2. 电池产热机理与热特性建模
⚡ 电芯热特性基础
锂离子电池 · 工作原理 & 产热机理
课程：电池包热管理从零到一
🔋 1. 锂离子电池工作原理
锂离子电池通过锂离子在正负极之间的嵌入/脱嵌实现充放电。充电时，Li⁺从正极脱出，经电解液嵌入负极；放电时反向。电子通过外电路做功，形成电流。
🔥 2. 产热机理
可逆热 (熵热)
由于电化学反应熵变引起，充放电时吸热/放热。公式：
Q_rev = T · ΔS · (i / nF)放电时通常放热（熵减），充电时部分吸热。与SOC、温度强相关。
- 🔹 与电流方向有关
- 🔹 低倍率下占比显著
- 🔹 影响电池表面温度波动
不可逆热 (焦耳热 + 极化热)
由欧姆内阻和极化内阻产生，始终为放热：
Q_irr = i² · R_total包括电子电阻、离子电阻以及电化学极化、浓差极化。高倍率下主导产热。
- 🔸 与电流平方成正比
- 🔸 主要热源（尤其大倍率）
- 🔸 导致温升核心因素
总产热：Q_total = Q_rev + Q_irr (不可逆热通常占70%~90%)
📊 3. 影响产热的关键因素
| 因素 | 影响机制 | 热特性趋势 | 工程关注点 |
|---|---|---|---|
| 倍率 (C-rate) | 电流密度增大 → 欧姆热 i²R 剧增，极化加剧 | 产热速率 ≈ C^1.5 ~ C^2 | 大倍率需强化散热，避免热失控 |
| SOC (荷电状态) | 熵变系数 ΔS 随SOC变化；内阻在低SOC/高SOC增大 | 中间SOC (30~70%) 产热较低；两端产热升高 | 热管理策略需考虑SOC区间 |
| 温度 | 温度升高 → 内阻下降 (但SEI分解风险上升)；低温内阻剧增 | 最佳工作温度 25~45°C；低温产热更大 | 低温预热，高温冷却 |
⚡ 倍率 0.5C ~ 3C+
产热指数增长
产热指数增长
📈 SOC 0~100%
两端内阻高
两端内阻高
🌡️ 温度 -20~60°C
非线性影响
非线性影响
工程常用产热模型 (Bernardi 方程)
Q = i · (U_ocv - U_t) + i · T · (dU_ocv / dT)
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不可逆热 (i²R) 可逆热 (熵热)其中 dU_ocv/dT 通过实验测量，与SOC、温度相关。