鋰離子電池和電池組的產熱功率分析和仿真

此篇為歷史文章回顧，首發於2018年8月13日

文/憑欄眺

溫度對於鋰離子電池而言非常重要，低溫會導致鋰離子電池的電性能降低（容量、倍率性能），但是能夠提高鋰離子電池的存儲壽命，高溫能夠提升電性能（容量、倍率性能），但是會降低電極／電解液界面的穩定性，引起循環壽命的快速衰降。對於一個由眾多電池組成的電池組而言，電池組內部的溫度不均勻分布會導致單體電池的性能產生很大的差異，從而導致單體電池之間不均勻的衰降，最終導致電池組的失效，例如北京大學的Quan Xia等人採用A123的LFP電池進行電池組的模擬和仿真試驗發現，通過改變電池組的結構，將電池組內的最大溫差從4.62K降低到2.5K能夠將電池組累計充電600Ah後的可靠性從0.0635提高到0.9328（詳見連結：《電池組「可靠性」的影響因素和模型計算》）。

鋰離子電池的使用工況對於離子電池的產熱具有很大的影響，例如高倍率充放電會在電池內短時間累積更多的熱量，而小倍率下則幾乎能夠實現熱平衡，減少電池的溫升。江蘇大學的徐曉明（第一作者，通訊作者）等人對55Ah單體電池和電池組的產熱功率和溫度分布情況進行了研究分析，研究表明單體電池的發熱功率會隨著環境溫度的升高、電池SoC和充放電倍率的降低而降低，對電池組的熱分析發現溫度最高的區域集中在電池組中央區域，並且發現採用空氣散熱時氣流更容易從電池組的上方流過，因此導致冷卻效果不佳。

試驗中作者採用了55Ah的方形鋰離子電池，電池共有5個測溫點，其中兩個位於電池的低部、三個位於鋰離子電池的側面，如下圖a所示。電池的產熱可以通過溫升和電池的比熱容來計算（如下式所示），其中Q為電池產熱量，Cp為電池的比熱容，m為電池的質量，DT為電池的溫升，如果進一步將下式除以時間t，我們能夠得到電池的產熱功率。

為了保證環境溫度的一致，作者採用恆溫箱進行精確控溫，電池的充放電設備採用了Digatron BTS-600設備，採用安捷倫的34970A設備採集電池的溫度信息。

上述的電池在環境溫度為27℃時，電池在1C倍率充電和放電過程中溫度變化曲線如下圖所示，從圖中能夠看到無論是在充電，還是在放電的過程中電池的幾個不同的採溫點的溫度曲線幾乎時一致的，這也表明在這個倍率下鋰離子電池內部溫度分布是比較均勻的，因此在計算發熱量時可以通過幾個測溫點的平均溫升進行計算。

1.環境溫度的影響

下圖為55Ah電池在環境溫度為20℃、27℃和40℃時，1C充放電過程中的電池溫升曲線（5個採樣點的平均溫度），從圖中我們能夠看到在20℃下電池充電時間為74min，放電時間為59min，在27℃下電池的充電時間為76min，放電時間為60min，在40℃下電池的充電時間為79min，放電時間為62min。下表總結了電池在不同的環境溫度下，充放電過程中電池的溫度和溫升，表2則根據表1中的溫升數據計算了電池在不同環境溫度下充電和放電過程中的發熱功率數據，從表2中我們發現，鋰離子電池的發熱功率隨著溫度的升高出現了明顯的降低，例如在20℃下電池的平均發熱功率為6.51W，而在27℃下電池的發熱功率則下降到了5.36W，進一步提高環境溫度到40℃，電池的平均發熱功率則降低到了4.66W。

2. SoC的影響

SoC也是一個非常重要的參數，SoC即電池的荷電狀態，100%即為滿電，0%即為空電，不同的SoC表徵正負極不同的Li濃度分布，因此SoC也會對鋰離子電池的發熱功率產生影響。下表3和表4分別總結了鋰離子電池在70%、80%、90%和100%SoC狀態下，電池的最終溫度和溫升、電池的產熱功率等數據。從表4中能夠看到在70%SoC下，電池的平均發熱功率為6.25W，80%SoC時為6.87W，90%時為7.19W，除了100%SoC外，電池的發熱功率隨著電池SoC狀態的提高而提高。

3. 充放電倍率的影響

充放電倍率表徵鋰離子電池的充放電電流的大小，因此充放電倍率對鋰離子電池產熱功率必然具有非常顯著的影響，下表5總結了在環境溫度為20℃，不同充放電倍率下鋰離子電池的最終溫度和溫升，表6則通過溫升數據計算了不同倍率下鋰離子電池的發熱功率。從表6中能夠看到鋰離子電池的產熱功率受到充放電倍率的影響非常大，在0.5C倍率下，平均產熱功率僅為2.31W，充放電倍率提高到0.8C時，平均產熱功率已經提高到5W，提高到1.5C則達到了12.83W，進一步提高到5C，平均產熱功率達到了58.51W。

在上述實驗數據的基礎上，徐曉明又利用模型對鋰離子電池在充放電過程中的溫度變化進行了模擬，結果如下圖所示，從圖中能夠看到徐曉明採用的模型很好的反應了鋰離子電池在反應中的產熱過程，在充電過程中擬合結果僅僅比試驗數據高1.17℃，在放電的過程中擬合結果比試驗結果高1.1℃。

4. 電池組在不同工況下的溫升和溫差

在上述單體電池產熱模型的基礎上，徐曉明利用SOLIDWORKS軟體建立了電池組的模型，模擬電池組在不同的使用情況下的產熱情況和電池組內的溫度分布。

下圖為電池組在連續加速狀態（0.6C放電10min，0.8C放電5min，1C放電2min）下電池溫度變化曲線，從測試結果可以看到在測試結束時電池組的最大溫升為3.99℃，而電池組內的最大溫差為2.11℃，要低於最大溫升。此外擬合發現，雖然採用了強制風冷進行散熱，但是大部分氣流會從電池的上部流過，僅有少量的氣體從電池組內部的穿過，影響了電池組的散熱效果。

下圖為電動汽車在連續減速過程中，電池組溫度變化情況，在減速過程中電池組的放電電流會從2C分步下降到0.5C，從圖中能夠看到，雖然隨著電流的持續降低，鋰離子電池的產熱速率顯著下降，但是由於冷卻效果不佳，因此無法及時將電池內部的熱量帶走，電池的溫度仍然呈現持續上升的趨勢，在減速末期，電池組的最大溫升達到5.22℃，電池組內最大溫差大到3.73℃，這表明雖然在減速過程中放電電流在不斷降低，電池組的散熱系統仍然要持續工作，直到電池組的溫度回復常溫。

脈衝放電也是電動汽車在使用過程中常見的情況，徐曉明也對電池組在脈衝情況下的溫度變化進行了研究，從測試結果來看電池組的最大溫升達到5.27℃，電池組內的最大溫差為2.88℃。

徐曉明教授的測試結果表明充放電倍率對鋰離子電池的產熱功率的影響最大，倍率越大產熱功率越大，其次是環境溫度，環境溫度越高則產熱速率越小，影響最小的為電池的SoC，在70%-90%SoC範圍內，SoC越高則產熱功率越大。在電池組的溫度研究中發現無論是在連續加速、連續減速和脈衝放電模式下，電池組都會產生明顯的溫升，並且最高溫升集中在電池組的中央位置，強制風冷散熱產生的氣流大部分從電池組的上方流過，導致散熱效果不佳。