電池發(fā)熱性能評(píng)價(jià)及影響因素

包有玉，余劍武，郭 力*，范光輝

（1.湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南 長沙 410082;2.清華大學(xué)深圳國際研究生院，廣東 深圳 518055）

動(dòng)力電池的發(fā)熱性能是近年來的研究熱點(diǎn)[1]，主要集中在單體電池發(fā)熱性能、電池組熱耦合特性和電池冷卻方式等方面。黃文才等[2]對(duì)方形三元鎳鈷錳酸鋰（NCM）正極鋰離子電池進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在環(huán)境溫度77℃時(shí)，電池升溫緩慢;環(huán)境溫度175℃時(shí)，電池內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，繼而發(fā)生熱失控。K.W.Chen等[3]研究棱柱形磷酸鐵鋰（LFP）正極鋰離子電池的發(fā)熱性能，發(fā)現(xiàn)在20℃時(shí)，0.25 C放電倍率下的總產(chǎn)熱量與3.00 C倍率相比可忽略不計(jì);在30～40℃時(shí)，0.50 C放電倍率下發(fā)熱也不明顯。雷治國等[4]研究了錳酸鋰（LMO）正極鋰離子電池的低溫性能，發(fā)現(xiàn)充放電內(nèi)阻在-10～-40℃的低溫下升高，一致性變差。K.K.Wang等[5]探討了不同壽命狀態(tài)鈦酸鋰（LTO）正極鋰離子電池的發(fā)熱性能，發(fā)現(xiàn)放電過程的發(fā)熱高于充電過程;同等條件下，老化電池的發(fā)熱功率高于新電池。盛雷等[6]進(jìn)行LFP正極鋰離子電池的熱特性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)30℃時(shí)，7.00 C放電倍率下的溫升較3.00 C倍率下高約10℃;1.00 C放電倍率下，30℃時(shí)的溫升較-20℃時(shí)低約9℃。

為研究不同化學(xué)體系動(dòng)力電池的發(fā)熱性能，需有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文作者提出“發(fā)熱耗散率”評(píng)價(jià)指標(biāo)，以LFP、LTO、NCM和LMO正極鋰離子電池，以及金屬氫化物-鎳（MH/Ni）等5種電池為研究對(duì)象，分析放電倍率、起始環(huán)境溫度和電池壽命對(duì)發(fā)熱耗散率的影響規(guī)律，并比較發(fā)熱性能。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

動(dòng)力電池在充放電過程存在能量的轉(zhuǎn)化，其中一部分能量以熱的形式發(fā)散。充電過程的能量轉(zhuǎn)化如式（1）所示。

式（1）中:P1為電池充電總功率，W;P2是電池轉(zhuǎn)換功率，W;Ph是電池發(fā)熱功率，W。

動(dòng)力電池的能量轉(zhuǎn)換與自身的參數(shù)相關(guān)，如充放電倍率、電池電壓和電池容量等。提出以發(fā)熱功率與動(dòng)力電池總功率比值，作為衡量電池發(fā)熱性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，稱為“發(fā)熱耗散率”（BHDR），定義如式（2）所示。

式（2）中:Un是電池標(biāo)稱電壓，V;Qn是電池標(biāo)稱容量，Ah;Rate是電池的充放電倍率，C。從理論上講，BHDR越高，能量利用率就越低，電池的品質(zhì)、安全性也越差;反之，亦然。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

選取5種化學(xué)體系的動(dòng)力電池為研究對(duì)象，其中，LFP正極鋰離子電池有3種，LTO、NCM正極鋰離子電池各2種，LMO正極鋰離子電池、MH/Ni電池各1種。

2.2 測試工況設(shè)計(jì)

在電池測試中，用BOL表示壽命初期，EOL表示壽命末期。電池測試工況設(shè)置見表1，其中LTO01、LTO02電池進(jìn)行充放電測試，其余電池均測試放電過程的發(fā)熱功率。

表1 電池基本參數(shù)及測試工況Table 1 Basic parameters and test conditions of the batteries

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為分析電池發(fā)熱耗散情況，需要獲取電池絕熱工況下的發(fā)熱功率。采用ARC-THT絕熱加速量熱（ARC）儀（英國產(chǎn)）研究電池樣品在絕熱環(huán)境下的產(chǎn)熱情況。設(shè)定起始溫度-45～-40℃為超低溫工況，-5～5℃為低溫工況，20～25℃為常溫工況，40～45℃為高溫工況。靈敏度參數(shù)為0.01℃/min，溫度梯度為0.10℃。

電池充電至荷電狀態(tài)（SOC）為95%，放電至SOC＜3%。為保證實(shí)驗(yàn)精度，實(shí)驗(yàn)過程為3次放電（或充電）后取平均值。除NCM02電池外，其余電池測試時(shí)，壽命均處于初期狀態(tài)。LFP01、LTO01和MH/Ni電池為多溫度工況測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同化學(xué)體系動(dòng)力電池BHDR對(duì)比

3.1.1 LFP電池

常溫下3種LFP電池的BHDR變化如圖1所示。

從圖1可知，隨著放電倍率的增加，3種LFP電池的BHDR都呈增加的趨勢。LFP01電池在1.0 C放電倍率下的BHDR僅為0.21%;5.0 C放電倍率下為3.65%。LFP02電池在1.0 C放電倍率下BHDR為4.81%;3.0 C放電倍率下為9.46%。LFP03電池在1.0 C放電倍率下的BHDR為2.66%;3.0 C放電倍率下為4.47%;5.0 C放電倍率下為7.25%。比較而言，LFP01的BHDR整體最低，擁有最好的發(fā)熱性能;LFP03電池的BHDR處于居中位置;LFP02電池則最高。

圖1 LFP電池BHDR的變化規(guī)律Fig.1 Variation rule of BHDR of LFP battery

3.1.2 LTO電池

LTO電池放電倍率高，低溫放電性能出色，但如果從電池BHDR的角度去考察，LTO電池的優(yōu)勢并非如此明顯。常溫下兩種LTO電池放電時(shí)BHDR的變化見圖2。

圖2 LTO01、LTO02電池的BHDR對(duì)比Fig.2 BHDR comparison of LTO01 and LTO02 batteries

從圖2可知，在1.0 C放電倍率下，LTO01電池的BHDR為7.05%;在2.0 C以后，LTO01電池的BHDR趨于平穩(wěn);在4.0 C放電倍率下，LTO01電池的BHDR為10.02%，LTO02電池為11.31%，兩者相差不大。從表1可知，LTO電池的標(biāo)稱電壓僅2.2 V，而LPF、NCM和LMO電池的標(biāo)稱電壓均高于3 V。如LPF01電池電壓為3.2 V，容量相同的電池輸出相同的功率時(shí)，LTO01電池的放電倍率是LPF01電池的近1.5倍，橫向比較之下，LTO電池的BHDR將會(huì)更高。

3.1.3 NCM、LMO、MH/Ni電池

常溫下NCM01、LMO與MH/Ni電池的BHDR見圖3。

圖3 NCM01、LMO和MH/Ni電池BHDR的變化規(guī)律Fig.3 Variation rule of BHDR of NCM01，LMO and MH/Ni batteries

從圖3可知，NCM01電池在1.0 C放電倍率下的BHDR為2.36%，電池僅有2.36%的能量轉(zhuǎn)化為發(fā)熱;2.0 C放電倍率下的BHDR為4.32%;3.0 C放電倍率下的BHDR為6.13%。整體來看，NCM電池的BHDR較低，3.0 C放電倍率下，能量利用率仍接近94%。MH/Ni電池初始BHDR為4.96%，此時(shí)放電倍率為1.0 C;5.0 C放電倍率下的BHDR為18.99%，此時(shí)的發(fā)熱耗散率較高，發(fā)熱性能較差。LMO電池初始BHDR為3.89%，此時(shí)放電倍率為1.0 C;3.0 C放電倍率下的BHDR為7.04%;5.0 C倍率下與3.0 C倍率差距不大，BHDR尚可。依照各種化學(xué)體系動(dòng)力電池的BHDR分布范圍，可以快速預(yù)估電池系統(tǒng)的發(fā)熱功率，為熱管理設(shè)計(jì)提供重要的初始設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.2 溫度對(duì)BHDR的影響

LFP01、LTO01和MH/Ni電池在不同溫度工況下的BHDR見圖4。

圖4 LFP01、LTO01和MH/Ni電池在不同溫度工況下的BHDR對(duì)比Fig.4 BHDR comparison of LFP01，LTO01 and MH/Ni batteries under different temperature conditions

從圖4可知，LFP01電池在1.0 C放電倍率、低溫工況下的BHDR為3.13%，常溫工況下為0.21%，高溫工況下為-0.94%，還呈現(xiàn)略微的吸熱性能。LFP01電池在5.0 C放電倍率、低溫工況下的BHDR為12.57%，常溫工況下為3.65%，高溫工況下為1.27%。LFP01電池在低溫、常溫和高溫環(huán)境工作時(shí)，BHDR依次降低。LTO01在0.5 C充放電倍率時(shí)，BHDR均小于2.00%，BHDR差距較小。1.0 C放電倍率下，LTO01電池在常溫工況下的BHDR為7.05%，高溫工況下為1.86%。4.0 C放電倍率下，常溫工況下的BHDR為10.02%，高溫工況下為5.98%。高溫工況時(shí)，電池的BHDR比常溫時(shí)低。從BHDR的角度看，讓電池運(yùn)行在高溫環(huán)境下，熱性能更好，能量利用率高，但過高的溫度會(huì)加速電池循環(huán)壽命衰減，增加電動(dòng)汽車熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。低溫工況下BHDR很高，能量利用率較低。

1.0 C放電倍率下，MH/Ni電池常溫工況下的BHDR為4.96%，高溫工況下為4.63%。5.0 C放電倍率下，MH/Ni電池常溫工況下BHDR為18.99%，高溫工況下為21.06%。與LFP、LTO電池相比，MH/Ni電池起始溫度與發(fā)熱性能之間的關(guān)系不明顯。在設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)時(shí)，要綜合考慮溫度對(duì)電池的積極因素和消極因素，取得發(fā)熱性能與電池安全性的平衡。

3.3 充放電過程的BHDR對(duì)比

電池在充電和放電過程中的發(fā)熱性能存在差異，以LTO01、LTO02電池為對(duì)象，研究在常溫工況下充電和放電過程中BHDR的表現(xiàn)，結(jié)果見圖5。

圖5 LTO電池充放電過程BHDR對(duì)比Fig.5 BHDR comparison of LTO battery during charge-discharge process

從圖5可知，LTO01電池以0.5 C倍率充放電，BHDR均小于2.00%，BHDR差距較小;以1.0 C倍率充放電，放電時(shí)BHDR為7.05%，充電時(shí)為2.16%;以2.0 C倍率充放電，放電時(shí)BHDR為10.19%，充電時(shí)為8.26%;以4.0 C倍率充放電，放電時(shí)BHDR為10.02%，充電時(shí)為8.28%。LTO02電池只進(jìn)行4.0 C充放電測試，放電時(shí) BHDR為11.31%，充電時(shí)為7.85%，兩種LTO電池之間BHDR相差不大。整體來看，LTO電池放電過程的BHDR高于充電過程。

3.4 電池壽命狀態(tài)對(duì)BHDR的影響

圖6為NCM02電池在超低溫工況下，在BOL和EOL時(shí)的BHDR對(duì)比。

圖6 NCM02電池在BOL/EOL狀態(tài)下的BHDR對(duì)比Fig.6 BHDR comparison of NCM02 battery under BOL/EOL conditions

從圖6可知，NCM02電池以5.0 C放電時(shí)，EOL狀態(tài)下的BHDR為3.27%，BOL狀態(tài)下為2.18%;以 10.0 C放電，EOL狀態(tài)下的BHDR為3.84%，BOL狀態(tài)下為3.20%;以30.0 C放電，EOL狀態(tài)下的BHDR為8.55%，BOL狀態(tài)下為7.12%。由此可知，NCM02電池處于EOL狀態(tài)時(shí)，BHDR顯著高于BOL狀態(tài)。EOL狀態(tài)時(shí)，電池的BHDR更高，熱性能更差。這是因?yàn)殡姵貕勖┢跁r(shí)內(nèi)阻升高造成發(fā)熱量升高，同時(shí)容量通常會(huì)有所減少，由式（2）可知，此時(shí)電池的BHDR會(huì)更高。

4 結(jié)論

本文作者提出了“發(fā)熱耗散率（BHDR）”評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)研究了不同化學(xué)體系電池的BHDR。1.0 C放電倍率下，NCM電池的BHDR為2.00%～3.00%，發(fā)熱性能最好;LFP、LMO電池的BHDR小于5.00%，發(fā)熱性能較好;MH/Ni、LTO電池的BHDR為5.00%～8.00%，發(fā)熱性能較差。

隨著放電倍率的增加，LFP、LTO、LMO、NCM 和 MH/Ni電池的BHDR均明顯上升。相比充電過程，LTO電池在放電過程的BHDR更高，提供的有效能量減少。隨著起始溫度上升，LFP、LTO電池的BHDR逐步降低。研究成果可為電池的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改善提供技術(shù)支撐。

電池壽命與BHDR有較大的關(guān)聯(lián)性，動(dòng)力電池處于壽命初期時(shí)，BHDR較壽命末期時(shí)更低，發(fā)熱性能更好。僅對(duì)NCM02電池進(jìn)行了測試，今后可增加樣本數(shù)量，進(jìn)行更深入的研究。