能量型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池直流內(nèi)阻測(cè)試及分析

王 芳，孫智鵬，林春景，卜祥軍，劉仕強(qiáng)

(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心， 天津 300300)

能量型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池直流內(nèi)阻測(cè)試及分析

王 芳，孫智鵬，林春景，卜祥軍，劉仕強(qiáng)

(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心， 天津 300300)

以1.5 A·h圓柱形磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，采用HPPC測(cè)試法在常溫環(huán)境下進(jìn)行了不同電流倍率、不同脈沖時(shí)間和不同電流方向的試驗(yàn)驗(yàn)證，分析了3種因素對(duì)直流內(nèi)阻測(cè)試結(jié)果的影響，得到了常溫環(huán)境下充電態(tài)/放電態(tài)歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：歐姆內(nèi)阻在數(shù)值上遠(yuǎn)大于極化內(nèi)阻；極化內(nèi)阻比歐姆內(nèi)阻對(duì)SOC更敏感；極化內(nèi)阻隨著脈沖時(shí)間長(zhǎng)度的增加而增加，且這種增加趨勢(shì)隨著脈沖時(shí)間長(zhǎng)度的增加逐漸減??；電池充放電狀態(tài)對(duì)歐姆內(nèi)阻的影響較小，對(duì)極化內(nèi)阻的影響較大；電流倍率對(duì)歐姆內(nèi)阻的測(cè)量結(jié)果影響較小，極化內(nèi)阻隨著電流倍率的增加呈線性減小。

磷酸鐵鋰；直流內(nèi)阻；混合功率脈沖特性法；倍率；脈沖時(shí)間

受石油短缺、空氣污染和溫室效應(yīng)等問(wèn)題日益加劇的影響，包括插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV)、純電動(dòng)汽車(chē)(BEV)和燃料電池汽車(chē)(FCV)在內(nèi)的新能源汽車(chē)得到越來(lái)越多的關(guān)注，市場(chǎng)化普及在近些年得到穩(wěn)步推進(jìn)[1-3]。根據(jù)我國(guó)的節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)，到2020年，PHEV及BEV生產(chǎn)能力將達(dá)到200萬(wàn)輛、累計(jì)產(chǎn)銷(xiāo)量將超過(guò)500萬(wàn)輛。而在各種車(chē)用動(dòng)力電池中，鋰離子電池憑借其能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低和循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，是目前PHEV和BEV動(dòng)力電池的首選。

內(nèi)阻作為衡量電池內(nèi)部離子和電子傳輸難易程度的參數(shù)，直接決定著電池的生熱、輸出功率和能量特性[4-6]，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量有著極其重要的實(shí)際意義。但是電池的直流內(nèi)阻受環(huán)境溫度、電流倍率、SOC、充放電狀態(tài)等各種因素的影響較大，因此需要對(duì)鋰離子電池的內(nèi)阻特性進(jìn)行全面驗(yàn)證和分析。李哲等[7]研究了溫度對(duì)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池內(nèi)阻特性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：內(nèi)阻隨著溫度上升逐漸下降，歐姆內(nèi)阻(Ro)對(duì)溫度的敏感度高于極化內(nèi)阻(Rp)，同時(shí)Rp對(duì)低溫的敏感度高于對(duì)高溫的敏感度。郭宏榆等[8]分析了溫度、SOC對(duì)內(nèi)阻的影響，發(fā)現(xiàn)總內(nèi)阻在低溫(0 ℃以下)和較低SOC下變化明顯。

鋰離子電池內(nèi)阻的測(cè)量方法包括伏安特性曲線法(U-I法)、混合脈沖功率特性法(HPPC)、開(kāi)路電壓和工作電壓差值法以及交流阻抗法等。其中HPPC法測(cè)試步驟相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用也最為廣泛，適用于車(chē)載在線檢測(cè)應(yīng)用情境。本文參照《FreedomCar電池測(cè)試手冊(cè)》中HPPC測(cè)試方法的描述，充分考慮歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的測(cè)試結(jié)果會(huì)隨著脈沖電流的變化而改變的情況，試驗(yàn)中調(diào)整可能的影響因素(包括脈沖電流倍率、脈沖時(shí)間、充放電狀態(tài)等)，對(duì)電池樣品進(jìn)行全面的測(cè)試驗(yàn)證，為確定真正符合實(shí)際情況的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池直流內(nèi)阻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)提供借鑒。

本文以1.5 A·h圓柱形磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，采用HPPC法系統(tǒng)分析了電池直流內(nèi)阻的變化規(guī)律，同時(shí)研究了在不同電流倍率、不同脈沖時(shí)間和不同電流方向時(shí)電池歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

本次的試驗(yàn)平臺(tái)由單體充放電設(shè)備(青島美凱麟MCT16-5-100及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))、電化學(xué)工作站(德國(guó)Zahner公司)、高低溫恒溫箱(巨孚ETH-1000)、數(shù)據(jù)記錄儀(日本HIOKI MR8875-30)、被測(cè)樣品及上位機(jī)構(gòu)成。

在試驗(yàn)過(guò)程中，將電池樣品放置在30 ℃恒溫環(huán)境內(nèi)，避免由于環(huán)境溫度變化對(duì)直流內(nèi)阻測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。通過(guò)上位機(jī)軟件控制充放電設(shè)備完成HPPC測(cè)試，借助充放電設(shè)備及數(shù)據(jù)記錄儀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄和存儲(chǔ)。電化學(xué)工作站用于對(duì)電池樣品進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜的測(cè)定和分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)中以1.5 A·h的能量型鋰離子電池單體為研究對(duì)象。該圓柱形電池的正極材料為磷酸鐵鋰，負(fù)極材料為石墨，電解液為六氟磷酸鋰有機(jī)溶液，其他參數(shù)如表1所示。

表1 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的主要參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和方法

本文參考FreedomCAR的《功率輔助型混合動(dòng)力汽車(chē)用動(dòng)力電池測(cè)試手冊(cè)》界定的規(guī)程設(shè)計(jì)了測(cè)試步驟，特定電流倍率(以5C為例)下完整測(cè)試過(guò)程中電流和電壓隨時(shí)間的變化如圖1所示。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1) 將鋰離子電池置于25 ℃的恒溫環(huán)境中，靜置充分長(zhǎng)時(shí)間。將電池充滿電，記錄充入容量C1；

2) 以1C倍率進(jìn)行恒流放電，放電容量達(dá)到0.1C1后停止放電，認(rèn)為此時(shí)電池SOC=0.9，靜置1 h；

3) 采用XC倍率大小的脈沖電流對(duì)電池進(jìn)行恒流放電，持續(xù)時(shí)間為30 s，靜置40 s；

4) 采用XC倍率大小的脈沖電流對(duì)電池進(jìn)行恒流充電，持續(xù)時(shí)間為30 s，靜置40 s；

5) 重復(fù)步驟 2)～ 4)，直至電池SOC=0.1；

6) 以0.33C對(duì)電池進(jìn)行循環(huán)充放電，重復(fù)進(jìn)行3個(gè)循環(huán)；

7) 分別調(diào)節(jié)電流倍率大小X為2、3、4、5、6，重復(fù)步驟 1)～6)，進(jìn)行不同脈沖電流倍率下的直流內(nèi)阻測(cè)試。

圖1 脈沖電流倍率5C，完整測(cè)試過(guò)程中電流、電壓隨時(shí)間變化

步驟 3)和 4)中，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔為0.1 s。以放電過(guò)程為例，電壓變化曲線如圖2所示，在加載電流的瞬間，電池端電壓會(huì)產(chǎn)生瞬間階躍，接著是電壓的相對(duì)緩慢的變化。其中瞬間的電壓階躍是由歐姆內(nèi)阻引起的，而隨后的電壓緩慢變化是由極化內(nèi)阻導(dǎo)致的。根據(jù)獲取的電壓和電流數(shù)據(jù)，歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻可分別依據(jù)式(1)和(2)計(jì)算。

(1)

(2)

式中：Ro、Rp分別為歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻(mΩ)；I為電流(A)；ΔUo和ΔUp分別為歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻對(duì)應(yīng)的電壓變化(V)；UA、UB和UC分別為圖2中A、B和C三個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電池端電壓值(V)。

圖2 HPPC測(cè)電池內(nèi)阻的電壓特性曲線

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)阻隨SOC、脈沖時(shí)間的變化

表2所示為脈沖電流為2C時(shí)，充電歐姆內(nèi)阻和不同脈沖時(shí)間長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的極化內(nèi)阻的測(cè)試結(jié)果。圖3為表1中充電和放電過(guò)程中歐姆內(nèi)阻和10 s極化內(nèi)阻隨SOC的變化規(guī)律。

由表1和圖3可以看出：充電Ro在數(shù)值上遠(yuǎn)大于10 s極化內(nèi)阻，并介于20 s和30 s極化內(nèi)阻之間；放電Ro數(shù)值在SOC為0.3～0.9范圍內(nèi)介于20 s和30 s極化內(nèi)阻之間，但在SOC較小的區(qū)域小于后兩者；同時(shí)，充/放電Ro隨SOC減小(放電過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行)逐漸增加，Rp隨SOC減小先增加再小幅度減小后逐漸增加，在放電末期達(dá)到最大，且增加的幅度比歐姆內(nèi)阻更大。從整體上看，Rp隨SOC的變化更劇烈。此外，充電極化內(nèi)阻在SOC=0.1時(shí)與Ro較為接近，但對(duì)于放電Rp，則只有放電Ro的75%。

表2 脈沖充電(2C)過(guò)程中歐姆內(nèi)阻和不同脈沖時(shí)間長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的極化內(nèi)阻

圖3 脈沖電流大小為2C，充電和放電過(guò)程中歐姆內(nèi)阻和10 s極化內(nèi)阻隨SOC的變化情況

圖4所示為脈沖電流大小為2C，充電過(guò)程中不同脈沖時(shí)間對(duì)應(yīng)的Rp變化。從圖4中可以看出：隨著脈沖時(shí)間的增加，在相同SOC下對(duì)應(yīng)的Rp亦逐漸增加，但增加的幅度逐漸減小。例如當(dāng)SOC=0.3時(shí)，脈沖時(shí)間為10 s、20 s和30 s對(duì)應(yīng)的Rp值分別為17.67 mΩ、26.33 mΩ和29.6 7 mΩ，即脈沖時(shí)間長(zhǎng)度每增加10 s，Rp的增幅從8.66 mΩ降為3.34 mΩ。此外，隨著脈沖時(shí)間長(zhǎng)度的增加，Rp隨充電的進(jìn)行在總體趨勢(shì)上保持一致(即先減小后增加再減小)，但在SOC=0.7處，當(dāng)脈沖時(shí)間增加到20 s和30 s時(shí)，Rp值會(huì)逐漸變成整個(gè)過(guò)程中的最大值。

圖4 脈沖電流大小為2C，充電過(guò)程中不同脈沖時(shí)間對(duì)應(yīng)的Rp的變化

放電過(guò)程中不同脈沖時(shí)間長(zhǎng)度下的Rp隨SOC的變化規(guī)律如圖5所示。隨著脈沖時(shí)間的增加，充電Rp也逐漸增加。但與充電過(guò)程不同的是，即便脈沖時(shí)間增加為30 s，放電結(jié)束時(shí)刻的Rp仍然是整個(gè)過(guò)程中的最大值。由圖5(b)可知，除SOC=0.1外，當(dāng)脈沖時(shí)間大于10 s以后，極化內(nèi)阻隨脈沖時(shí)間的增加變得不再明顯。

2.2 充/放電狀態(tài)內(nèi)阻對(duì)比

圖6所示為充、放電過(guò)程中Ro和Rp隨SOC的變化情況對(duì)比。從圖6(a)可以看出：充電Ro和放電Ro隨SOC的變化規(guī)律基本一致，但在數(shù)值上，放電Ro略大于充電Ro。由圖6(b)可知：10 s放電Rp和10 s充電Rp隨SOC的變化規(guī)律基本一致，但在數(shù)值上前者明顯大于后者，且這種差異性隨著SOC的減小逐漸增加。對(duì)于測(cè)試脈沖時(shí)間為30 s的情形，在SOC=0.2～0.9的范圍內(nèi)充電極化內(nèi)阻大于放電極化內(nèi)阻，在SOC=0.1時(shí)，放電極化內(nèi)阻會(huì)顯著增加。

圖5 脈沖電流大小為2C，放電過(guò)程中不同脈沖時(shí)間對(duì)應(yīng)的Rp的變化規(guī)律

對(duì)于電流倍率為5C的情況，充電、放電過(guò)程中Ro和10 s、30 s 的Rp隨SOC的變化如圖7所示?？梢钥闯觯撼浞烹姞顟B(tài)對(duì)Ro的影響同樣較小，對(duì)10 s極化內(nèi)阻的影響與圖6(b)中情況類(lèi)似，但是不同的是，30 s極化內(nèi)阻僅在SOC=0.5～0.9的范圍內(nèi)，充電態(tài)內(nèi)阻大于放電態(tài)內(nèi)阻。

2.3 內(nèi)阻與電流倍率的關(guān)系

圖8為當(dāng)脈沖電流倍率分別為2C、3C、5C時(shí)，充電過(guò)程中歐姆、10 s極化內(nèi)阻隨SOC的變化情況。從圖中可以看出：隨著電流倍率的增加，充電Ro逐漸減小，但總體上電流倍率對(duì)Ro的測(cè)量結(jié)果影響較小。對(duì)于充電Rp，在相同SOC下，其測(cè)量值隨電流倍率增加同樣逐漸減小，且減小的幅度較大。

圖6 電流倍率為2C，充電、放電過(guò)程中Ro和Rp隨SOC變化

圖7 脈沖電流倍率為5C，充電、放電過(guò)程中歐姆內(nèi)阻和10 s、30 s極化內(nèi)阻隨SOC變化

將圖8中的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻數(shù)據(jù)以電流為X軸、內(nèi)阻值為Y軸作圖，得到圖9。可以看出：當(dāng)脈沖電流小于等于5C時(shí)，隨著脈沖電流逐漸增加，歐姆內(nèi)阻接近以線性規(guī)律減小，電流倍率從2C增加為5C，降幅在1.5 mΩ左右。該線性減小規(guī)律在極化內(nèi)阻上體現(xiàn)地更加明顯，但極化內(nèi)阻的降幅較歐姆內(nèi)阻更大，為6～7 mΩ。

圖8 脈沖電流倍率分別為2C、3C、5C，充電過(guò)程中歐姆內(nèi)阻與10 s極化內(nèi)阻隨SOC變化

圖9 脈沖電流為2C、3C、5C、6C，充電過(guò)程中歐姆內(nèi)阻、10 s極化內(nèi)阻隨電流倍率的變化

當(dāng)脈沖電流倍率分別為2C、3C、5C，放電過(guò)程中歐姆內(nèi)阻、10 s極化內(nèi)阻隨SOC的變化情況如圖10所示。與充電過(guò)程類(lèi)似，電流倍率對(duì)放電歐姆內(nèi)阻的影響較小，對(duì)極化內(nèi)阻的影響較大，且隨著電流倍率的增加，放電極化內(nèi)阻呈線性減小。

圖10 放電過(guò)程中脈沖電流倍率分別為2C和3C時(shí)歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻隨SOC的變化

歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻隨電流倍率的變化規(guī)律如圖11中所示。從圖中可知：當(dāng)脈沖電流倍率小于5C時(shí)，除SOC=0.4外，歐姆內(nèi)阻隨電流倍率的增加而減小，且當(dāng)I=6C時(shí)，不再減小。對(duì)于極化內(nèi)阻，當(dāng)脈沖電流倍率小于5C時(shí)，極化內(nèi)阻和脈沖電流倍率之間呈嚴(yán)格的線性變化關(guān)系。

圖11 放電過(guò)程中脈沖電流倍率分別為2C、3C、5C、6C時(shí)歐姆內(nèi)阻隨電流倍率的變化

3 結(jié)論

本文以1.5 A·h圓柱形磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，通過(guò)HPPC法研究了其歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻與SOC、脈沖時(shí)間、充放電狀態(tài)的關(guān)系，并分析了脈沖電流大小對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，得到以下規(guī)律：

1) 歐姆內(nèi)阻在數(shù)值上遠(yuǎn)大于10 s極化內(nèi)阻，當(dāng)脈沖電流倍率為2C時(shí)，充電態(tài)歐姆內(nèi)阻在數(shù)值上介于20 s充電極化內(nèi)阻和30 s充電極化內(nèi)阻之間。

2) 極化內(nèi)阻比歐姆內(nèi)阻對(duì)SOC更敏感。歐姆內(nèi)阻隨SOC減小逐漸增加，極化內(nèi)阻隨SOC減小呈先增加再減小最后逐漸增加的趨勢(shì)，且最終增加的幅度遠(yuǎn)大于歐姆內(nèi)阻。

3) 極化內(nèi)阻隨著脈沖時(shí)間長(zhǎng)度的增加而增加，且增加幅度隨著脈沖時(shí)間長(zhǎng)度的增加而逐漸減小。

4) 電池充放電狀態(tài)對(duì)歐姆內(nèi)阻的影響較小，對(duì)極化內(nèi)阻的影響較大，且脈沖時(shí)間長(zhǎng)度變化時(shí)，影響規(guī)律也會(huì)隨之改變。

5) 當(dāng)脈沖電流倍率在2C和5C之間，隨著電流倍率增加，歐姆內(nèi)阻的測(cè)量結(jié)果減小，但變化幅度較小；極化內(nèi)阻隨著電流倍率的增加亦呈線性減小的趨勢(shì)，但降幅遠(yuǎn)大于歐姆內(nèi)阻。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Experimental Analysis of Internal Resistance of Energy-Type LiFePO4Power Batteries and Its Influencing Factors

WANG Fang, SUN Zhipeng, LIN Chunjing, BU Xiangjun, LIU Shiqiang

(China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300, China)

Taking the 1.5 A·h cylindrical LiFePO4battery cell as the research object, this paper investigated the characteristics of ohmic and polarization internal resistances at room temperature using the HPPC method. Meanwhile, influences of the pulse current magnitude and time on experimental results are evaluated. Experimental results show that ohmic resistance is much larger than polarization resistance and polarization resistance is more sensitive to SOC than ohmic resistance. With the rise of pulse current time, polarization resistance also increases. And the increasing range decreases with the pulse current time rising. Charging/discharging status has a much lower influence on ohmic resistance than polarization resistance. In addition, polarization resistance increases in a linear relationship with the current rate, while the current rate has relatively little influence on ohmic resistance.

LiPePO4; internal resistance; HPPC; current rate; pulse current time

2017-02-23 基金項(xiàng)目：“系統(tǒng)性分層分級(jí)的產(chǎn)品測(cè)試驗(yàn)證和應(yīng)用研究”(2016YFB0100407)

王芳(1977—)，女，江蘇人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事新能源汽車(chē)測(cè)評(píng)技術(shù)研究，E-mail:wangfang2011@163.com；通訊作者 劉仕強(qiáng)(1985—)，男，主要從事新能源汽車(chē)測(cè)評(píng)技術(shù)研究，E-mail:shiqiangliuhit@163.com。

王芳，孫智鵬，林春景，等.能量型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池直流內(nèi)阻測(cè)試及分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(8):44-50.

format：WANG Fang, SUN Zhipeng, LIN Chunjing, et al.Experimental Analysis of Internal Resistance of Energy-Type LiFePO4Power Batteries and Its Influencing Factors[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):44-50.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.007

TM912

A

1674-8425(2017)08-0044-07