鋰電池內(nèi)阻特性建模

鋰電池內(nèi)阻特性建模魏增福;曾國建瀏新天;王超;鐘國彬【摘要】鋰電池內(nèi)阻特性建模是國內(nèi)外研究的前沿問題之一,鋰電池的內(nèi)阻可對其衰減特性、熱特性、功率特性以及荷電狀態(tài)估計產(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)值較小會導致測試精度問題,而對鋰電池在不同影響因素下的內(nèi)阻進行建模是研究的薄弱環(huán)節(jié).針對此問題，測試了鋰電池在不同測試倍率、SOC以及溫度下的歐姆內(nèi)阻，并對測試結(jié)果展開分析依據(jù)分析結(jié)果對不同影響因素下的電池內(nèi)阻進行建模，仿真和擬合結(jié)果驗證了理論分析.【期刊名稱】《電源技術(shù)》【年(卷)，期】2018(042)011【總頁數(shù)】3頁(P1629-1631)【關(guān)鍵詞】鋰電池;歐姆內(nèi)阻;內(nèi)阻測試;內(nèi)阻建?！咀髡摺课涸龈?曾國建瀏新天;王超;鐘國彬【作者單位】廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東廣州510080;合肥工業(yè)大學汽車工程技術(shù)研究院，安徽合肥230009;合肥工業(yè)大學汽車工程技術(shù)研究院，安徽合肥230009;廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院廣東廣州I510080;廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，廣東廣州I510080【正文語種】中文【中圖分類】TM912.9受能源危機與環(huán)境危機的影響，電動汽車產(chǎn)業(yè)得到了很快的發(fā)展。而鋰電池作為電動汽車的主流動力來源則備受關(guān)注。內(nèi)阻是鋰電池的一項關(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志，因此它直接決定著鋰電池組的可用功率，對電動汽車的動力性產(chǎn)生影響。同時內(nèi)阻也是決定電池工作時產(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)，與電池剛出廠時相比，隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加，電池內(nèi)部化學物質(zhì)活性降低以及電極材料老化，會導致電池內(nèi)阻逐漸增加，因此根據(jù)內(nèi)阻變化也是估計鋰電池健康狀態(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極在進行電化學反應時極化所弓I起的內(nèi)阻，是電化學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)阻與測試倍率、溫度、SOC以及測試方法有關(guān)。文獻［4］對不同倍率與SOC下的電池內(nèi)阻進行了測試，給出了實驗結(jié)果，但缺少對鋰電池內(nèi)阻特性的進一步分析。文獻［5］和文獻［6］對不同溫度與SOC下的鋰電池內(nèi)阻進行測試并擬合，建立了基于溫度的三次多項式模型以及Arrhenius模型，但缺少對測試倍率影響的測試與分析。文獻［7］對不同SOC下的歐姆內(nèi)阻以及極化內(nèi)阻進行了測試，重點分析了SOC對電池內(nèi)阻的影響。文獻［8］采用電化學阻抗普法對寬溫度區(qū)間下的陰極內(nèi)阻、陽極內(nèi)阻進行了分析，并給出了一個簡化的溫度吶阻模型。綜上所述，目前國內(nèi)外已有相關(guān)成果對鋰電池內(nèi)阻特性的影響因素與內(nèi)阻模型進行了研究，但還缺乏系統(tǒng)性的分析與建模。針對此問題，本文以磷酸鐵鋰電池作為研究對象，通過對不同測試方法、倍率、溫度以及SOC下的鋰電池歐姆內(nèi)阻進行測試，分析上述影響因素對鋰電池歐姆內(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)阻測試實驗方法目前，國內(nèi)夕卜相關(guān)標準中都規(guī)定了電池內(nèi)阻的測試方法，包括我國科技部“863”項目《HEV用高功率金屬氫化物(鋰離子)動力蓄電池性能測試規(guī)范》［9］,日本電動車輛協(xié)會標準《JEVSD71320035混合動力電動汽車用密閉型氫鎳電池的輸出密度及輸入密度實驗方法》［10］，以及美國FreedomCAR項目《功率輔助型混合動力汽車用動力電池測試手冊》等。本文采用《功率輔助型混合動力汽車用動力電池測試手冊》［11］中的混合動力脈沖特性(hybridpulsepowercharacterization,HPPC)［12］實驗方法來對不同倍率、溫度以及SOC下的鋰電池歐姆內(nèi)阻展開測試。其中HPPC實驗的測試原理與測試方法見圖1。圖1HPPC實驗原理如圖1所示，對鋰電池組進行大電流脈沖實驗。當施加放電脈沖時，由于鋰電池歐姆內(nèi)阻的存在，鋰電池的端電壓會有一個突然得下降，之后鋰電池端電壓緩慢下降，該過程主要受電池組極化內(nèi)阻的影響；當脈沖停止時，鋰電池端電壓會突然上升，之后緩慢上升，直至極化效應消失，鋰電池端電壓等于開路電壓；而在充電過程中，鋰電池電壓波形與放電波形相反，但通?？梢哉J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實驗過程為了測量不同倍率、溫度以及SOC對鋰電池內(nèi)阻的影響，本文選用16串9Ah鋰電池組進行實驗。實驗選用80V100A充放電柜對鋰電池進行充放電，在鋰電池充放電過程中，將其全部放置于可控恒溫箱中控制鋰電池溫度。具體的實驗過程如下：將9Ah的鋰電池靜置于20OC的恒溫箱中靜置，充滿電后，再靜置30min，然后分別以0.2C、0.5C、1C、2C、4C的電流進行圖1中的HPPC實驗，測量并記錄鋰電池端電壓；以1/3C的電流對鋰電池組進行放電，放電至90%SOC的電量，并靜置30min；⑶分別以0.2C、0.5C、1C、2C、4C的電流進行圖1中的HPPC實驗，測量并記錄鋰電池端電壓；⑷重復步驟(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?？梢钥闯?，在HPPC內(nèi)阻測試方法中，隨著電池測試倍率的增大，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，受測量儀器精度的影響，其內(nèi)阻測量誤差較大。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?？梢钥闯鲭S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，電池的內(nèi)阻從常溫下內(nèi)阻的1.75倍降至60%。3.3SOC對鋰電池歐姆內(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，本項目建立基于環(huán)境溫度與測試倍率的內(nèi)阻模型，由圖4和圖5可知，電池內(nèi)阻與測試倍率的關(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)系近似呈多項式關(guān)系，為此，本項目擬依照如下內(nèi)阻模型進行擬合: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)語溫度、SOC以及測試倍率對電池內(nèi)阻的測試影響較大，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)的研究與估計會造成較大影響。本文對鋰電池內(nèi)阻特性展開研究，分別對不同溫度、不同SOC以及不同測試倍率下的鋰電池內(nèi)阻展開測試，根據(jù)測試結(jié)果對環(huán)境溫度、SOC以及測試倍率對鋰電池內(nèi)阻特性的影響展開分析。根據(jù)分析結(jié)果，電池內(nèi)阻與溫度呈二次多項式關(guān)系，與倍率呈一次多項式關(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)估計奠定基礎。參考文獻：【相關(guān)文獻】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.動力電池組健康狀態(tài)評價方法的研究[J].湖南大學學報,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，曾國建，等.考慮溫度影響的鋰電池功率狀態(tài)估計[J].電工技術(shù)學報,2016,31(13):155-163.李哲.純電動汽車磷酸鐵鋰電池性能研究[D].北京:清華大學,2011.AHMEDSH,KA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