梯次利用動力鋰電池內部參數特性分析

李珺凱，劉聰聰，張持健

(安徽師范大學 物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241002)

0 引言

隨著電動汽車的普及與推廣，電動汽車的使用量越來越大，但是在電動汽車的大規模使用中也會產生以下問題：① 電動汽車成本過高、車用壽命短；② 車用后直接淘汰造成資源浪費；③ 退役鋰電池的數量將大幅度增加[1]。雖然退役鋰電池不能再運用到電動汽車上，但還可以用在其他對電池性能要求不高的設備或系統中，因此，對退役鋰電池的使用壽命和內部參數的特性等問題的研究是迫切需要的。電池的內阻是衡量電池性能好壞的重要參數之一，內阻特性分析為實現退役鋰電池梯次利用奠定了基礎。電池由于型號不同、內部化學特性不同，其內阻也有所差別。在不同工作狀態、不同健康狀態下，其內阻值也不同。電池內阻檢測是電池生產過程中非常重要的一個環節。電池在出廠時，其內阻阻值很小，但是經過一段時間的充放電使用后，其內部化學特性發生變化，內阻會逐漸增加，當內阻值過大時，電池無法正常充放電，此時，電池將面臨淘汰。由于鋰電池內阻與其SOC之間存在一定的聯系，通過內阻值還可以預測電池的SOC。因此，研究退役鋰電池的內阻特性對是否能退役鋰電池梯次應用具有很重要的意義[2]。

退役鋰電池的歐姆內阻由測試方法、充放電倍率和環境溫度共同決定。目前對于電池內阻測量的方法并不多，主要有密度法、開路電壓法、直流放電法和交流注入法[3-8]。密度法通過測量電池電解液的密度來估算電池的內阻，但是該方法不適用于密封電池。開路電壓法通過電池的端電壓去估算內阻，這種方法精度較差，且容易得出錯誤結論。直流放電法通過對電池進行大電流瞬間放電得到電壓降，計算出電池的內阻值。雖然這種方法效果較好，但對電池壽命有影響，且無法在線預測。交流注入法通過給恒定的交流電流信號，得到端電壓響應信號，利用相位差及阻抗公式來確定鋰電池的內阻，此方法增加了系統的復雜度，影響測試精度。文獻[9-10]對電池進行不同倍率、不同SOC下的內阻測試，但沒有對其內阻特性進行分析;文獻[11-14]對鋰電池環境溫度與內阻預測SOC進行實驗測試，但是沒有考慮放電倍率對內阻的影響;文獻[15-16]對鋰電池內阻中的歐姆內阻與極化內阻進行了詳細測試，討論了SOC與內阻之間的關系。因為退役鋰電池其內部參數特性與全新鋰電池有所不同，上述方法并沒有考慮電池老化帶來的影響。

本文通過混合動力脈沖特性方法在不同環境溫度以及不同放電倍率下對退役鋰電池進行內阻測試，進一步研究退役鋰電池內阻與SOC的關系，為實現退役鋰電池梯次利用奠定了基礎。

1 實驗平臺以及研究對象

本文以電動汽車淘汰的18650鋰離子電池為研究對象，額定電壓為3.7 V，充電截止電壓為4.2 V，充電截止電流為0.1 A，放電截止電壓為2.75 V，額定容量為2 000 mAh。實驗平臺及設備如圖1所示，測試所用設備是深圳新威爾新能源技術有限公司生產的CT-4008-5V6A-S1測試儀、CT-ZWJ-4’S-T-1U 4’s中位機、上海灼智電子科技有限公司生產的EBC-A10多功能電子負載、湖南前沿科技有限公司生產的DW-40低溫試驗箱以及固緯公司生產的LCR-819高精度LCR測試儀。以上設備都經過精準校驗，測試所得數據準確可靠。BTS 7.6X電池檢測系統是基于網絡版BTS上位機軟件研發的升級版本，支持電池組單體電壓和溫度的測量功能、DCIR直流內阻測量功能和脈沖工步等，LCR-819測試頻率范圍為12 Hz～100 kHz,基本精確度是0.05%，可以滿足退役鋰電池內阻的測試，低溫試驗箱最低可測-40 ℃，能滿足本研究的溫度要求，每次調整所需溫度值時，需要靜置一段時間，待溫度穩定后即可開始測試。

圖1 實驗平臺及設備

2 退役鋰電池內阻測試

2.1 退役鋰電池內阻

采用混合動力脈沖特性(Hybrid Pulse Power Characterization，HPPC)[17-18]實驗方法在不同環境溫度、不同放電倍率下對退役鋰電池進行歐姆內阻測試，實驗原理如圖2所示。

圖2 HPPC實驗原理圖

剛開始放電時，由于歐姆內阻存在，會產生一個瞬時壓降，因此需要有高測試精度和瞬時響應的系統進行測試。隨后，由于極化內阻的存在，會產生一個新壓降。在充電過程中，歐姆內阻也會產生一個瞬時壓降，之后就是極化內阻發揮作用。在放電過程中歐姆內阻發揮作用之后，可以明顯看到壓降變緩慢了，這是因為極化內阻發生了作用，此時的內阻是由鋰離子的濃度和移動速度決定的，因此稱為極化內阻，它是動態變化的，與電流強度和測試時間都有關系。由圖1可知，在60～70 s這段時間內，極化內阻發揮作用，電壓變化逐漸緩慢。

2.2 退役鋰電池內阻測試方法

對18650鋰電池進行室溫(25℃)下內阻測試，測試結果用于與后續實驗結果比較。

2.2.1 不同SOC的歐姆內阻測試

(1)不同容量的選取(每隔6 min記錄一次)

分別在10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%的SOC容量下，用電橋直接測量出不同容量下的內阻示數。

(2)不同電壓的選取

18650鋰電池的截止電壓為4.2 V，終止電壓為2.75 V，因此分別選取鋰電池充放電過程中電壓達到2.895，3.04，3.185，3.330，3.475，3.620，3.765，3.910，4.055，4.20 V時，用電橋直接測量出不同電壓下的內阻示數。

2.2.2 不同溫度內阻測試

① 利用低溫試驗箱，設置溫度分別為-20，-10，0，10，20 ℃；

② 重復2.2.1步驟，記錄數據，分析內阻特性。

2.2.3 不同放電倍率、不同溫度內阻測試

① 利用低溫試驗箱，設置溫度分別為-20，-10，0，10，20 ℃；

② 重復2.2.1步驟，記錄數據，分析內阻特性；

③ 將步驟②中放電倍率設為2C(4 A)后，重復2.2.1步驟。

3 內阻測試實驗分析

在常溫下，對18650退役鋰電池進行內阻測試，其結果如表1和圖3所示，常溫測試下，內阻均方誤差為0.272 2，平均值為0.521 6，最大值為0.541 7，最小值為0.499 8，但是此實驗并未考慮溫度及放電倍率對內阻特性的影響。

為進一步研究退役鋰電池內阻特性，加入環境溫度影響，1C不同溫度充放電時內阻-SOC曲線實驗結果如圖4和圖5所示。由圖4可知，在1C充電過程中，在SOC值兩端時變化較劇烈，SOC在20%～70%范圍內，其內阻相對穩定，并且隨著溫度的降低，18650退役鋰電池的內阻出現緩慢增長。由圖5可知，在1C放電過程中，隨著SOC的增大，18650退役鋰電池的內阻逐漸增大，且溫度越高，內阻值越大。2C不同溫度充放電時內阻-SOC曲線如圖6和圖7所示，以2C放電倍率在不同溫度下充放電，18650退役鋰電池呈現相同的特性。

表1 常溫下內阻測試

常溫下內阻測試(25℃)電池編號電壓/V內阻/?13.2360.5123.2650.508 632.9630.532 143.2520.528 853.1970.53163.2130.52873.1420.541 783.2840.535 193.260.530 7104.1450.523 8113.4220.531 3123.4270.523 2133.4240.512 8電池編號電壓/V內阻/?143.4640.522 5153.4580.529163.4080.527 5173.410.531 7183.3970.519 6193.3990.512203.3960.505 4213.4570.499 8223.3970.503 7233.4440.524 7243.3860.512 9253.3870.513 9

圖3 常溫下內阻測試電壓-內阻分布圖

圖4 1C不同溫度充電時內阻-SOC曲線

圖5 1C不同溫度放電時內阻-SOC曲線

圖6 2C不同溫度充電時內阻-SOC曲線

圖7 2C不同溫度放電時內阻-SOC曲線

將不同環境溫度、不同放電倍率實驗進行整合，分析18650退役鋰電池內阻特性與環境溫度、放電倍率和SOC之間的關系。不同倍率充放電時內阻-SOC曲線如圖8和圖9所示，充電過程中除18650退役鋰電池剛充電及充滿電情況外，內阻變化較穩定；放電過程中隨著SOC的增大，18650退役鋰電池的內阻逐漸增大，且溫度越高，放電倍率越小，退役鋰電池內阻則越大。

圖8 不同倍率充電時內阻-SOC曲線

圖9 不同倍率放電時內阻-SOC曲線

4 結束語

為了實現退役鋰電池的梯次利用，在不同溫度、不同放電倍率情況下，對18650退役鋰電池的內阻與SOC的關系進行進一步研究，通過實驗結果分析可知，退役鋰電池在充電實驗中，溫度變化、放電倍率對其內阻影響不明顯；放電實驗中，環境溫度與退役鋰電池內阻呈正相關，溫度越高，內阻值越大；放電倍率與SOC呈負相關，放電倍率越小，退役鋰電池內阻越大，相同放電倍率下，退役鋰電池內阻隨電池SOC的減小而減??；同一SOC值下，隨著溫度的上升，退役鋰電池內阻逐漸變大，放電倍率越大，退役鋰電池內阻越小。因此，退役鋰電池由環境溫度、放電倍率和SOC共同影響，為退役鋰電池的分類梯次利用提供了參考，具有現實意義。