能量型磷酸鐵鋰動力電池直流內阻測試及分析

王 芳，孫智鵬，林春景，卜祥軍，劉仕強

(中國汽車技術研究中心， 天津 300300)

能量型磷酸鐵鋰動力電池直流內阻測試及分析

王 芳，孫智鵬，林春景，卜祥軍，劉仕強

(中國汽車技術研究中心， 天津 300300)

以1.5 A·h圓柱形磷酸鐵鋰電池為研究對象，采用HPPC測試法在常溫環境下進行了不同電流倍率、不同脈沖時間和不同電流方向的試驗驗證，分析了3種因素對直流內阻測試結果的影響，得到了常溫環境下充電態/放電態歐姆內阻和極化內阻的變化規律。實驗結果表明：歐姆內阻在數值上遠大于極化內阻；極化內阻比歐姆內阻對SOC更敏感；極化內阻隨著脈沖時間長度的增加而增加，且這種增加趨勢隨著脈沖時間長度的增加逐漸減小；電池充放電狀態對歐姆內阻的影響較小，對極化內阻的影響較大；電流倍率對歐姆內阻的測量結果影響較小，極化內阻隨著電流倍率的增加呈線性減小。

磷酸鐵鋰；直流內阻；混合功率脈沖特性法；倍率；脈沖時間

受石油短缺、空氣污染和溫室效應等問題日益加劇的影響，包括插電式混合動力汽車(PHEV)、純電動汽車(BEV)和燃料電池汽車(FCV)在內的新能源汽車得到越來越多的關注，市場化普及在近些年得到穩步推進[1-3]。根據我國的節能與新能源汽車產業發展規劃(2012—2020年)，到2020年，PHEV及BEV生產能力將達到200萬輛、累計產銷量將超過500萬輛。而在各種車用動力電池中，鋰離子電池憑借其能量密度高、循環壽命長、自放電率低和循環壽命長等優勢，是目前PHEV和BEV動力電池的首選。

內阻作為衡量電池內部離子和電子傳輸難易程度的參數，直接決定著電池的生熱、輸出功率和能量特性[4-6]，對其進行準確測量有著極其重要的實際意義。但是電池的直流內阻受環境溫度、電流倍率、SOC、充放電狀態等各種因素的影響較大，因此需要對鋰離子電池的內阻特性進行全面驗證和分析。李哲等[7]研究了溫度對磷酸鐵鋰動力電池內阻特性的影響，實驗結果表明：內阻隨著溫度上升逐漸下降，歐姆內阻(Ro)對溫度的敏感度高于極化內阻(Rp)，同時Rp對低溫的敏感度高于對高溫的敏感度。郭宏榆等[8]分析了溫度、SOC對內阻的影響，發現總內阻在低溫(0 ℃以下)和較低SOC下變化明顯。

鋰離子電池內阻的測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)、開路電壓和工作電壓差值法以及交流阻抗法等。其中HPPC法測試步驟相對簡單，應用也最為廣泛，適用于車載在線檢測應用情境。本文參照《FreedomCar電池測試手冊》中HPPC測試方法的描述，充分考慮歐姆內阻和極化內阻的測試結果會隨著脈沖電流的變化而改變的情況，試驗中調整可能的影響因素(包括脈沖電流倍率、脈沖時間、充放電狀態等)，對電池樣品進行全面的測試驗證，為確定真正符合實際情況的磷酸鐵鋰動力電池直流內阻測試標準提供借鑒。

本文以1.5 A·h圓柱形磷酸鐵鋰電池為研究對象，采用HPPC法系統分析了電池直流內阻的變化規律，同時研究了在不同電流倍率、不同脈沖時間和不同電流方向時電池歐姆內阻和極化內阻的變化規律。

1 實驗

1.1 試驗平臺

本次的試驗平臺由單體充放電設備(青島美凱麟MCT16-5-100及數據采集系統)、電化學工作站(德國Zahner公司)、高低溫恒溫箱(巨孚ETH-1000)、數據記錄儀(日本HIOKI MR8875-30)、被測樣品及上位機構成。

在試驗過程中，將電池樣品放置在30 ℃恒溫環境內，避免由于環境溫度變化對直流內阻測試結果產生影響。通過上位機軟件控制充放電設備完成HPPC測試，借助充放電設備及數據記錄儀實現數據的記錄和存儲。電化學工作站用于對電池樣品進行電化學阻抗譜的測定和分析。

1.2 實驗對象

實驗中以1.5 A·h的能量型鋰離子電池單體為研究對象。該圓柱形電池的正極材料為磷酸鐵鋰，負極材料為石墨，電解液為六氟磷酸鋰有機溶液，其他參數如表1所示。

表1 磷酸鐵鋰動力電池的主要參數

1.3 實驗過程和方法

本文參考FreedomCAR的《功率輔助型混合動力汽車用動力電池測試手冊》界定的規程設計了測試步驟，特定電流倍率(以5C為例)下完整測試過程中電流和電壓隨時間的變化如圖1所示。具體實驗步驟如下：

1) 將鋰離子電池置于25 ℃的恒溫環境中，靜置充分長時間。將電池充滿電，記錄充入容量C1；

2) 以1C倍率進行恒流放電，放電容量達到0.1C1后停止放電，認為此時電池SOC=0.9，靜置1 h；

3) 采用XC倍率大小的脈沖電流對電池進行恒流放電，持續時間為30 s，靜置40 s；

4) 采用XC倍率大小的脈沖電流對電池進行恒流充電，持續時間為30 s，靜置40 s；

5) 重復步驟 2)～ 4)，直至電池SOC=0.1；

6) 以0.33C對電池進行循環充放電，重復進行3個循環；

7) 分別調節電流倍率大小X為2、3、4、5、6，重復步驟 1)～6)，進行不同脈沖電流倍率下的直流內阻測試。

圖1 脈沖電流倍率5C，完整測試過程中電流、電壓隨時間變化

步驟 3)和 4)中，數據采集的時間間隔為0.1 s。以放電過程為例，電壓變化曲線如圖2所示，在加載電流的瞬間，電池端電壓會產生瞬間階躍，接著是電壓的相對緩慢的變化。其中瞬間的電壓階躍是由歐姆內阻引起的，而隨后的電壓緩慢變化是由極化內阻導致的。根據獲取的電壓和電流數據，歐姆內阻和極化內阻可分別依據式(1)和(2)計算。

(1)

(2)

式中：Ro、Rp分別為歐姆內阻和極化內阻(mΩ)；I為電流(A)；ΔUo和ΔUp分別為歐姆內阻和極化內阻對應的電壓變化(V)；UA、UB和UC分別為圖2中A、B和C三個拐點對應的電池端電壓值(V)。

圖2 HPPC測電池內阻的電壓特性曲線

2 實驗結果與分析

2.1 內阻隨SOC、脈沖時間的變化

表2所示為脈沖電流為2C時，充電歐姆內阻和不同脈沖時間長度對應的極化內阻的測試結果。圖3為表1中充電和放電過程中歐姆內阻和10 s極化內阻隨SOC的變化規律。

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

表2 脈沖充電(2C)過程中歐姆內阻和不同脈沖時間長度對應的極化內阻

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

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

圖4 脈沖電流大小為2C，充電過程中不同脈沖時間對應的Rp的變化

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

2.2 充/放電狀態內阻對比

圖6所示為充、放電過程中Ro和Rp隨SOC的變化情況對比。從圖6(a)可以看出：充電Ro和放電Ro隨SOC的變化規律基本一致，但在數值上，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的變化規律基本一致，但在數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。對于測試脈沖時間為30 s的情形，在SOC=0.2～0.9的范圍內充電極化內阻大于放電極化內阻，在SOC=0.1時，放電極化內阻會顯著增加。

圖5 脈沖電流大小為2C，放電過程中不同脈沖時間對應的Rp的變化規律

對于電流倍率為5C的情況，充電、放電過程中Ro和10 s、30 s 的Rp隨SOC的變化如圖7所示。可以看出：充放電狀態對Ro的影響同樣較小，對10 s極化內阻的影響與圖6(b)中情況類似，但是不同的是，30 s極化內阻僅在SOC=0.5～0.9的范圍內，充電態內阻大于放電態內阻。

2.3 內阻與電流倍率的關系

圖8為當脈沖電流倍率分別為2C、3C、5C時，充電過程中歐姆、10 s極化內阻隨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Ro的測量結果影響較小。對于充電Rp，在相同SOC下，其測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、放電過程中Ro和Rp隨SOC變化

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

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

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

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

當脈沖電流倍率分別為2C、3C、5C，放電過程中歐姆內阻、10 s極化內阻隨SOC的變化情況如圖10所示。與充電過程類似，電流倍率對放電歐姆內阻的影響較小，對極化內阻的影響較大，且隨著電流倍率的增加，放電極化內阻呈線性減小。

圖10 放電過程中脈沖電流倍率分別為2C和3C時歐姆內阻與極化內阻隨SOC的變化

歐姆內阻和極化內阻隨電流倍率的變化規律如圖11中所示。從圖中可知：當脈沖電流倍率小于5C時，除SOC=0.4外，歐姆內阻隨電流倍率的增加而減小，且當I=6C時，不再減小。對于極化內阻，當脈沖電流倍率小于5C時，極化內阻和脈沖電流倍率之間呈嚴格的線性變化關系。

圖11 放電過程中脈沖電流倍率分別為2C、3C、5C、6C時歐姆內阻隨電流倍率的變化

3 結論

本文以1.5 A·h圓柱形磷酸鐵鋰電池為研究對象，通過HPPC法研究了其歐姆內阻和極化內阻與SOC、脈沖時間、充放電狀態的關系，并分析了脈沖電流大小對測試結果的影響，得到以下規律：

1) 歐姆內阻在數值上遠大于10 s極化內阻，當脈沖電流倍率為2C時，充電態歐姆內阻在數值上介于20 s充電極化內阻和30 s充電極化內阻之間。

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

3) 極化內阻隨著脈沖時間長度的增加而增加，且增加幅度隨著脈沖時間長度的增加而逐漸減小。

4) 電池充放電狀態對歐姆內阻的影響較小，對極化內阻的影響較大，且脈沖時間長度變化時，影響規律也會隨之改變。

5) 當脈沖電流倍率在2C和5C之間，隨著電流倍率增加，歐姆內阻的測量結果減小，但變化幅度較小；極化內阻隨著電流倍率的增加亦呈線性減小的趨勢，但降幅遠大于歐姆內阻。

[1] MCCARTHY J E,YACOBUCCI B D.Cars,Trucks,and Climate:EPA Regulation of Greenhouse Gases from Mobile Sources[R].USA：CRS Report for Congress，2014.

[2] Environment Canada.National inventory report 1990—2012[R].Gatineau:Green house gas sources and sinks in Canada,2012.

[3] NIENHUESER I A,QIU Y M.Economic and environmental impacts of providing renewable energy for electric vehicle charging-A choice experiment study[J].Appl Energy,2016,180:256-268.

[4] SMITH K,WANG C Y.Power and thermal characterization of a lithiumion battery pack for hybrid-electric vehicles[J].Journal of Power Sources,2006,160(1):662-673.

[5] ONDA K,KAMEYAMA H,HANAMOTO T,et al.Experimental study on heat generation behavior of small lithiumion secondary batteries[J].J Electrochem Soc，2003,150:A285-91.

[6] FORGEZ C,VINH D D,FRIEDRICH G,et al.Thermal modeling of a cylindrical LiFePO4/graphite lithiumion battery[J].Journal of Power Sources,2010,195(9):2961-2968.

[7] 李哲,韓雪冰,盧蘭光,等.動力型磷酸鐵鋰電池的溫度特性[J].機械工程學報,2011,47(18):115-120.

[8] 郭宏榆,姜久春,王吉松,等.功率型鋰離子動力電池的內阻特性[J].北京交通大學學報,2011,35(5):119-123.

[9] DOE/ID—11069,FreedomCAR battery test manual for power assist hybrid electric vehicles[S].USA:U S Department of Energy,2003.

[10]Test method of input and output powerdensity of nickel-hydride battery for hybrid electric vehicles[S].Japan:Japan Electric Vehicle Society,2003.

[11]徐晶,張彩萍,汪國秀,等.梯次利用鋰離子電池歐姆內阻測試方法研究[J].電源技術,2015,39(2):252-256.

(責任編輯 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 基金項目：“系統性分層分級的產品測試驗證和應用研究”(2016YFB0100407)

王芳(1977—)，女，江蘇人，博士，教授級高級工程師，主要從事新能源汽車測評技術研究，E-mail:wangfang2011@163.com；通訊作者 劉仕強(1985—)，男，主要從事新能源汽車測評技術研究，E-mail:shiqiangliuhit@163.com。

王芳，孫智鵬，林春景，等.能量型磷酸鐵鋰動力電池直流內阻測試及分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，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