磷酸鐵鋰電池直流內(nèi)阻測(cè)定

1、LiFePO4/C鋰離子電池直流內(nèi)阻測(cè)試研究摘要：研究了圓柱形動(dòng)力磷酸鐵鋰鋰離子電池在不同電流、不同測(cè)試持續(xù)時(shí)間下的直流內(nèi)阻。分析了電池SOC、充電電流和放電電流、持續(xù)時(shí)間以及電流和時(shí)間的交互作用對(duì)電池直流內(nèi)阻的影響。研究表明，測(cè)試電流和持續(xù)時(shí)間對(duì)電池的直流內(nèi)阻影響比較大，在3080%SOC范圍內(nèi)相同測(cè)試條件下電池的直流內(nèi)阻變化不大；放電測(cè)試條件下的直流內(nèi)阻略高于充電測(cè)試條件下的直流內(nèi)阻；在010s內(nèi)，電池的直流內(nèi)阻測(cè)試值與測(cè)試時(shí)間呈線性變化關(guān)系；容量型電池與功率型電池的直流內(nèi)阻變化規(guī)律相同。關(guān)鍵詞：直流內(nèi)阻，磷酸鐵鋰,鋰離子電池，動(dòng)力電池，測(cè)試方法Study on the DC intern

2、al resistance of LiFePO4/C Li-ion batteryAbstract:DC internal resistance of battery is an essential parameter for designing vehicle auxiliary system and battery pack. The effects of current, time, SOC on DC internal resistance of LiFePO4/C Li-ion battery were tested and analyzed respectively. The re

3、search shows that the DC internal resistance is similar at 3080% SOC on the same test methods, the DC internal resistance with discharging methods is larger than it with charging methods, and the DC internal resistance is linear with the test time in 10s at the same SOC and current. The DC internal

4、resistance variation rules of the high energy battery are similar to the high power battery.Keywords: DC internal resistance, LiFePO4, Li-ion battery, power battery, test methods 內(nèi)阻是評(píng)價(jià)電池性能的重要指標(biāo)之一。內(nèi)阻的測(cè)試包括交流內(nèi)阻與直流內(nèi)阻。對(duì)于單體電池，一般以交流內(nèi)阻來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，即通常稱為歐姆內(nèi)阻。但對(duì)于大型電池組應(yīng)用，如電動(dòng)車用電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于測(cè)試設(shè)備等方面的限制，不能或不方便來(lái)直接進(jìn)行交流內(nèi)阻的測(cè)試，一般

5、通過(guò)直流內(nèi)阻來(lái)評(píng)價(jià)電池組的特性。在實(shí)際應(yīng)用中，也多用直流內(nèi)阻來(lái)評(píng)價(jià)電池的健康度，進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，以及進(jìn)行系統(tǒng)SOC、輸出/輸入能力等的估計(jì)。在生產(chǎn)中，可以用來(lái)檢測(cè)故障電池如微短路等現(xiàn)象。直流內(nèi)阻的測(cè)試原理是通過(guò)對(duì)電池或電池組施加較大的電流（充電或放電），持續(xù)較短時(shí)間，在電池內(nèi)部還沒(méi)有達(dá)到完全極化的情況下，根據(jù)施加電流前后電池的電壓變化和施加的電流，計(jì)算電池的直流內(nèi)阻。測(cè)試直流內(nèi)阻必須選擇好四個(gè)參數(shù)：電流（或采用的倍率）、脈沖時(shí)間、荷電狀態(tài)（SOC）、測(cè)試環(huán)境溫度。這些參數(shù)的變化對(duì)直流內(nèi)阻有較大的影響。直流內(nèi)阻不僅包括了電池組的歐姆內(nèi)阻部分(交流內(nèi)阻部分)，還部分包括了電池組的一些極化電阻。而電池

6、的極化受電流、時(shí)間等影響比較大。目前常用的直流內(nèi)阻測(cè)試方法有以下三個(gè)：（1）美國(guó)FreedomCAR電池測(cè)試手冊(cè)中的HPPC測(cè)試方法：測(cè)試持續(xù)時(shí)間為10s，施加的放電電流為5C或更高，充電電流為放電電流的0.75。具體電流的選擇根據(jù)電池的特性來(lái)制定。（2）日本JEVSD713 2003的測(cè)試方法，原來(lái)主要針對(duì)Ni/MH電池，后也應(yīng)用于鋰離子電池，首先建立 0100 SOC下電池的電流一電壓特性曲線，分別以1C、2C、5C、10C的 電流對(duì)設(shè)定SOC下的電池進(jìn)行交替充電或放電，充電或放電時(shí)間分別為10s，計(jì)算電池的直流內(nèi)阻。（3）我國(guó)“863”計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)HEV用高功率鋰離子動(dòng)力蓄電池性

7、能測(cè)試規(guī)范中提出的測(cè)試方法，測(cè)試持續(xù)時(shí)間為5s，充電測(cè)試電流為3C，放電測(cè)試電流為9C。JEVS法、HPPC法兩種測(cè)試方法各有特點(diǎn)， JEVS法采用 010C“系列”電流可以避免采用單一電流產(chǎn)生的結(jié)果偏差，其假定電池的內(nèi)阻主要成分是近似恒定的歐姆阻抗，因此在放電倍率較低情況下可靠性較高。實(shí)際上在電池高倍率充放電時(shí)，整個(gè)電池反應(yīng)的速率控制步驟由小倍率下的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程控制變?yōu)閭髻|(zhì)過(guò)程控制，電池的阻抗構(gòu)成中不僅有電池本體歐姆阻抗，還有極化反應(yīng)阻抗等，并且隨電流和脈沖時(shí)間發(fā)生變化。HPPC法同時(shí)采用中低倍率及高倍率兩個(gè)電流段測(cè)試電池的功率能力，兼顧了電池在中低兩種倍率及高倍率充電或放電電流下不同的電壓

8、響應(yīng)特性，但采用某一電流(5C、15C)分別代表中低倍率或高倍率電池功率能力的方法缺乏全面性，不同電池某一電流(5C、15C)下的電壓響應(yīng)不同，造成了測(cè)試結(jié)果的片面和偏差?！?63“測(cè)試規(guī)范中采用一種充電電流和放電電流，并且兩者差距比較大，具有一定的片面性。每種測(cè)試方法均可以作為一個(gè)基準(zhǔn)方法來(lái)測(cè)試，對(duì)不同的電源系統(tǒng)進(jìn)行比較。但每種電池均有一定的適應(yīng)性，其受測(cè)試電流和時(shí)間的不同，內(nèi)阻的變化規(guī)律也會(huì)發(fā)生變化。本文以IFR18650功率型電池及IFR26650能量型電池為研究對(duì)象，測(cè)試和分析了直流內(nèi)阻隨SOC、測(cè)試電流、電流施加時(shí)間、電流方向等的變化規(guī)律，提出了直流內(nèi)阻測(cè)試和比較的適宜方法。1 試驗(yàn)

9、對(duì)象與設(shè)備測(cè)試對(duì)象：IFR18650P型磷酸鐵鋰電池，標(biāo)稱容量1100mAh（功率型），標(biāo)稱電壓3.20V。 IFR26650E型磷酸鐵鋰電池，標(biāo)稱容量3000mAh（容量型），標(biāo)稱電壓3.20V。測(cè)試設(shè)備：ARBIN電池組性能測(cè)試儀 2 實(shí)驗(yàn)將IFR18650型電池按常規(guī)的容量檢測(cè)方法循環(huán)23次，使電池性能穩(wěn)定后進(jìn)行直流內(nèi)阻測(cè)試。（1）充電情況下的直流內(nèi)阻測(cè)試：電池的基準(zhǔn)充放電電流為1C，首先以基準(zhǔn)電流將電池放電至終止電壓2.0V，擱置1h，以1C電流充電10s，然后以基準(zhǔn)充電電流將電池充電至10%SOC，擱置1h，再以1C充電10s。依次循環(huán)，直至測(cè)試到90%SOC。按照此方法依次測(cè)試1C

10、、2C、4C、5C、6C、8C、10C電流下的充電直流內(nèi)阻。測(cè)試過(guò)程中，控制電池電壓最高不超過(guò)3.90V，若達(dá)到3.90V，則停止該步驟及該電流以下的測(cè)試。（2）放電情況下的直流內(nèi)阻測(cè)試：電池的基準(zhǔn)充放電電流為1C，首先按容量測(cè)試的充電方法將電池充滿電，擱置1h，以1C電流放電10s，然后以基準(zhǔn)充電電流將電池放電至90%SOC，擱置1h，再以1C放電10s。依次循環(huán)，直至測(cè)試到10%SOC。按照此方法依次測(cè)試1C、2C、4C、5C、6C、8C、10C電流下的放電直流內(nèi)阻。測(cè)試過(guò)程中，控制電池電壓最低不低于2.0V，若達(dá)到3.90V，則停止該步驟及該電流以下的測(cè)試。用相同的方法測(cè)試IFR2665

11、0型電池的直流內(nèi)阻。所有測(cè)試均在環(huán)境溫度20±2的條件下進(jìn)行。直流內(nèi)阻的計(jì)算：R：直流內(nèi)阻，mVt：脈沖充電或放電t時(shí)刻的電壓，V。V0：脈沖充電或放電前的電池電壓，V。I：電流，充電為正，放電為負(fù)，A。3 結(jié)果與討論3.1 直流內(nèi)阻與SOC的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖1、圖2為1C、5C、8C充電和放電情況下、持續(xù)5s測(cè)試的電池直流內(nèi)阻隨SOC的變化情況。從圖中可以看出，在較低的SOC下（30%以下），電池直流內(nèi)阻比較高，在3080%期間保持比較平穩(wěn)，之后，充電測(cè)試的直流內(nèi)阻又逐漸上升，而放電測(cè)試的直流內(nèi)阻仍保持比較平穩(wěn)。充電測(cè)試的直流內(nèi)阻在SOC中間階段有逐漸下降的趨勢(shì)，而放電測(cè)試的直流內(nèi)阻有逐

12、漸上升趨勢(shì)，與某些報(bào)道的情況并不相符，與采用的電池、實(shí)驗(yàn)電流、持續(xù)時(shí)間以及測(cè)量誤差等有關(guān)。從圖中可以明顯看出，無(wú)論是放電還是充電，在3080%SOC范圍內(nèi)，電池的直流內(nèi)阻相差不大。所以對(duì)電池或電源系統(tǒng)的直流內(nèi)阻的評(píng)價(jià)，應(yīng)當(dāng)選取此SOC范圍進(jìn)行比較。而30%、80%SOC作為內(nèi)阻變化的臨界點(diǎn)，可以為混合電動(dòng)汽車的控制作為參考（混合電動(dòng)車電源系統(tǒng)應(yīng)用SOC范圍一般在3080%）。由于在此范圍內(nèi)直流內(nèi)阻變化比較小，并且受電流、溫度等其他因素影響比較大，不適宜作為SOC判斷的依據(jù)。超出此范圍，電池放電/充電的極化電阻比較大，引起的電池內(nèi)阻增大。在相同的測(cè)試電流下，放電測(cè)試情況下的直流內(nèi)阻要略大于充電情

13、況下的直流內(nèi)阻。但兩者相差不大。圖1 充電檢測(cè)條件下直流內(nèi)阻與SOC關(guān)系（5s） 圖2放電檢測(cè)條件下直流內(nèi)阻與SOC關(guān)系（5s）Fig.1 internal resistance vs. SOC in charging test Fig.2 internal resistance vs. SOC in discharging test3.2 時(shí)間與直流內(nèi)阻的關(guān)系圖3、4分別為4C充電情況下0.10.9s內(nèi)和110s內(nèi)測(cè)試計(jì)算的直流內(nèi)阻。從圖中可以看出，無(wú)論充電還是放電測(cè)試，直流內(nèi)阻對(duì)測(cè)試持續(xù)時(shí)間有強(qiáng)烈的依賴性，隨著持續(xù)時(shí)間的增加，直流內(nèi)阻明顯加大，但在不同時(shí)間段內(nèi)，其增加的速率不同。在1s以內(nèi)

14、，直流內(nèi)阻與測(cè)試持續(xù)時(shí)間呈良好的線性關(guān)系，不同SOC下（3080%）的擬合曲線的斜率相差不大；但在110s內(nèi)，隨著SOC的增大，雖然曲線也呈較好的線性關(guān)系，但斜率的變化隨SOC的增大而增大。圖5、6分別為4C放電情況下的0.10.9s和110s內(nèi)測(cè)試的直流內(nèi)阻，直流內(nèi)阻隨測(cè)試時(shí)間也呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。在0.10.9s內(nèi)，隨著SOC增大，擬合曲線的斜率逐漸減小，110s內(nèi)，斜率變化不大。圖3 4C充電01s測(cè)試直流內(nèi)阻變化 圖4 4C充電110s測(cè)試直流內(nèi)阻變化Fig.3 internal resistance vs. test time (01s) in 4C charging test Fi

15、g.4 internal resistance vs. test time (110s) in 4C charging test圖5 4C放電01s測(cè)試直流內(nèi)阻變化 圖6 4C放電110s測(cè)試直流內(nèi)阻變化Fig.5 internal resistance vs. test time (01s) in 4C discharging test Fig.6 internal resistance vs. test time (110s) in 4C discharging test這種變化與電池內(nèi)部的反應(yīng)有關(guān)。對(duì)電池施加電流后，引起電池電壓變化的首先是電池的歐姆電阻，瞬間使電池電壓上升（充電）或下降

16、（放電），然后是電荷轉(zhuǎn)移阻抗引起的電壓降，最后是傳質(zhì)阻抗。在充電測(cè)試過(guò)程中，隨著SOC的增大，電荷轉(zhuǎn)移阻抗增大，所以擬合曲線的斜率逐漸增大。在放電過(guò)程中，隨著SOC增大，放電的電荷轉(zhuǎn)移阻抗逐漸減小，所以放電期間的斜率隨SOC增加而逐漸邊小。隨著測(cè)試持續(xù)時(shí)間的增加，電池內(nèi)部傳質(zhì)阻抗逐漸增加，并占據(jù)主導(dǎo)，內(nèi)阻變化也不呈線性變化了。圖7、8分別為電池1C充電和放電情況下6min內(nèi)測(cè)試計(jì)算的直流內(nèi)阻（測(cè)試前后電池SOC增加或減小了10%）。其直流內(nèi)阻的變化曲線與電池的充電、放電電壓曲線非常接近。圖7 100、50、20%SOC1C放電直流內(nèi)阻隨測(cè)試時(shí)間的變化 圖8 0、50、70%SOC1C充電直流內(nèi)

17、阻隨測(cè)試時(shí)間的變化Fig.7 internal resistance of 100, 50, 20%SOC vs. test time in 1C charging testFig.8 internal resistance of 0, 50, 70%SOC vs. test time in 1C discharging test在10s以內(nèi)，不同SOC下，無(wú)論采用多大的電流，電池直流內(nèi)阻與時(shí)間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。即 R為直流內(nèi)阻，t為測(cè)試持續(xù)時(shí)間，a、b為系數(shù)。以4C充放電為例，其擬合關(guān)系如表1、表2。表1 4C充電直流內(nèi)阻隨測(cè)試持續(xù)時(shí)間的變化Table1 DC internal resis

18、tance vs. test time in 4C charging test SOC01s內(nèi)擬合曲線參數(shù)the parameters of simulation curves between 0 and 1s test time110s內(nèi)擬合曲線參數(shù)the parameters of simulation curves between 1 and 10s test timeabR2abR2306.667125.0750.9951.445532.8110.8845406.285224.7230.99191.71131.8540.8963505.759324.9950.98922.156431.

19、0150.9292605.984724.6980.99382.739429.5180.9687705.815724.8540.99343.577827.510.9949805.239724.6120.99224.939422.2490.9872表2 4C放電直流內(nèi)阻隨測(cè)試持續(xù)時(shí)間的變化Table2 DC internal resistance vs. test time in 4C discharging testSOC01s內(nèi)擬合曲線參數(shù)the parameters of simulation curves between 0 and 1s test time110s內(nèi)擬合曲線參數(shù)the p

20、arameters of simulation curves between 1 and 10s test timeabR2abR2309.202428.3020.97151.324237.1250.9317406.892425.9810.9751.101132.50.9379505.3925.7930.97611.014131.0550.9394605.37726.2160.970.97531.4060.9358704.763926.2350.98181.010530.9180.937804.582425.6210.98281.115729.9030.9564 由于直流內(nèi)阻對(duì)測(cè)試持續(xù)時(shí)間比較

21、敏感， 在進(jìn)行電池或電池組直流內(nèi)阻的評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)選擇測(cè)試的持續(xù)時(shí)間。如對(duì)于混合電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，起啟動(dòng)、加速時(shí)間一般在10s左右，所以可以選擇10s的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行比較。測(cè)試時(shí)間越短，越能體現(xiàn)電池或電池組的歐姆電阻，但短的測(cè)試持續(xù)時(shí)間受測(cè)試設(shè)備和數(shù)據(jù)采集響應(yīng)誤差的影響，也不能完全體現(xiàn)電池組的實(shí)際應(yīng)用性能，不宜作為評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。但在實(shí)際應(yīng)用中，利用較短時(shí)間內(nèi)直流內(nèi)阻的測(cè)試可以判斷電池組內(nèi)的歐姆阻抗變化情況，進(jìn)行故障診斷。3.3 電流與直流內(nèi)阻的關(guān)系 圖9為在不同電流下測(cè)試的電池的充電和放電情況下的直流內(nèi)阻。圖9 50%SOC下直流內(nèi)阻隨測(cè)試電流的變化Fig.9 internal resis

22、tance of 50%SOC vs. test current 隨著電流的增加，電池直流內(nèi)阻有明顯的下降趨勢(shì)，當(dāng)電流達(dá)到一定程度后，又會(huì)隨著電流的增加而上升，主要是由于電池內(nèi)部的極化形式發(fā)生了變化。增大電流，電池內(nèi)部傳質(zhì)過(guò)程成為控制步驟，電池內(nèi)阻將開始增大。對(duì)于電池或電源系統(tǒng)的不同，應(yīng)采用不同的測(cè)試電流進(jìn)行比較與評(píng)價(jià)，或者根據(jù)實(shí)際應(yīng)用特征進(jìn)行電流的選擇，對(duì)于大容量動(dòng)力電池（混合電動(dòng)客車應(yīng)用），適宜選擇5C左右的電流，而混合電動(dòng)轎車應(yīng)用的小容量動(dòng)力電池，較適宜選取10C左右的電流甚至更高。針對(duì)實(shí)驗(yàn)電池，應(yīng)當(dāng)選擇48C內(nèi)的電流進(jìn)行測(cè)試。3.4 電流與時(shí)間的交互作用對(duì)直流內(nèi)阻的影響電流與時(shí)間的交互作用對(duì)電池直流內(nèi)阻的測(cè)試影響非常明顯。圖10、11分別為1C、2C、充電情況下110s內(nèi)直流內(nèi)阻隨測(cè)試時(shí)間的變化情況。從曲線看，隨測(cè)試持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，直流內(nèi)阻逐漸加大，但變化幅度明顯不同。在1C情況下，不同SOC下的曲線無(wú)交叉點(diǎn)，同一測(cè)試時(shí)間下SOC越大，直流內(nèi)阻越低，2C充電就有了較明顯的交叉點(diǎn)，交叉點(diǎn)大約在78s左右。4C充電的交叉點(diǎn)就更為明顯了，約在4s。低于4s，在同一測(cè)試時(shí)間下，隨SOC增大，電池直流內(nèi)阻降低，而在此點(diǎn)之后，變化相反，SOC增大，直流內(nèi)阻變大。即各曲線的斜率隨SOC