详解三元软包锂离子动力锂电池热特性测量及应用

锂离子电池的极化内阻是不可逆热测试的关键参数。为了更准确地计算极化内阻，针对三元软包锂离子动力锂电池，进行了HPPC测试、熵热系数测试、充放电温升测试，采用两种方法对极化内阻进行了计算，一种是通过电压变化量除以电流得到，另一种是通过建立二阶RC模型，结合HPPC测试工况辨识得到。根据两种方法得到的极化内阻，结合Bernardi生热速率模型公式对电池进行了1C充电和0.5C、1C、2C放电下的温度场仿真，并与红外热成像仪记录到的温度分布进行了比较。结果表明：根据二阶RC模型得到的极化内阻进行的仿真与实验数据吻合较好，说明利用二阶RC模型得到的极化内阻更加适用于电池持续充放电过程中的热分析。模型很好地模拟了电池不同充放电倍率下的温度场信息，对电池热分析及热管理可起到指导用途。1锂离子电池生热原理

2动力锂电池热特性实验

2.1研究对象

本课题所研究的电池为36Ah三元软包锂离子动力锂电池，正极材料为Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2，负极材料为石墨，最大持续放电电流为2C(72A)。

图1锂离子电池单体

过针刺 低温防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆标准

充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%

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表1锂离子动力锂电池规格参数表

参数

规格

正极极耳材料

Al

无人船智能锂电池

IP67防水，充放电分口 安全可靠

标称电压：28.8V
标称容量：34.3Ah
电池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
应用领域：勘探测绘、无人设备

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负极极耳材料

Cu

电芯尺寸(长×宽×厚)/mm

227×162×8

正极极耳(长×宽×厚)/mm

50×15×0.5

负极极耳(长×宽×厚)/mm

45×15×0.3

重量/g

609

标称电压/V

3.7

充电截止电压/V

4.2

放电截止电压/V

2.75

额定容量/Ah

36

2.2动力锂电池HPPC测试

对锂离子电池内阻的测试，采用美国《FreedomCAR电池测试手册》中的HPPC测试方法。

图2HPPC脉冲电流/电压曲线

2.3熵热系数测试

对熵热系数(dE/dT)的测试，是通过在不同温度和不同荷电状态下测试开路电压得到。

图3熵热系数随SOC的变化曲线

2.4充放电温升测试

3二阶RC模型

3.1电池等效电路模型的建立

本文所采用的电池模型为二阶RC模型，大量研究表明，二阶模型相比一阶模型具有更好的精度，与三阶模型相比，计算量更小且误差相差不大，能够较准确地模拟电池的各种特性。

3.3模型验证

4锂离子单体电池生热仿真

4.1热模型基本理论

4.2电池计算模型的建立

（a）电池几何模型

（b）电池单体网格

4.3电池热物性参数的确定

4.4电池热载荷和定解条件

4.5仿真结果分析

根据二阶RC模型和HPPC测试的方法得到了电池的极化内阻，利用BERNARDI模型公式求得电池的生热率，并在此基础上进行了温度场仿真，所得结果与实验数据进行了比较，得出以下结论：

（1）锂离子电池在持续充放电过程中极化达到了最大，利用HPPC测试计算得到的极化内阻仅适用于脉冲工况，而利用二阶RC模型辨识得到的极化内阻更加适用于持续充电和放电下电池的热分析。

（2）根据二阶RC模型得到的极化内阻进行的仿真与实验数据更加接近，随着充放电倍率的增大，电池温度梯度增大，几乎呈线性升高。同一充放电倍率下，电池的放电温升要大于充电温升，随着充放电倍率的新增，电池的最大温升和温差均增大。