鋰電池放電曲線(xiàn)的發(fā)熱功率分析

常佳慧 陳雨 范亞文 李東洪

摘要：鋰電池工作過(guò)程中，將會(huì)伴隨著發(fā)熱現(xiàn)象，對(duì)電能的轉(zhuǎn)化率具有一定的影響?；诖?，本文將從比熱容測(cè)試、電壓效率、發(fā)熱功率等方面對(duì)鋰電池放電曲線(xiàn)的發(fā)熱功率進(jìn)行分析，對(duì)鋰電池的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，降低供電過(guò)程中熱量的產(chǎn)生，提高鋰電池的節(jié)能效果，保障鋰電池的放電效果。

關(guān)鍵詞：鋰電池;放電曲線(xiàn);發(fā)熱功率

引言：受到電池內(nèi)阻的影響，在工作過(guò)程中將會(huì)造成熱量的積累，一旦熱量累積到一定程度，將會(huì)導(dǎo)致鋰電池存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)發(fā)熱問(wèn)題引起重視。發(fā)熱是鋰電池的常見(jiàn)問(wèn)題，需要對(duì)發(fā)熱功率進(jìn)行分析，對(duì)發(fā)熱過(guò)程進(jìn)行深入了解，將發(fā)熱的控制在較低范圍，提高鋰電池的熱管理水平。

1鋰電池放電曲線(xiàn)的發(fā)熱功率概述

鋰電池在工作時(shí)存在熱累積現(xiàn)象，一旦發(fā)熱過(guò)程不受控制，將會(huì)導(dǎo)致熱損失不斷增加，甚至?xí)绊懙诫姵氐氖褂脡勖?，需要?duì)發(fā)熱功率問(wèn)題引起重視。電池放電過(guò)程中，需要對(duì)電壓、比熱容等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，為鋰電池發(fā)電過(guò)程提供數(shù)據(jù)支持，在降低鋰電池發(fā)熱的同時(shí)提高電能的轉(zhuǎn)化率。溫度對(duì)于鋰電池而言較為重要，需要避免高溫發(fā)熱的情況，對(duì)鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，提高對(duì)鋰電池放熱的控制效果。鋰電池放電過(guò)程中，將會(huì)產(chǎn)生溫度的變化，需要對(duì)熱量變化進(jìn)行分析，提高熱量檢測(cè)結(jié)果的可靠性，對(duì)電池內(nèi)部的熱量進(jìn)行分析，便于對(duì)電池的發(fā)熱情況情況進(jìn)行了解。鋰電池在連續(xù)工作時(shí)，發(fā)熱功率將會(huì)逐漸增加，表面電池的損耗程度正逐漸加劇，因而需要對(duì)發(fā)熱功率進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2鋰電池放電曲線(xiàn)的發(fā)熱功率分析

2.1試驗(yàn)樣品

為了對(duì)鋰電池放電發(fā)熱情況進(jìn)行探究，需要做好試驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備工作，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠易于測(cè)量，提高試驗(yàn)方法的有效性。試驗(yàn)過(guò)程中，采用鈷酸鋰作為正極，石墨作為負(fù)極，將其組裝成軟包電池進(jìn)行試驗(yàn)，構(gòu)建完善的電池樣本體系。試驗(yàn)樣品的額定電壓為3.8V，額定容量為15.1Ah，尺寸為150mm×1100mm×8.5mm。試驗(yàn)前，需要對(duì)鋰電池的基本信息進(jìn)行了解，便于發(fā)熱功率測(cè)試過(guò)程的展開(kāi)，提高測(cè)試方法的有效性[1]。

2.2比熱容測(cè)試

比熱容是對(duì)鋰電池進(jìn)行熱控制的重要參數(shù)，可以確定電池的升溫變化情況，對(duì)電池的熱效應(yīng)進(jìn)行判斷。鋰電池比熱容Cp的計(jì)算方法如下：

其中，m為鋰電池的質(zhì)量（kg）;P為加熱功率（W）;△T為溫度變化（℃）;△t為升溫時(shí)間。通過(guò)上述公式，可以確定鋰電池的比熱容變化情況，得到放電過(guò)程中比熱容水時(shí)間的變化曲線(xiàn)，便于鋰電池的熱效應(yīng)進(jìn)行分析。在測(cè)試過(guò)程中，需要以電池包的形式進(jìn)行測(cè)量，將兩塊電池作為一個(gè)整體，提高加熱功率測(cè)量的穩(wěn)定性，同時(shí)構(gòu)建出Cp與T的變化函數(shù)，對(duì)比熱容的測(cè)試范圍進(jìn)行擴(kuò)寬，電池需要放置在絕熱空間進(jìn)行測(cè)量，避免測(cè)溫過(guò)程造成熱量損失，使溫度測(cè)量過(guò)程更加的精準(zhǔn)。測(cè)量前需要對(duì)測(cè)溫儀器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化地校正，確保實(shí)測(cè)參數(shù)的合理性，得出較為準(zhǔn)確的鋰電池比熱容。

2.3熱力學(xué)效率

熱力學(xué)由鋰電池化學(xué)反應(yīng)過(guò)程引起，需要做好化學(xué)反應(yīng)的分析工作，提高熱力學(xué)分析過(guò)程的有效性。熱力學(xué)效率計(jì)算公式如下：

其中，△G為熵變（kJ/mol）;△H為焓變（kJ/mol）。熱力學(xué)效率關(guān)系到電池的放熱情況，需要對(duì)熱力學(xué)計(jì)算引起重視，確保電池反應(yīng)能夠順利地進(jìn)行，促進(jìn)電池反應(yīng)的電能轉(zhuǎn)化，同時(shí)抑制反應(yīng)中熱量的生成，保障鋰電池?zé)崃W(xué)的穩(wěn)定性。鋰電池體系由Li/Li1-xCoO2構(gòu)成，通過(guò)文獻(xiàn)資料可知，該體系對(duì)應(yīng)的參數(shù)△G為-389.8kJ/mol，△H為-392.4kJ/mol。所以，熱力學(xué)效率η=△G/△H=（-389.8）/（-392.4）=99.3%。由此可見(jiàn)，該鋰電池具有良好的熱力學(xué)效率，電池反應(yīng)能夠順利地進(jìn)行。

2.4電壓效率

隨著鋰電池的不斷使用，有效電壓將會(huì)出現(xiàn)逐漸降低的情況，將會(huì)影響到鋰電池的放電效果。電壓效率受到發(fā)熱功率的影響，隨著發(fā)熱過(guò)程的不斷進(jìn)行，電池內(nèi)阻將會(huì)逐漸增加，導(dǎo)致電池出現(xiàn)放熱情況加劇，使電池?zé)o法正常進(jìn)行使用。電壓效率需要通過(guò)放電曲線(xiàn)進(jìn)行分析，使電池能夠進(jìn)行完全放電，確保電壓效率測(cè)量的準(zhǔn)確性。對(duì)鋰電池放電過(guò)程中的容量與電壓關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行構(gòu)建，其中橫軸為容量（Ah）、縱軸為電壓（V）。將開(kāi)路電壓與放電電壓分別繪制在圖像中，對(duì)容量-電壓曲線(xiàn)進(jìn)行觀察與計(jì)算。由容量-電壓曲線(xiàn)可知，鋰電池開(kāi)路平均電壓為4.08V，放電平均電壓為3.41V。放電效率計(jì)算公式如下：

其中，U開(kāi)為開(kāi)路電壓（V）;U放為放電電壓（V）。因此，可以得到鋰電池的放電效率η=U開(kāi)/U放=3.41/4.08=83.6%。

2.5發(fā)熱功率

發(fā)熱功率是判斷鋰電池發(fā)熱情況的重要參數(shù)，需要對(duì)放電過(guò)程中的發(fā)熱情況展開(kāi)計(jì)算，確保鋰電池能夠正常發(fā)熱。鋰電池發(fā)熱過(guò)程由化學(xué)反應(yīng)熱、內(nèi)阻熱、極化熱構(gòu)成，共同決定著電池的效率，需要做好熱量損失的計(jì)算，對(duì)發(fā)熱功率進(jìn)行精準(zhǔn)判斷。鋰電池的發(fā)熱組成較為復(fù)雜，需要采用測(cè)量的方法得到熱量變化，提高熱量測(cè)量的準(zhǔn)確性。鋰電池的溫度測(cè)量需要在絕熱箱中進(jìn)行，在箱體內(nèi)部安裝溫度傳感器，實(shí)時(shí)對(duì)箱體內(nèi)部溫度變化進(jìn)行檢測(cè)，便于對(duì)發(fā)熱變化情況進(jìn)行判斷。鋰電池采用4C恒流放電的方式，使鋰電池能夠穩(wěn)定地進(jìn)行放電。放熱功率P熱=kP放，其中，P熱為放熱功率（W）;P放為放電功率。通過(guò)上述關(guān)系，便可以實(shí)現(xiàn)發(fā)熱功率的計(jì)算，同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果的精度[2]。

2.6測(cè)試結(jié)果

為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)發(fā)熱功率的可靠性進(jìn)行判斷。測(cè)試結(jié)果通過(guò)恒流放電絕熱溫升曲線(xiàn)進(jìn)行分析，曲線(xiàn)發(fā)熱功率采用P熱=Q/△t進(jìn)行計(jì)算。曲線(xiàn)的橫軸為時(shí)間（min），縱軸為熱量（kJ），由上述公式便可以對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，提高測(cè)試結(jié)構(gòu)的有效性，確保放電測(cè)量結(jié)果與實(shí)際相符。通過(guò)上述公式，可以提高計(jì)算模型的可靠性，促進(jìn)恒流放電發(fā)熱功率測(cè)試過(guò)程的進(jìn)行，保證理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量能夠形成對(duì)比，使測(cè)試結(jié)果得到精準(zhǔn)校驗(yàn)。

結(jié)論：綜上所述，發(fā)熱是鋰電池工作的常見(jiàn)現(xiàn)象，需要做好放電曲線(xiàn)的分析工作，降低鋰電池的發(fā)熱損耗，使發(fā)熱功率能夠得到有效降低。在鋰電池設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)發(fā)熱功率進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，使發(fā)熱功率能夠得到嚴(yán)格控制，對(duì)鋰電池的性能進(jìn)行完善，保障鋰電池能夠正常工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳育哲. 鋰離子電池能量狀態(tài)估計(jì)研究[D].北京交通大學(xué)，2021.

[2]劉建. 鈷酸鋰電池加速壽命試驗(yàn)及模型研究[D].西南科技大學(xué)，2020.