直流內(nèi)阻對鋰電池性能和配組電壓一致性研究

劉炎金， 張佳瑢， 魏引利， 李新靜， 丁紹玉(國軒高科動力能源股份公司，安徽合肥230011)

直流內(nèi)阻對鋰電池性能和配組電壓一致性研究

劉炎金， 張佳瑢， 魏引利， 李新靜， 丁紹玉
(國軒高科動力能源股份公司，安徽合肥230011)

對鋁殼IFP1865140-12Ah方形鋰電池直流內(nèi)阻進(jìn)行測試，考察了在常溫下直流內(nèi)阻對電池電性能如放電特性、功率特性、擱置特性和循環(huán)特性的影響，研究了直流內(nèi)阻對電池配組后電壓一致性的影響。結(jié)果表明，直流內(nèi)阻在電池電性能方面有著重要的影響，直流內(nèi)阻低的電池電性能更好。直流內(nèi)阻一致性好的電池配組后電池組的一致性會更好，能夠避免電池的過充或過放，延長電池組的使用壽命，提升電池組的性能。

鋰離子電池；直流內(nèi)阻；電性能；一致性

隨著鋰離子電池在日常生活各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對鋰離子電池的性能要求越來越高。鋰離子電池的性能指標(biāo)有電壓、容量、內(nèi)阻、功率和循環(huán)壽命等，內(nèi)阻是評價電池性能的重要指標(biāo)之一。電池內(nèi)阻主要有歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻又稱交流內(nèi)阻，主要由電極材料、電解液、隔膜內(nèi)阻及各部分零件的接觸內(nèi)阻組成；極化內(nèi)阻是指電化學(xué)反應(yīng)時由極化引起的電阻，包括電化學(xué)極化和濃差極化引起的電阻[1]。直流內(nèi)阻值在大小上等于歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻之和。交流內(nèi)阻反映了電池靜態(tài)時的狀態(tài)，直流內(nèi)阻反映了電池工作時電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力，直流內(nèi)阻的大小能夠直接反映電池工作時的性能。本文以IFP1865140-12Ah方形鋰離子電池為研究對象，研究了直流內(nèi)阻對電池電性能和配組后電壓一致性的影響。

1 實驗

對IFP1865140鋁殼方形鋰離子電池進(jìn)行測試，額定容量12 Ah，標(biāo)稱電壓3.20 V。

CT-3008W-5V100A-TF電池性能檢測柜，用于測試電池電性能和直流內(nèi)阻。SDH702P高低溫交變濕熱隔爆實驗箱，用于

實驗方案如下：

(1)在常溫下選取一批常規(guī)的IFP1865140-12Ah方形電池進(jìn)行直流內(nèi)阻測試，并選出其中直流內(nèi)阻最大及最小的兩只電池，直流內(nèi)阻大的電池編號為1，直流內(nèi)阻小的電池編號為2，對其進(jìn)行放電容量、混合功率脈沖能力(HPPC)、高溫擱置性能和循環(huán)壽命測試；

(2)在常溫下選取一批常規(guī)的IFP1865140-12Ah方形電池進(jìn)行直流內(nèi)阻測試，選擇20只直流內(nèi)阻一致性好的電池焊接為串聯(lián)電池組A，選取20只直流內(nèi)阻不一致的電池配組成串聯(lián)電池組B；

(3)在常溫下對電池組A和電池組B的串聯(lián)電池組進(jìn)行相同制度的放電測試。

2 測試結(jié)果

2.1直流內(nèi)阻對電池電性能的影響

在常溫下將電池1和電池2按照其額定容量充滿電后，進(jìn)行相同放電制度的測試，測試結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以看出，直流內(nèi)阻大的電池比直流內(nèi)阻小的電池達(dá)到放電終止電壓所需的時間要短，根據(jù)歐姆定律U=EI×(R+Rf)，式中：R為電池歐姆內(nèi)阻；Rf為電池極化內(nèi)阻。直流內(nèi)阻大，電池放電時內(nèi)部極化大，而放電過程中極化內(nèi)阻大，電池壓降就大。同時電池極化大，產(chǎn)生的焦耳熱多，引起電池溫度升高。電池升溫快，導(dǎo)致放電電壓降低，放電時間縮短。因此在相同放電電流情況下，直流內(nèi)阻大的電池放電容量就會減少，放電時電池溫升高，也可以得出直流內(nèi)阻小則電池的倍率放電性能更好。

在常溫下對電池1和電池2進(jìn)行HPPC性能測試，將電池充滿電后按照《Freedom CAR》測試手冊中的HPPC測試方法進(jìn)行測試[2]，測試結(jié)果如圖2所示。

圖1　　電池1和電池2的放電和溫升曲線

圖2　HPPC測試電池放電功率和反饋功率曲線

從圖2中可以看出，直流內(nèi)阻大的電池的放電功率和反饋功率要比直流內(nèi)阻小的電池低，由《Freedom CAR》測試手冊HPPC測試放電和反饋功率計算公式：

可以看出，當(dāng)電池直流內(nèi)阻大時，每10％SOC放電結(jié)束后電池的開路電壓OCVdis小，故電池的放電功率會偏小，且直流內(nèi)阻大時，電池反饋充電時OCVregen也大，因此電池的反饋功率就會偏小。從結(jié)果來看，直流內(nèi)阻對電池的混合脈沖功率存在較大的影響。

在常溫下將兩只電池按其額定容量充滿后，將電池放入45℃恒溫箱內(nèi)，每天測其電壓變化，連續(xù)擱置7天后測其容量保持率和恢復(fù)率，測試結(jié)果如表1和圖3所示。

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圖3　　電池擱置7天的電壓變化曲線

圖4　　電池1和電池2的循環(huán)曲線

從表1和圖3中可以得出，電池1的容量保持率和恢復(fù)率高于電池2，電壓變化小于電池2。在擱置過程中，直流內(nèi)阻低的電池內(nèi)阻極化低，內(nèi)阻增加量小，電壓壓降低，且電池內(nèi)部發(fā)生副反應(yīng)少，產(chǎn)生的不可逆容量少，電池的容量保持率和恢復(fù)率相對較好?？梢娭绷鲀?nèi)阻對電池自放電有著重要的影響。

在常溫下對兩只電池進(jìn)行充放電制度相同的循環(huán)性能測試，測試結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看到，在外界環(huán)境和循環(huán)制度相同的情況下，循環(huán)500周后，電池1的容量保持率為94％，電池2為91％，直流內(nèi)阻小的電池1在循環(huán)相同的周數(shù)后，其容量衰減明顯小于直流內(nèi)阻大的電池2，且隨著循環(huán)次數(shù)增加，直流內(nèi)阻大的電池容量衰減更加明顯。電池在循環(huán)過程中，直流內(nèi)阻大的電池極化大、產(chǎn)熱更多、溫升高使電池內(nèi)的副反應(yīng)加劇，正極材料和電解液的消耗加大，同時直流內(nèi)阻大的電池電荷傳遞阻抗增大，脫嵌鋰離子能力下降[3-4]，在循環(huán)過程中容量的衰減大于直流內(nèi)阻小的電池。因此，直流內(nèi)阻小的電池使用壽命好于直流內(nèi)阻大的電池。

2.2直流內(nèi)阻對電池配組電壓一致性的影響

對配組好的兩組20串電池組，電池組A和電池組B充滿電后進(jìn)行相同制度的放電測試，模組截止電壓為25 V，并記錄放電結(jié)束時每個單體電池的電壓，測試結(jié)果見圖5和圖6。

圖5　電池組A放電截止時單體電壓分布

圖6　　電池組B放電截止時單體電壓分布

從圖5和圖6中可以看出，直流內(nèi)阻相一致的串聯(lián)電池組在模組放電終止時，每個單體電芯的電壓相近，而直流內(nèi)阻不一致的電池組在放電終止時，單體電芯間的電壓差值較大。因為直流內(nèi)阻一致性好的電池組在放電時，電池模組的終止電壓即是單體電池的終止電壓，不會對電池造成過充或過放，大大提升了電池組的使用壽命和安全性能[5-7]。因此，直流內(nèi)阻為電池篩選提供了依據(jù)，提高了電池配組的一致性。

3 結(jié)論

本文通過IFP1865140-12Ah電池直流內(nèi)阻對電池電性能和配組電壓一致性的研究得出：

(1)直流內(nèi)阻對電池電性能如放電性能、功率性能、擱置性能和循環(huán)壽命有著重要的影響，電池直流內(nèi)阻小則電性能更加優(yōu)越；

(2)直流內(nèi)阻一致性好的電池在成組使用時，其電性能和安全性會優(yōu)于直流內(nèi)阻一致性不好的電池組，有利于降低電池組使用時的管理成本。

電池的直流內(nèi)阻比交流內(nèi)阻更能反映電池的真實工作狀態(tài)，直流內(nèi)阻為電池實際使用性能方面的研究提供了依據(jù)。

[1]徐曉東.鋰離子電池內(nèi)阻測試方法研究[J].中國測試技術(shù)，2011 (11)：24-26.

[2]張志杰.鋰離子電池內(nèi)阻變化對電池溫升影響分析[J].電源技術(shù)，2010(2)：128-130.

[3]王彩娟.鋰離子電池循環(huán)性能失效研究[J].電池工業(yè)，2010(2)：35-36.

[4]蔣新華.鋰離子電池循環(huán)壽命快速衰減的原因[J].電池，2009，39 (4)：206-207.

[5]李索宇.動力鋰電池組均衡技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[6]初超.電動汽車鋰離子電池組不一致性分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2009，25：112-113.

[7]王永琛.鋰離子電池一致性分選方法[J].儲能科學(xué)與技術(shù)，2013 (1)：522-524.

Research on lithium-ion battery direct internal resistance effect on electrical performance and voltage consistency of models

LIU Yan-jin,ZHANG Jia-rong,WEI Yin-li,LI Xin-jing,DING Shao-yu
(Guo Xuan High-Tech Power Energy Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230011,China)

The direct internal(DC)resistance of IFP1865140-12Ah Al-shell batteries was tested.The influence of the batteries DC resistance to the electrical performance such as discharge characteristic,power,Shelving features and cycle characteristics,at the same time the consistency of models was examined.The results show that the DC resistance has an important influence on the battery electrical performance.Low DC resistance of the battery performance would be better.Good battery DC resistance consistency of the models would be better,which were able to avoid overcharge or discharge,prolong the service life,and improve the performance of the battery model.

lithium-ion batteries;DC resistance;electrical performance;consistency

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0067-03

2015-06-03

國家“863”計劃項目(2012AA110407)

劉炎金(1988—)，男，安徽省人，學(xué)士，主要研究方向為鋰離子電池。為電池提供不同的溫度環(huán)境。TP700多路數(shù)據(jù)記錄儀，用于記錄電池測試過程中的溫度變化。