磷酸铁锂电池直流内阻测定

LiFePO4/C锂离子电池直流内阻测试研究摘要：研究了圆柱形动力磷酸铁锂锂离子电池在不同电流、不同测试持续时间下的直流内阻。分析了电池SOC、充电电流和放电电流、持续时间以及电流和时间的交互作用对电池直流内阻的影响。研究表明，测试电流和持续时间对电池的直流内阻影响比较大，在30~80%SOC范围内相同测试条件下电池的直流内阻变化不大；放电测试条件下的直流内阻略高于充电测试条件下的直流内阻；在0~10s内，电池的直流内阻测试值与测试时间呈线性变化关系；容量型电池与功率型电池的直流内阻变化规律相同。关键词：直流内阻，磷酸铁锂,锂离子电池，动力电池，测试方法StudyontheDCinternalresistanceofLiFePO4/CLi-ionbatteryAbstract:DCinternalresistanceofbatteryisanessentialparameterfordesigningvehicleauxiliarysystemandbatterypack.Theeffectsofcurrent,time,SOConDCinternalresistanceofLiFePO4/CLi-ionbatteryweretestedandanalyzedrespectively.TheresearchshowsthattheDCinternalresistanceissimilarat30~80%SOConthesametestmethods,theDCinternalresistancewithdischargingmethodsislargerthanitwithchargingmethods,andtheDCinternalresistanceislinearwiththetesttimein10satthesameSOCandcurrent.TheDCinternalresistancevariationrulesofthehighenergybatteryaresimilartothehighpowerbattery.Keywords:DCinternalresistance,LiFePO4,Li-ionbattery,powerbattery,testmethods内阻是评价电池性能的重要指标之一。内阻的测试包括交流内阻与直流内阻。对于单体电池，一般以交流内阻来进行评价，即通常称为欧姆内阻。但对于大型电池组应用，如电动车用电源系统来说，由于测试设备等方面的限制，不能或不方便来直接进行交流内阻的测试，一般通过直流内阻来评价电池组的特性。在实际应用中，也多用直流内阻来评价电池的健康度，进行寿命预测，以及进行系统SOC、输出/输入能力等的估计。在生产中，可以用来检测故障电池如微短路等现象。直流内阻的测试原理是通过对电池或电池组施加较大的电流（充电或放电），持续较短时间，在电池内部还没有达到完全极化的情况下，根据施加电流前后电池的电压变化和施加的电流，计算电池的直流内阻。测试直流内阻必须选择好四个参数：电流（或采用的倍率）、脉冲时间、荷电状态（SOC）、测试环境温度。这些参数的变化对直流内阻有较大的影响。直流内阻不仅包括了电池组的欧姆内阻部分(交流内阻部分)，还部分包括了电池组的一些极化电阻。而电池的极化受电流、时间等影响比较大。目前常用的直流内阻测试方法有以下三个：（1）美国《FreedomCAR电池测试手册》中的HPPC测试方法：测试持续时间为10s，施加的放电电流为5C或更高，充电电流为放电电流的0.75。具体电流的选择根据电池的特性来制定。（2）日本JEVSD7132003的测试方法，原来主要针对Ni/MH电池，后也应用于锂离子电池，首先建立0～100％SOC下电池的电流一电压特性曲线，分别以1C、2C、5C、10C的电流对设定SOC下的电池进行交替充电或放电，充电或放电时间分别为10s，计算电池的直流内阻。（3）我国“863”计划电动汽车重大专项《HEV用高功率锂离子动力蓄电池性能测试规范》中提出的测试方法，测试持续时间为5s，充电测试电流为3C，放电测试电流为9C。JEVS法、HPPC法两种测试方法各有特点，JEVS法采用0～10C“系列”电流可以避免采用单一电流产生的结果偏差，其假定电池的内阻主要成分是近似恒定的欧姆阻抗，因此在放电倍率较低情况下可靠性较高。实际上在电池高倍率充放电时，整个电池反应的速率控制步骤由小倍率下的电荷转移过程控制变为传质过程控制，电池的阻抗构成中不仅有电池本体欧姆阻抗，还有极化反应阻抗等，并且随电流和脉冲时间发生变化。HPPC法同时采用中低倍率及高倍率两个电流段测试电池的功率能力，兼顾了电池在中低两种倍率及高倍率充电或放电电流下不同的电压响应特性，但采用某一电流(5C、15C)分别代表中低倍率或高倍率电池功率能力的方法缺乏全面性，不同电池某一电流(5C、15C)下的电压响应不同，造成了测试结果的片面和偏差。“863“测试规范中采用一种充电电流和放电电流，并且两者差距比较大，具有一定的片面性。每种测试方法均可以作为一个基准方法来测试，对不同的电源系统进行比较。但每种电池均有一定的适应性，其受测试电流和时间的不同，内阻的变化规律也会发生变化。本文以IFR18650功率型电池及IFR26650能量型电池为研究对象，测试和分析了直流内阻随SOC、测试电流、电流施加时间、电流方向等的变化规律，提出了直流内阻测试和比较的适宜方法。1试验对象与设备测试对象：IFR18650P型磷酸铁锂电池，标称容量1100mAh（功率型），标称电压3.20V。IFR26650E型磷酸铁锂电池，标称容量3000mAh（容量型），标称电压3.20V。测试设备：ARBIN电池组性能测试仪2实验将IFR18650型电池按常规的容量检测方法循环2~3次，使电池性能稳定后进行直流内阻测试。（1）充电情况下的直流内阻测试：电池的基准充放电电流为1C，首先以基准电流将电池放电至终止电压2.0V，搁置1h，以1C电流充电10s，然后以基准充电电流将电池充电至10%SOC，搁置1h，再以1C充电10s。依次循环，直至测试到90%SOC。按照此方法依次测试1C、2C、4C、5C、6C、8C、10C电流下的充电直流内阻。测试过程中，控制电池电压最高不超过3.90V，若达到3.90V，则停止该步骤及该电流以下的测试。（2）放电情况下的直流内阻测试：电池的基准充放电电流为1C，首先按容量测试的充电方法将电池充满电，搁置1h，以1C电流放电10s，然后以基准充电电流将电池放电至90%SOC，搁置1h，再以1C放电10s。依次循环，直至测试到10%SOC。按照此方法依次测试1C、2C、4C、5C、6C、8C、10C电流下的放电直流内阻。测试过程中，控制电池电压最低不低于2.0V，若达到3.90V，则停止该步骤及该电流以下的测试。用相同的方法测试IFR26650型电池的直流内阻。所有测试均在环境温度20±2℃的条件下进行。直流内阻的计算：10000IVVRtR：直流内阻，mΩVt：脉冲充电或放电t时刻的电压，V。V0：脉冲充电或放电前的电池电压，V。I：电流，充电为正，放电为负，A。3结果与讨论3.1直流内阻与SOC的对应关系图1、图2为1C、5C、8C充电和放电情况下、持续5s测试的电池直流内阻随SOC的变化情况。从图中可以看出，在较低的SOC下（30%以下），电池直流内阻比较高，在30~80%期间保持比较平稳，之后，充电测试的直流内阻又逐渐上升，而放电测试的直流内阻仍保持比较平稳。充电测试的直流内阻在SOC中间阶段有逐渐下降的趋势，而放电测试的直流内阻有逐渐上升趋势，与某些报道的情况并不相符，与采用的电池、实验电流、持续时间以及测量误差等有关。从图中可以明显看出，无论是放电还是充电，在30~80%SOC范围内，电池的直流内阻相差不大。所以对电池或电源系统的直流内阻的评价，应当选取此SOC范围进行比较。而30%、80%SOC作为内阻变化的临界点，可以为混合电动汽车的控制作为参考（混合电动车电源系统应用SOC范围一般在30~80%）。由于在此范围内直流内阻变化比较小，并且受电流、温度等其他因素影响比较大，不适宜作为SOC判断的依据。超出此范围，电池放电/充电的极化电阻比较大，引起的电池内阻增大。在相同的测试电流下，放电测试情况下的直流内阻要略大于充电情况下的直流内阻。但两者相差不大。20304050607080901000102030405060708090100SOC%内阻mΩinternalresistance1C5C8C20304050607080901000102030405060708090100SOC%内阻mΩinternalresistance1C5C8C图1充电检测条件下直流内阻与SOC关系（5s）图2放电检测条件下直流内阻与SOC关系（5s）Fig.1internalresistancevs.SOCinchargingtestFig.2internalresistancevs.SOCindischargingtest3.2时间与直流内阻的关系图3、4分别为4C充电情况下0.1~0.9s内和1~10s内测试计算的直流内阻。从图中可以看出，无论充电还是放电测试，直流内阻对测试持续时间有强烈的依赖性，随着持续时间的增加，直流内阻明显加大，但在不同时间段内，其增加的速率不同。在1s以内，直流内阻与测试持续时间呈良好的线性关系，不同SOC下（30~80%）的拟合曲线的斜率相差不大；但在1~10s内，随着SOC的增大，虽然曲线也呈较好的线性关系，但斜率的变化随SOC的增大而增大。图5、6分别为4C放电情况下的0.1~0.9s和1~10s内测试的直流内阻，直流内阻随测试时间也呈现较好的线性关系。在0.1~0.9s内，随着SOC增大，拟合曲线的斜率逐渐减小，1~10s内，斜率变化不大。24252627282930313200.10.20.30.40.50.60.70.80.91时间stesttime内阻mΩinternalresistance30405060708020253035404550556065707580024681012时间stesttime内阻mΩinternalresistance304050607080图34C充电0~1s测试直流内阻变化图44C充电1~10s测试直流内阻变化Fig.3internalresistancevs.testtime(0~1s)in4CchargingtestFig.4internalresistancevs.testtime(1~10s)in4Cchargingtest25262728293031323334353600.10.20.30.40.50.60.70.80.91时间stesttime内阻mΩinternalresistance8070605040302427303336394245485154024681012时间stesttime内阻mΩinternalresistance807060504030图54C放电0~1s测试直流内阻变化图64C放电1~10s测试直流内阻变化Fig.5internalresistancevs.testtime(0~1s)in4CdischargingtestFig.6internalresistancevs.testtime(1~10s)in4Cdischargingtest这种变化与电池内部的反应有关。对电池施加电流后，引起电池电压变化的首先是电池的欧姆电阻，瞬间使电池电压上升（充电）或下降（放电），然后是电荷转移阻抗引起的电压降，最后是传质阻抗。在充电测试过程中，随着SOC的增大，电荷转移阻抗增大，所以拟合曲线的斜率逐渐增大。在放电过程中，随着SOC增大，放电的电荷转移阻抗逐渐减小，所以放电期间的斜率随SOC增加而逐渐边小。随着测试持续时间的增加，电池内部传质阻抗逐渐增加，并占据主导，内阻变化也不呈线性变化了。图7、8分别