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(dòng)力源就是鋰離子電池，通過(guò)特定的串并聯(lián)將鋰離子電池制作成電池包，不僅有著較長(zhǎng)的續(xù)航，而且安全性也較高。但是鋰離子電池包容易出現(xiàn)溫度過(guò)高的問(wèn)題，因此本文從鋰離子電池包的特點(diǎn)和分類入手，重點(diǎn)分析其產(chǎn)熱和熱傳遞機(jī)理，希望可以借此給鋰離子電池包產(chǎn)熱的相關(guān)研究提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池包;分類;熱傳遞

1鋰離子電池包的特點(diǎn)

鋰離子電池包的商業(yè)化是從20世紀(jì)末期開(kāi)始的，但是在短期內(nèi)快速的發(fā)展，目前相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)較為成熟。與其他的可充電電池相比，鋰離子電池包的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）使用壽命較長(zhǎng)。鋰離子電池包的循環(huán)壽命較長(zhǎng)，通常循環(huán)次數(shù)在1000次左右，循環(huán)壽命較高的可達(dá)到2000次以上，如碳酸鋰電池，這就極大的增強(qiáng)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(chǎn)的刀片電池能量密度甚至超過(guò)了400瓦時(shí)/千克，所以應(yīng)用在電動(dòng)汽車上時(shí)能夠極大的延長(zhǎng)續(xù)航里程，這對(duì)于增強(qiáng)電動(dòng)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?jī)?chǔ)存鋰電池的體積僅為傳統(tǒng)鉛酸電池的一半左右，重量更是僅為傳統(tǒng)鉛酸電池的25%左右。所以，在同等的空間內(nèi)可以放置更多的鋰離子電池。

（4）工作溫度范圍較寬。當(dāng)前常見(jiàn)的鋰離子電池包都可在零下20℃到60℃的范圍內(nèi)使用，鈦酸鋰電池更是可以在零下40攝氏度的環(huán)境中使用，能夠適應(yīng)我國(guó)大多數(shù)的天氣環(huán)境。

2鋰離子電池包的分類

當(dāng)前鋰離子電池包的分類通常是根據(jù)其正極材料來(lái)區(qū)分的，當(dāng)前我國(guó)市場(chǎng)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(chǔ)存更多的電能，因此應(yīng)用在汽車領(lǐng)域時(shí)可極大地提升續(xù)航里程。除此之外，三元鋰電池的放電平臺(tái)也較高，同等體積能輸出更高的電壓，因此主要是應(yīng)用于小型轎車的領(lǐng)域。但是三元鋰電池包也有自身的限制存在，首先是循環(huán)壽命較低，理論循環(huán)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(duì)較差，由于其能量密度較高，所以在發(fā)生短路時(shí)常出現(xiàn)起火、爆炸等問(wèn)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(fù)極常采用鈦酸鋰材料，它的應(yīng)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(huán)次數(shù)方面，其理論循環(huán)壽命可超過(guò)10000次，這就能極大的延長(zhǎng)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(duì)最好，在短路、碰撞等問(wèn)題發(fā)生時(shí)不會(huì)出現(xiàn)起火等問(wèn)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(duì)居中，通?？蛇_(dá)到150瓦時(shí)/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(huán)壽命常可超過(guò)2000次，能承受較高的溫度而不會(huì)分解，因此它成為當(dāng)前電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿x擇。相應(yīng)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(huán)次數(shù)不如碳酸鋰電池包。

3鋰離子電池包的產(chǎn)熱及熱傳遞機(jī)理分析

3.1鋰離子電池包的產(chǎn)熱機(jī)理

鋰離子電池包在運(yùn)作的過(guò)程中，電池內(nèi)部鋰離子不斷的嵌入和脫出，并且在電解液中傳輸，這時(shí)電池內(nèi)部的活性材料就會(huì)產(chǎn)生熱量。主要的熱量分別是可逆反應(yīng)產(chǎn)生的熱量Qr、歐姆內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量Qj和極化內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量Qp，具體的總熱量表達(dá)式為：

當(dāng)然，鋰離子電池包內(nèi)部的副反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生熱量，但是這部分熱量相對(duì)較小，因此可忽略不計(jì)。總體而言，鋰離子電池包在充放電過(guò)程中，其熱量主要是來(lái)源于極化熱、焦耳熱和反應(yīng)熱，而焦耳熱的占比最高，它會(huì)隨著電池內(nèi)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(nèi)阻會(huì)呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，這時(shí)熱量產(chǎn)生也會(huì)明顯上升，而且充電過(guò)程的產(chǎn)熱要小于放電過(guò)程的產(chǎn)熱。

3.2鋰離子電池包的熱傳遞機(jī)理

根據(jù)熱傳遞的原理，鋰離子電池包在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量會(huì)進(jìn)行傳遞，其傳遞的方式分別為熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)為其主動(dòng)散熱的主要形式。從傅里葉定律可知，物體會(huì)從高溫部分下外部低溫部分傳輸熱能，而且單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一平面的熱導(dǎo)量與平面面積和溫度變化率有著直接的關(guān)系，具體的表達(dá)式如下。

其中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，它于材料有著直接的關(guān)系，通常為固定值，A表示平面面積，為溫度變化率，負(fù)號(hào)表示溫度溫度升高方向與熱量傳遞方向相反，φ表示導(dǎo)熱量。

在熱量傳遞的過(guò)程中，有一部分熱量會(huì)被材料所吸收，這時(shí)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(dāng)鋰離子電池包的內(nèi)部熱量傳遞到其表面時(shí)，這時(shí)就會(huì)通過(guò)熱輻射和熱對(duì)流的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)散熱，相應(yīng)的熱量會(huì)散失到周圍環(huán)境中。熱對(duì)流是指冷空氣在經(jīng)過(guò)鋰離子電池包表面時(shí)帶走熱量，這時(shí)發(fā)生了對(duì)流傳熱的效應(yīng)，它可分為強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流兩種，強(qiáng)制對(duì)流是指用風(fēng)機(jī)等來(lái)形成壓差而產(chǎn)生散熱，自然對(duì)流則是指由于冷熱和密度不均而引起的對(duì)流，具體的對(duì)流傳熱表達(dá)式如下。

其中，tw為表面溫度，tf為流體溫度，h為對(duì)流換熱系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

鋰離子電池在使用的過(guò)程中也存在一定問(wèn)題，由于大倍率的放電，電池的會(huì)產(chǎn)生熱量，而鋰離子電池包為了實(shí)現(xiàn)防水的功能，其內(nèi)部通常是密封的，這就導(dǎo)致熱量在鋰離子電池包的內(nèi)部聚集，很容易出現(xiàn)溫度過(guò)高的問(wèn)題，不僅影響電池正常性能的實(shí)現(xiàn)，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(diǎn)、分類和熱傳遞機(jī)理，希望可以借此給鋰離子電池包散熱的相關(guān)研究提供一定的參考。

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