锂电池内阻特性建模

锂电池内阻特性建模
魏增福;曾国建;刘新天;王超;钟国彬
【摘要】锂电池内阻特性建模是国内外研究的前沿问题之一,锂电池的内阻可对其衰减特性、热特性、功率特性以及荷电状态估计产生较大影响.锂电池内阻受众多因素的影响,并且其本身数值较小会导致测试精度问题,而对锂电池在不同影响因素下的内阻进行建模是研究的薄弱环节.针对此问题,测试了锂电池在不同测试倍率、SOC以及温度下的欧姆内阻,并对测试结果展开分析,依据分析结果对不同影响因素下的电池内阻进行建模,仿真和拟合结果验证了理论分析.
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2018(042)011
【总页数】3页(P1629-1631)
【关键词】锂电池;欧姆内阻;内阻测试;内阻建模
【作者】魏增福;曾国建;刘新天;王超;钟国彬
【作者单位】广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;合肥工业大学汽车工程技术研究院,安徽合肥230009;合肥工业大学汽车工程技术研究院,安徽合肥230009;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州510080
【正文语种】中文
【中图分类】TM912.9
受能源危机与环境危机的影响，电动汽车产业得到了很快的发展。

而锂电池作为电动汽车的主流动力来源则备受关注。

内阻是锂电池的一项关键参数，是衡量电子和离子在电极内传输难易程度的主要标志，因此它直接决定着锂电池组的可用功率，对电动汽车的动力性产生影响。

同时内阻也是决定电池工作时产热量大小的关键参数之一。

锂电池的内阻也反映着锂电池的健康状态，与电池刚出厂时相比，随着电池循环次数的增加，电池内部化学物质活性降低以及电极材料老化，会导致电池内阻逐渐增加，因此根据内阻变化也是估计锂电池健康状态的方式之一。

锂电池的总内阻为欧姆内阻与极化内阻之和，欧姆内阻主要和电池材料有关，由电极材料、电解液、隔膜的电阻及各部分零件的接触电阻组成。

极化电阻是指电池正负极在进行电化学反应时极化所引起的内阻，是电化学极化和浓差极化所引起的电阻之和[1-2]。

已有研究表明，在锂电池的全生命周期中，锂电池的总内阻变化是
由欧姆内阻引起的[3]。

锂电池的欧姆内阻与测试倍率、温度、SOC以及测试方法有关。

文献[4]对不同倍率与SOC下的电池内阻进行了测试，给出了实验结果，但缺少对锂电池内阻特性的进一步分析。

文献[5]和文献[6]对不同温度与SOC下的锂电池内阻进行测试并
拟合，建立了基于温度的三次多项式模型以及Arrhenius模型，但缺少对测试倍
率影响的测试与分析。

文献[7]对不同SOC下的欧姆内阻以及极化内阻进行了测试，重点分析了SOC对电池内阻的影响。

文献[8]采用电化学阻抗普法对宽温度区间下的阴极内阻、阳极内阻进行了分析，并给出了一个简化的温度-内阻模型。

综上所述，目前国内外已有相关成果对锂电池内阻特性的影响因素与内阻模型进行了研究，但还缺乏系统性的分析与建模。

针对此问题，本文以磷酸铁锂电池作为研究对象，通过对不同测试方法、倍率、温度以及SOC下的锂电池欧姆内阻进行测试，分析上述影响因素对锂电池欧姆内阻的影响，并基于分析结果建立锂电池的内
阻模型。

1 锂电池内阻测试实验方法
目前，国内外相关标准中都规定了电池内阻的测试方法，包括我国科技部“863”项目《HEV用高功率金属氢化物(锂离子)动力蓄电池性能测试规范》[9]，日本电
动车辆协会标准《JEVS D713 20035混合动力电动汽车用密闭型氢镍电池的输出
密度及输入密度实验方法》[10]，以及美国FreedomCAR项目《功率辅助型混合动力汽车用动力电池测试手册》等。

本文采用《功率辅助型混合动力汽车用动力电池测试手册》[11]中的混合动力脉冲特性(hybrid pulse power characterization,HPPC)[12]实验方法来对不同倍率、温度以及SOC下的锂电池
欧姆内阻展开测试。

其中HPPC实验的测试原理与测试方法见图1。

图1 HPPC实验原理
如图1所示，对锂电池组进行大电流脉冲实验。

当施加放电脉冲时，由于锂电池
欧姆内阻的存在，锂电池的端电压会有一个突然得下降，之后锂电池端电压缓慢下降，该过程主要受电池组极化内阻的影响；当脉冲停止时，锂电池端电压会突然上升，之后缓慢上升，直至极化效应消失，锂电池端电压等于开路电压；而在充电过程中，锂电池电压波形与放电波形相反，但通常可以认为锂电池的充放电内阻相等。

因此锂电池的欧姆内阻与极化内阻可用下式来表示：
式中：Rohm为锂电池欧姆内阻；ΔUohm为欧姆电压；IB为脉冲电流；Rpoll为锂电池极化内阻；ΔUpoll为极化电压。

2 实验过程
为了测量不同倍率、温度以及SOC对锂电池内阻的影响，本文选用16串9 Ah锂电池组进行实验。

实验选用80 V 100 A充放电柜对锂电池进行充放电，在锂电池充放电过程中，将其全部放置于可控恒温箱中控制锂电池温度。

具体的实验过程如
下：
(1)将9 Ah的锂电池静置于20℃的恒温箱中静置，充满电后，再静置 30 min，然后分别以 0.2C、0.5C、1C、2C、4C的电流进行图1中的HPPC实验，测量并记录锂电池端电压；
(2)以1/3C的电流对锂电池组进行放电，放电至90%SOC的电量，并静置30 min；
(3)分别以0.2C、0.5C、1C、2C、4C的电流进行图1中的HPPC实验，测量并记录锂电池端电压；
(4)重复步骤(2)和步骤(3)，依次得到 90%、70%、50%、30%以及10%SOC下不同倍率的锂电池内阻值；
(5)调整恒温箱的温度依次为－20、0、20、40℃，重复步骤(1)到步骤(4)，得到不同温度下的锂电池内阻值。

3 结果与分析
3.1 倍率对锂电池欧姆内阻的影响
图2是20℃下不同倍率-SOC下的内阻变化，图3是70%SOC下不同倍率-温度
下的内阻变化。

可以看出，在HPPC内阻测试方法中，随着电池测试倍率的增大，电池内阻逐渐增大，但在低倍率下，电池内阻特性表现并不一致，其主要原因是在低倍率的脉冲放电下，电池端电压变化较小，受测量仪器精度的影响，其内阻测量误差较大。

图2 不同倍率-SOC下的内阻变化
图3 不同倍率-温度下的内阻变化
3.2 温度对锂电池欧姆内阻的影响
图4 不同温度-倍率下的内阻变化
图5 不同温度-SOC下的内阻变化
图4为70%SOC下不同温度-倍率下的内阻变化。

图5为4C脉冲放电倍率下的不同-温度SOC的内阻变化。

可以看出随着温度的降低，电池内阻逐渐增加，尤其是在低温情况下，内阻迅速增高；在－20℃下，电池内阻约为常温(20℃)下的3.5倍，而电池温度从0℃升高到40℃时，电池的内阻从常温下内阻的1.75倍降至60%。

3.3 SOC对锂电池欧姆内阻的影响
图6为常温(20℃)下SOC-倍率下的内阻变化，图7为4C倍率下不同SOC-温度
的内阻变化情况。

可以看出，不同SOC下的内阻曲线呈现出中间小，两端大的情况，即在较低SOC下以及满电状态下，电池SOC略高，但总体可以看出在30%～90%SOC下电池的内阻基本不变。

图6 不同SOC-倍率下的内阻变化
图7 不同SOC-温度下的内阻变化
4 电池内阻模型
基于上述分析，本项目建立基于环境温度与测试倍率的内阻模型，由图4和图5
可知，电池内阻与测试倍率的关系近似呈线性关系，而从图6和图7可知，电池
内阻与温度的关系近似呈多项式关系，为此，本项目拟依照如下内阻模型进行拟合：
拟合结果如图8所示。

拟合结果如图8与表1所示，其拟合结果的R2为0.994，RMSE为0.11，表明
拟合的内阻模型取得了很好的结果。

图8 内阻模型参数拟合
表1 模型主要参数参数 a b c d
5 结语
温度、SOC以及测试倍率对电池内阻的测试影响较大，尤其是在低温条件下，锂
电池的内阻变化剧烈，对锂电池的功率特性、热特性、衰减特性以及荷电状态的研
究与估计会造成较大影响。

本文对锂电池内阻特性展开研究，分别对不同温度、不同SOC以及不同测试倍率下的锂电池内阻展开测试，根据测试结果对环境温度、SOC以及测试倍率对锂电池内阻特性的影响展开分析。

根据分析结果，电池内阻
与温度呈二次多项式关系，与倍率呈一次多项式关系，而在30%～90%SOC，内阻变化很小，据此建立锂电池的内阻模型，取得了很好的效果，为后续锂电池功率特性、热特性、衰减特性以及荷电状态估计奠定基础。

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