于方洲

摘 要：在新能源汽車中，最常用的動力源就是鋰離子電池，通過特定的串并聯(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)溫度過高的問題，因此本文從鋰離子電池包的特點和分類入手，重點分析其產(chǎn)熱和熱傳遞機理，希望可以借此給鋰離子電池包產(chǎn)熱的相關研究提供一定的參考。

關鍵詞：鋰離子電池包;分類;熱傳遞

1鋰離子電池包的特點

鋰離子電池包的商業(yè)化是從20世紀末期開始的，但是在短期內(nèi)快速的發(fā)展，目前相關的技術已經(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)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）使用壽命較長。鋰離子電池包的循環(huán)壽命較長，通常循環(huán)次數(shù)在1000次左右，循環(huán)壽命較高的可達到2000次以上，如碳酸鋰電池，這就極大的增強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了400瓦時/千克，所以應用在電動汽車上時能夠極大的延長續(xù)航里程，這對于增強電動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。同等的能量儲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。當前常見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，能夠適應我國大多數(shù)的天氣環(huán)境。

2鋰離子電池包的分類

當前鋰離子電池包的分類通常是根據(jù)其正極材料來區(qū)分的，當前我國市場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存更多的電能，因此應用在汽車領域時可極大地提升續(xù)航里程。除此之外，三元鋰電池的放電平臺也較高，同等體積能輸出更高的電壓，因此主要是應用于小型轎車的領域。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較差，由于其能量密度較高，所以在發(fā)生短路時常出現(xiàn)起火、爆炸等問題。

（2）鈦酸鋰電池包。鈦酸鋰電池包的電池正極選擇范圍較寬，但是負極常采用鈦酸鋰材料，它的應用溫度范圍更寬，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10000次，這就能極大的延長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最好，在短路、碰撞等問題發(fā)生時不會出現(xiàn)起火等問題。

（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，它的能量密度相對居中，通?？蛇_到150瓦時/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2000次，能承受較高的溫度而不會分解，因此它成為當前電動汽車的主要動力選擇。相應的，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)熱及熱傳遞機理分析

3.1鋰離子電池包的產(chǎn)熱機理

鋰離子電池包在運作的過程中，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，這時電池內(nèi)部的活性材料就會產(chǎn)生熱量。主要的熱量分別是可逆反應產(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，具體的總熱量表達式為：

當然，鋰離子電池包內(nèi)部的副反應也會產(chǎn)生熱量，但是這部分熱量相對較小，因此可忽略不計。總體而言，鋰離子電池包在充放電過程中，其熱量主要是來源于極化熱、焦耳熱和反應熱，而焦耳熱的占比最高，它會隨著電池內(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)阻會呈現(xiàn)出上升的趨勢，這時熱量產(chǎn)生也會明顯上升，而且充電過程的產(chǎn)熱要小于放電過程的產(chǎn)熱。

3.2鋰離子電池包的熱傳遞機理

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

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

在熱量傳遞的過程中，有一部分熱量會被材料所吸收，這時材料溫度升高。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。當鋰離子電池包的內(nèi)部熱量傳遞到其表面時，這時就會通過熱輻射和熱對流的方式來實現(xiàn)散熱，相應的熱量會散失到周圍環(huán)境中。熱對流是指冷空氣在經(jīng)過鋰離子電池包表面時帶走熱量，這時發(fā)生了對流傳熱的效應，它可分為強制對流和自然對流兩種，強制對流是指用風機等來形成壓差而產(chǎn)生散熱，自然對流則是指由于冷熱和密度不均而引起的對流，具體的對流傳熱表達式如下。

其中，tw為表面溫度，tf為流體溫度，h為對流換熱系數(shù)。

4 結語

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

參考文獻

[1]鄭文杰，楊徑，朱林培，熊飛.車用燃料電池熱管理性能仿真與試驗研究[J].汽車工程，2021，43（03）：381-386.

[2]張婷婷，付鵬，文午，李玉梅.有軌電車氫燃料電池系統(tǒng)通風散熱方法研究[J].電力機車與城軌車輛，2021，44（02）：50-52+69.

[3]袁航，高強.變接觸面圓柱形鋰電池組液冷散熱的熱特性[J].電源技術，2021，45（03）：302-304.