车用LMFP_NCM电池全生命周期热特性及仿真研究.pdf

摘要

随着新能源汽车的快速发展，对于锂离子电池性能要求越来越高，而在对动力

电池高比能量极度追求的过程中，常出现电动汽车起火甚至爆炸等安全事故，究其

原因大多是由于电池热失控引起，因此电池热安全问题不容忽视。磷酸锰铁锂复合

三元（LMFP/NCM）电池兼顾磷酸铁锂电池稳定性的同时，又具备三元锂离子电池

高能量密度的优点，被认为是未来动力电池主要发展趋势。然而，到目前为止，大

多都是研究LMFP/NCM正极材料的制备及改性，缺乏对电池产热特性的研究，而

电池的热全性能关乎行车安全，因此开展LMFP/NCM电池全生命周期的产热特性

研究显得尤为必要。本文以某款商用18650型LMFP/NCM电池为研究对象，通过

实验和仿真手段探究了其全生命周期内电化学性能和产热特性的演变规律，主要

工作内容与结论如下：

（1）LMFP/NCM电池电化学热特性研究。开展了不同健康状态（StateOfHealth,

SOH）电池在不同工况下的电化学性能及产热特性测量实验，而后基于实验数据分

析了不同健康状态电池在不同工况下的容量、温升、内阻和产热功率（包括可逆热

和不可逆热）的变化规律，最后表征了电池老化前后电极材料结构与形貌的演变规

律，揭示了电池老化机理。研究结果表明：随着电池SOH的降低（98%~82%SOH），

内阻会明显增大，从而导致产热功率也增大，且在大倍率和低温条件下放电时变化

会更加显著。25℃下1C放电时，90%SOH和82%SOH电池的平均内阻分别比

98%SOH高25.6%和37.8%；不同放电深度下（DepthOfDischarge,DOD）电池的

产热功率变化明显，当以2C放电时，0.5DOD时的最大产热功率分别增加了175%

和208%。-10℃时，82%SOH电池温升和总产热功率最大，分别为7.5℃和3.12W；

可逆与不可逆产热的比值最低为0.152，不可逆产热成为电池主要产热。电池老化

过程中副反应主要发生在负极，致使负极材料损坏严重，从而导致了电池容量迅速

衰退。

（2）基于电化学-热-老化耦合模型的热特性仿真研究。考虑SEI膜老化副反

应，建立了能模拟电池老化过程中产热变化的电化学-热-老化耦合模型，而后通过

该模型进一步分析了电池内部温度分布及电池老化前后产热变化规律。研究结果

表明：放电过程中，单体电池的中心区域温度显著高于边缘温度，且电池的径向温

差远大于轴向温差；当电池1C放电时，LMFP/NCM复合正极产热明显大于负极，

其中负极产热主要由极化热主导，占据了负极总产热的54%，而在正极各项产热

中，NCM材料产热占据了正极产热的绝大部分，占正极总产热83%，其中可逆产

热占49%，极化热占34%，而LMFP材料产生的可逆热和极化热仅占正极总产热

的6%和4%。当放电倍率增大到2C时，正负极极化产热和欧姆产热均增大，可逆

产热占比减少。此外，还发现SEI膜老化副反应主要发生在负极，电池老化后负极

产热功率显著增大；随着放电倍率的增大及环境温度的升高，电池内部SEI膜副

反应加剧，导致容量严重衰退，产热功率增大。

关键词：LMFP/NCM电池；电化学热特性；老化；电化学-热-老化耦合模型

Abstract

Withtherapiddevelopmentofnewenergyvehicles,theperformancerequirements

forlithium-ionbatteriesaregettinghigherandhigher,andintheprocessoftheextreme

pursuitofhighspecificenergyofpowerbatteries,safetyaccidentssuchaselectric

vehiclesoftenoccur,andmostofthereasonsarecausedbythebatterythermalrunaway,

sothebatterythermalsafetyproblemcannotbeignored.Themanganeseironlithium

phosphatecompo