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，①电池比热容C为1083J/kg*k，导热系数为Ky=0.905W/（m*K），Kxz=2.687W/（m*K）；②电池比热容C=1010J/kg*k，导热系数为Ky=0.95W/（m*K），Kxz=2.73W/（m*K）；③电池比热容C=733J/kg*k，导热系数为Kx=3.6W/（m*K），Kyz=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
序号 | 主材类型 | 比热容c（J/kg*k） | 重量m（kg） |
1 | 铜箔 | 390 | 0.19 |
2 | 铝箔 | 900 | 0.087 |
3 | 磷酸铁锂 | 1269 | 0.727 |
4 | 石墨 | 712 | 0.393 |
5 | 隔膜 | 890 | 0.062 |
6 | 电解液 | 2055 | 0.455 |
7 | 铝壳 | 1000 | 0.25 |
8 | 绝缘膜 | 1978 | 0.006 |
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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
-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获得，如表2所示：
表2 电池主材导热系数及厚度统计
序号 | 主材类型 | 导热系数λ（W/（m*K）） | 厚度δ（m） |
1 | 铜箔 | 390 | 0.608 |
2 | 铝箔 | 200 | 0.936 |
3 | 磷酸铁锂 | 1.58 | 10.944 |
4 | 石墨 | 168 | 9.424 |
5 | 隔膜 | 0.22 | 2.656 |
6 | 电解液 | 0.60 | 1.52 |
7 | 铝壳 | 170 | 1.3 |
8 | 绝缘膜 | 0.22 | 0.012 |
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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：
式中
-电池三轴向导热系数；
-第i层材料的厚度；
-第i层材料的导热系数；
-电池宽度，取173mm；
-电池高度，取200mm；
-电池内部卷芯高度，取191mm；
-电池厚度，取29mm；
-电池内部卷芯至壳体上部的导电铝排长度，取10mm；
-电池内部卷芯至壳体底部的隔膜厚度，取1.5mm；
-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 =1.1768W/（m*K）， =16.128W/（m*K）。
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