鋰離子電池充放電過程產(chǎn)熱研究

金 鑫，喬 昕，裴 波

應用研究

鋰離子電池充放電過程產(chǎn)熱研究

金 鑫，喬 昕，裴 波

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，湖北，武漢，430064）

鋰離子電池的工作狀態(tài)容易受溫度影響，因此電池充放電過程中的產(chǎn)熱特性值得重點關注。本文采用絕熱環(huán)境下的ARC測試方法，研究了不同容量18650電池的比熱與充放電產(chǎn)熱特性。分析表明，電池單體容量越大，電池內(nèi)活性物質(zhì)含量越高，相同條件下充放電過程產(chǎn)熱量與升溫速率越大。此研究為電池成組的產(chǎn)熱特性與散熱設計提供了數(shù)據(jù)支撐。

鋰離子電池 比熱 充放電 產(chǎn)熱量 絕熱量熱法

0 引言

社會經(jīng)濟的快速發(fā)展促使化石能源資源的消耗加劇，為替代傳統(tǒng)燃油，實現(xiàn)綠色船舶和可持續(xù)發(fā)展，鋰離子電池作為艦船、水下航行器等動力電源設備已得到了廣泛研究與應用。

相比于鉛酸電池，鋰離子電池具有更高的工作電壓、能量密度與更低的自放電率[1]。然而鋰離子電池的實際工作狀態(tài)更容易受到溫度影響，電池的內(nèi)阻、容量、循環(huán)壽命等指標皆會由溫度改變而變化[2]。當鋰離子電池處于較大倍率下充放電時，其產(chǎn)熱量也會顯著提高，引起電池更高的溫升。當處于高溫時，鋰離子電池的安全性將大幅下降[3]。因此，需要對鋰離子電池在大倍率下充放電過程中的產(chǎn)熱進行研究。

本文選取了目前市面上常用的三家公司生產(chǎn)的18650圓柱鋰離子電池，通過絕熱加速量熱儀(ARC)設備對絕熱條件下電池單體的比熱與不同倍率充放電過程的產(chǎn)熱量進行測定，其結(jié)果將為指導電池的選型與整組電池的散熱方案設計提供有力理論依據(jù)。

1 試驗儀器與要求

通過開展電池單體絕熱環(huán)境下的比熱試驗測定18650圓柱電池的比熱容參數(shù)，再通過開展三型18650電池在0.2/0.5C倍率下充放電產(chǎn)熱測試，定量分析不同容量、型號電池的熱特性。

1.1 試驗儀器

絕熱加速量熱儀：

型號：ARC-EV；

廠家：英國THT公司；

精度：0.02 ℃/min。

充放電測試機：

型號：藍電測試系統(tǒng)5 V/1800 mA；

廠家：武漢藍電公司；

精度：0.1 V～5 V(±0.1%)，10 Ma～1800 mA(±0.1%)。

1.2 試驗要求

樣品信息：①②③為某公司容量分別為2.75Ah、2.6 Ah Ah及2.0 Ah的18650鋰離子電池池。

試驗內(nèi)容及工況見表1。

表1 試驗內(nèi)容及試驗工況

2 電池單體絕熱條件下比熱研究

電池熱設計與熱管理過程中，電池的比熱容Cp是重要參數(shù)，可通過加熱片的發(fā)熱功率與電池的溫升速率計算，其具體公式為：

Cm（2-1）=

其中，為測試電池的質(zhì)量，2為測試結(jié)束時電池溫度，1為測試前電池溫度，為直流電源的電壓，為直流電源的電流，為測試時間。

試驗在絕熱環(huán)境下對電池的比熱容進行測定，絕熱條件下加熱片的熱量用于為電池升溫，電池的比熱在一定溫度范圍內(nèi)只與原材料種類有關，因此電池的比熱是一個恒定值[4]。將六個18650單體電池組裝成電池包，用聚酰亞胺加熱帶夾入到電池包中，加熱帶為電池包提供穩(wěn)定的加熱功率，電芯用鋁箔膠帶包覆。由于鋁箔膠帶導熱性好，不會影響電池包與量熱腔之間的熱交換。測試電池照片如圖1所示。

圖1 比熱容試驗樣品裝配圖

測試數(shù)據(jù)如圖2所示，保證不影響電池性能的前提下，對電池以恒定的功率加熱，同時保持量熱腔的溫度與電池溫度始終一致，測得電池的溫升速率為0.0745℃/min，計算電池的比熱容為0.9566 J/K·g，后續(xù)的絕熱產(chǎn)熱量也以此比熱容為計算依據(jù)。

圖2 電池升溫速率試驗數(shù)據(jù)

表2 電池比熱試驗數(shù)據(jù)

3 電池單體絕熱條件下充放電產(chǎn)熱研究

電池充放電過程中往往伴隨著熱的產(chǎn)生，如果熱量不能從電池包轉(zhuǎn)移到環(huán)境中，隨著充放電循環(huán)的進行，熱量將在電池包中累積，電池的溫度不斷升高，可能導致電池性能發(fā)生顯著劣化和衰退。高溫可能致使電池內(nèi)部隔膜熔融，正負極短路，甚至產(chǎn)生燃燒、爆炸等危險。因此電池在充放電過程中的產(chǎn)熱規(guī)律研究對考察電池安全性至關重要。通常情況下，電池在使用過程中往往會以空氣對流、熱傳導等方式和周圍環(huán)境進行熱交換，使得電池溫度不會大幅升高。但為了研究電池的安全性能，需要考慮電池在極端惡劣環(huán)境——絕熱環(huán)境中的產(chǎn)熱行為[5]。絕熱環(huán)境中，電池與環(huán)境無熱交換，電池充放電過程中產(chǎn)生的熱量完全限制在電池體系中，更容易造成電池的安全隱患。通過測量電池絕熱狀態(tài)下充放電熱效應，不僅可以了解電池在充放電過程中的產(chǎn)熱規(guī)律，還可以對電池充放電過程的能量進行核算。

本試驗將測試電池置于測試儀器的量熱腔中，并接入充放電測試線，測試前保證電池的溫度與量熱腔的溫度保持一致，測試過程中保持電池處于絕熱狀態(tài)。

3.1 2.75 Ah電池充放電產(chǎn)熱試驗

2.75 Ah電池在不同工況下（0.2C、0.5C）的溫升及產(chǎn)熱功率測試如下所示。

18650-2.75 Ah電池在不同倍率充放電條件下的測試數(shù)據(jù)匯總于表3中。研究發(fā)現(xiàn)隨著充放電倍率的升高，電池的溫升加快，產(chǎn)熱量與平均產(chǎn)熱功率提高。因此在熱設計過程中，必須對電池的實際使用工況進行研究，分析電池在不同功率情況下的產(chǎn)熱性能，從而對電池模塊進行合理的熱設計。

2.75 Ah電池在充電過程中產(chǎn)熱量和平均產(chǎn)熱速率高于放電過程，并且隨著工作電流的增加，電池產(chǎn)熱中焦耳熱貢獻更為明顯，這與電池的內(nèi)阻、電池設計等有關。電池單體質(zhì)量為44.9 g，在0.2C工況下充電和放電過程中電池溫升分別為12.82℃和6.57℃，平均產(chǎn)熱功率分別為0.0282 W和0.0149 W；在0.5C工況下充電和放電過程中電池溫升分別為18.41℃和14.62℃, 平均產(chǎn)熱功率分別為0.0925 W和0.0762 W。

表3 2.75Ah電池在絕熱條件下的產(chǎn)熱

3.2 2.6 Ah電池充放電產(chǎn)熱試驗

2.6 Ah電池在不同工況下（0.2C、0.5C）的溫升及產(chǎn)熱功率測試如下所示：

18650-2.6 Ah電池單體質(zhì)量為44.2 g，電池在0.2C工況下充電和放電過程中電池溫升分別為11.11℃和8.18℃，平均產(chǎn)熱功率分別為0.0264 W和0.0205 W；在0.5C工況下充電和放電過程中電池溫升分別為15.45℃和13.81℃，平均產(chǎn)熱功率分別為0.0864 W和0.0840 W。在相同倍率下，2.6 Ah電池在充放電過程中的總產(chǎn)熱量小于2.75 Ah電池。

表4 2.6 Ah電池在絕熱條件下的產(chǎn)熱

3.3 2.0 Ah電池充放電產(chǎn)熱試驗

2.0 Ah電池在不同工況下（0.2C、0.5C）的溫升及產(chǎn)熱功率測試如下所示：

表5 2.0 Ah電池在絕熱條件下的產(chǎn)熱

18650-2.0 Ah電池在充電過程中產(chǎn)熱量和平均產(chǎn)熱速率與放電過程接近，電池產(chǎn)熱量隨倍率增加而明顯升高。電池單體質(zhì)量為42.8 g，在0.2C工況下充電和放電過程中電池溫升分別為5.60℃和5.47℃，平均產(chǎn)熱功率分別為0.0125 W和0.0122 W；在0.5C工況下充電和放電過程中電池溫升分別為9.29℃和9.50℃，平均產(chǎn)熱功率分別為0.0488 W和0.0510 W。在相同倍率下，2.0 Ah電池在充放電過程中的總產(chǎn)熱量小于2.75 Ah和2.6 Ah電池。

4 結(jié)論

本文開展試驗測試了不同容量的18650電池在不同倍率下充放電過程中的產(chǎn)熱量和產(chǎn)熱功率，其中2.75 Ah和2.6 Ah電池在充電過程中產(chǎn)熱量和平均產(chǎn)熱速率高于放電過程，2.0 Ah電池在充電過程中產(chǎn)熱量與放電過程接近。電池單體容量從2.0 Ah至2.75 Ah，相同條件充放電時的產(chǎn)熱量顯著增大。說明在相等體積下，電池單體的活性物質(zhì)含量越高，產(chǎn)熱功率增幅越大。因此在電池成組方案的設計中，需要在單體選型時考慮產(chǎn)熱因素影響，并作出合理的散熱設計。

[1] Arai J., Yamaki T., Yamauchi S., et al. Development of a high power lithium secondary battery for hybrid electric vehicles[J]. Journal of Power Sources, 2005, 146, 788-792.

[2] Wang T., Tseng K., Zhao J., et al. Thermal investiga- tion of lithium-ion battery module with different cell arrangement structures and forced air-cooling strategies[J]. Applied Energy, 2014, 134, 229-238.

[3] 汪陽卿, 方林. 鋰離子動力電池模塊散熱特性研究[J]. 船電技術, 2019, 5, 59-62.

[4] 王莉, 馮旭寧, 薛鋼, 等. 鋰離子電池安全性評估的ARC測試方法和數(shù)據(jù)分析[J]. 儲能科學與技術, 2018, 7(6): 1261-1270.

[5] 錢柯宇. 動力電池全生命周期產(chǎn)熱規(guī)律仿真研究[D]. 浙江大學, 2021.

Study on heat generation during charge and discharge of lithium-ion battery

Jin Xin, Qiao Xin, Pei Bo

( Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2022）10-0032-04

2022-5-26

金鑫（1990-），男，工程師，研究方向：船舶化學電源。E-mail：jinxinstar@vip.qq.com