不同連接方式對鋰電池直流內阻測試的影響 ①

韓裕汴，張景斐，劉保能，李國國

(洛陽銀隆新能源有限公司，河南 洛陽 471003)

1 引言

內阻是評價電池性能的重要指標之一。鋰電池內阻的測試包括交流內阻和直流內阻，交流內阻又稱歐姆內阻,主要由電極材料、電解液、隔膜內阻及各部分零件的接觸內阻組成；直流內阻值不僅包括了鋰電池歐姆內阻，還包括了一些極化電阻[1-3]。鋰電池的直流內阻受環境溫度、測試時電流倍率、SOC(荷電狀態)、測試設備與電池連接方式等各種因素的影響，測試設備與電池的連接方式對直流內阻的影響幾乎沒有報道[4,5]。目前業界尚沒有鋰電池直流內阻測試標準的詳細方法，尤其是測試設備鋰與電池的連接方式，不同連接方式測試出結果差別非常大。

本文以LFP-80 Ah方形鋰離子電池為研究對象，研究了不同測試連接方式對鋰電池直流內阻影響。常用的直流內阻測試方法主要有3種：美國《Freedom CAR電池測試手冊》中的HPPC測試方法[6]；日本JEVSD713 2003測試方法[7]；我國“863”計劃電動汽車專項《HEV用高功率鋰離子動力蓄電池性能測試規范》3.2.9中提出的測試方法[8]。無論是上述哪一種方法，都沒有對測試設備線纜與電池如何連接做出詳細描述。要測量的電池的內阻基本上在毫歐姆級別，這就要求測試設備采集到電壓、電流的準確具有高度的可靠性與穩定性，否則會造成計算出的直流內阻有重大偏差。所以，測量電池內阻時必須采用合理的措施減少測量誤差[9-11]。目前業內主流的測試直流內阻的方法是上述的美國測試方法[6]。根據物理公式R=V/I，電池在短時間內(一般為1～10 s)強制通過一個恒定直流大電流(3 C～5 C)，測量此時電池兩端的電壓差，并按公式計算出鋰電池直流內阻。直流內阻要求測試過程中對電池電壓快速準確地測量[12]。因此，電壓采集線需與電池直接接觸以準確采集到的電池本身的真實電壓，且電壓采集線不能受測試電流干擾。另外測試設備的電纜線為“四線制”，電流采集線與電壓采集線相互獨立。

2 實驗部分

本文采用方形磷酸鐵鋰電芯，標稱容量為80 Ah，電壓范圍為2.5 V～3.65 V。直流內阻測試方法參照上述美國測試方法[5]，測試設備使用北京大華5 V/200 A電池測試設備，恒溫設備采用愛斯佩克恒溫箱，外部電壓監控設備為日置HIOKI LR8431記錄儀(具備電壓監測功能)。所有設備都經過計量校準，測試數據準確可靠。測試步驟如下：

1)電池放置在25 ℃恒溫箱中，將電池以80 A(1 C)電流恒流放電至截止電壓2.5 V，靜置30 min，以80 A恒流充電至3.65 V轉恒壓充電，截止電流4 A(0.05 C)；靜置30 min；

2)室溫下，將電池以80 Ah電流恒流放電至截止電壓2.5 V，記錄放電容量Cq；按上述步驟1)方法充電。將電池荷電調整為50% SOC；

3)將電荷調整為50% SOC的電池按照如圖1所示連接在測試設備上，首先，用螺栓和螺母將電壓、電流采集設備的正極采集片分別連接在電池正極極耳的上、下兩側；然后同樣方法將電壓、電流采集設備的負極采集片分別固定在電池負極極耳的上、下兩側。本測試過程使用扭力扳手鎖緊螺栓，扭矩8 N·m。以確保連接無松動；

圖1 測試設備電纜線分居在電池極耳異側的連接方式Fig.1 The cable is located on the upper and lower sides of the battery lug.

4)作為參比對照，將外部電壓監控設備日置HIOKI LR8431記錄儀正極、負極電壓采集線分別連接在電池正極、負極極耳上，記錄電壓采集數據，采集頻率為100 ms。

5)室溫下，靜置1 h，記錄電壓V0；以400 A(5 C)電流放電10 s，記錄電壓V1；靜置40 s，記錄電壓V2；以240 A(3 C)電流充電10 s，記錄電壓V3。然后分別利用公式Rd=(V0-V1)/400 A*1 000，Rc=(V3-V2)/240 A*1 000計算直流內阻，其中Rd、Rc分別代表放電脈沖內阻、充電脈沖內阻[6]。

6)拆卸掉電池，重復步驟1)-5)5次；測試的電壓平均值及直流內阻計算平均結果如下表1所示；

表1 放電及充電直流內阻平均值測試結果Table 1 Test results of DC internal resistance for discharge and charge.

重復步驟1)到2)；將電荷調整為50% SOC的電池按照行業內常用如圖2所示的連接方式連接在測試設備上：用螺栓、墊片依次將測試設備的正極電流、電壓采集線連接在電池正極極耳上側表面；用相同的方法將測試設備的負極電壓、電流采集線連接固定在電池的負極上。同樣的，使用扭力扳手鎖緊螺栓，扭矩8 N·m。以確保連接無松動。

圖2 測試設備電纜線位居在電池極耳同側的連接方式Fig.2 The connection mode of the cable located on the same side of the battery lug.

7)重復上述步驟5)；

8)拆卸掉電池，重復步驟7)-8)5次；測試的電壓平均值及直流內阻計算平均結果如下表2所示；

表2 放電及充電直流內阻測試結果Table 2 Test results of DC internal resistance for discharge and charge.

9)為對比本次測試方法測試直流內阻結果，利用外部電壓采集裝置對電池極耳電壓進行采集，測試的電壓平均值及直流內阻計算平均結果如下表3所示；

表3 放電及充電直流內阻測試結果Table 3 Test results of DC internal resistance for discharge and charge.

3 結果與討論

本文采用50% SOC狀態下的方形磷酸鐵鋰電池作為研究對象，恒溫箱溫度控制在25 ℃。研究測試設備電壓、電流采集線與電池之間不同連接方式對直流內阻的影響。

測試設備電壓、電流采集線分居與電池極耳異側的連接方法測試結果表明：連續5次重復測試，放電直流內阻測試結果與參比對照測試結果最大相對誤差為±0.5%，充電直流內阻測試結果與參比對照測試結果最大相對誤差在±0.7%，均在±1%之內；另外5次測試結果重復性較高，相對偏差均在±0.5%之內，說明了該種連接方式下，直流內阻的測試結果具有較高的準確性、可靠性及穩定性。測試設備電壓、電流采集線位居于電池極耳同側的連接方法測試結果表明：放電直流內阻測試結果與參比對照的相對偏差為±9%，充電直流內阻的測試結果的相對偏差為±6%；另外5次測試均呈現出重復性較差，說明該連接方式下測試結果準確性低、穩定性差；這種連接方式也是業內常用的連接方式。另外，我們對測試電纜線位居電池極耳同側的不同情況也進行了實驗，無論電流、電壓采集線的次序如何，均呈現出重復性差且與參比對照測試結果偏差大的現象，本文不作詳細敘述。本實驗中的兩者的連接次序為電壓采集線壓在電流采集線上面。

不同連接方式下測試得的直流內阻結果的差異性，根本原因在于測試設備電壓采集線所處點位是能夠否采集電池的真實電壓，且不受測試電流影響。圖1所示連接方式，測試設備電壓采集線直接接觸電池極耳，且在測試過程中，電流流經電池極耳上側表面，不會經過電壓采集線；圖2所示連接方式，試設備電壓、電流采集線緊挨著，此時采集到的電壓不是電池真實電壓，而是電流線上的電壓；而且流經的電流也會影響電壓的采集。

參比對照測試方法為上述測試步驟4，測試結果如表3所示。不同連接方式下直流內阻測試結果與參比對照測試結果對比曲線如圖3所示。曲線顯示：最優連接方式下的測試結果與參比測試結果基本一致；另一種連接方式下的測試結果與參比對照測試結果偏差巨大，且重現性較差。由于日置HIOKI LR8431記錄儀只具備電壓采集功能，不具備充放電功能，不能作為常規的工具測試直流內阻。

圖3 不同連接方式下直流內阻測試結果Fig.3 Test results of DC internal resistance for different connection modes.

4 結論

本文以80 Ah磷酸鐵鋰方形電池為研究對象，研究了測試電池與測試設備之間的連接方式對直流內阻測試的影響，研究顯示測試設備上電纜線與鋰電池的最優連接方式是：電纜線上電壓采集線、電流采集線分居在電池極耳異側。該種連接方式下直流內阻測試結果相對誤差在±1%之內，極大的提高了測試結果的準確性和可靠性。