磷酸铁锂电池直流内阻测定

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1、LiFePO /C锂离子电池直流内阻测试研究4 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 3080%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010s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Study on the

2、DC internal resistance of LiFePO/C Li-ion battery4Abstract: DC internal resistance of battery is an essential parameter for designing vehicle auxiliary system and battery pack. The effects of current, time, SOC on DC internal resistance of LiFePO4/C Li-ion battery were tested and analyzed respective

3、ly. The research shows that the DC internal resistance is similar at 3080% SOC on the same test methods, the DC internal resistance with discharging methods is larger than it with charging methods, and the DC internal resistance is linear with the test time in 10s at the same SOC and current. The DC

4、 internal resistance variation rules of the high energy battery are similar to the high power battery.Keywords: DC internal resistance, LiFePO , Li-ion battery, power battery,4test methods 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

5、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

6、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JEVSD713 2003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0100% 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

7、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010C “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，

8、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

9、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llOOmAh （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23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lh,以1C电流充电10s，然后以基准充电电流将电池充电至 1O%SOC，搁

10、置lh,再以1C充电10s。依次循环，直至测试到90%S0C。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 9O%SOC，搁置1h,再以1C放电10s。依次循环，直至测试到10%S0C。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

11、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202C的条件下进行。直流内阻的计算：V - VR =亠 x 1000IR：直流内阻，mQVt：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，Ao3 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3080% 期间保持比较平稳，之后，充电测试的直流内阻又逐

12、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3080%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3080%）。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

13、 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。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.1 internal resistance vs. SOC in charging test Fig.2 internal resistance vs. SOC in discharging test3.2 时间与直流内阻的关系图 3 、4 分别为 4C 充电情况下 0.10.9s 内和 110s 内测试计算的直流内阻。从图中

14、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（3080%）的拟合曲线的斜率相差不大 但在110s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0.10.9s和110s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0.10.9s内，随着SOC增大，拟合曲线的斜率逐渐减小, 110s内，斜率变化不大。ecnatslsefQ阻内2O84OO20

15、 5 08 7 7505050505665544332ooooou3 4 5 6 7 图 3 4C 充电 01s 测试直流内阻变化图 4 4C 充电 110s 测试直流内阻变化Fig.3 internal resistance vs. test time (01s) in 4C charging test Fig.4 internal resistance vs test time (110s) in 4C charging test 、6543210987633333332222ecnatslser lanretnlQfe内16O.州43987图 6 4C 放电 110s 测试直流内阻变化4

16、1852963075544433332 ecnatslser lanretnlQ内图 5 4C 放电 01s 测试直流内阻变化Fig.5 internal resistance vs. test time (01s) in 4C discharging test Fig.6 internal resistancevs. test time (110s) in 4Cdischarging test 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，

17、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分别为电池1C充电和放电情 况下6min内测试计算的直流内阻（测试前后电池SOC增加或减小了 10%）。其直流内阻的变 化曲线与电池的充电、放电电压曲线非常接近。test time图 7 100、50、20%SOC1C 放电直流内阻随测试时间的变化 图 8 0 、50、70%SOC1C 充电直流内阻随测试时间的变化Fig.7 int

18、ernal resistance of 100, 50, 20%SOC vs. test time in 1C charging testFig.8 internal resistance of 0, 50, 70%SOC vs. test time in 1C discharging test在 10s 以内，不同 SOC 下，无论采用多大的电流，电池直流内阻与时间呈现良好的线 性关系。即R 二 at + bR为直流内阻，t为测试持续时间，a、b为系数。以4C充放电为例，其拟合关系如表1、表2。表 1 4C 充电直流内阻随测试持续时间的变化Table1 DC internal resista

19、nce vs. test time in 4C charging testsoc01s内拟合曲线参数 the parameters of Simulation curves between 0 and 1s test time110s内拟合曲线参数the parameters of simulation curves between 1 and 10s test timeabR2abR2306.667125.0750.9951.445532.8110.8845406.285224.7230.99191.71131.8540.8963505.759324.9950.98922.156431.01

20、50.9292605.984724.6980.99382.739429.5180.9687705.815724.8540.99343.577827.510.9949805.239724.6120.99224.939422.2490.9872表 2 4C 放电直流内阻随测试持续时间的变化Table2 DC internal resistance vs. test time in 4C discharging testSOC01s内拟合曲线参数 the parameters of simulation curves between 0 and 1s test time110s内拟合曲线参数the

21、parameters of simulation curves between 1 and 10s test timeabR2abR2309.202428.3020.97151.324237.1250.9317406.892425.9810.9751.101132.50.9379505.3925.7930.97611.014131.0550.9394605.37726.2160.970.97531.4060.9358704.763926.2350.98181.010530.9180.937804.582425.6210.98281.115729.9030.9564由于直流内阻对测试持续时间比较

22、敏感， 在进行电池或电池组直流内阻的评价时，应 根据实际应用情况来选择测试的持续时间。如对于混合电动车来说，起启动、加速时间一般 在 10s 左右，所以可以选择 10s 的持续时间进行比较。测试时间越短，越能体现电池或电池 组的欧姆电阻，但短的测试持续时间受测试设备和数据采集响应误差的影响，也不能完全体 现电池组的实际应用性能，不宜作为评价的标准。但在实际应用中，利用较短时间内直流内 阻的测试可以判断电池组内的欧姆阻抗变化情况，进行故障诊断。3.3 电流与直流内阻的关系图 9 为在不同电流下测试的电池的充电和放电情况下的直流内阻。图 9 50%SOC 下直流内阻随测试电流的变化Fig.9 in

23、ternal resistance of 50%SOC vs. test current随着电流的增加，电池直流内阻有明显的下降趋势，当电流达到一定程度后，又会随着 电流的增加而上升，主要是由于电池内部的极化形式发生了变化。增大电流，电池内部传质 过程成为控制步骤，电池内阻将开始增大。对于电池或电源系统的不同，应采用不同的测试电流进行比较与评价，或者根据实际 应用特征进行电流的选择，对于大容量动力电池(混合电动客车应用)，适宜选择5C左右的 电流，而混合电动轿车应用的小容量动力电池，较适宜选取10C左右的电流甚至更高。针对 实验电池，应当选择48C内的电流进行测试。3.4 电流与时间的交互作用

24、对直流内阻的影响电流与时间的交互作用对电池直流内阻的测试影响非常明显。图10、11分别为1C、2C、 充电情况下110s内直流内阻随测试时间的变化情况。从曲线看，随测试持续时间的延长， 直流内阻逐渐加大，但变化幅度明显不同。在1C情况下，不同SOC下的曲线无交叉点，同 一测试时间下SOC越大，直流内阻越低，2C充电就有了较明显的交叉点，交叉点大约在78s 左右。4C充电的交叉点就更为明显了，约在4s。低于4s,在同一测试时间下，随SOC增大， 电池直流内阻降低，而在此点之后，变化相反，SOC增大，直流内阻变大。即各曲线的斜率 随 SOC 的增加而增大。这种原因应当是电池内部的极化变化引起的。充

25、电情况下，S0C越大，极化及极化变化 率也越大，因此曲线的斜率也越大，反映到电池性能上就是SOC越大电池充电接受能力越低。 这种情况也解释了某些研究者测试直流内阻时出现随 SOC 增大直流内阻出现相反变化的原 因。但这些曲线交叉在同一点或接近同一点的原因需要进一步分析。理论上放电测试曲线也应有相似的结果，但针对测试电池，在10C电流以下进行放电 测试时，并未出现预期的结果，根据表2的放电曲线斜率分析，放电测试曲线的交叉点应当 在01s以内的测试区间内，由于设备等限制，没有发现明显的交点。时间和电流的交互作用引起的变化点与电池的类型、结构、设计、材料等各方面有关。 用能量型IFR26650电池进

26、行测试，交叉点大大提前。IFR26650能量型电池直流内阻的变化 趋势与功率型IFR18650电池相似，只是适应的电流、变化程度等有所不同。ecnatslser lanretnlb检内30210124时间s)807418529636555444333图 11 1C 充电 110s 直流内阻变化图 10 2C 充电 110s 直流内阻变化Fig.10 internal resistance vs. test time in 2C charging testFig.11 internal resistance vs. test time in 1C charging test4 结论(1)电池在3080%S0C内的直流内阻变化比较平稳。( 2 )充电测试的直流内阻略小于放电测试的直流内阻。(3) 随测试电流的加大，同一SOC下的直流内阻先下降，后逐渐上升。（4）在 010s 内，电池的直流内阻随测试持续时间的变化呈线性关系，随测试持续时间的 延长而增大，但在 01s 内和 110s 内的变化率不同。（5）电池直流内阻的变化情况与采用的电流、持续时间等关系较大，针对不同的电池和应 用，应选择合适的电流和持续时间。