電動汽車用能量型三元方形電池直流內(nèi)阻的測試分析

嚴(yán) 忠， 史瑞祥， 謝 鑫， 劉志平

(深圳渝鵬新能源汽車檢測研究有限公司， 廣東 深圳 518118)

內(nèi)阻是評價電池性能的重要指標(biāo)之一。電池內(nèi)阻的測試包括交流內(nèi)阻與直流內(nèi)阻。對于單體電池，一般以交流內(nèi)阻來評價，即通常稱為歐姆內(nèi)阻。但對于大型電池組，如電動汽車用動力電池，由于測試設(shè)備等方面的限制，直接進行交流內(nèi)阻測試很困難，所以一般測量其直流內(nèi)阻[1-2]。在實際應(yīng)用中，也經(jīng)常用直流內(nèi)阻來評價電池的健康度、壽命以及不同SOC輸出/輸入等能力。

1 動力電池直流內(nèi)阻測試現(xiàn)狀

直流內(nèi)阻不僅包括了電池組的歐姆內(nèi)阻，還包括了電池組的一些極化電阻。而電池的極化受電流、時間等影響比較大[3-5]。

目前常用的直流內(nèi)阻測試方法有以下3種：

1) 美國《FreedomCAR電池測試手冊》中的HPPC測試方法：測試持續(xù)時間為10 s，施加的放電電流為5 C或更高。具體電流的選擇根據(jù)電池的特性來制定[6-9]。

2) 日本JEVSD7132003中的測試方法，原來主要針對Ni/MH電池，后也應(yīng)用于鋰離子電池，首先建立0～100%SOC下電池的電流-電壓特性曲線，分別以1 C、2 C、5 C、10 C的電流對設(shè)定SOC下的電池進行交替充電或放電，充電或放電時間分別為10 s，然后計算出電池的直流內(nèi)阻[10-11]。

3) 我國“863計劃”電動汽車重大專項《HEV用高功率鋰離子動力蓄電池性能測試規(guī)范》中提出的測試方法，測試持續(xù)時間為5 s，充電測試電流為3 C，放電測試電流為9 C[12-14]。

其中，JEVS法采用1～10 C“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。但實際在電池高倍率充放電時，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，并且隨電流和脈沖持續(xù)時間發(fā)生變化, 所以有一定的局限性?！?63計劃”測試規(guī)范中采用一種充電電流和放電電流，并且兩者差距較大，具有一定的片面性。HPPC法同時采用中低倍率及高倍率2個電流階段測試電池的功率能力，兼顧了電池在中低2種倍率及高倍率充電或放電電流下不同的電壓響應(yīng)特性。而且測試步驟相對簡單，因而應(yīng)用也最為廣泛，適用于車載在線檢測應(yīng)用情景。

所以本文以HPPC測試方法為依據(jù)，以標(biāo)稱容量為130 Ah(能量型)、標(biāo)稱電壓為3.65 V的三元方形鋁殼動力電池為研究對象。

2 試驗及結(jié)果分析

2.1 測試工況

將試驗電池按照常規(guī)的容量檢測方法循環(huán)2～3次，使電池性能穩(wěn)定后進行直流內(nèi)阻測試[15]。試驗中調(diào)整可能影響直流內(nèi)阻的因素(脈沖電流倍率、脈沖持續(xù)時間、充放電狀態(tài)等)，對電池樣品進行全面的內(nèi)阻測試。3種測試工況如下：

1)直流內(nèi)阻隨SOC的變化：以0.2 C恒流放電至截止電壓2.5 V，定義為0%SOC；0.2 C恒流充電至截止電壓4.2 V，以此為100%SOC。按此方法將電池調(diào)成0～100%SOC,先做充電直流內(nèi)阻再做放電直流內(nèi)阻，0.1 C調(diào)平SOC，充放電間擱10 min。測試過程中，分別以2 C和3 C的倍率進行充放電，電壓最高不超過4.5 V，最低不低于1.0 V，若達到上下限，則停止該步驟該電流的測試。

2) 直流內(nèi)阻隨脈沖持續(xù)時間的變化：在25 ℃下，以0.2 C為電池的基準(zhǔn)充放電電流，首先以0.2 C恒流放電至截止電壓2.5 V，定義為0%SOC；0.2 C恒流充電至截止電壓4.2 V，以此為100%SOC；其他SOC以0.2 C從0%SOC充電調(diào)節(jié)。按此方法以2 C電流進行2 s、5 s、10 s、20 s、30 s充放電直流內(nèi)阻測試，測試過程中，電池電壓最高不超過4.5 V，最低不低于1.0 V，若達到上下限，則停止該步驟該電流的測試。

3) 直流內(nèi)阻隨電流倍率的變化：以0.2 C恒流放電至截止電壓2.5 V，定義為0%SOC；0.2 C恒流充電至截止電壓4.2 V，以此為100%SOC。按此方法將電池調(diào)成0～100%SOC,再依次以0.1 C、0.2 C、0.3 C、0.4 C、0.5 C、0.6 C、0.7 C、1 C、1.2 C、1.5 C、2 C、2.5 C、3 C、3.5 C不同倍率電流進行30 s充放電直流內(nèi)阻測試。測試過程中，電池電壓最高不超過4.5 V，最低不低于1.0 V，若達到上下限，則停止該步驟該電流的測試。

2.2 試驗結(jié)果與分析

2.2.1 直流內(nèi)阻隨SOC的變化

圖 1、圖2和圖3、圖4分別為脈沖電流大小為2 C和3 C充放電過程中SOC對應(yīng)的直流內(nèi)阻變化。從圖中可以看出：隨著SOC的增加，充放電過程中對應(yīng)的直流內(nèi)阻均逐漸降低，但減小的幅度逐漸減小。在較低的SOC狀態(tài)下(20%以下)，直流內(nèi)阻較高，在20%～100%SOC之間保持比較平穩(wěn)；相同SOC相同倍率下，充放電直流內(nèi)阻差別不大，SOC越高，差別越小。這種變化與電池內(nèi)部的反應(yīng)有關(guān)，在充放電過程中，隨著SOC的增大，電荷轉(zhuǎn)移阻抗逐漸降低，直流內(nèi)阻逐漸減小，所以直流內(nèi)阻與SOC大小成反向關(guān)系。

圖1 2 C充電條件下直流內(nèi)阻與SOC關(guān)系

圖2 2 C放電檢測條件下直流內(nèi)阻與SOC關(guān)系

圖3 3 C充電條件下直流內(nèi)阻與SOC關(guān)系

圖4 3 C放電條件下直流內(nèi)阻與SOC關(guān)系

2.2.2 脈沖持續(xù)時間與直流內(nèi)阻的關(guān)系

圖5、圖6為2 C電流下以不同脈沖持續(xù)時間(2 s、5 s、10 s、20 s、30 s)測試的直流內(nèi)阻。從圖中可以看出：無論充電還是放電，直流內(nèi)阻對測試持續(xù)時間有強烈的依賴性，隨著持續(xù)時間的增加，直流內(nèi)阻明顯加大，但在不同時間段內(nèi)，其增加的速率不同。在5 s以內(nèi)，直流內(nèi)阻與測試持續(xù)時間呈良好的線性關(guān)系，隨著SOC增大，充電過程中，電荷轉(zhuǎn)移阻抗減小，所以擬合曲線的斜率逐漸減小，直流內(nèi)阻增幅減小。在放電過程中，放電的電荷轉(zhuǎn)移阻抗逐漸減小，斜率隨著SOC增加也逐漸減小。在5～30 s時間內(nèi)，充放電直流內(nèi)阻與SOC的變化規(guī)律基本一致，但放電直流內(nèi)阻略大于充電直流內(nèi)阻。

圖5 2 C充電條件下直流內(nèi)阻與脈沖持續(xù)時間關(guān)系

圖6 2 C放電條件下直流內(nèi)阻與脈沖持續(xù)時間關(guān)系

2.2.3 電流倍率與直流內(nèi)阻的關(guān)系

圖7、圖8分別為不同電流倍率進行10 s充放電時，直流內(nèi)阻的變化情況。從圖中可以看出：隨著電流倍率的增加，充電過程中直流內(nèi)阻值隨著電流倍率增加逐漸減??；放電過程中直流內(nèi)阻隨電流倍率增加逐漸增大，但遞增幅度較小,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)過程成為主要控制步驟，直流內(nèi)阻逐漸增大。

圖7 10 s脈沖充電下直流內(nèi)阻與倍率關(guān)系

圖8 10 s脈沖放電下直流內(nèi)阻與倍率關(guān)系

3 結(jié) 論

通過本文研究，得到以下結(jié)論：

1) 直流內(nèi)阻隨SOC增大呈先減小再增加最后逐漸減小的趨勢，整體來說，在20%～100%SOC內(nèi)的直流內(nèi)阻變化比較平穩(wěn)。

2) 在0～30 s內(nèi)，電池的直流內(nèi)阻隨測試持續(xù)時間的變化呈線性關(guān)系，隨測試持續(xù)時間的延長呈線性增大。

3) 當(dāng)脈沖電流倍率在1～3.5 C之間，隨著電流倍率增加，充電過程中，直流內(nèi)阻隨著電流倍率的增加呈線性減小趨勢。放電過程中，隨著電流倍率的增加呈逐漸增加趨勢，但增幅較小。