电池发热性能评价及影响因素

包有玉，余剑武，郭 力*，范光辉

（1.湖南大学机械与运载工程学院，湖南 长沙 410082;2.清华大学深圳国际研究生院，广东 深圳 518055）

动力电池的发热性能是近年来的研究热点[1]，主要集中在单体电池发热性能、电池组热耦合特性和电池冷却方式等方面。黄文才等[2]对方形三元镍钴锰酸锂（NCM）正极锂离子电池进行数值模拟，发现在环境温度77℃时，电池升温缓慢;环境温度175℃时，电池内部产生大量热量，继而发生热失控。K.W.Chen等[3]研究棱柱形磷酸铁锂（LFP）正极锂离子电池的发热性能，发现在20℃时，0.25 C放电倍率下的总产热量与3.00 C倍率相比可忽略不计;在30～40℃时，0.50 C放电倍率下发热也不明显。雷治国等[4]研究了锰酸锂（LMO）正极锂离子电池的低温性能，发现充放电内阻在-10～-40℃的低温下升高，一致性变差。K.K.Wang等[5]探讨了不同寿命状态钛酸锂（LTO）正极锂离子电池的发热性能，发现放电过程的发热高于充电过程;同等条件下，老化电池的发热功率高于新电池。盛雷等[6]进行LFP正极锂离子电池的热特性实验，发现30℃时，7.00 C放电倍率下的温升较3.00 C倍率下高约10℃;1.00 C放电倍率下，30℃时的温升较-20℃时低约9℃。

为研究不同化学体系动力电池的发热性能，需有统一的标准。本文作者提出“发热耗散率”评价指标，以LFP、LTO、NCM和LMO正极锂离子电池，以及金属氢化物-镍（MH/Ni）等5种电池为研究对象，分析放电倍率、起始环境温度和电池寿命对发热耗散率的影响规律，并比较发热性能。

1 评价指标

动力电池在充放电过程存在能量的转化，其中一部分能量以热的形式发散。充电过程的能量转化如式（1）所示。

式（1）中:P1为电池充电总功率，W;P2是电池转换功率，W;Ph是电池发热功率，W。

动力电池的能量转换与自身的参数相关，如充放电倍率、电池电压和电池容量等。提出以发热功率与动力电池总功率比值，作为衡量电池发热性能的评价指标，称为“发热耗散率”（BHDR），定义如式（2）所示。

式（2）中:Un是电池标称电压，V;Qn是电池标称容量，Ah;Rate是电池的充放电倍率，C。从理论上讲，BHDR越高，能量利用率就越低，电池的品质、安全性也越差;反之，亦然。

2 实验

2.1 实验材料

选取5种化学体系的动力电池为研究对象，其中，LFP正极锂离子电池有3种，LTO、NCM正极锂离子电池各2种，LMO正极锂离子电池、MH/Ni电池各1种。

2.2 测试工况设计

在电池测试中，用BOL表示寿命初期，EOL表示寿命末期。电池测试工况设置见表1，其中LTO01、LTO02电池进行充放电测试，其余电池均测试放电过程的发热功率。

表1 电池基本参数及测试工况Table 1 Basic parameters and test conditions of the batteries

2.3 实验设备

为分析电池发热耗散情况，需要获取电池绝热工况下的发热功率。采用ARC-THT绝热加速量热（ARC）仪（英国产）研究电池样品在绝热环境下的产热情况。设定起始温度-45～-40℃为超低温工况，-5～5℃为低温工况，20～25℃为常温工况，40～45℃为高温工况。灵敏度参数为0.01℃/min，温度梯度为0.10℃。

电池充电至荷电状态（SOC）为95%，放电至SOC＜3%。为保证实验精度，实验过程为3次放电（或充电）后取平均值。除NCM02电池外，其余电池测试时，寿命均处于初期状态。LFP01、LTO01和MH/Ni电池为多温度工况测试。

3 结果与讨论

3.1 不同化学体系动力电池BHDR对比

3.1.1 LFP电池

常温下3种LFP电池的BHDR变化如图1所示。

从图1可知，随着放电倍率的增加，3种LFP电池的BHDR都呈增加的趋势。LFP01电池在1.0 C放电倍率下的BHDR仅为0.21%;5.0 C放电倍率下为3.65%。LFP02电池在1.0 C放电倍率下BHDR为4.81%;3.0 C放电倍率下为9.46%。LFP03电池在1.0 C放电倍率下的BHDR为2.66%;3.0 C放电倍率下为4.47%;5.0 C放电倍率下为7.25%。比较而言，LFP01的BHDR整体最低，拥有最好的发热性能;LFP03电池的BHDR处于居中位置;LFP02电池则最高。

图1 LFP电池BHDR的变化规律Fig.1 Variation rule of BHDR of LFP battery

3.1.2 LTO电池

LTO电池放电倍率高，低温放电性能出色，但如果从电池BHDR的角度去考察，LTO电池的优势并非如此明显。常温下两种LTO电池放电时BHDR的变化见图2。

图2 LTO01、LTO02电池的BHDR对比Fig.2 BHDR comparison of LTO01 and LTO02 batteries

从图2可知，在1.0 C放电倍率下，LTO01电池的BHDR为7.05%;在2.0 C以后，LTO01电池的BHDR趋于平稳;在4.0 C放电倍率下，LTO01电池的BHDR为10.02%，LTO02电池为11.31%，两者相差不大。从表1可知，LTO电池的标称电压仅2.2 V，而LPF、NCM和LMO电池的标称电压均高于3 V。如LPF01电池电压为3.2 V，容量相同的电池输出相同的功率时，LTO01电池的放电倍率是LPF01电池的近1.5倍，横向比较之下，LTO电池的BHDR将会更高。

3.1.3 NCM、LMO、MH/Ni电池

常温下NCM01、LMO与MH/Ni电池的BHDR见图3。

图3 NCM01、LMO和MH/Ni电池BHDR的变化规律Fig.3 Variation rule of BHDR of NCM01，LMO and MH/Ni batteries

从图3可知，NCM01电池在1.0 C放电倍率下的BHDR为2.36%，电池仅有2.36%的能量转化为发热;2.0 C放电倍率下的BHDR为4.32%;3.0 C放电倍率下的BHDR为6.13%。整体来看，NCM电池的BHDR较低，3.0 C放电倍率下，能量利用率仍接近94%。MH/Ni电池初始BHDR为4.96%，此时放电倍率为1.0 C;5.0 C放电倍率下的BHDR为18.99%，此时的发热耗散率较高，发热性能较差。LMO电池初始BHDR为3.89%，此时放电倍率为1.0 C;3.0 C放电倍率下的BHDR为7.04%;5.0 C倍率下与3.0 C倍率差距不大，BHDR尚可。依照各种化学体系动力电池的BHDR分布范围，可以快速预估电池系统的发热功率，为热管理设计提供重要的初始设计参数。

3.2 温度对BHDR的影响

LFP01、LTO01和MH/Ni电池在不同温度工况下的BHDR见图4。

图4 LFP01、LTO01和MH/Ni电池在不同温度工况下的BHDR对比Fig.4 BHDR comparison of LFP01，LTO01 and MH/Ni batteries under different temperature conditions

从图4可知，LFP01电池在1.0 C放电倍率、低温工况下的BHDR为3.13%，常温工况下为0.21%，高温工况下为-0.94%，还呈现略微的吸热性能。LFP01电池在5.0 C放电倍率、低温工况下的BHDR为12.57%，常温工况下为3.65%，高温工况下为1.27%。LFP01电池在低温、常温和高温环境工作时，BHDR依次降低。LTO01在0.5 C充放电倍率时，BHDR均小于2.00%，BHDR差距较小。1.0 C放电倍率下，LTO01电池在常温工况下的BHDR为7.05%，高温工况下为1.86%。4.0 C放电倍率下，常温工况下的BHDR为10.02%，高温工况下为5.98%。高温工况时，电池的BHDR比常温时低。从BHDR的角度看，让电池运行在高温环境下，热性能更好，能量利用率高，但过高的温度会加速电池循环寿命衰减，增加电动汽车热失控的风险。低温工况下BHDR很高，能量利用率较低。

1.0 C放电倍率下，MH/Ni电池常温工况下的BHDR为4.96%，高温工况下为4.63%。5.0 C放电倍率下，MH/Ni电池常温工况下BHDR为18.99%，高温工况下为21.06%。与LFP、LTO电池相比，MH/Ni电池起始温度与发热性能之间的关系不明显。在设计热管理系统时，要综合考虑温度对电池的积极因素和消极因素，取得发热性能与电池安全性的平衡。

3.3 充放电过程的BHDR对比

电池在充电和放电过程中的发热性能存在差异，以LTO01、LTO02电池为对象，研究在常温工况下充电和放电过程中BHDR的表现，结果见图5。

图5 LTO电池充放电过程BHDR对比Fig.5 BHDR comparison of LTO battery during charge-discharge process

从图5可知，LTO01电池以0.5 C倍率充放电，BHDR均小于2.00%，BHDR差距较小;以1.0 C倍率充放电，放电时BHDR为7.05%，充电时为2.16%;以2.0 C倍率充放电，放电时BHDR为10.19%，充电时为8.26%;以4.0 C倍率充放电，放电时BHDR为10.02%，充电时为8.28%。LTO02电池只进行4.0 C充放电测试，放电时 BHDR为11.31%，充电时为7.85%，两种LTO电池之间BHDR相差不大。整体来看，LTO电池放电过程的BHDR高于充电过程。

3.4 电池寿命状态对BHDR的影响

图6为NCM02电池在超低温工况下，在BOL和EOL时的BHDR对比。

图6 NCM02电池在BOL/EOL状态下的BHDR对比Fig.6 BHDR comparison of NCM02 battery under BOL/EOL conditions

从图6可知，NCM02电池以5.0 C放电时，EOL状态下的BHDR为3.27%，BOL状态下为2.18%;以 10.0 C放电，EOL状态下的BHDR为3.84%，BOL状态下为3.20%;以30.0 C放电，EOL状态下的BHDR为8.55%，BOL状态下为7.12%。由此可知，NCM02电池处于EOL状态时，BHDR显著高于BOL状态。EOL状态时，电池的BHDR更高，热性能更差。这是因为电池寿命末期时内阻升高造成发热量升高，同时容量通常会有所减少，由式（2）可知，此时电池的BHDR会更高。

4 结论

本文作者提出了“发热耗散率（BHDR）”评价指标，实验研究了不同化学体系电池的BHDR。1.0 C放电倍率下，NCM电池的BHDR为2.00%～3.00%，发热性能最好;LFP、LMO电池的BHDR小于5.00%，发热性能较好;MH/Ni、LTO电池的BHDR为5.00%～8.00%，发热性能较差。

随着放电倍率的增加，LFP、LTO、LMO、NCM 和 MH/Ni电池的BHDR均明显上升。相比充电过程，LTO电池在放电过程的BHDR更高，提供的有效能量减少。随着起始温度上升，LFP、LTO电池的BHDR逐步降低。研究成果可为电池的选择、结构设计的改善提供技术支撑。

电池寿命与BHDR有较大的关联性，动力电池处于寿命初期时，BHDR较寿命末期时更低，发热性能更好。仅对NCM02电池进行了测试，今后可增加样本数量，进行更深入的研究。