鋰離子電池內(nèi)阻指電池在工作狀態(tài)下，電流流經(jīng)電池內(nèi)部所受到的阻力，其大小由歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻組成。歐姆內(nèi)阻主要是由Li+通過正負(fù)極集流板、電解質(zhì)、隔膜等所受到的阻力構(gòu)成，其次還有極耳和外部銅片連接處的接觸內(nèi)阻。
極化內(nèi)阻是指電池在充放電過程中由電化學(xué)極化和濃度差極化所引起的電化學(xué)反應(yīng)內(nèi)阻?，F(xiàn)有的方法多側(cè)重于測量單一工況下的電池內(nèi)阻，難以同時(shí)測出多工況下的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，雖然有重要的研究價(jià)值，但難以高效、準(zhǔn)確、簡單地在單次內(nèi)阻測試循環(huán)中測量出不同 SOC、不同充放電倍率下的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。
為解決此問題，本文提出在混合脈沖功率特性階躍法(HPPC)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)HPPC的充放電倍率之比。改進(jìn)后的HPPC法通過單次內(nèi)阻測試循環(huán)，可以獲得不同SOC下多個(gè)倍率充放電歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，節(jié)省大量實(shí)驗(yàn)測試時(shí)間并提高測量的準(zhǔn)確性。
1 改進(jìn)HPPC法機(jī)理分析
HPPC來源于美國Freedom CAR項(xiàng)目，其脈沖電流和響應(yīng)電壓曲線如圖1所示，t1~t2為放電脈沖，時(shí)間為10s；t2~t3為靜置時(shí)間，時(shí)間為40s；t3~t4為充電脈沖，時(shí)間為10s。其放電脈沖電流Idischarge和充電脈沖電流Icharge的大小比值固定不變，為1∶0.75。通過采集電流和響應(yīng)電壓數(shù)據(jù)并根據(jù)式(1)~(4)，即可求出電池的放電歐姆內(nèi)阻、放電極化內(nèi)阻、充電歐姆內(nèi)阻和充電極化內(nèi)阻。
式中：U1~U6為響應(yīng)電壓；Idischarge為放電脈沖電流；Icharge為充電脈沖電流。
HPPC法所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡單，并且可同時(shí)準(zhǔn)確測量電池的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。但是由于充放電脈沖比值不等，導(dǎo)致該充放電脈沖過程中存在容量的損失，使實(shí)際的SOC要小于理論SOC，當(dāng)在一個(gè)SOC測量點(diǎn)下測量的充放電倍率個(gè)數(shù)越多，其實(shí)際SOC值與理論SOC值的誤差越大，為了能夠得到準(zhǔn)確的實(shí)際SOC值，需要在每次充放電測量之后對電池的容量進(jìn)行回調(diào)，這會導(dǎo)致測試循環(huán)數(shù)急劇增多，時(shí)間成本增高。
為解決這個(gè)問題，針對多倍率充放電歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的測試要求，提出一種基于HPPC新的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻測試方法，該方法可以在多個(gè)倍率充放電測試脈沖條件下準(zhǔn)確測量歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。為避免充放電脈沖過程中容量損失，將傳統(tǒng)的HPPC放電脈沖電流Idischarge和充電脈沖電流Icharge的比值由1∶0.75改為1∶1，在t1時(shí)刻給被測鋰電池兩端加載放電脈沖Idischarge，階躍電壓響應(yīng)電壓由U1瞬間下降至U2，其主要由歐姆內(nèi)阻引起；t1~t2時(shí)間段內(nèi)，電壓下降趨勢變緩，逐漸由U2降至U3，這是由極化內(nèi)阻造成的；t2時(shí)刻，撤掉放電脈沖后，電流、電壓復(fù)原；充電測試脈沖(t3~t4)電流和響應(yīng)電壓的變化與放電測試脈沖過程相同，即完成一個(gè)倍率下的充放電測試循環(huán)，值得注意的是充電電流值和放電電流值大小相等；在t5時(shí)刻給電池兩端加載放電脈沖In-discharge，即可對電池在同一個(gè)SOC下完成多個(gè)倍率的測試循環(huán)，該過程電壓電流響應(yīng)與第一個(gè)倍率的類似。采集電流和響應(yīng)電壓數(shù)據(jù)并根據(jù)式(1)~(4)，即可求出電池的放電歐姆內(nèi)阻
、放電極化內(nèi)阻
、充電歐姆內(nèi)阻
和充電極化內(nèi)阻
。
改變后的HPPC法在每個(gè)測試循環(huán)中不存在容量的損失，使實(shí)際SOC值與理論SOC值保持一致，即可以在一個(gè)SOC測量點(diǎn)下進(jìn)行多個(gè)充放電脈沖測試循環(huán)。改進(jìn)后HPPC法測試脈沖電流和電壓響應(yīng)曲線如圖2所示。
2 實(shí)驗(yàn)
2.1 實(shí)驗(yàn)對象
采用力神18650車用動力鋰離子電池作為歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻測試方法的研究對象，其具體參數(shù)如表1所示。
2.2 多通道電池測試實(shí)驗(yàn)平臺的搭建
多通道電池測試實(shí)驗(yàn)平臺如圖3所示，主要包括用于控制環(huán)境溫度的恒溫箱，鋰離子電池，可編程直流電源，電子負(fù)載，測量參數(shù)的傳感器(電壓，電流或溫度)，電池?cái)?shù)據(jù)采集器(電池?cái)?shù)據(jù)包括端電壓，負(fù)載電流，放電容量和溫度)和用于提供人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)儲存的上位機(jī)。
2.3 實(shí)驗(yàn)方法
改進(jìn)HPPC法內(nèi)阻測試具體實(shí)驗(yàn)步驟有6步。
(1)初始化參數(shù)設(shè)定：將電池在常溫(25±0.5) ℃下以1C恒流放電至放電終止電壓3V，靜置0.5h，然后以0.5C恒流充電至最大充電電壓4.2V，再進(jìn)行恒壓4.2V充電，使電流下降至截止電流48mA，此時(shí)電池為滿電狀態(tài)，即SOC等于100%，最后靜置1h。
(2)調(diào)整環(huán)境溫度：將恒溫箱溫度設(shè)置為(25±0.5)℃，電池置于恒溫箱內(nèi)并靜置1h。
(3)改進(jìn)后的HPPC法測試：先將電池以xC(測量的充放電倍率)放電10s，擱置40s，再以xC充電 10 s，擱置40s，之后有序循環(huán)，增加充放電倍率，依次調(diào)整變量x，即可獲得當(dāng)前SOC狀態(tài)下的多個(gè)倍率充放電歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。
(4)調(diào)整SOC：以1C恒流放電6min，依次調(diào)整電池SOC由100%到10%，每10%放電深度(DOD)為一個(gè)測量SOC的點(diǎn)，每次完成一個(gè)SOC測量點(diǎn)后，靜置1h，重復(fù)步驟(3)。
(5)完成 SOC=10% 的測試后，收集不同SOC、充放電倍率下的電流和響應(yīng)電壓數(shù)據(jù)。
(6)以1C恒流放電至截止電壓3V，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。
3 改進(jìn)HPPC與傳統(tǒng)HPPC結(jié)果分析
3.1 不同倍率下充放電歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻測試結(jié)果誤差分析
分別采用改進(jìn)HPPC法和HPPC法對同批次的電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量的電池充放電電流范圍為0.25C~1.25C，每0.25C為一個(gè)測量點(diǎn)，并對這兩種方法測量出來的充放電歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻結(jié)果進(jìn)行比較分析，測試結(jié)果如圖4所示。
圖4 不同充放電倍率下的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻隨SOC變化曲線
由圖4可知，改進(jìn)HPPC法與HPPC法對電池在不同工況下的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的測量具有較好的統(tǒng)一性。但是無論充電還是放電工況下，兩種方法對電池的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻測量的誤差整體上是隨SOC的增大而減少的，其主要原因是HPPC法在測量內(nèi)阻過程中存在容量損失。雖然HPPC法單次充放電脈沖測試的容量損失較小，但每一個(gè)SOC工況下都進(jìn)行多個(gè)充放電倍率脈沖測試，這導(dǎo)致容量損失進(jìn)行累加，并且隨著充放電倍率的增大，這種損失會越來越大，也就是說當(dāng)測量的充放電倍率越大，容量損失也就越大。
當(dāng)SOC由100%調(diào)整至10%，其容量損失成倍數(shù)增加，即在測試低SOC充放電歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻之前，已經(jīng)完成多次充放電脈沖測試，這直接導(dǎo)致容量損失的累加，造成電池實(shí)際容量比理論容量小，從而使得在低SOC下歐姆內(nèi)阻以及極化內(nèi)阻測量的誤差較大，此為導(dǎo)致充放電歐姆內(nèi)阻以及極化內(nèi)阻誤差隨SOC的減小而增大的主要原因。而且，隨著測試充放電倍率的增加，采用HPPC法測量內(nèi)阻由于前期進(jìn)行大量的測試循環(huán)而導(dǎo)致電池容量進(jìn)一步衰減，致使后期歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻測量產(chǎn)生更大的偏差。
兩種方法測量充放電歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻誤差統(tǒng)計(jì)如表2所示，在SOC處于60%~100%時(shí)，改進(jìn)HPPC法測量的內(nèi)阻誤差較小，最大誤差為0.98mΩ，達(dá)到內(nèi)阻測試要求。因此，主要分析SOC處于10%~50%階段的誤差，在這一階段測量的充放電歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻誤差較大，其主要原因是HPPC存在容量損失，導(dǎo)致測量校準(zhǔn)的SOC比實(shí)際上的要小，對SOC的測量不準(zhǔn)確。但是，改進(jìn) HPPC法則避免了容量損失的充電過程，使每一個(gè)SOC下測量不同倍率充放電內(nèi)阻時(shí)，始終維持實(shí)際容量為預(yù)設(shè)值，因此改進(jìn)HPPC法相較于HPPC法提高了電池在低SOC區(qū)域內(nèi)的內(nèi)阻測量精度。
3.2 不同倍率下充放電歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻測試結(jié)果相關(guān)性分析
Pearson相關(guān)系數(shù)rp是定量描述兩組數(shù)據(jù)集合之間線性相關(guān)程度高低的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，rp的范圍為[0,1]，若分析結(jié)果越接近1，說明兩組數(shù)據(jù)集合之間的線性相關(guān)度越高，即分析結(jié)果越接近其實(shí)際值。為驗(yàn)證改進(jìn)HPPC法獲取電池歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的有效性，對兩種方法測量的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻數(shù)值進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，根據(jù)式(5)計(jì)算rp，定量判定改進(jìn)HPPC和傳統(tǒng)HPPC兩種方法在不同充放電倍率、SOC下測量的歐姆內(nèi)阻以及極化內(nèi)阻的相關(guān)程度，結(jié)果分別如表3~4所示。
式中：X和Y分別代表改進(jìn)HPPC法和傳統(tǒng)HPPC法測量的內(nèi)阻序列；E為內(nèi)阻序列均值。
由表3~4可知，采用兩種方法測量的不同倍率下充放電歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻的相關(guān)系數(shù) rp均在 0.9 以上，說明兩種方法測量的結(jié)果存在極強(qiáng)線性相關(guān)，驗(yàn)證了用改進(jìn)后的HPPC 法測量不同充放電倍率和 SOC 下的電池歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻的合理性。
3.3 時(shí)效分析
采用HPPC法測量單個(gè)倍率的內(nèi)阻時(shí)間約為17.65h，共測試5組不同倍率充放電內(nèi)阻，總共耗費(fèi)時(shí)間大約為88.25h。而采用改進(jìn)HPPC法在一次測試循環(huán)內(nèi)即完成5個(gè)不同倍率的充放電內(nèi)阻的測試，用時(shí)約為19h，與HPPC法相比減少4次內(nèi)阻測試循環(huán)，節(jié)省近78.47%實(shí)驗(yàn)測試時(shí)間，其計(jì)算公式如式(6)所示：
式中：T 為相較于 HPPC 法，采用改進(jìn) HPPC 法測試多倍率充放電內(nèi)阻節(jié)省時(shí)間的百分比；n 為測試充放電倍率個(gè)數(shù)，n=1,2,3?。
4 結(jié)論
針對目前鋰電池歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻測試周期過長、精度低的間題，在分析HPPC方法測試原理的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)HPPC法，在不同工況下測試歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。通過對力神18650鋰電池的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻進(jìn)行同條件不同實(shí)驗(yàn)測試方法對比，測試結(jié)果表明改進(jìn)HPPC法能夠有效提高歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻測試的準(zhǔn)確性，并極大地降低測試時(shí)間。
文獻(xiàn)參考：張沫,劉坤,趙顯蒙,孫夢然,陳琳.不同工況下鋰電池歐姆和極化內(nèi)阻測試方法研究[J].電源技術(shù),2023,47(10):1290-1293
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