3. 锂电池产热机理与热特性参数
船用锂电池舱的热管理设计，起点不是选风机或选液冷板，而是搞清楚“热从哪里来、来多少、受什么影响”。只有把产热机理和热特性参数弄明白，才能合理确定冷量、风量、冷却液流量以及温度传感器的布置位置。本节围绕电化学产热原理、内阻热与熵热、产热速率影响因素、关键热参数获取方法，并结合一个典型电芯产热测试案例展开。
一、电化学产热原理：能量守恒下的“损耗热”
锂电池在充放电过程中，输入的电能并不会全部转化为化学能储存，输出时也不能全部转化为电能。按照能量守恒，电芯的产热速率可写成总产热功率 q（单位 W）与电流 I、电压 U、开路电压 Uoc 及温度 T 的关系。工程上最常用的是 Bernardi 产热模型：
q = I·(U_oc − U) − I·T·(dU_oc/dT)
= I²·R_Ω + I·η_act + I·η_conc − I·T·(dU_oc/dT)式中第一项 I·(Uoc−U) 是总不可逆热，可进一步分解为欧姆热、活化极化热和浓差极化热；第二项 −I·T·(dUoc/dT) 是可逆的熵变热。理解这个分解，是后续区分“内阻热”和“熵热”的基础。需要说明符号约定：本文取充电电流为正、放电电流为负，因此放电时 I 为负值，熵热项的符号会随电流方向翻转，这正是熵热“可逆”的体现。
二、内阻热与熵热：两类性质不同的热源
内阻热属于不可逆热，只要电流通过就存在，且始终为正值（放热）。它由欧姆内阻（集流体、极耳、电解液、接触电阻）和极化内阻（活化极化、浓差极化）构成，近似满足 qR = I²·R。由于与电流平方成正比，大倍率充放电时内阻热会迅速成为主导热源。船用电池舱在靠泊快充或离岸大功率推进时，正是内阻热最集中的工况。
熵热属于可逆热，来源于锂离子嵌入/脱出时电极材料的熵变，满足 qrev = −I·T·(dUoc/dT)。它的方向随充放电状态变化：某些荷电状态下充电吸热、放电放热，另一些区间则相反。熵热在低倍率、长时间静置或小电流均衡时相对更值得关注，但在大倍率工况下通常被内阻热掩盖。工程上常通过测量不同 SOC 下的开路电压温度系数 dUoc/dT 来标定熵热系数。
三、产热速率的影响因素
产热速率并非固定值，主要受以下因素影响：
- 电流倍率：内阻热与 I² 成正比，是最敏感的因素。1C 与 3C 放电的产热功率可相差近一个数量级。
- 温度：温度升高时电解液电导率上升、内阻下降，但副反应和 SEI 分解风险增加，需综合权衡。
- 荷电状态（SOC）：不同 SOC 下内阻和熵热系数不同，通常低 SOC 和高 SOC 两端内阻偏大。
- 电芯结构与材料：极片厚度、极耳数量、集流体材质、正极体系（如磷酸铁锂与三元）都会改变内阻分布。
- 老化程度：循环老化后内阻上升，同工况产热增加，热管理余量需按寿命末期考虑。
四、关键热参数获取方法
热管理计算需要几类核心参数：内阻（直流内阻 DCR、交流内阻 ACR）、熵热系数 dUoc/dT、比热容 cp、导热系数 λ（各向异性）以及产热速率。获取途径如下：
| 参数 | 常用方法 | 说明 |
|---|---|---|
| 直流内阻 DCR | HPPC 脉冲测试 | 施加短时脉冲电流，测电压阶跃，ΔU/ΔI |
| 熵热系数 | 不同温度下测 OCV | 恒温静置后测开路电压，拟合 dU_oc/dT |
| 比热容 c_p | 加速量热仪（ARC）或差示扫描量热 | 也可用集总参数法反演 |
| 导热系数 λ | 激光闪射法、热流计法 | 需分别测面内与厚度方向 |
| 产热速率 q | ARC、等温量热仪、充放电量热 | 直接测量，用于校核模型 |
五、典型电芯产热测试案例（示例）
以下为一个教学示例，参数为合理假设，用于说明测试与判读流程，并非实测结果。对象为某船用磷酸铁锂方形电芯，标称容量 100 Ah，标称电压 3.2 V。测试在 25 ℃ 恒温箱内进行，采用等温量热仪测量产热功率，同时用 HPPC 测 DCR。
测试步骤：先将电芯静置至热平衡，记录初始温度；以 0.5C、1C、2C 分别恒流放电至截止电压，每档之间静置 2 h 恢复热平衡；同步记录产热功率曲线与端电压。结果判读时关注三点：一是产热功率随倍率的增长是否接近平方关系；二是放电中段（约 40%–60% SOC）产热是否出现平台或低谷；三是放电末段是否因内阻上升出现产热翘尾。
示例数据（假设）：0.5C 时平均产热约 1.8 W，1C 时约 6.5 W，2C 时约 24 W，接近 I² 增长趋势；放电末段产热较中段上升约 30%，提示低 SOC 内阻增大。据此可反推：若舱内布置 20 串 10 并共 200 只电芯，2C 工况总产热约 4.8 kW，需据此匹配冷却能力并预留老化后的余量。
把上述机理与参数串起来，热管理设计的逻辑就清晰了：先用 Bernardi 模型分解产热，用 HPPC 和变温 OCV 获取内阻与熵热系数，用量热法校核产热速率，再结合比热容和导热系数建立电芯—模组—舱室的热模型。对船用场景而言，尤其要按最大持续放电倍率和寿命末期内阻来核算产热，避免冷却能力在服役后期不足。测试数据必须来自受控工况并注明假设条件，才能作为冷量匹配和传感器布置的可信依据。