电动汽车（EV）已在道路上随处可见，它们由电池而非不可再生的化石燃料驱动，这也增加了对更安全、更高效、寿命更长的电池的需求。此前，我们已经讨论了绝热量热在设计更安全电池方面的关键作用。本篇博客将介绍等温量热如何作为一项强大的技术，用于设计性能更高的电池。
电池的性能与其产热和工作温度密切相关。通过研究电池的产热，热建模是分析电池性能及其随时间衰减情况的关键。无论处于充电、放电还是静置状态，电池始终存在热活动。等温量热是一种监测电化学过程中产生或吸收的热量的技术，可提供有关这种热行为的实时信息。本文将探讨电动汽车电池开发和验证工程师如何利用这项技术，通过以下方式打造性能更高、寿命更长的电池：
- 数据驱动的洞察：揭示特定工作温度和充放电条件如何影响电芯容量和产热。
- 预防性策略：量化使用条件和环境温度对电芯产热的影响，避免不利条件，确保性能和安全。
- 优化热管理：利用电芯放热曲线中的数据洞察优化电池管理系统。
等温量热在电动汽车电池开发中的应用
目前电池市场以锂离子电池（LIB）为主，但新型电池化学体系正不断涌现（例如钠离子电池、硫电池、固态电池），即便是锂离子电池之间也存在差异。等温量热是一种非滥用、无损的技术，可提供用于准确量化以下内容的基础信息：
- 吸热和放热事件，以功率（W）和能量（kJ）表示
- 充放电过程中的放热/吸热曲线
- 电芯和模组中的热点
- 反复循环过程中热行为的变化（老化与衰减）
通过深入表征热行为，工程师能够：
- 基于量化的能量释放/吸收曲线，比较 NMC、LFP 和固态电池等化学体系
- 选择产热更低的材料和电芯设计，以提高能效和安全性
- 优化电解液配方和隔膜等组件选择，最大限度减少热损失
- 研究温度和 C 倍率对产热和电池容量的影响，确定安全工作窗口
- 开展老化研究，跟踪热输出在连续循环中和随时间推移的变化
- 捕捉热曲线中的精细结构，揭示潜在的物理或化学事件（例如 SEI 生长、相变）
热管理系统设计
设计高效的热管理系统对于实现电池的长寿命和安全性至关重要。等温量热可精确测量电池运行循环（包括充电、放电和静置循环）中释放的热量。这些信息有助于：
- 预测实际运行条件下的热负荷
- 针对不同气候和驾驶循环改进热管理系统（TMS）设计
- 避免出现过热（导致热失控）或加热不足（增加内阻）的情况。
不同温度下电池充电（黄色）和放电（红色）过程中的热行为。灰色表示以 W 计的放热功率，蓝色表示以 kJ 计的释放能量。
极端温度会放大这些问题。在低温下，由于内阻较高，电池会产生更多热量。在高温下，化学反应加速，有时会达到危险程度。量热法通过测量各种运行状态（包括正常使用、高应力情形和长时间循环），帮助平衡这些风险。
运行条件优化
了解温度、荷电状态（SOC）和充放电倍率（C 倍率）如何影响热输出，是实现性能最大化的关键。由于内阻增加以及潜在副反应的影响，电池在较高 SOC 下通常会产生更多热量。更高的 C 倍率（快速充电和/或放电）会导致热量更快积累。低温与中等负载相结合，可能导致产热骤增和效率降低。
传统的温度测量方法，例如在环境试验箱中使用热电偶或红外（IR）传感器，可以跟踪表面温度或环境温度。这些信息虽然有用，但无法揭示电芯内部如何以及何时产生热量。这些技术在保持精确的环境控制和准确的温度测量方面也存在不足，尤其是在高负载或动态循环条件下，因而难以用于深入的热分析。
相反，等温量热可实时测量产热，深入揭示电池在各种条件下的热行为。了解电池在不同温度下的表现，有助于设计更安全的电池管理系统（BMS），并确定可延长电池寿命的安全工作窗口。
电芯均衡与电池包设计
电动汽车电池包是由单个电芯组成的复杂组件，电芯的组织方式使其能够在需要时高效地储存和释放能量，从而提高容量。然而，每个电芯在运行过程中都会释放能量，这可能导致电芯之间的不一致。产热不均可能导致热点形成、个别电芯加速衰减，并降低电池包的性能和安全性。及早识别这些差异，有助于工程师改进电芯均衡策略和电池包布局，促进热均匀性，从而提高可靠性和使用寿命。
老化与衰减
随着电池老化，其内部化学性质会发生变化，进而影响其热特征。等温量热可帮助制造商跟踪产热在电池整个生命周期中的变化。这反过来又有助于设计预测性维护算法、准确估算使用寿命以及建立质保模型。
它还可以在电池经过长期使用、容量降至 80%–60% 时识别热稳定的电芯，从而为梯次利用或回收计划提供有价值的依据。
为什么电动汽车制造商应投资等温量热
由此可见，电池在不同条件下会表现出不同的行为。将等温量热纳入电池开发，可填补关键的数据空白，使工程师能够设计定制化的电池组件和管理策略，满足当前及下一代电动汽车日益提高的性能要求。