方形卷绕式磷酸铁锂电池热物性及发热功率计算

方形卷绕式磷酸铁锂电池热物性及发热功率计算摘要：磷酸铁锂电池作为锂离子电池中应用极其广泛的类型，常应用于纯电 动汽车和大型电化学储能等安全要求很高的场景。为避免电池在因温度管控不当 引起温度升高和起火等风险，研究磷酸锂特电池的热性能是很有必要的。本文以 某型号磷酸铁锂电池单体为研究对象。研究 0.5C 工况下的热物性参数，为电池 组或系统级别的仿真提供参考和指导。关键词：热仿真；磷酸铁锂电池；电池比热容；电池导热系数；电池生热功 率引言锂离子电池作为性能更优异的新一代二次电池，因其具备工作倍率高、循环 寿命长、能量密度高和无重金属污染等优点，已经在纯电动汽车、电化学储能电 站、电动工具和应急电源等各行各业被广泛的应用。温度对于磷酸铁锂电池的电性能、安全性能和使用寿命均有相当大的影响。 温度过高不仅会加剧磷酸铁锂电池的寿命衰减，还会引起电池的热失控，导致冒 烟起火等安全风险热仿真已经成为锂离子电池热问题的主要研究方法。热仿真的准确程度，依 赖于电池的热物性参数的的准确程度。目前行业内生产的磷酸铁锂电池种类繁多，热物性参数也五花八门，电池比热容 C 为 1083J/kg*k，导热系数为 K=0.905W/ (m*K)，K =2.687W/ (m*K)；y xz 电池比热容 C=1010J/kg*k，导热系数为 K =0.95W/(m*K), K =2.73W/ (m*K)；y xz 电池比热容 C=733J/kg*k,导热系数为 K=3.6W/ (m*K)，K =10.8W/(m*K)。本文基于 3.2V105Ah 卷绕式方形磷酸铁锂电池的基础材料特性进行理论计算 并通过电池的实测温度曲线对发热功率进行反向修正，最终得出此款电池的理论 热物性参数。1 电池比热容本研究采用卷绕式方形磷酸铁锂电池，标称电压3.2V，标称容量105Ah，重 量约 2.17kg，尺寸为 173mm*29mm*200mm。电芯内部主材包含铜箔、铝箔、磷酸铁锂、石墨、隔膜、电解液、铝壳和绝 缘膜。各主材比热容及重量统计如表 1 所示：表 1 电池主材比热容及重量统计重量m (kg)0.190.0870.7270.3930.062按主材所占质量大小不同，累积计算电池比热容，其余占比较小的添加剂和小型构件忽略不计，表达式如下：式中c -第i层材料的比热容；“-第i层材料的重量；经加权平均计算得本款磷酸铁锂电池的理论比热容c=1232.4J/（kg*k）。2电池导热系数电池内部结构形态为层状箔材卷绕而成，内部材料层数超过250层，为了便 于计算，将同种材料按总厚度累加为一层计算。在对电池进行仿真时，需要将磷酸铁锂电池主体等效成一个均质体，均质体 在三个方向上的导热系数可以基于简化后的电池等效模型和内部材料的导热系数 计算得到，内部材料的导热系数可以通过一些资料手册查找获得，如表2所示：表2 电池主材导热系数及厚度统计铜箔铝箔磷酸铁锂主材类型3902001.581680.220.601700.220.6080.93610.949.4242.6561.521.30.012由数值传热学中串并联热阻的基本理论，电池在某个方向上的导热系数计算 如下：2_亠+旦+上式中-电池三轴向导热系数；:-第i层材料的厚度；八-第i层材料的导热系数；-电池宽度，取173mm；丄-电池高度，取200mm；丄-电池内部卷芯高度，取191mm；-电池厚度，取29mm；丄-电池内部卷芯至壳体上部的导电铝排长度，取10mm；丄-电池内部卷芯至壳体底部的隔膜厚度，取1.5mm；丄-电池内部卷芯至壳体底部的电解液厚度，取1mm；-导电铝排截面，取80mm2；经计算的，r =1.1768W/ (m*K)，- =16.128W/(m*K)。3电池密度电池实物称重为2.17kg，体积经计算为0.001024m3，电池密度P为2117.5kg/m3。4电池生热功率在估算电池生热速率时，常用的方法是利用Bernardi等人的电池生热速率模型。式中：-电池的体积（m3）；-电池单体端电压（V）；，-热力学温度（K）；f -电池工作电流（A）；-电池开路电压（V）；頁-温度影响系数（V/K）；上述模型涉及变量较多，尤其是端电压和开路电压，与电池内部材料配方和 荷电状态均有密切关联，无法直接代入仿真软件进行计算。因此选择基于电池实 测温度曲线对不同时间段的电芯生热功率进行修正的方法，计算出几个有代表性 的关键功率点。电池在环境温度为25C0.5C倍率条件下进行充放电，充放电过程中搁置0.5h，记录全过程的温度数据，温度点在电芯外壳中心位置。起始温度27C，充 电2h后温度达到32.8C，搁置0.5h后温度下降至30.4C，放电2h后温度上升 至34.2C，如图4所示。图4 电池实测温度曲线将电池实测温度曲线根据温升斜率简化分割为4段，a段功率持续时长约5000s，b 段功率持续时间约 2200s，c 段功率持续时间约 6600s，d 段功率持续时 间约 600s。根据公式 P=I2R 初步计算电池发热功率，其中 I 按电池 0.5C 工作倍率取52.5A, R根据电池常用HPPC (混合功率脉冲特性)法测量，取2.5mQ(3O%SOC), 经计算得电池此状态的生热功率约为6.9W，基于此功率预设电池常温0.5C条件 下生热功率。根据电池外形尺寸，绘制相同尺寸大小的实体模型，设置材料热物性参数 如表 3 所示：表 3 电池热物性参数电池散热面取电池所有表面，考虑到电池测试环境通风状况良好，自然对流 换热系数设置为low/ (m2*k)，初始环境温度设置为25C。经仿真计算，电池仿真温度云图如图5所示，电池仿真温度曲线趋势近似 但与电池实测温度值仍有偏差，需要进行生热功率修正。图5 电池仿真温度云图 图6 电池仿真温度曲线根据电池实测曲线对不同阶段的电池生热功率进行逐一修正，最终得出电池 不同充放电状态和不同时间段的生热功率，既而得出电池不同充放电状态和荷电 状态的生热功率，如表5所示：表4 电池不同荷电状态生热功率表25C 0.5C充电条件时间荷电状态生热功率0-5000S |0-70% |6.7 kW/m35000-70-5.6 kW/m37200S100%25C 0.5C放电条件0-6600S0-91%5.5 kW/m36600-91%-13 kW/m37200s100%5结论本文磷酸铁锂电池进行建模和参数辨识计算。通过实验并结合仿真分析，可 以得到以下结论：3.2V105Ah能量型方形卷绕式磷酸铁锂电池，理论比热容为1232.4J/（kg*k），三轴向理论导热系数分别为1.1768W/ （m*K）（x轴&z轴）和 16.128W/（m*K）（y 轴）。通过电池试验数据和仿真软件结合，反向拟合电池0.5C自然散热条件下的 生热功率。充电条件下，荷电状态小于70%时单位体积生热功率可取6.7kW/m3，荷 电状态大于70%时单位体积充电生热功率可取5.6kW/m3；放电条件下，荷电状态 小于91%时单位体积生热功率可取5.5kW/m3,荷电状态大于91%时单位体积充电生 热功率可取13kW/m3。参考文献：1刘杨纯电动汽车磷酸铁锂电池的热特性参数辨识和热仿真分析J.汽车 专栏，2020.