1 引言

以三元體系的51Ah方形動(dòng)力電池作為研究對(duì)象，從電池SOC狀態(tài)、脈沖電流、脈沖時(shí)間、測(cè)試溫度以及使用工況各個(gè)方面進(jìn)行了全面的測(cè)試分析，在實(shí)際應(yīng)用中可以作為三元體系電池直流內(nèi)阻測(cè)試的參考依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 測(cè)試對(duì)象

所選用的測(cè)試樣本為NCM體系方形鋰離子動(dòng)力電池，單體容量51Ah，平臺(tái)電壓3.65V。 所用測(cè)試設(shè)備為Arbin充放電設(shè)備以及高低溫箱。

2.2 測(cè)試方法

(1)將電池在25±2℃溫箱中做容量測(cè)試，測(cè)試流程如下：

①休眠2min；

②用1C(1C=51A) 電流將電池放電至2.0V；

③休眠2mi n；

④用1C電流將電池恒流恒壓充電至4.2V；

⑤重復(fù)步驟①～④，以第二次放電的容量作為電池的實(shí)際容量。

(2)放電DCIR測(cè)試：

①充滿電的電池靜止1h；

②使用1C電流將電池調(diào)整至目標(biāo)SOC；

③靜止30min，記錄此時(shí)的電壓V0作為相應(yīng)SOC的OCV；

④使用放電電流I1放電t s，記錄第t s的電壓V1；

⑤放電直流內(nèi)阻的計(jì)算公式：

(3)充電DCIR測(cè)試：

①放空電的電池靜止1h；

②用1C電流充電至目標(biāo)SOC；

③靜止30min，記錄此時(shí)電壓V0作為相應(yīng)SOC下的OCV；

④用充電電流I2充電t s，記錄第t s的電壓V1；

⑤充電直流內(nèi)阻的計(jì)算方式：

3 結(jié)果與討論

3.1 不同SOC對(duì)直流內(nèi)阻的影響

根據(jù)2.2所述的測(cè)試方法進(jìn)行不同SOC下的充電直流內(nèi)阻和放電直流內(nèi)阻測(cè)試，放電脈沖電流為I1=5C，充電脈沖電流為I2=3C，脈沖時(shí)間t=10s。 測(cè)試結(jié)果分別見圖1(a) 和圖1(b)。

從測(cè)試結(jié)果可以看到，不同SOC狀態(tài)對(duì)DCIR的測(cè)試結(jié)果有較大的影響，且充電DCIR和放電DCIR數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)出隨著SOC的升高逐漸降低的趨勢(shì)，20％SOC以上的DCIR趨于穩(wěn)定。

分析其原因與電池內(nèi)部的反應(yīng)過程有關(guān)。 在低SOC下，電荷轉(zhuǎn)移阻抗較高，隨著SOC逐漸增大，電荷轉(zhuǎn)移阻抗減小，DCIR也逐漸減小。

3.2 電流大小對(duì)直流內(nèi)阻的影響

參考2.2，將測(cè)試樣品調(diào)整至50％SOC狀態(tài)，分別以I1=C，1.5C，2C，3C，5C的電流進(jìn)行脈沖放電，以I2=lC，1.5C，2C，3C的電流進(jìn)行脈沖充電，計(jì)算并對(duì)比脈沖10s時(shí)候的DCI R值，以研究脈沖電流大小對(duì)直流內(nèi)阻測(cè)試結(jié)果的影響，測(cè)試結(jié)果如圖2。

放電脈沖電流在1～5C，充電電流在1～3C時(shí)，50％SOC下測(cè)得的放電DCIR和充電DCIR的測(cè)試結(jié)果均呈現(xiàn)出隨著電流增大而逐漸減小的趨勢(shì)。 而參考其他文獻(xiàn)對(duì)三元體系電池的的研究結(jié)果，則呈現(xiàn)出充電DCIR隨著電流增大而增大，放電DCIR隨著電流增大而減小的趨勢(shì)，與本文研究結(jié)果并不一致，說明DCIR隨電流變化的趨勢(shì)與電池的體系設(shè)計(jì)也有一定的關(guān)系。

3.3 脈沖時(shí)間對(duì)直流內(nèi)阻的影響

為驗(yàn)證脈沖時(shí)問對(duì)直流內(nèi)阻的影響，參考2.2的測(cè)試方法，對(duì)脈沖放電和脈沖充電時(shí)問在1～30s的DCIR進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比( 由于該電池50％SOC以上的DCIR差異較小，為便于對(duì)比，此處僅對(duì)50％SOC以下的數(shù)據(jù)進(jìn)行了展示) ，測(cè)試結(jié)果分別見圖3(a)和圖3(b) 。

測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)脈沖時(shí)間在1～5s時(shí)，充電和放電DCIR均呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)； 當(dāng)脈沖時(shí)間在5～30s時(shí)，DCIR增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，逐漸偏離線性。 該現(xiàn)象是由于隨著脈沖時(shí)問的增加，電池內(nèi)部傳質(zhì)阻抗增加，并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，因此DCIR的變化也逐漸偏離線性。

且隨著SOC狀態(tài)升高，DCIR減小，DCIR隨時(shí)間的增長(zhǎng)率也越小。 該現(xiàn)象與高SOC下的電荷轉(zhuǎn)移阻抗較小有關(guān)。

3.4 溫度對(duì)直流內(nèi)阻的影響

參考2.2在不同溫度下進(jìn)行直流內(nèi)阻測(cè)試，并根據(jù)不同溫度下的充放電能力調(diào)整脈沖電流的大小，測(cè)試結(jié)果如圖4。

可以看到，隨著溫度的降低，放電DCIR和充電DCIR均逐漸升高。 這是因?yàn)殡S著溫度的降低，電解液粘度增大，且離子移動(dòng)速度減慢，化學(xué)反應(yīng)速度降低，電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻都會(huì)增大，因此測(cè)出的DCIR會(huì)呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。

3.5 使用工況對(duì)直流內(nèi)阻的影響

考慮鋰離子電池在實(shí)際應(yīng)用時(shí)有不同的使用工況，因此也對(duì)不同使用工況下的直流內(nèi)阻變化情況進(jìn)行了研究分析。

將測(cè)試樣品分別在25℃，35℃，45℃環(huán)境下進(jìn)行1C充放電循環(huán)，每循環(huán)100次，參考2.2的測(cè)試方法將電池調(diào)整至50％SOC，使用1C脈沖放電30s，并采用式(1) 計(jì)算第30s的放電DCIR數(shù)據(jù)，以觀察DCIR隨循環(huán)次數(shù)變化情況。 圖5(a) 和圖5(b)分別展示了不同溫度下的循環(huán)衰減趨勢(shì)和循環(huán)過程中的放電直流內(nèi)阻變化趨勢(shì)。

從圖中可以看到，三個(gè)溫度下循環(huán)的容量衰減趨勢(shì)不同，循環(huán)過程中的DCIR變化也呈現(xiàn)出截然不同的趨勢(shì)，且溫度越高，DCIR隨循環(huán)次數(shù)的增加越快。 這是因?yàn)殡姵卦谘h(huán)過程中的容量衰減主要有以下三個(gè)原因：

(1)電池內(nèi)部副反應(yīng)導(dǎo)致活性鋰損失；

(2)電池內(nèi)活性物分解，結(jié)構(gòu)的裂化、電極分層等；

(3)因活性材料表面固態(tài)電解質(zhì)膜逐漸增厚、隔膜電導(dǎo)率降低等導(dǎo)致接觸阻抗增大。

而直流內(nèi)阻的增加則是這三種因素累加的結(jié)果。 電池內(nèi)部的副反應(yīng)、電極劣化速度等都會(huì)隨著溫度的升高而加劇，因此直流內(nèi)阻也會(huì)隨著溫度的升高而增長(zhǎng)較快。

綜上，對(duì)三元體系的方形鋰離子動(dòng)力電池在不同條件下的DCIR測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了測(cè)試和分析，根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知：

(1)直流內(nèi)阻隨著SOC的升高呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，20％SOC以上DCIR趨于穩(wěn)定。

(2)放電脈沖電流在1～5C，充電電流在1～3C時(shí)，50％SOC下測(cè)得的放電DCIR和充電DCIR的測(cè)試結(jié)果均呈現(xiàn)出隨著電流增大而逐漸減小的趨勢(shì)。 但是不同體系設(shè)計(jì)的電池可能會(huì)有不同的趨勢(shì)。

(3)脈沖時(shí)間在1～5s時(shí)，DCIR呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)； 脈沖時(shí)問在5～30s時(shí)，DCIR增長(zhǎng)趨勢(shì)則逐漸偏離線性現(xiàn)象。

(4) 隨著溫度降低，電池的DCIR會(huì)逐漸升高。

(5) 不同使用工況下直流內(nèi)阻的增長(zhǎng)趨勢(shì)也不同。

4 結(jié)論

通過不同條件下的直流內(nèi)阻測(cè)試，對(duì)影響方形三元體系鋰離子電池直流內(nèi)阻的因素進(jìn)行了分析。 根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，影響鋰離子電池直流內(nèi)阻的因素很多，因此在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)該根據(jù)需求進(jìn)行相應(yīng)條件下的直流內(nèi)阻測(cè)試，且需要注意測(cè)試條件的一致性，才能保證測(cè)試結(jié)果的可信度。

審核編輯：湯梓紅