等溫量熱儀和絕熱加速量熱儀是研究鋰電池充放電產(chǎn)熱的兩種主流儀器。本文利用仰儀科技BIC-400A電池等溫量熱儀以及BAC-420A電池絕熱量熱儀在不同溫度和不同倍率條件下對電池充放電產(chǎn)熱進(jìn)行測試，總結了兩種方法量熱結果對比的一般性規律。

前言

鋰離子電池在充放電過(guò)程中存在明顯的熱效應，包括電極反應熱、極化熱、焦耳熱和副反應熱等[1]。這些熱量使電池內部溫度上升，一旦溫度過(guò)高將影響電池性能和壽命，甚至會(huì )導致電池發(fā)生熱失控。因此，電池充放電產(chǎn)熱數據是進(jìn)行電池熱管理設計的必要參數。目前，基于功率補償等溫量熱原理的等溫量熱儀和基于絕熱追蹤原理的絕熱加速量熱儀是測量電池充放電產(chǎn)熱的主要儀器。如圖1所示，等溫量熱儀能夠控制電池溫度保持恒定，并利用電功率對電池產(chǎn)熱功率進(jìn)行等效補償；絕熱量熱儀能夠進(jìn)行電池溫度追蹤，獲得電池在充放電過(guò)程中的絕熱溫升曲線(xiàn)和比熱容數據，并計算產(chǎn)熱量。本文重點(diǎn)比較了兩種方法在量熱結果上的差別性。

圖1 (a)等溫量熱儀和(b)絕熱加速量熱儀檢測原理

實(shí)驗部分

1. 樣品準備

18650電池（NCM，2000mAh）*2

方形電池（LFP，50Ah）*2
6061標準鋁塊

2. 實(shí)驗條件

絕熱量熱電池起始溫度：30°C；
等溫量熱電池溫度：30°C、50°C；
電池充放電方式：恒壓恒流充電、恒流放電；
充放電倍率：0.33C、0.5C、1C；
比熱容溫升速率：0.2°C/min。

實(shí)驗結果

1. 電池比熱容實(shí)驗

圖2 電池比熱容測量結果

利用差式功率補償原理，絕熱量熱儀可測定電池比熱容的數據，本文根據電池充放電過(guò)程的溫度變化范圍，測定該溫區內的平均比熱容，用于計算電池放熱量，測試結果如圖2所示。

2. 18650電池量熱結果

圖3 18650電池在(a,b)0.5C和(c,d)1C倍率下電池(a,c)充電和(b,d)放電產(chǎn)熱功率測量結果對比

如圖3所示，等溫與絕熱兩種儀器測定的產(chǎn)熱功率變化趨勢基本一致，說(shuō)明上述兩種測試方法均能夠反映充放電過(guò)程中電池內阻和熵變系數變化規律。另外，可以發(fā)現等溫量熱測定熱流的滯后性略大，這與等溫相對復雜的裝樣方式有關(guān)。30℃起始溫度下充放電產(chǎn)熱量的測量結果如表1所示，4種工步下等溫量熱值均高于絕熱。0.5C和1C下電池的絕熱溫升分別為15°C和30°C左右，在該范圍內，溫度升高有利于降低電池極化內阻，減少電池產(chǎn)熱。通過(guò)圖3也可以看出，絕熱法測定的功率曲線(xiàn)都介于30°C和50°C兩個(gè)溫度條件下測定的等溫量熱曲線(xiàn)之間。

表1 18650電池充放電產(chǎn)熱量數據統計

3. 方形電池量熱結果

圖4  0.33C倍率下方形電池在(a)充電和(b)放電過(guò)程產(chǎn)熱功率測量結果對比

表2 0.33C倍率下等溫與絕熱測定的產(chǎn)熱量對比

觀(guān)察表2及圖4，在0.33C這一較低的倍率下進(jìn)行充電，絕熱法測定的產(chǎn)熱量高于等溫的結果。這可能是由于在充電初始階段出現明顯的吸熱特征，而絕熱量熱儀沒(méi)有制冷功能，無(wú)法對電池降溫過(guò)程進(jìn)行快速的溫度追蹤，所以可能出現電池吸熱無(wú)法有效檢出、測量結果偏大的情況。

結論

1.利用等溫量熱儀和絕熱量熱儀均能夠有效測定電池充放電產(chǎn)熱。兩種方法測定的熱功率變化趨勢具有較好的一致性，但由于兩者對電池的控溫方式不同，產(chǎn)熱量的結果存在差異性；
2.當電池最高溫度未明顯超過(guò)正常使用溫度的情況下，利用絕熱法測定的產(chǎn)熱量會(huì )小于等溫法；
3.對于低倍率充電等導致電池出現明顯吸熱特征的工況，絕熱法測定的產(chǎn)熱量可能將大于等溫法。