HEV氫鎳動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)阻抗特性及其影響因素

劉青松， 汪泉弟， 姚 沫， 楊永明(重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044)

HEV氫鎳動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)阻抗特性及其影響因素

劉青松， 汪泉弟， 姚 沫， 楊永明
(重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044)

氫鎳動(dòng)力電池作為混合動(dòng)力汽車的主要?jiǎng)恿υ吹玫綇V泛應(yīng)用，研究氫鎳電池的動(dòng)態(tài)阻抗特性及其影響因素為分析電池使用時(shí)的內(nèi)部損耗及合理估算電池健康狀態(tài)提供依據(jù)，并為研究混合動(dòng)力汽車的電磁兼容問(wèn)題打下基礎(chǔ)。以混合動(dòng)力汽車車載氫鎳動(dòng)力電池為例對(duì)電池的阻抗特性及其影響因素進(jìn)行分段頻域分析。分析了電池老化、電池充放電電流、荷電狀態(tài)、電池內(nèi)部溶液的擴(kuò)散效應(yīng)、電池電極極化效應(yīng)、高頻時(shí)電極集膚效應(yīng)等因素對(duì)電池阻抗特性的影響方式及主要作用頻率。在此基礎(chǔ)上，建立了電池不同因素作用下的等效電路模型并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。分析了動(dòng)力電池作為EMI傳播路徑的干擾響應(yīng)。

動(dòng)力電池；電池阻抗；荷電狀態(tài)；頻域特性；EMI

汽車工業(yè)的高速發(fā)展給人類帶來(lái)極大方便的同時(shí)也給資源和環(huán)境問(wèn)題帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車在節(jié)能減排方面的突出表現(xiàn)使之在近幾年得到了快速發(fā)展。而作為混合動(dòng)力汽車能源之一的動(dòng)力電池在很大程度上制約著電動(dòng)汽車的發(fā)展。因此，研究電池技術(shù)，尋找更為合理的電池使用方法極為重要。

隨著動(dòng)力電池應(yīng)用和需求的不斷增加，對(duì)電池功能和特性的研究也越來(lái)越多。為了確定電池健康狀態(tài)、估算電池剩余電荷量、延長(zhǎng)電池使用壽命等，大量的研究在電池老化特性以及

1 電池阻抗特性的影響因素

動(dòng)力電池的動(dòng)態(tài)阻抗特性受到與電池運(yùn)行機(jī)制有關(guān)的外部因素，以及與電池結(jié)構(gòu)和電池電化學(xué)反應(yīng)有關(guān)的內(nèi)部因素兩方面作用的影響。外部因素主要由電動(dòng)汽車運(yùn)行條件和電池充放電機(jī)制決定，包括：動(dòng)力電池的老化；動(dòng)力電池充放電機(jī)制；電池荷電狀態(tài)。內(nèi)部的影響因素主要包括：電池電解液中離子的擴(kuò)散和遷移；電池電極的極化效應(yīng)；電池電極在高頻電流下的集膚效應(yīng)。各種影響因素作用的頻域范圍之間沒(méi)有嚴(yán)格的界限，但是在一定的頻域范圍或時(shí)間周期，某種影響因素會(huì)起主導(dǎo)作用。

1.1電池老化影響

電池老化對(duì)電池特性的影響通常需要幾個(gè)月甚至一兩年才能表現(xiàn)出來(lái)。隨著電池充放電次數(shù)的增多，電池不可避免會(huì)逐漸老化，主要表現(xiàn)為隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電池容量逐漸減少，放電時(shí)端電壓降低。電池壽命末期與初期其性能的差異相當(dāng)大。就電池阻抗而言，隨著老化的加深，電池的阻抗逐漸增大。

1.2電池充放電電流和荷電狀態(tài)的影響

伴隨著充放電，電池不可避免會(huì)發(fā)熱。電池的發(fā)熱很大程度上受充放電電流大小以及充放電規(guī)律的影響。通?？梢詫㈦姵睾?jiǎn)化為理想電壓源和電阻串聯(lián)模型，而由焦耳定律可知其發(fā)熱量W=I2Rt?？梢?jiàn)，電池充放電電流的改變將影響電池溫度，從而使電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)速率發(fā)生改變，進(jìn)而影響電池阻抗特性。尤其是混合動(dòng)力汽車，動(dòng)力電池充放電電流時(shí)刻變化，并且充放電電流通常較大，影響將更為明顯。溫度較低時(shí)正負(fù)離子的遷移和擴(kuò)散阻力都比較大，其外部特性就表現(xiàn)為電池阻抗較大；隨著溫度上升，正負(fù)離子擴(kuò)散加速，電池內(nèi)阻減少?gòu)亩岣唠姵匦?，但是較高的溫度在加快化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)也加速有害反應(yīng)的速率，并且可能對(duì)電池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生永久性損壞。而隨著電池SOC變化，電解液中離子濃度將發(fā)生變化，導(dǎo)致離子擴(kuò)散速率不同，從而也會(huì)影響電池的直流阻抗。

1.3擴(kuò)散效應(yīng)的影響

離子在溶液中擴(kuò)散和遷移要受到阻力的作用，該阻力稱為擴(kuò)散阻抗，擴(kuò)散阻抗呈現(xiàn)恒相位角特性，其Nyquist圖呈現(xiàn)為與橫軸成45夾角的直線。通常用Warburg阻抗來(lái)表示擴(kuò)散阻抗。系數(shù)；w為角頻率；Zω為Warburg阻抗。其阻抗實(shí)部與虛部都隨頻率成比例增大，呈現(xiàn)恒相位角特性。

1.4極化效應(yīng)的影響

當(dāng)電池有電流通過(guò)，使電極偏離平衡電極電位的現(xiàn)象稱為電極極化。在電極單位面積上通過(guò)的電流越大，偏離平衡電極電位越嚴(yán)重。

極化效應(yīng)的整體效果是使大量電荷在電池兩電極周圍聚集形成了“類電容”。因此充放電反應(yīng)的等效阻抗模型可以近似等效為如圖1所示。

圖1中，用R1與C并聯(lián)來(lái)等效電池充放電狀態(tài)，R1為等效電池充放電反應(yīng)電阻，C為等效電池極化效應(yīng)形成的“類電容”效應(yīng)，R0為電解液等效電阻。充放電電流的直流分量通過(guò)R1參與電極反應(yīng)，頻率相對(duì)較高的交流分量通過(guò)電容C形成通路。這就意味著R1與C并聯(lián)為電極表面的電化學(xué)反應(yīng)形成一個(gè)低通濾波器，頻率較高的充放電電流分量直接通過(guò)C不參與電化學(xué)反應(yīng)。這里所謂的“較高頻率”是相對(duì)于極化效應(yīng)而言，電池極化效應(yīng)低通截止頻率fg很低，因?yàn)楫?dāng)頻率較高時(shí)電解液內(nèi)部電荷來(lái)不及聚集，極化效應(yīng)不明顯。實(shí)驗(yàn)用的氫鎳電池截止頻率只有120 Hz。極化效應(yīng)截止頻率。電池極化效應(yīng)對(duì)電池阻抗的影響一般在千赫茲級(jí)以下。當(dāng)頻率更高時(shí)，極化效應(yīng)的影響很小，可以忽略不計(jì)。圖2為理想情況下電池極化效應(yīng)影響下的阻抗特性。

圖1　　極化效應(yīng)影響下電池阻抗等效電路

圖2　　理想阻抗特性

1.5集膚效應(yīng)的影響

在低頻時(shí)，電流在導(dǎo)體內(nèi)部的分布密度是均勻的，而在高頻時(shí)，導(dǎo)線表面的電流密度變大，而中心區(qū)域幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。當(dāng)頻率高于1 kHz時(shí)，電池的極化效應(yīng)對(duì)電池阻抗特性的影響大幅減小，而電池電極和連接導(dǎo)線的集膚效應(yīng)以及電極間溶液等效電阻對(duì)電池阻抗特性起決定性作用。此時(shí)，電極阻抗主要表現(xiàn)為電極的電阻和電感效應(yīng)，而電解液的阻抗因電池“類電容”極化效應(yīng)影響已很小，主要表現(xiàn)為電阻效應(yīng)。圖3為電池高頻阻抗特性的等效電路，其中R0為電解液等效電阻，Rac(f)為電極等效阻抗，L為電極等效電感。在考慮了集膚效應(yīng)時(shí)它們的計(jì)算表達(dá)式分別為：

式中：μ為電極磁導(dǎo)率；l為導(dǎo)體長(zhǎng)度；γ為導(dǎo)體電導(dǎo)率；D為兩電極間距；R為電極等效半徑。

圖3　　集膚效應(yīng)影響下電池阻抗等效電路

在不同頻域范圍內(nèi)動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)阻抗特性受不同因素的影響，在某一頻段內(nèi)可能只有某一種影響因素起主導(dǎo)作用，其他因素的影響效果很小甚至可以忽略。但是各個(gè)影響因素作用頻段之間沒(méi)有嚴(yán)格的界限，在一定的頻域某些影響因素會(huì)共同起作用，并且還會(huì)相互影響。為了方便直觀地理解，圖4給出了電池阻抗在整個(gè)頻域的Nyquist圖，并標(biāo)明了在不同頻帶內(nèi)影響電池阻抗的主要因素。

圖4　　電池頻域特性Nyquist圖

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文以混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池(120QNFT6-3)為實(shí)例進(jìn)行研究，電池阻抗的測(cè)量采用Agilent4294A和配套標(biāo)準(zhǔn)夾具16047E。

2.1低頻動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證

當(dāng)作用于電池的頻率在千赫茲級(jí)以下時(shí)，對(duì)電池實(shí)際阻抗值進(jìn)行測(cè)量，并與理想阻抗特性進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)實(shí)測(cè)計(jì)算得實(shí)驗(yàn)用的混合動(dòng)力汽車氫鎳動(dòng)力電池實(shí)際極化效應(yīng)截止頻率fg為120 Hz。其低頻實(shí)測(cè)阻抗特性與理論特性Nyquist對(duì)比如圖5所示。

圖5　　實(shí)測(cè)阻抗特性

2.2高頻動(dòng)態(tài)特性驗(yàn)證

首先，在頻率高于千赫茲級(jí)時(shí)對(duì)電池阻抗等效電路參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，并且由等效電路計(jì)算出不同頻率點(diǎn)的阻抗值，與實(shí)測(cè)電池阻抗值進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

其次，考慮到在實(shí)際應(yīng)用中動(dòng)力電池不是單獨(dú)使用的，一般都要靠多單體串聯(lián)來(lái)提高輸出電壓，因此本文也對(duì)串聯(lián)電池組的等效模型進(jìn)行了驗(yàn)證。四單體串聯(lián)電池組的阻抗值近似為單體阻抗值的四倍，但由于串聯(lián)電池組中引線的影響以及電池連接時(shí)產(chǎn)生的寄生電容影響，還需要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。串聯(lián)電池組模型參數(shù)：R串=4×[(R0+Rac(f)]－k1，L串=4× L－k2。式中：k1=0.046為串聯(lián)模型電阻值修正因子；k2=1.865× 10－8為串聯(lián)模型電感值的修正因子。電池實(shí)測(cè)阻抗與模型仿真阻抗對(duì)比如圖7所示。

圖6　　電池實(shí)測(cè)阻抗與模型計(jì)算值對(duì)比

2.3電池動(dòng)態(tài)特性實(shí)際應(yīng)用

多數(shù)系統(tǒng)都是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其輸入和輸出是隨時(shí)間變化的。在系統(tǒng)施加以時(shí)變的輸出，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)。對(duì)于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，給定一定的輸出系統(tǒng)可能不會(huì)立即產(chǎn)生跟隨響應(yīng)，圖8顯示了這一關(guān)系。

動(dòng)力電池作為干擾噪聲的敏感體，當(dāng)有干擾電流流經(jīng)時(shí)會(huì)在其上產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)。如果響應(yīng)信號(hào)過(guò)大，將有可能影響到其控制系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)的正常工作。為此，本文實(shí)測(cè)了DC/AC的干擾電流波形（圖9），并以其為干擾源，以動(dòng)力電池為敏感體仿真了等效電路模型的響應(yīng)，并與理論計(jì)算響應(yīng)值進(jìn)行了對(duì)比。由仿真結(jié)果可以看出，在輸入時(shí)變干擾電流時(shí)，電池端電壓變化并不完全跟隨輸入電流變化，其結(jié)果如圖10所示。

3 總結(jié)

本文以混合動(dòng)力汽車車載氫鎳動(dòng)力電池為例研究了電池的動(dòng)態(tài)阻抗特性及其影響因素，動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)特性在不同的頻帶內(nèi)受不同因素影響，包括電池老化、電池充放電電流、電池荷電狀態(tài)、擴(kuò)散效應(yīng)、極化效應(yīng)以及集膚效應(yīng)等。一方面各影響因素作用頻域之間沒(méi)有嚴(yán)格的界限，另一方面各影響因素也相互影響。但是在一定的頻域內(nèi)某一影響因素會(huì)起主要作用，而其他因素的影響會(huì)相對(duì)比較小甚至可以忽略。

研究電池的不同時(shí)域和頻域點(diǎn)的阻抗特性及其影響因素對(duì)進(jìn)一步了解電池特性，更加合理地使用電池有很大幫助。同時(shí)，了解電池寬頻域阻抗特性能夠?yàn)楦侠淼毓浪汶姵負(fù)p耗、提高電池利用率提供依據(jù)。另外，電池動(dòng)態(tài)阻抗特性的研究對(duì)于分析以電池作為EMI傳播路徑的DC/AC-電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電池管理系統(tǒng)干擾的預(yù)測(cè)，建立混合動(dòng)力汽車整車電磁兼容模型，研究整車電磁兼容性能具有重要意義。

圖7　　串聯(lián)電池組阻抗實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

圖8　　系統(tǒng)輸入x(t)與輸出y(t)

圖9　實(shí)測(cè)干擾電流時(shí)域波形

圖10　　干擾響應(yīng)仿真值與理論值對(duì)比

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Dynamic impedance characteristics and its factor of HEV

LIU Qing-song,WANG Quan-di,YAO Mo,YANG Yong-ming
(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment＆amp;System Security and New Technology,Chongqing University, Chongqing 400044,China)

Traction batteries were widely applied as the main powerplant for hybrid vehicles running in high power fluctuations.The study of battery dynamic impendence characteristics and its factors were the basis for the estimation of battery state and the analysis of the loss of batteries.It also provided basis for research of the electromagnetic compatibility problem of hybrid electric vehicle.Based on the hybrid vehicle traction batteries,the batteries'dynamic impedance characteristics and the influencing factors in a wide frequency range by piecewise time-frequency analysis were described.The influence of battery aging,cycling current size,state of charge, diffusion effect,polarization effect and skin effect etc were analyzed.Also the role each factor played for the battery impedance and the frequency bond that they make function were analyzed.Based on those work,the equivalent model of the battery under each factor was estabilished.Moreover,EMI responses of power battery were predicted as spreading path for EMI in electric vehicles.

traction battery;impedance;state of charge;frequency characteristics;EMI

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0097-03

2015-06-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51177183)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(CDJXS11150005)

劉青松(1983—)，男，博士，主要研究方向?yàn)槠囯姶偶嫒?。電池充放電特性等方面展開(kāi)[1-6]。文獻(xiàn)[3]分析了電池老化程度與充放電次數(shù)的關(guān)系。文獻(xiàn)[4]指出隨著電池荷電狀態(tài)(SOC)的改變，電池端電壓以及電池內(nèi)阻的變化情況。文獻(xiàn)[5]研究了電池老化的表現(xiàn)形式。目前從我們查閱到的研究電池的文獻(xiàn)看，大多數(shù)文獻(xiàn)集中于對(duì)電池狀態(tài)的估算以及分析電池特性的外部表現(xiàn)形式，而對(duì)電池阻抗特性影響因素的研究還很少涉及。伴隨著電池充放電，電池內(nèi)部發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，電池阻抗特性會(huì)受到充放電電流大小、殘余電荷、SOC、電池老化等多種內(nèi)部和外部因素的影響[3-6]。而了解電池阻抗特性的影響因素為合理分析電池阻抗，進(jìn)而估算電池本身?yè)p耗以及有效合理地使用電池提供依據(jù)。本文以混合動(dòng)力汽車用氫鎳動(dòng)力電池為例，研究電池動(dòng)態(tài)阻抗特性及其影響因素，分析不同頻率范圍內(nèi)電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)及其對(duì)電池阻抗特性的影響。