HEV氫鎳動力電池動態阻抗特性及其影響因素

劉青松， 汪泉弟， 姚 沫， 楊永明(重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044)

HEV氫鎳動力電池動態阻抗特性及其影響因素

劉青松， 汪泉弟， 姚 沫， 楊永明
(重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044)

氫鎳動力電池作為混合動力汽車的主要動力源得到廣泛應用，研究氫鎳電池的動態阻抗特性及其影響因素為分析電池使用時的內部損耗及合理估算電池健康狀態提供依據，并為研究混合動力汽車的電磁兼容問題打下基礎。以混合動力汽車車載氫鎳動力電池為例對電池的阻抗特性及其影響因素進行分段頻域分析。分析了電池老化、電池充放電電流、荷電狀態、電池內部溶液的擴散效應、電池電極極化效應、高頻時電極集膚效應等因素對電池阻抗特性的影響方式及主要作用頻率。在此基礎上，建立了電池不同因素作用下的等效電路模型并進行了仿真驗證。分析了動力電池作為EMI傳播路徑的干擾響應。

動力電池；電池阻抗；荷電狀態；頻域特性；EMI

汽車工業的高速發展給人類帶來極大方便的同時也給資源和環境問題帶來了前所未有的挑戰。純電動汽車和混合動力汽車在節能減排方面的突出表現使之在近幾年得到了快速發展。而作為混合動力汽車能源之一的動力電池在很大程度上制約著電動汽車的發展。因此，研究電池技術，尋找更為合理的電池使用方法極為重要。

隨著動力電池應用和需求的不斷增加，對電池功能和特性的研究也越來越多。為了確定電池健康狀態、估算電池剩余電荷量、延長電池使用壽命等，大量的研究在電池老化特性以及

1 電池阻抗特性的影響因素

動力電池的動態阻抗特性受到與電池運行機制有關的外部因素，以及與電池結構和電池電化學反應有關的內部因素兩方面作用的影響。外部因素主要由電動汽車運行條件和電池充放電機制決定，包括：動力電池的老化；動力電池充放電機制；電池荷電狀態。內部的影響因素主要包括：電池電解液中離子的擴散和遷移；電池電極的極化效應；電池電極在高頻電流下的集膚效應。各種影響因素作用的頻域范圍之間沒有嚴格的界限，但是在一定的頻域范圍或時間周期，某種影響因素會起主導作用。

1.1電池老化影響

電池老化對電池特性的影響通常需要幾個月甚至一兩年才能表現出來。隨著電池充放電次數的增多，電池不可避免會逐漸老化，主要表現為隨著循環次數的增加，電池容量逐漸減少，放電時端電壓降低。電池壽命末期與初期其性能的差異相當大。就電池阻抗而言，隨著老化的加深，電池的阻抗逐漸增大。

1.2電池充放電電流和荷電狀態的影響

伴隨著充放電，電池不可避免會發熱。電池的發熱很大程度上受充放電電流大小以及充放電規律的影響。通常可以將電池簡化為理想電壓源和電阻串聯模型，而由焦耳定律可知其發熱量W=I2Rt。可見，電池充放電電流的改變將影響電池溫度，從而使電池內部電化學反應速率發生改變，進而影響電池阻抗特性。尤其是混合動力汽車，動力電池充放電電流時刻變化，并且充放電電流通常較大，影響將更為明顯。溫度較低時正負離子的遷移和擴散阻力都比較大，其外部特性就表現為電池阻抗較大；隨著溫度上升，正負離子擴散加速，電池內阻減少從而提高電池效率，但是較高的溫度在加快化學反應的同時也加速有害反應的速率，并且可能對電池結構產生永久性損壞。而隨著電池SOC變化，電解液中離子濃度將發生變化，導致離子擴散速率不同，從而也會影響電池的直流阻抗。

1.3擴散效應的影響

離子在溶液中擴散和遷移要受到阻力的作用，該阻力稱為擴散阻抗，擴散阻抗呈現恒相位角特性，其Nyquist圖呈現為與橫軸成45夾角的直線。通常用Warburg阻抗來表示擴散阻抗。系數；w為角頻率；Zω為Warburg阻抗。其阻抗實部與虛部都隨頻率成比例增大，呈現恒相位角特性。

1.4極化效應的影響

當電池有電流通過，使電極偏離平衡電極電位的現象稱為電極極化。在電極單位面積上通過的電流越大，偏離平衡電極電位越嚴重。

極化效應的整體效果是使大量電荷在電池兩電極周圍聚集形成了“類電容”。因此充放電反應的等效阻抗模型可以近似等效為如圖1所示。

圖1中，用R1與C并聯來等效電池充放電狀態，R1為等效電池充放電反應電阻，C為等效電池極化效應形成的“類電容”效應，R0為電解液等效電阻。充放電電流的直流分量通過R1參與電極反應，頻率相對較高的交流分量通過電容C形成通路。這就意味著R1與C并聯為電極表面的電化學反應形成一個低通濾波器，頻率較高的充放電電流分量直接通過C不參與電化學反應。這里所謂的“較高頻率”是相對于極化效應而言，電池極化效應低通截止頻率fg很低，因為當頻率較高時電解液內部電荷來不及聚集，極化效應不明顯。實驗用的氫鎳電池截止頻率只有120 Hz。極化效應截止頻率。電池極化效應對電池阻抗的影響一般在千赫茲級以下。當頻率更高時，極化效應的影響很小，可以忽略不計。圖2為理想情況下電池極化效應影響下的阻抗特性。

圖1　　極化效應影響下電池阻抗等效電路

圖2　　理想阻抗特性

1.5集膚效應的影響

在低頻時，電流在導體內部的分布密度是均勻的，而在高頻時，導線表面的電流密度變大，而中心區域幾乎沒有電流流過，這種現象稱為集膚效應。當頻率高于1 kHz時，電池的極化效應對電池阻抗特性的影響大幅減小，而電池電極和連接導線的集膚效應以及電極間溶液等效電阻對電池阻抗特性起決定性作用。此時，電極阻抗主要表現為電極的電阻和電感效應，而電解液的阻抗因電池“類電容”極化效應影響已很小，主要表現為電阻效應。圖3為電池高頻阻抗特性的等效電路，其中R0為電解液等效電阻，Rac(f)為電極等效阻抗，L為電極等效電感。在考慮了集膚效應時它們的計算表達式分別為：

式中：μ為電極磁導率；l為導體長度；γ為導體電導率；D為兩電極間距；R為電極等效半徑。

圖3　　集膚效應影響下電池阻抗等效電路

在不同頻域范圍內動力電池動態阻抗特性受不同因素的影響，在某一頻段內可能只有某一種影響因素起主導作用，其他因素的影響效果很小甚至可以忽略。但是各個影響因素作用頻段之間沒有嚴格的界限，在一定的頻域某些影響因素會共同起作用，并且還會相互影響。為了方便直觀地理解，圖4給出了電池阻抗在整個頻域的Nyquist圖，并標明了在不同頻帶內影響電池阻抗的主要因素。

圖4　　電池頻域特性Nyquist圖

2 實驗驗證

本文以混合動力汽車動力電池(120QNFT6-3)為實例進行研究，電池阻抗的測量采用Agilent4294A和配套標準夾具16047E。

2.1低頻動態特性驗證

當作用于電池的頻率在千赫茲級以下時，對電池實際阻抗值進行測量，并與理想阻抗特性進行對比，經實測計算得實驗用的混合動力汽車氫鎳動力電池實際極化效應截止頻率fg為120 Hz。其低頻實測阻抗特性與理論特性Nyquist對比如圖5所示。

圖5　　實測阻抗特性

2.2高頻動態特性驗證

首先，在頻率高于千赫茲級時對電池阻抗等效電路參數進行辨識，并且由等效電路計算出不同頻率點的阻抗值，與實測電池阻抗值進行了對比，結果如圖6所示。

其次，考慮到在實際應用中動力電池不是單獨使用的，一般都要靠多單體串聯來提高輸出電壓，因此本文也對串聯電池組的等效模型進行了驗證。四單體串聯電池組的阻抗值近似為單體阻抗值的四倍，但由于串聯電池組中引線的影響以及電池連接時產生的寄生電容影響，還需要對計算結果進行修正。串聯電池組模型參數：R串=4×[(R0+Rac(f)]－k1，L串=4× L－k2。式中：k1=0.046為串聯模型電阻值修正因子；k2=1.865× 10－8為串聯模型電感值的修正因子。電池實測阻抗與模型仿真阻抗對比如圖7所示。

圖6　　電池實測阻抗與模型計算值對比

2.3電池動態特性實際應用

多數系統都是動態系統，其輸入和輸出是隨時間變化的。在系統施加以時變的輸出，系統會產生相應的響應。對于動態系統，給定一定的輸出系統可能不會立即產生跟隨響應，圖8顯示了這一關系。

動力電池作為干擾噪聲的敏感體，當有干擾電流流經時會在其上產生相應的響應。如果響應信號過大，將有可能影響到其控制系統和電池管理系統的正常工作。為此，本文實測了DC/AC的干擾電流波形（圖9），并以其為干擾源，以動力電池為敏感體仿真了等效電路模型的響應，并與理論計算響應值進行了對比。由仿真結果可以看出，在輸入時變干擾電流時，電池端電壓變化并不完全跟隨輸入電流變化，其結果如圖10所示。

3 總結

本文以混合動力汽車車載氫鎳動力電池為例研究了電池的動態阻抗特性及其影響因素，動力電池動態特性在不同的頻帶內受不同因素影響，包括電池老化、電池充放電電流、電池荷電狀態、擴散效應、極化效應以及集膚效應等。一方面各影響因素作用頻域之間沒有嚴格的界限，另一方面各影響因素也相互影響。但是在一定的頻域內某一影響因素會起主要作用，而其他因素的影響會相對比較小甚至可以忽略。

研究電池的不同時域和頻域點的阻抗特性及其影響因素對進一步了解電池特性，更加合理地使用電池有很大幫助。同時，了解電池寬頻域阻抗特性能夠為更合理地估算電池損耗、提高電池利用率提供依據。另外，電池動態阻抗特性的研究對于分析以電池作為EMI傳播路徑的DC/AC-電機驅動系統對電池管理系統干擾的預測，建立混合動力汽車整車電磁兼容模型，研究整車電磁兼容性能具有重要意義。

圖7　　串聯電池組阻抗實測值與計算值對比

圖8　　系統輸入x(t)與輸出y(t)

圖9　實測干擾電流時域波形

圖10　　干擾響應仿真值與理論值對比

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Dynamic impedance characteristics and its factor of HEV

LIU Qing-song,WANG Quan-di,YAO Mo,YANG Yong-ming
(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment＆amp;System Security and New Technology,Chongqing University, Chongqing 400044,China)

Traction batteries were widely applied as the main powerplant for hybrid vehicles running in high power fluctuations.The study of battery dynamic impendence characteristics and its factors were the basis for the estimation of battery state and the analysis of the loss of batteries.It also provided basis for research of the electromagnetic compatibility problem of hybrid electric vehicle.Based on the hybrid vehicle traction batteries,the batteries'dynamic impedance characteristics and the influencing factors in a wide frequency range by piecewise time-frequency analysis were described.The influence of battery aging,cycling current size,state of charge, diffusion effect,polarization effect and skin effect etc were analyzed.Also the role each factor played for the battery impedance and the frequency bond that they make function were analyzed.Based on those work,the equivalent model of the battery under each factor was estabilished.Moreover,EMI responses of power battery were predicted as spreading path for EMI in electric vehicles.

traction battery;impedance;state of charge;frequency characteristics;EMI

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0097-03

2015-06-13

國家自然科學基金資助項目(51177183)；中央高校基本科研業務費資助項目(CDJXS11150005)

劉青松(1983—)，男，博士，主要研究方向為汽車電磁兼容。電池充放電特性等方面展開[1-6]。文獻[3]分析了電池老化程度與充放電次數的關系。文獻[4]指出隨著電池荷電狀態(SOC)的改變，電池端電壓以及電池內阻的變化情況。文獻[5]研究了電池老化的表現形式。目前從我們查閱到的研究電池的文獻看，大多數文獻集中于對電池狀態的估算以及分析電池特性的外部表現形式，而對電池阻抗特性影響因素的研究還很少涉及。伴隨著電池充放電，電池內部發生復雜的電化學反應，電池阻抗特性會受到充放電電流大小、殘余電荷、SOC、電池老化等多種內部和外部因素的影響[3-6]。而了解電池阻抗特性的影響因素為合理分析電池阻抗，進而估算電池本身損耗以及有效合理地使用電池提供依據。本文以混合動力汽車用氫鎳動力電池為例，研究電池動態阻抗特性及其影響因素，分析不同頻率范圍內電池內部電化學反應及其對電池阻抗特性的影響。