等温量热与绝热量热测定锂电池充放电产热的对比研究
等温量热与绝热量热测定锂电池充放电产热的对比研究
摘要：精确测定锂电池充放电产热量是电池热管理设计的基础。等温量热仪和绝热加速量热仪是当前两种主流的产热测试仪器，但基于不同原理的测量结果存在系统性差异。本文选取典型18650锂电池，分别采用等温功率补偿法和绝热追踪法，在不同温度和倍率条件下系统对比了两种方法的产热功率和总产热量测量结果。研究发现：两种方法测定的热功率变化趋势一致，但等温量热结果整体偏高，差异随倍率降低而缩小，且在充电工况下绝热法可能出现因吸热未追踪导致的测量偏差。
一、引言
锂电池在充放电过程中，由于欧姆内阻、极化内阻和熵变效应的影响，会产生可观的焦耳热和反应热。这些热量使电池内部温度上升，一旦温度过高将影响电池性能和寿命，甚至导致热失控。因此，准确测定不同工况下的充放电产热量，是电池热管理设计的必要前提。
目前主流的产热测试仪器分为两类：基于功率补偿等温量热原理的等温量热仪，以及基于绝热追踪原理的绝热加速量热仪。两者在控温策略上存在本质差异——等温量热仪将电池温度恒定在设定值，通过电功率补偿来等效测量产热功率；绝热量热仪则追踪电池自身温度变化，通过绝热温升和已知比热容反算产热量。两种方法各有优劣，其测量结果是否存在系统性差异、差异的来源是什么，是电池热测试领域长期关注的问题。
[图片：等温量热仪与绝热量热仪的测试原理对比示意图]
二、测试方案
测试对象为18650锂离子电池，分别使用等温量热仪和绝热量热仪进行充放电产热测试。测试条件涵盖两种温度和两种倍率的组合：
| 测试变量 | 设置值 |
|---|---|
| 起始温度 | 30℃ / 50℃ |
| 充放电倍率 | 0.5C / 1C |
| 测试工步 | 充电 / 放电 |
| 仪器类型 | 等温量热仪 / 绝热量热仪 |
等温量热仪测试时，电池被固定在恒温夹具中，仪器通过加热器输出功率的实时调节来等效补偿电池产热。绝热量热仪测试时，电池置于绝热腔内，仪器实时追踪电池温度并保持量热腔温度与电池温度一致，记录绝热温升曲线并配合比热容数据计算产热量。
三、结果对比与讨论
3.1 产热功率变化趋势
两种仪器测定的产热功率随时间变化趋势基本一致，说明两种方法均能够准确反映充放电过程中电池内阻和熵变系数随SOC（荷电状态）变化的规律。在放电过程中，产热功率随SOC降低而上升，在放电末段达到峰值——这与极化内阻在低SOC区域显著增大的物理机制吻合。
值得注意的是，等温量热仪测定的热流响应存在轻微的滞后性，这与其相对复杂的装样方式有关——等温量热仪需要将电池紧密贴合在恒温夹具中，热传导路径较长，导致热响应略有延迟。
[图片：0.5C和1C倍率下两种仪器测定的充放电产热功率曲线对比]
3.2 总产热量对比
在0.5C和1C放电工况以及充电工况下，两种仪器的总产热量结果存在规律性差异：
| 工况 | 等温量热结果 | 绝热量热结果 | 差异趋势 |
|---|---|---|---|
| 0.5C放电 | 基准值 | 偏低 | 差异约5~10% |
| 1C放电 | 基准值 | 偏低 | 差异约10~15% |
| 0.5C充电 | 基准值 | 偏低 | 与放电趋势相似 |
| 0.33C充电 | 基准值 | 偏高 | 趋势反转 |
在大多数工况下，等温量热值均高于绝热量热值。典型数据显示，0.5C和1C下电池的绝热温升分别约为15℃和30℃，在该温度范围内，温度升高有利于降低电池极化内阻，从而减少电池产热。等温法在恒定温度下测试，而绝热法中电池温度持续上升，极化内阻降低使得产热量减小——这是两种方法结果差异的主要热力学来源。
3.3 低倍率充电的特殊现象
一个值得关注的异常现象出现在低倍率（0.33C）充电工况中：绝热法测定的产热量反而高于等温法结果。经过分析，原因可能在于充电初始阶段电池出现了明显的吸热特征（熵变吸热），而绝热量热仪不具备主动制冷功能，无法对电池的降温过程进行快速温度追踪。在这种情况下，部分吸热量未能被有效检出，导致净产热量的计算结果偏大。
[图片：低倍率充电工况下两种仪器产热功率曲线对比，标注吸热段差异]
四、两种方法的工程适用性分析
综合对比研究结果，等温量热仪和绝热量热仪在充放电产热测试中各具优势：
- 等温量热仪：恒温条件更接近电池实际工作环境（通常有热管理控温），结果可直接用于恒温工况下的热负荷计算；对吸热过程也能准确测量。但装样复杂、热响应滞后性略大、单次测试只能获得一个温度点的结果。
- 绝热量热仪：一次测试即可获得整个温区的产热特性，效率高；准绝热条件可模拟热积累场景，对评估热失控风险有独特价值。但控温方式与实际工况差异大、充电吸热测量存在局限。
热安全团队（thermsafe.cn）建议：对于以恒温热管理为设计目标的应用场景（如液冷储能系统），优先采用等温量热仪；对于需要评估最恶劣热积累工况的场景（如被动冷却或风冷系统），绝热量热仪的结果更具参考价值。在实际工程中，两种方法互为补充，可获得更全面的电池产热特性认知。
五、总结
本研究通过等温量热仪和绝热量热仪的对比测试，揭示了两种主流产热测量方法的系统性差异及物理根源。主要结论如下：(1)两种方法测定的产热功率趋势一致，均能反映内阻和熵变变化规律；(2)大多数工况下等温结果偏高，原因是绝热过程伴随温升导致的极化内阻降低；(3)低倍率充电时绝热法可能因吸热追踪失效而高估产热量；(4)仪器选择应结合工程应用场景，两种方法互补使用可获得最优效果。
参考素材来源：对比等温量热及绝热量热用于锂电池充放电产热；18650锂电池热失控总放热量测试案例详解
热安全服务
热安全团队（thermsafe.cn）提供锂电池HWS热失控测试（绝热加速量热仪ARC）、锂电池宽温域变温比热容测试（差示绝热追踪法）、绝热环境锂电池充放电产热测试、锂电池失控产气测试、方壳/硬壳电池导热系数测定（两状态法无损测试）、锂电池ARC过充热失控测试（电滥用触发）、硬壳/方壳电池导热系数及接触热阻参数测定（储热-释放两状态法）、GB/T 36276电池绝热温升测试、ARC针刺热失控等专业服务。
了解更多项目详情，请访问 https://thermsafe.cn/services.html