溫度對(duì)于鋰離子電池而言非常重要，低溫會(huì)導(dǎo)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(chǔ)壽命，高溫能夠提升電性能(容量、倍率性能)，但是會(huì)降低電極/電解液界面的穩(wěn)定性，引起循環(huán)壽命的快速衰降。對(duì)于一個(gè)由眾多電池組成的電池組而言，電池組內(nèi)部的溫度不均勻分布會(huì)導(dǎo)致單體電池的性能產(chǎn)生很大的差異，從而導(dǎo)致單體電池之間不均勻的衰降，最終導(dǎo)致電池組的失效，例如北京大學(xué)的QuanXia等人采用A123的LFP電池進(jìn)行電池組的模擬和仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變電池組的結(jié)構(gòu)，將電池組內(nèi)的最大溫差從4.62K降低到2.5K能夠?qū)㈦姵亟M累計(jì)充電600Ah后的可靠性從0.0635提高到0.9328(詳見鏈接：《電池組“可靠性”的影響因素和模型計(jì)算》)。

鋰離子電池的使用工況對(duì)于離子電池的產(chǎn)熱具有很大的影響，例如高倍率充放電會(huì)在電池內(nèi)短時(shí)間累積更多的熱量，而小倍率下則幾乎能夠?qū)崿F(xiàn)熱平衡，減少電池的溫升。近日江蘇大學(xué)的徐曉明(第一作者，通訊作者)等人對(duì)55Ah單體電池和電池組的產(chǎn)熱功率和溫度分布情況進(jìn)行了研究分析，研究表明單體電池的發(fā)熱功率會(huì)隨著環(huán)境溫度的升高、電池SoC和充放電倍率的降低而降低，對(duì)電池組的熱分析發(fā)現(xiàn)溫度最高的區(qū)域集中在電池組中央?yún)^(qū)域，并且發(fā)現(xiàn)采用空氣散熱時(shí)氣流更容易從電池組的上方流過(guò)，因此導(dǎo)致冷卻效果不佳。

試驗(yàn)中作者采用了55Ah的方形鋰離子電池，電池共有5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，其中兩個(gè)位于電池的低部、三個(gè)位于鋰離子電池的側(cè)面，如下圖a所示。電池的產(chǎn)熱可以通過(guò)溫升和電池的比熱容來(lái)計(jì)算(如下式所示)，其中Q為電池產(chǎn)熱量，Cp為電池的比熱容，m為電池的質(zhì)量，DT為電池的溫升，如果進(jìn)一步將下式除以時(shí)間t，我們能夠得到電池的產(chǎn)熱功率。

為了保證環(huán)境溫度的一致，作者采用恒溫箱進(jìn)行精確控溫，電池的充放電設(shè)備采用了DigatronBTS-600設(shè)備，采用安捷倫的34970A設(shè)備采集電池的溫度信息。

上述的電池在環(huán)境溫度為27℃時(shí)，電池在1C倍率充電和放電過(guò)程中溫度變化曲線如下圖所示，從圖中能夠看到無(wú)論是在充電，還是在放電的過(guò)程中電池的幾個(gè)不同的采溫點(diǎn)的溫度曲線幾乎時(shí)一致的，這也表明在這個(gè)倍率下鋰離子電池內(nèi)部溫度分布是比較均勻的，因此在計(jì)算發(fā)熱量時(shí)可以通過(guò)幾個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的平均溫升進(jìn)行計(jì)算。

1.環(huán)境溫度的影響

下圖為55Ah電池在環(huán)境溫度為20℃、27℃和40℃時(shí)，1C充放電過(guò)程中的電池溫升曲線(5個(gè)采樣點(diǎn)的平均溫度)，從圖中我們能夠看到在20℃下電池充電時(shí)間為74min，放電時(shí)間為59min，在27℃下電池的充電時(shí)間為76min，放電時(shí)間為60min，在40℃下電池的充電時(shí)間為79min，放電時(shí)間為62min。下表總結(jié)了電池在不同的環(huán)境溫度下，充放電過(guò)程中電池的溫度和溫升，表2則根據(jù)表1中的溫升數(shù)據(jù)計(jì)算了電池在不同環(huán)境溫度下充電和放電過(guò)程中的發(fā)熱功率數(shù)據(jù)，從表2中我們發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池的發(fā)熱功率隨著溫度的升高出現(xiàn)了明顯的降低，例如在20℃下電池的平均發(fā)熱功率為6.51W，而在27℃下電池的發(fā)熱功率則下降到了5.36W，進(jìn)一步提高環(huán)境溫度到40℃，電池的平均發(fā)熱功率則降低到了4.66W。

2.SoC的影響

SoC也是一個(gè)非常重要的參數(shù)，SoC即電池的荷電狀態(tài)，100%即為滿電，0%即為空電，不同的SoC表征正負(fù)極不同的Li濃度分布，因此SoC也會(huì)對(duì)鋰離子電池的發(fā)熱功率產(chǎn)生影響。下表3和表4分別總結(jié)了鋰離子電池在70%、80%、90%和100%SoC狀態(tài)下，電池的最終溫度和溫升、電池的產(chǎn)熱功率等數(shù)據(jù)。從表4中能夠看到在70%SoC下，電池的平均發(fā)熱功率為6.25W，80%SoC時(shí)為6.87W，90%時(shí)為7.19W，除了100%SoC外，電池的發(fā)熱功率隨著電池SoC狀態(tài)的提高而提高。

3.充放電倍率的影響

充放電倍率表征鋰離子電池的充放電電流的大小，因此充放電倍率對(duì)鋰離子電池產(chǎn)熱功率必然具有非常顯著的影響，下表5總結(jié)了在環(huán)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(guò)溫升數(shù)據(jù)計(jì)算了不同倍率下鋰離子電池的發(fā)熱功率。從表6中能夠看到鋰離子電池的產(chǎn)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(chǎn)熱功率僅為2.31W，充放電倍率提高到0.8C時(shí)，平均產(chǎn)熱功率已經(jīng)提高到5W，提高到1.5C則達(dá)到了12.83W，進(jìn)一步提高到5C，平均產(chǎn)熱功率達(dá)到了58.51W。

在上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，徐曉明又利用模型對(duì)鋰離子電池在充放電過(guò)程中的溫度變化進(jìn)行了模擬，結(jié)果如下圖所示，從圖中能夠看到徐曉明采用的模型很好的反應(yīng)了鋰離子電池在反應(yīng)中的產(chǎn)熱過(guò)程，在充電過(guò)程中擬合結(jié)果僅僅比試驗(yàn)數(shù)據(jù)高1.17℃，在放電的過(guò)程中擬合結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)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(chǎn)熱模型的基礎(chǔ)上，徐曉明利用SOLIDWORKS軟件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(chǎn)熱情況和電池組內(nèi)的溫度分布。

下圖為電池組在連續(xù)加速狀態(tài)(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(cè)試結(jié)果可以看到在測(cè)試結(jié)束時(shí)電池組的最大溫升為3.99℃，而電池組內(nèi)的最大溫差為2.11℃，要低于最大溫升。此外擬合發(fā)現(xiàn)，雖然采用了強(qiáng)制風(fēng)冷進(jìn)行散熱，但是大部分氣流會(huì)從電池的上部流過(guò)，僅有少量的氣體從電池組內(nèi)部的穿過(guò)，影響了電池組的散熱效果。

下圖為電動(dòng)汽車在連續(xù)減速過(guò)程中，電池組溫度變化情況，在減速過(guò)程中電池組的放電電流會(huì)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(xù)降低，鋰離子電池的產(chǎn)熱速率顯著下降，但是由于冷卻效果不佳，因此無(wú)法及時(shí)將電池內(nèi)部的熱量帶走，電池的溫度仍然呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)，在減速末期，電池組的最大溫升達(dá)到5.22℃，電池組內(nèi)最大溫差大到3.73℃，這表明雖然在減速過(guò)程中放電電流在不斷降低，電池組的散熱系統(tǒng)仍然要持續(xù)工作，直到電池組的溫度回復(fù)常溫。

脈沖放電也是電動(dòng)汽車在使用過(guò)程中常見的情況，徐曉明也對(duì)電池組在脈沖情況下的溫度變化進(jìn)行了研究，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看電池組的最大溫升達(dá)到5.27℃，電池組內(nèi)的最大溫差為2.88℃。

徐曉明教授的測(cè)試結(jié)果表明充放電倍率對(duì)鋰離子電池的產(chǎn)熱功率的影響最大，倍率越大產(chǎn)熱功率越大，其次是環(huán)境溫度，環(huán)境溫度越高則產(chǎn)熱速率越小，影響最小的為電池的SoC，在70%-90%SoC范圍內(nèi)，SoC越高則產(chǎn)熱功率越大。在電池組的溫度研究中發(fā)現(xiàn)無(wú)論是在連續(xù)加速、連續(xù)減速和脈沖放電模式下，電池組都會(huì)產(chǎn)生明顯的溫升，并且最高溫升集中在電池組的中央位置，強(qiáng)制風(fēng)冷散熱產(chǎn)生的氣流大部分從電池組的上方流過(guò)，導(dǎo)致散熱效果不佳。