蔡肖雄 黄艳阳
中天储能科技有限公司，江苏 南通 226000
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。
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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：
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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：
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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ρ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。
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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2.5mΩ(30%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：
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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.