電池單體內(nèi)的正極極片、負(fù)極極片和隔膜的厚度。

2.4電池組模擬仿真結(jié)果

取整組電池為8節(jié)，纏繞電池組一周的伴熱帶長度為1514mm，共纏繞10匝，伴熱帶總長15.14m，伴熱帶功率為25W/m，則總功率378.5W。采用ansys12.0建立熱平衡模型，環(huán)境溫度分別設(shè)置為-20℃，-30℃和-40℃，各低溫環(huán)境下，電池組在伴熱帶輔熱達到熱平衡狀態(tài)時，溫度分布云圖。在-40℃的環(huán)境中，輔熱達到熱平衡狀態(tài)時，電池組平均溫度大于-20℃，此時電池組能正常工作。在-20℃、-40℃環(huán)境中，平均溫度均在-5℃以上，此時電池組放電性能基本不受低溫影響。

3　結(jié)論

該輔熱方法有效提升了電池的低溫使用性能。由于低溫環(huán)境輔熱系統(tǒng)將消耗一部分電能，影響車輛續(xù)航時間，可采用外部電源作為電池輔熱能源，以保證車輛具有更好的續(xù)航能力。

［1］ 林成濤，李騰，陳全世。錳酸鋰動力蓄電池散熱影響因素分析，兵工學(xué)報，2010，31（1）：88-93。

［2］ 張承寧，雷治國，董玉剛。電動汽車鋰離子電池低溫加熱方法研究，北京理工大學(xué)學(xué)報，2012，32（9）：921-925。

TM912

A

1003-5168（2015）11-065-01

帥曉鋒（1981.1-），男，碩士，工程師，主要研究方向：特種車輛。