直流内阻对锂电池性能和配组电压一致性研究

刘炎金， 张佳瑢， 魏引利， 李新静， 丁绍玉(国轩高科动力能源股份公司，安徽合肥230011)

直流内阻对锂电池性能和配组电压一致性研究

刘炎金， 张佳瑢， 魏引利， 李新静， 丁绍玉
(国轩高科动力能源股份公司，安徽合肥230011)

对铝壳IFP1865140-12Ah方形锂电池直流内阻进行测试，考察了在常温下直流内阻对电池电性能如放电特性、功率特性、搁置特性和循环特性的影响，研究了直流内阻对电池配组后电压一致性的影响。结果表明，直流内阻在电池电性能方面有着重要的影响，直流内阻低的电池电性能更好。直流内阻一致性好的电池配组后电池组的一致性会更好，能够避免电池的过充或过放，延长电池组的使用寿命，提升电池组的性能。

锂离子电池；直流内阻；电性能；一致性

随着锂离子电池在日常生活各个领域的广泛应用，对锂离子电池的性能要求越来越高。锂离子电池的性能指标有电压、容量、内阻、功率和循环寿命等，内阻是评价电池性能的重要指标之一。电池内阻主要有欧姆内阻和极化内阻。欧姆内阻又称交流内阻，主要由电极材料、电解液、隔膜内阻及各部分零件的接触内阻组成；极化内阻是指电化学反应时由极化引起的电阻，包括电化学极化和浓差极化引起的电阻[1]。直流内阻值在大小上等于欧姆内阻和极化内阻之和。交流内阻反映了电池静态时的状态，直流内阻反映了电池工作时电流流过电池内部所受到的阻力，直流内阻的大小能够直接反映电池工作时的性能。本文以IFP1865140-12Ah方形锂离子电池为研究对象，研究了直流内阻对电池电性能和配组后电压一致性的影响。

1 实验

对IFP1865140铝壳方形锂离子电池进行测试，额定容量12 Ah，标称电压3.20 V。

CT-3008W-5V100A-TF电池性能检测柜，用于测试电池电性能和直流内阻。SDH702P高低温交变湿热隔爆实验箱，用于

实验方案如下：

(1)在常温下选取一批常规的IFP1865140-12Ah方形电池进行直流内阻测试，并选出其中直流内阻最大及最小的两只电池，直流内阻大的电池编号为1，直流内阻小的电池编号为2，对其进行放电容量、混合功率脉冲能力(HPPC)、高温搁置性能和循环寿命测试；

(2)在常温下选取一批常规的IFP1865140-12Ah方形电池进行直流内阻测试，选择20只直流内阻一致性好的电池焊接为串联电池组A，选取20只直流内阻不一致的电池配组成串联电池组B；

(3)在常温下对电池组A和电池组B的串联电池组进行相同制度的放电测试。

2 测试结果

2.1直流内阻对电池电性能的影响

在常温下将电池1和电池2按照其额定容量充满电后，进行相同放电制度的测试，测试结果如图1所示。

从图1中可以看出，直流内阻大的电池比直流内阻小的电池达到放电终止电压所需的时间要短，根据欧姆定律U=EI×(R+Rf)，式中：R为电池欧姆内阻；Rf为电池极化内阻。直流内阻大，电池放电时内部极化大，而放电过程中极化内阻大，电池压降就大。同时电池极化大，产生的焦耳热多，引起电池温度升高。电池升温快，导致放电电压降低，放电时间缩短。因此在相同放电电流情况下，直流内阻大的电池放电容量就会减少，放电时电池温升高，也可以得出直流内阻小则电池的倍率放电性能更好。

在常温下对电池1和电池2进行HPPC性能测试，将电池充满电后按照《Freedom CAR》测试手册中的HPPC测试方法进行测试[2]，测试结果如图2所示。

图1　　电池1和电池2的放电和温升曲线

图2　HPPC测试电池放电功率和反馈功率曲线

从图2中可以看出，直流内阻大的电池的放电功率和反馈功率要比直流内阻小的电池低，由《Freedom CAR》测试手册HPPC测试放电和反馈功率计算公式：

可以看出，当电池直流内阻大时，每10％SOC放电结束后电池的开路电压OCVdis小，故电池的放电功率会偏小，且直流内阻大时，电池反馈充电时OCVregen也大，因此电池的反馈功率就会偏小。从结果来看，直流内阻对电池的混合脉冲功率存在较大的影响。

在常温下将两只电池按其额定容量充满后，将电池放入45℃恒温箱内，每天测其电压变化，连续搁置7天后测其容量保持率和恢复率，测试结果如表1和图3所示。

????????????????????? ??? 　???/％ 　???/％ ? ? 1 　9 7 . 2 0 　9 8 . 7 8 ? ? 2 　9 5 . 7 7 　9 7 . 4 0

图3　　电池搁置7天的电压变化曲线

图4　　电池1和电池2的循环曲线

从表1和图3中可以得出，电池1的容量保持率和恢复率高于电池2，电压变化小于电池2。在搁置过程中，直流内阻低的电池内阻极化低，内阻增加量小，电压压降低，且电池内部发生副反应少，产生的不可逆容量少，电池的容量保持率和恢复率相对较好。可见直流内阻对电池自放电有着重要的影响。

在常温下对两只电池进行充放电制度相同的循环性能测试，测试结果如图4所示。从图4可以看到，在外界环境和循环制度相同的情况下，循环500周后，电池1的容量保持率为94％，电池2为91％，直流内阻小的电池1在循环相同的周数后，其容量衰减明显小于直流内阻大的电池2，且随着循环次数增加，直流内阻大的电池容量衰减更加明显。电池在循环过程中，直流内阻大的电池极化大、产热更多、温升高使电池内的副反应加剧，正极材料和电解液的消耗加大，同时直流内阻大的电池电荷传递阻抗增大，脱嵌锂离子能力下降[3-4]，在循环过程中容量的衰减大于直流内阻小的电池。因此，直流内阻小的电池使用寿命好于直流内阻大的电池。

2.2直流内阻对电池配组电压一致性的影响

对配组好的两组20串电池组，电池组A和电池组B充满电后进行相同制度的放电测试，模组截止电压为25 V，并记录放电结束时每个单体电池的电压，测试结果见图5和图6。

图5　电池组A放电截止时单体电压分布

图6　　电池组B放电截止时单体电压分布

从图5和图6中可以看出，直流内阻相一致的串联电池组在模组放电终止时，每个单体电芯的电压相近，而直流内阻不一致的电池组在放电终止时，单体电芯间的电压差值较大。因为直流内阻一致性好的电池组在放电时，电池模组的终止电压即是单体电池的终止电压，不会对电池造成过充或过放，大大提升了电池组的使用寿命和安全性能[5-7]。因此，直流内阻为电池筛选提供了依据，提高了电池配组的一致性。

3 结论

本文通过IFP1865140-12Ah电池直流内阻对电池电性能和配组电压一致性的研究得出：

(1)直流内阻对电池电性能如放电性能、功率性能、搁置性能和循环寿命有着重要的影响，电池直流内阻小则电性能更加优越；

(2)直流内阻一致性好的电池在成组使用时，其电性能和安全性会优于直流内阻一致性不好的电池组，有利于降低电池组使用时的管理成本。

电池的直流内阻比交流内阻更能反映电池的真实工作状态，直流内阻为电池实际使用性能方面的研究提供了依据。

[1]徐晓东.锂离子电池内阻测试方法研究[J].中国测试技术，2011 (11)：24-26.

[2]张志杰.锂离子电池内阻变化对电池温升影响分析[J].电源技术，2010(2)：128-130.

[3]王彩娟.锂离子电池循环性能失效研究[J].电池工业，2010(2)：35-36.

[4]蒋新华.锂离子电池循环寿命快速衰减的原因[J].电池，2009，39 (4)：206-207.

[5]李索宇.动力锂电池组均衡技术研究[D].北京：北京交通大学，2011.

[6]初超.电动汽车锂离子电池组不一致性分析[J].科技创新导报，2009，25：112-113.

[7]王永琛.锂离子电池一致性分选方法[J].储能科学与技术，2013 (1)：522-524.

Research on lithium-ion battery direct internal resistance effect on electrical performance and voltage consistency of models

LIU Yan-jin,ZHANG Jia-rong,WEI Yin-li,LI Xin-jing,DING Shao-yu
(Guo Xuan High-Tech Power Energy Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230011,China)

The direct internal(DC)resistance of IFP1865140-12Ah Al-shell batteries was tested.The influence of the batteries DC resistance to the electrical performance such as discharge characteristic,power,Shelving features and cycle characteristics,at the same time the consistency of models was examined.The results show that the DC resistance has an important influence on the battery electrical performance.Low DC resistance of the battery performance would be better.Good battery DC resistance consistency of the models would be better,which were able to avoid overcharge or discharge,prolong the service life,and improve the performance of the battery model.

lithium-ion batteries;DC resistance;electrical performance;consistency

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0067-03

2015-06-03

国家“863”计划项目(2012AA110407)

刘炎金(1988—)，男，安徽省人，学士，主要研究方向为锂离子电池。为电池提供不同的温度环境。TP700多路数据记录仪，用于记录电池测试过程中的温度变化。