对圆柱形锂离子电池模块充放电效应的实验研究

《Next Materials》：Experimental investigation of the effect of charging and discharging on a battery module of cylindrical lithium-ion cells

　　索梅什瓦拉尔·巴克雷 | 阿什温库马尔·多布勒 | 曼格什·科塔姆布卡尔
机械工程系，维斯韦斯瓦拉亚国立技术学院，那格浦尔 440010，印度

摘要
锂离子电池（LIBs）中热量的产生对其性能、安全性和寿命起着关键作用，尤其是在不同充放电速率下。本研究对不同C速率（0.5 C、0.75 C和1 C）下圆柱形锂离子电池在充放电过程中的热量生成进行了实验分析。通过恒电流（CC）充电和恒电流放电实验，研究了电池的热学和电学特性。实验结果表明，较高的C速率会导致更多的热量产生，且充电过程中产生的热量大于放电过程。在1 C的速率下，电池充电时的温度约为45°C，放电时约为35°C。还观察到，在恒电流充电过程中产生的热量最多，而恒电压充电过程中产生的热量较少。这些结果强调了热管理策略的重要性，尤其是在较高C速率下，以减轻过高的温度升高并提高电池的可靠性。本研究有助于改进电池热管理系统设计，确保电动汽车中LIBs的安全和高效运行。

1. 引言
空气污染是当代世界面临的一个严重问题，它导致了气候变化。温室气体的排放引起了全球变暖，从而使地球的平均温度上升[1]。为了应对这一挑战，国际上转向更清洁的能源，电动汽车（EVs）被视为一项有益的解决方案，有助于构建一个更清洁、更可持续的未来。这主要是因为电池具有高效的能量存储和传输能力，因此可以与可再生能源系统集成[2]。

锂离子电池（LIBs）因其高功率和能量密度、长寿命以及环境友好性而广受欢迎[3][4]。随着世界向使用环保新型替代传统燃油车辆的方向转变，锂电池凭借其高功率、能量密度和电压性能成为新能源车辆发展的重要技术[5]。在实际应用中，电池的性能需求根据负载要求、温度和使用模式等因素而有所不同。其中，充放电速率对于定义电池的电化学行为、效率和热响应至关重要。

电池的工作原理是在放电时将化学能转化为电能，在充电时储存电能。这两种操作都显著影响电池性能。温度升高和整体性能受到充放电速率的显著影响，因此引起了大量研究关注。由于温度是衡量电池安全性的重要指标，了解其在不同C速率下的响应至关重要。Onda等人[6]测试了在高速率充放电循环下圆柱形LiCoO?电池的热响应，观察到径向温度分布基本均匀，突显了热分析对于安全运行电动汽车电池的重要性。Panchal等人[7]研究了LiFePO?/LFP电池组在1C-4C放电率下的温度变化，结果表明峰值和平均温度都会显著升高。Pra等人的研究[8]指出，理想的电池组运行取决于电池化学成分、期望的性能和寿命目标，他们为LIBs制定了推荐的温度范围，实验结果与预测值相符。Huang等人[9]提出了一个一维电化学-热耦合模型，用于模拟0.5 C至4 C放电速率下的LiFePO?电池放电过程，模拟结果显示电化学反应速率和热量生成随时间和电池内部位置的不同而变化，这种非均匀性随着放电速率的提高而加剧。无论使用何种正极材料，电池的放电容量都会随温度下降而减少[10][11][12][13]。上述研究为开发有效的LIBs热管理系统提供了宝贵见解。

容量随时间的损失是电动汽车的关键参数之一，它直接决定了电池的寿命。Wang等人对LiFePO?电池在0.5 C至5 C放电电流下的性能进行了实验，并探讨了不同放电速率对其容量的影响，提出了一个经验性退化模型用于确定不同放电条件下的剩余使用寿命（RUL）[14]。Yang等人[15]也在相同的放电率范围内研究了容量衰减，并提出了一个动态Peukerts定律，以帮助预测其他速率下的容量。Carlos等人[16]对具有不同容量水平的NMC电池进行了放电测试，发现实际容量往往与制造商给出的不同。Ozdemir等人[17]的研究表明，热量生成受电池结构、性质和工作条件的影响很大。对流和辐射冷却效果不佳会导致内部温度升高，从而影响电池的性能和寿命。准确预测电池剩余使用寿命需要考虑电池容量退化这一因素。

影响LIBs性能的两个主要因素是内阻和温度。内阻越高，能量损失越大，产生的热量也越多，这降低了效率并加速了电池退化。低温会增加内阻并减少容量，而高温虽然能提高短期性能，但可能造成长期损害。因此，需要适当控制这两个因素以保持电池的健康、安全和寿命。电池内阻可以通过多种方法测量，并受多种因素影响，如荷电状态（SOC）、温度和放电速率。高内阻和极端温度都会降低电池效率，限制可用能量，并减少电池的总体使用寿命和健康状态（SOH）[18][19]。Monem等人[20]研究了电池组的充放电过程，指出常用的两种充电方法是恒电流（CC）和恒电流-恒电压（CC-CV）。虽然CC-CV方法可以接近充满电池容量，但所需时间更长[21]。Chen等人[21]开发了一个动态电阻模型，结合了SOC、温度和放电速率三个因素来估算内阻，发现25°C温度下，当放电速率在0.5 C至3 C之间变化时，电池内阻可波动高达10毫欧姆。Liao等人[22]研究了不同SOC水平下热负荷LiNiCoMnO2石墨电池的性能，结果表明电池的最高温度随SOC的增加而线性升高；相反，热失控的起始温度随SOC的增加而线性降低[22]。Lv等人[23]研究了不同阳极材料下电池容量的温度依赖性，发现电池的放电容量是温度的三次多项式函数，最佳工作温度范围为20至50°C。他们的研究还表明，电池内阻随时间增加而升高，尤其是在SOC为0%或100%时，SOC对极化电阻有较大影响[23]。Santos等人[24]测试了锂钴氧化物（LCO）电池在0-50°C温度范围内的性能和不同健康状态（SOH），发现电池在低温下的存储和传递电荷的能力较差[24]。Jaguemont等人[26]研究了锂离子电池在低温和高温下的性能，发现这一因素影响电池的性能、安全性和生命周期。还有研究表明，可以通过接触式和非接触式技术监测电池的内部温度。

关于LIBs在放电条件下的热特性、内阻和退化特性的研究很多，但在充电条件下的研究较少。过去大部分研究更关注放电条件下的电池性能、温度升高和容量损失，假设充放电条件下的行为是对称的。然而，充电过程具有不同的电化学和热动态特性，包括内阻增加、极化效应增强以及与熵相关的热量生成增加，特别是在较高C速率下。这些差异会对电池寿命、热管理需求和安全阈值产生重大影响。本研究的主要目的是在相似的环境条件下实验性地研究电池模块的热学和电学特性，并比较充放电过程中的热量生成。虽然之前的研究探讨了电池在放电过程中的行为，但在充电过程中的热性能方面的实验研究较少，尤其是在电池单元层面。为填补这一空白，本研究分析了在不同C速率下3S2P电池模块的充放电过程，并比较了两种过程中的热量生成情况，为设计高效的热管理方案提供了依据。

2. 实验装置
2.1 电池模块的制备
电池组由六个LG INR21700 M50T锂离子电池组成，每个电池的标称容量为5Ah。这些电池以3S2P形式配置：两个电池并联以增加容量和电流承载能力，三个模块串联以增加模块的输出电压。这种结构结合了并联和串联的优点，提供了具有更高能量密度和适当电压的电池模块，以满足特定应用的需求。图1展示了设计的3S2P电池模块结构。图2显示了测试装置的示意图。

图1. 3S2P电池模块
表1. LG INR21700 M50T锂离子电池的技术规格
| 规格/性质 | 描述 |
|---------------|--------------------------------------------|
| 电池型号 | LG INR21700 M50T |
| 电池形状 | 圆柱形 |
| 化学成分 | Li (Ni0.84Co0.10Mn0.06) O2+1%wt Si |
| 标称容量 | 5Ah |
| 标称电压 | 3.63 V |
| 最大充电电压 | 4.20±0.05 V |
| 放电电压 | 2.50 V |
| 最大放电电流 | 1.5 C (7275 mA) |
| 脉冲放电功率 | ≤ 80 W (SOC 80%) |
| 直径 | 21.10 mm |
| 长度 | 70.15 mm |
| 重量 | 68 gm |
| 能量密度 | 740 Wh/升 |
| 工作温度范围 | 最大充电：0°C至45°C；最大放电：?20°C至60°C |
| 储存温度 | ?20°C至45°C（3个月） |
| 循环寿命 | 最高500次循环 |

图2. 不同充放电C速率下10 Ah容量、12 V电压的3S2P电池模块的热学和电学性能示意图实验装置主要由一个10,000毫安时的电池模块、一个具有电压范围（9–99伏特）、充电电流为20安培和放电电流为40安培的充放电单元组成。它还包括一个数据存储单元和用于实时温度监测的热电偶。在受控的室内实验室条件下，对3S2P电池配置进行了三种不同的C率（0.5 C、0.75 C和1 C）测试，以模拟没有电池单元绝缘盖的操作场景。为了获得每次充放电过程中每个电池单元的温度，在电池表面使用铝箔胶带放置了六个K型热电偶。相应的温度读数分别为T1、T2、T3、T4、T5和T6，它们位于电池单元的中间（见图1）。此外，在更高的C率下，截止点（9V）的电压能够更快地达到，这表明了功率传输和能量提取之间的平衡。下载：下载高分辨率图像（96KB）下载：下载全尺寸图像图7. 不同C率下放电过程中电压随时间的变化。图8展示了电池模块在各种C率（0.5C、0.75C和1C）充电和放电时平均温度的变化。显然，随着C率的增加，在这两种情况下模块的温度都会上升。在0.5C的放电率下，温度逐渐上升到约31°C，而在相同放电率下充电时，温度接近37°C。当C率提高到0.75C时，温度上升更为明显，放电时温度约为34-35°C，充电时约为41-42°C。在1C的放电率下，温度上升更为显著，充电过程中的最高温度约为45°C，而放电时的温度相对较低，约为36°C。下载：下载高分辨率图像（130KB）下载：下载全尺寸图像图8. 不同C率下电池模块平均温度的变化。这些发现表明，在相同的电流水平下，充电产生的热量比放电更多。此外，由于通过电池单元的电流增加，更高的C率会导致更快的温度上升和更早的峰值温度。一旦达到峰值温度，随着热量向周围环境的散发，温度会逐渐下降。总体而言，该图表明电池模块的热行为受到运行速率的强烈影响，高倍率充电会导致最严重的热条件。图9展示了在温度为0.5C、0.75C和1C的放电过程中电池模块温度的变化以及电压的变化。很明显，在更高的放电率下，热响应和电压行为非常不同。在0.5C的较低放电率下，温度逐渐上升，而在放电后期电压逐渐下降。这意味着在较低的电流下内部热量产生受到限制，电压降仅由常规的电化学过程调节。放电率提高到0.75C时，温度上升更快，在更短的时间内达到更高的温度水平。同时，电压下降的速度也比0.5C时更快。这是因为电流越大，内部电阻损失越大，因此在电池单元内产生的热量也越多。温度的升高也会影响内部电阻，进一步导致电压下降。在1C的放电率下，温度迅速上升，并且在所有情况下都观察到了最大温度，放电时间也较短，电压降更为显著。这种在高C率下电压下降加速的速度主要归因于高电流操作下的极化和欧姆损失。因此，该图表明电池模块的电气和热行为之间存在密切关系。放电率的增加不仅提高了内部热产生的速率，还由于内部电阻和极化的增加而加快了电压下降的速率。随着C率的增加，这种热和电气应力也随之增加，因此有必要在高倍率操作期间控制温度的增加，以确保性能的一致性并避免长期退化。下载：下载高分辨率图像（140KB）下载：下载全尺寸图像图9. 不同C率下放电过程中温度和电压的变化。图10展示了在不同C率（0.5C、0.75C和1C）下电池模块在放电（Tmax_D）和充电（Tmax_C）期间的峰值温度。结果清楚地表明，在这两种情况下，随着C率的增加，最高温度也随之增加。放电时，温度峰值从0.5C的31°C上升到0.75C的34.5°C，再到1C的36.5°C。充电时也观察到类似的趋势，最高温度从0.5C的37°C上升到0.75C的42°C，再到1C的45°C。这种随着C率增加的温度升高主要是由于通过电池单元的电流增大。由于不可逆的热量产生与电流的平方（I2R）成正比，C率的增加显著增加了内部热量产生，从而导致更高的峰值温度。下载：下载高分辨率图像（84KB）下载：下载全尺寸图像图10. 不同C率下电池模块最大温度的变化。此外，很明显，在所有C率下，充电时的峰值温度都超过了放电时的峰值温度。放电和充电之间的温差随着C率的增加而增大，0.5C时为6°C，1C时为8.5°C。这表明，在相同的电流水平下，充电产生的热量比放电更多。额外的热量产生是由于充电时更高的过电位下的极化损失和电化学反应增加，导致内部电阻和热量产生增加。C率越高，这些效应越明显，使得温度上升，模块经历的热应力也越大。这些发现强调，高倍率充电比放电带来更大的热挑战，特别是在快速充电条件下，需要有效的热管理。根据表2，随着C率的增加，模块的温度梯度也随之增加。放电时，最大和最小平均电池单元温度之间的差异在0.5C时为1.33°C，在1C时为2°C。尽管增加幅度不大，但它表明电流的增加放大了电池单元之间的温度差异。在充电过程中，这种差异更加明显。在0.5C时，温度在电池单元间的扩散为1.27°C，在1C时快速增加到4.57°C。这清楚地表明，高倍率比放电导致更大的热不平衡。这种行为是由电池单元内部产生的热量所引起的，这与电流有关。C率越高，每个电池单元内产生的热量就越多。内部电阻、接触电阻甚至电池单元位置的变化都会导致热量产生的明显差异。在电流较低时，这些差异不大，但在电流较高时，这些差异会被放大，从而导致温度偏差的增加。表2. 不同充放电条件下锂离子电池单元的平均表面温度C率放电过程中的电池单元平均表面温度（°C）充电过程中的电池单元平均表面温度（°C）T1 T2 T3 T4 T5 T6 T1 T2 T3 T4 T5 T6 0.5C 29.6 23 0.55 30.00 30.25 30.95 29.78 34.06 34.30 34.25 34.82 35.33 35.04 0.75C 32.69 33.02 32.70 33.43 33.74 33.34 36.27 36.84 36.61 37.84 38.74 38.13 1C 33.52 33.84 33.61 34.59 35.52 34.56 39.33 40.19 40.11 42.16 43.90 42.50除了这一点，该模块将在自然对流状态下工作，使得热量无法散去。当C率较高时，电池单元内的热量产生大于散热能力，使得温度较高的电池单元积累更多的热量。这就是为什么随着速率的增加，一些电池单元总是会记录到较高温度的原因。这些发现验证了温度均匀性随着C率的增加而增加，尤其是在充电过程中，这可能导致电池模块的老化不均匀和长期可靠性降低。4. 高C率下的热管理技术根据这项研究的实验结果，随着C率的增加，电池模块的温度显著上升，尤其是在充电过程中。在较高倍率下充电（如0.75C和1C）时，模块的温度超过40°C，电池单元之间的温度差异变得更加明显。这些条件会加速电池单元的退化，并影响电池模块的整体可靠性。因此，实施有效的热管理策略对于高倍率操作至关重要。一种可行的方法是强制空气冷却，即通过控制气流在电池模块上吹风以增强对流热传递并降低峰值温度。另一种选择是在相邻电池单元之间添加相变材料（PCM）。PCM可以在其相变过程中吸收多余的热量，从而抑制温度上升并提高热均匀性。此外，通过增大电池单元之间的间距或添加导热间隔物来改变电池单元的排列，可以增强散热并减少局部热量积聚。为了评估这些热管理策略的有效性，可以在与本研究相同的操作条件下进行比较实验。这些实验可能包括使用自然对流的基线模块进行测试，然后是强制空气冷却、PCM集成和调整电池单元间距的试验。比较这些配置下的最高温度和温度分布将有助于确定高倍率电池操作最有效的热管理解决方案。表3展示了在高C率下运行的电池模块的各种热管理策略。表3. 电池模块的热管理策略参考文献方法代表性文献典型的Tmax降低（报告/预期）建议的实验（摘要）Zhang等人[29] 强制空气冷却（风扇、管道）强制空气包设计；Saechan（空气+喷雾）实验工作。报告的降低幅度在适中气流下为3-10°C；更高气流下减小更多（取决于几何形状）。基线与1m/s和2m/s气流在0.75C和1C时的Tmax、ΔT和冷却功耗的测量Adrian Calborean [30] 电池单元之间的PCM集成PCM综述和最近的PCM-BTMS实验（在38-42°C附近熔化）。报告的Tmax降低幅度为4-8°C，适用于适当的PCM质量和放置；延迟峰值。基线与1C充电时PCM片材（熔化38-42°C）：记录Tmax、达到峰值的时间、PCM熔化/固态循环行为Amin Moosavi [31] 电池单元间距和导热间隔物电池单元间距效应研究和最佳间距分析。提高均匀性；除非结合冷却，否则Tmax变化不大——报告的ΔT降低几°C。基线与在1C时加1-2mm间距和铝间隔物：记录Tmax和ΔT。Zare等人[32] 混合（PCM + 强制空气/散热片/导热增强）多项最近的BTMS研究表明混合体表现最佳。组合效应通常超过单独效果：可能减少超过8°C；改善均匀性。测试在1C时混合PCM + 1m/s气流；与单一方法进行比较。5. 结论本研究对3S2P配置的锂离子电池模块进行了实验研究，该模块的容量为10Ah，电压为12.6V，不同C率下的充电和放电过程。从研究中得出的结论如下：• 不同C率在充电和放电过程中的影响显著影响了电池模块的温度。充电时电池模块产生的热量比放电时更多。随着C率的增加，电池模块的温度也增加。• 在1C充电速率下，电池模块的温度最高达到约44°C，而在相同的C率下放电时，最高温度为35.52°C。此外，观察到由于对流效应和电池单元的内部电阻，内部电池单元的温度比外部电池单元更高。• 推荐使用1C的充电速率 for锂离子电池模块，最佳工作温度范围为15°C至35°C。然而，在充电过程中，会产生显著的热量，而在1C速率下，温度超过了这一最佳范围，这突显了需要对电池模块进行有效的热管理。• 较高的C率可以减少充电/放电时间，但会导致更陡峭的电压下降和更大的温度上升，因此需要高效的电池热管理系统（BTMS）来减轻热负荷。而较低的C率提供了更好的电压稳定性和热安全性，使其更适合电动车应用中的长期使用。上述发现有助于研究人员理解电池模块的热行为，以便采用适当的冷却策略。cRediT作者贡献声明Mangesh Kotambkar：可视化、监督、项目管理。Someshwar Bhakre：写作 - 审核与编辑、原始草稿编写、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Ashwinkumar Dhoble：写作 - 审核与编辑、可视化、监督、资源管理、项目管理、调查、资金获取。