鋰電池內(nèi)阻特性建模

鋰電池內(nèi)阻特性建模魏增福;曾國(guó)建瀏新天;王超;鐘國(guó)彬【摘要】鋰電池內(nèi)阻特性建模是國(guó)內(nèi)外研究的前沿問(wèn)題之一,鋰電池的內(nèi)阻可對(duì)其衰減特性、熱特性、功率特性以及荷電狀態(tài)估計(jì)產(chǎn)生較大影響.鋰電池內(nèi)阻受眾多因素的影響，并且其本身數(shù)值較小會(huì)導(dǎo)致測(cè)試精度問(wèn)題,而對(duì)鋰電池在不同影響因素下的內(nèi)阻進(jìn)行建模是研究的薄弱環(huán)節(jié).針對(duì)此問(wèn)題，測(cè)試了鋰電池在不同測(cè)試倍率、SOC以及溫度下的歐姆內(nèi)阻，并對(duì)測(cè)試結(jié)果展開(kāi)分析依據(jù)分析結(jié)果對(duì)不同影響因素下的電池內(nèi)阻進(jìn)行建模，仿真和擬合結(jié)果驗(yàn)證了理論分析.【期刊名稱(chēng)】《電源技術(shù)》【年(卷)，期】2018(042)011【總頁(yè)數(shù)】3頁(yè)(P1629-1631)【關(guān)鍵詞】鋰電池;歐姆內(nèi)阻;內(nèi)阻測(cè)試;內(nèi)阻建?！咀髡摺课涸龈?曾國(guó)建瀏新天;王超;鐘國(guó)彬【作者單位】廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州510080;合肥工業(yè)大學(xué)汽車(chē)工程技術(shù)研究院，安徽合肥230009;合肥工業(yè)大學(xué)汽車(chē)工程技術(shù)研究院，安徽合肥230009;廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院廣東廣州I510080;廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州I510080【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TM912.9受能源危機(jī)與環(huán)境危機(jī)的影響，電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)得到了很快的發(fā)展。而鋰電池作為電動(dòng)汽車(chē)的主流動(dòng)力來(lái)源則備受關(guān)注。內(nèi)阻是鋰電池的一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，是衡量電子和離子在電極內(nèi)傳輸難易程度的主要標(biāo)志，因此它直接決定著鋰電池組的可用功率，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性產(chǎn)生影響。同時(shí)內(nèi)阻也是決定電池工作時(shí)產(chǎn)熱量大小的關(guān)鍵參數(shù)之一。鋰電池的內(nèi)阻也反映著鋰電池的健康狀態(tài)，與電池剛出廠時(shí)相比，隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加，電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)活性降低以及電極材料老化，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻逐漸增加，因此根據(jù)內(nèi)阻變化也是估計(jì)鋰電池健康狀態(tài)的方式之一。鋰電池的總內(nèi)阻為歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻之和，歐姆內(nèi)阻主要和電池材料有關(guān)，由電極材料、電解液、隔膜的電阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化電阻是指電池正負(fù)極在進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時(shí)極化所弓I起的內(nèi)阻，是電化學(xué)極化和濃差極化所弓I起的電阻之和［1-2］。已有研究表明，在鋰電池的全生命周期中，鋰電池的總內(nèi)阻變化是由歐姆內(nèi)阻引起的［3］。鋰電池的歐姆內(nèi)阻與測(cè)試倍率、溫度、SOC以及測(cè)試方法有關(guān)。文獻(xiàn)［4］對(duì)不同倍率與SOC下的電池內(nèi)阻進(jìn)行了測(cè)試，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但缺少對(duì)鋰電池內(nèi)阻特性的進(jìn)一步分析。文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］對(duì)不同溫度與SOC下的鋰電池內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)試并擬合，建立了基于溫度的三次多項(xiàng)式模型以及Arrhenius模型，但缺少對(duì)測(cè)試倍率影響的測(cè)試與分析。文獻(xiàn)［7］對(duì)不同SOC下的歐姆內(nèi)阻以及極化內(nèi)阻進(jìn)行了測(cè)試，重點(diǎn)分析了SOC對(duì)電池內(nèi)阻的影響。文獻(xiàn)［8］采用電化學(xué)阻抗普法對(duì)寬溫度區(qū)間下的陰極內(nèi)阻、陽(yáng)極內(nèi)阻進(jìn)行了分析，并給出了一個(gè)簡(jiǎn)化的溫度吶阻模型。綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)成果對(duì)鋰電池內(nèi)阻特性的影響因素與內(nèi)阻模型進(jìn)行了研究，但還缺乏系統(tǒng)性的分析與建模。針對(duì)此問(wèn)題，本文以磷酸鐵鋰電池作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)不同測(cè)試方法、倍率、溫度以及SOC下的鋰電池歐姆內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)試，分析上述影響因素對(duì)鋰電池歐姆內(nèi)阻的影響，并基于分析結(jié)果建立鋰電池的內(nèi)阻模型。1鋰電池內(nèi)阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法目前，國(guó)內(nèi)夕卜相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定了電池內(nèi)阻的測(cè)試方法，包括我國(guó)科技部“863”項(xiàng)目《HEV用高功率金屬氫化物(鋰離子)動(dòng)力蓄電池性能測(cè)試規(guī)范》［9］,日本電動(dòng)車(chē)輛協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《JEVSD71320035混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)用密閉型氫鎳電池的輸出密度及輸入密度實(shí)驗(yàn)方法》［10］，以及美國(guó)FreedomCAR項(xiàng)目《功率輔助型混合動(dòng)力汽車(chē)用動(dòng)力電池測(cè)試手冊(cè)》等。本文采用《功率輔助型混合動(dòng)力汽車(chē)用動(dòng)力電池測(cè)試手冊(cè)》［11］中的混合動(dòng)力脈沖特性(hybridpulsepowercharacterization,HPPC)［12］實(shí)驗(yàn)方法來(lái)對(duì)不同倍率、溫度以及SOC下的鋰電池歐姆內(nèi)阻展開(kāi)測(cè)試。其中HPPC實(shí)驗(yàn)的測(cè)試原理與測(cè)試方法見(jiàn)圖1。圖1HPPC實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，對(duì)鋰電池組進(jìn)行大電流脈沖實(shí)驗(yàn)。當(dāng)施加放電脈沖時(shí)，由于鋰電池歐姆內(nèi)阻的存在，鋰電池的端電壓會(huì)有一個(gè)突然得下降，之后鋰電池端電壓緩慢下降，該過(guò)程主要受電池組極化內(nèi)阻的影響；當(dāng)脈沖停止時(shí)，鋰電池端電壓會(huì)突然上升，之后緩慢上升，直至極化效應(yīng)消失，鋰電池端電壓等于開(kāi)路電壓；而在充電過(guò)程中，鋰電池電壓波形與放電波形相反，但通?？梢哉J(rèn)為鋰電池的充放電內(nèi)阻相等。因此鋰電池的歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻可用下式來(lái)表示：式中：Rohm為鋰電池歐姆內(nèi)阻；AUohm為歐姆電壓；IB為脈沖電流；Rpoll為鋰電池極化內(nèi)阻；AUpoll為極化電壓。2實(shí)驗(yàn)過(guò)程為了測(cè)量不同倍率、溫度以及SOC對(duì)鋰電池內(nèi)阻的影響，本文選用16串9Ah鋰電池組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選用80V100A充放電柜對(duì)鋰電池進(jìn)行充放電，在鋰電池充放電過(guò)程中，將其全部放置于可控恒溫箱中控制鋰電池溫度。具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：將9Ah的鋰電池靜置于20OC的恒溫箱中靜置，充滿(mǎn)電后，再靜置30min，然后分別以0.2C、0.5C、1C、2C、4C的電流進(jìn)行圖1中的HPPC實(shí)驗(yàn)，測(cè)量并記錄鋰電池端電壓；以1/3C的電流對(duì)鋰電池組進(jìn)行放電，放電至90%SOC的電量，并靜置30min；⑶分別以0.2C、0.5C、1C、2C、4C的電流進(jìn)行圖1中的HPPC實(shí)驗(yàn)，測(cè)量并記錄鋰電池端電壓；⑷重復(fù)步驟(2)和步驟(3)，依次得到90%、70%、50%、30%以及10%SOC下不同倍率的鋰電池內(nèi)阻值；(5)調(diào)整恒溫箱的溫度依次為-20、0、20、40C，重復(fù)步驟(1)到步驟(4),得到不同溫度下的鋰電池內(nèi)阻值。3結(jié)果與分析3.1倍率對(duì)鋰電池歐姆內(nèi)阻的影響圖2是20C下不同倍率-SOC下的內(nèi)阻變化，圖3是70%SOC下不同倍率-溫度下的內(nèi)阻變化。可以看出，在HPPC內(nèi)阻測(cè)試方法中，隨著電池測(cè)試倍率的增大，電池內(nèi)阻逐漸增大，但在低倍率下，電池內(nèi)阻特性表現(xiàn)并不一致，其主要原因是在低倍率的脈沖放電下，電池端電壓變化較小，受測(cè)量?jī)x器精度的影響，其內(nèi)阻測(cè)量誤差較大。圖2不同倍率-SOC下的內(nèi)阻變化圖3不同倍率-溫度下的內(nèi)阻變化3.2溫度對(duì)鋰電池歐姆內(nèi)阻的影響圖4不同溫度-倍率下的內(nèi)阻變化圖5不同溫度-SOC下的內(nèi)阻變化圖4為70%SOC下不同溫度-倍率下的內(nèi)阻變化。圖5為4C脈沖放電倍率下的不同-溫度SOC的內(nèi)阻變化。可以看出隨著溫度的降低，電池內(nèi)阻逐漸增加，尤其是在低溫情況下，內(nèi)阻迅速增高；在-20OC下，電池內(nèi)阻約為常溫(20。0下的3.5倍，而電池溫度從0C升高到40C時(shí)，電池的內(nèi)阻從常溫下內(nèi)阻的1.75倍降至60%。3.3SOC對(duì)鋰電池歐姆內(nèi)阻的影響圖6為常溫(20C)下SOC-倍率下的內(nèi)阻變化，圖7為4C倍率下不同SOC-溫度的內(nèi)阻變化情況?？梢钥闯?，不同SOC下的內(nèi)阻曲線呈現(xiàn)出中間小，兩端大的情況，即在較低SOC下以及滿(mǎn)電狀態(tài)下，電池SOC略高，但總體可以看出在30%~90%SOC下電池的內(nèi)阻基本不變。圖6不同SOC-倍率下的內(nèi)阻變化圖7不同SOC-溫度下的內(nèi)阻變化4電池內(nèi)阻模型基于上述分析，本項(xiàng)目建立基于環(huán)境溫度與測(cè)試倍率的內(nèi)阻模型，由圖4和圖5可知，電池內(nèi)阻與測(cè)試倍率的關(guān)系近似呈線性關(guān)系，而從圖6和圖7可知，電池內(nèi)阻與溫度的關(guān)系近似呈多項(xiàng)式關(guān)系，為此，本項(xiàng)目擬依照如下內(nèi)阻模型進(jìn)行擬合:擬合結(jié)果如圖8所示。擬合結(jié)果如圖8與表1所示，其擬合結(jié)果的R2為0.994,RMSE為0.11，表明擬合的內(nèi)阻模型取得了很好的結(jié)果。圖8內(nèi)阻模型參數(shù)擬合表1模型主要參數(shù)參數(shù)abcd5結(jié)語(yǔ)溫度、SOC以及測(cè)試倍率對(duì)電池內(nèi)阻的測(cè)試影響較大，尤其是在低溫條件下，鋰電池的內(nèi)阻變化劇烈，對(duì)鋰電池的功率特性、熱特性、衰減特性以及荷電狀態(tài)的研究與估計(jì)會(huì)造成較大影響。本文對(duì)鋰電池內(nèi)阻特性展開(kāi)研究，分別對(duì)不同溫度、不同SOC以及不同測(cè)試倍率下的鋰電池內(nèi)阻展開(kāi)測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)環(huán)境溫度、SOC以及測(cè)試倍率對(duì)鋰電池內(nèi)阻特性的影響展開(kāi)分析。根據(jù)分析結(jié)果，電池內(nèi)阻與溫度呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，與倍率呈一次多項(xiàng)式關(guān)系，而在30%~90%SOC，內(nèi)阻變化很小，據(jù)此建立鋰電池的內(nèi)阻模型，取得了很好的效果，為后續(xù)鋰電池功率特性、熱特性、衰減特性以及荷電狀態(tài)估計(jì)奠定基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】FENGF,LUR,WEIG,etal.IdentificationandanalysisofmodelparametersusedforLiFePO4cellsseriesbatterypackatvariousambienttemperature[J].IETElectricalSystemsinTransportation,2016,6(2):50-55.XUX,SHUIM,ZHENGW,etal.Time-domainsimulationsoftransientresponseinLiFePO4cathodelithiumionbatteries[J].CurrentAppliedPhysics,2014,14(5):702-707.顏湘武，郭琪，楊漾，等.動(dòng)力電池組健康狀態(tài)評(píng)價(jià)方法的研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào),2015,42(2):93-99.張方亮.不同放電倍率下的鋰電池歐姆內(nèi)阻測(cè)試分析[J].電源世界,2016(9):36-38.LIUX,CHENZ,ZHANGC,etal.Anoveltemperature-compensatedmodelforpowerLi-ionbatterieswithdual-particle-filterstateofchargeestimation[J].AppliedEnergy,2014,123:263-272.劉新天，何耀，曾國(guó)建，等.考慮溫度影響的鋰電池功率狀態(tài)估計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2016,31(13):155-163.李哲.純電動(dòng)汽車(chē)磷酸鐵鋰電池性能研究[D].北京:清華大學(xué),2011.AHMEDSH,KANGX,SHRESTHASOB.Effectsoftemperatureoninternalresistancesoflithium-ionbatteries[J].JournalofEnergyResourcesTechnology,2015,137(3):031901.科技部"863”現(xiàn)代交通技術(shù)領(lǐng)域辦公室.HEV用高功率鋰離子動(dòng)力蓄電池性能測(cè)試規(guī)范[S].北京:科技部"863”現(xiàn)代交通技術(shù)領(lǐng)域辦公室，2008.JapanElectricVehicleSociety.Testmethodofinputandoutputpowerdensityofnickel-hydridebatteryforhybridelectricvehicles[S].Japan:JapanElectricVehicleSociety,2003.Idaho