HEV氢镍动力电池动态阻抗特性及其影响因素

刘青松， 汪泉弟， 姚 沫， 杨永明(重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044)

HEV氢镍动力电池动态阻抗特性及其影响因素

刘青松， 汪泉弟， 姚 沫， 杨永明
(重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044)

氢镍动力电池作为混合动力汽车的主要动力源得到广泛应用，研究氢镍电池的动态阻抗特性及其影响因素为分析电池使用时的内部损耗及合理估算电池健康状态提供依据，并为研究混合动力汽车的电磁兼容问题打下基础。以混合动力汽车车载氢镍动力电池为例对电池的阻抗特性及其影响因素进行分段频域分析。分析了电池老化、电池充放电电流、荷电状态、电池内部溶液的扩散效应、电池电极极化效应、高频时电极集肤效应等因素对电池阻抗特性的影响方式及主要作用频率。在此基础上，建立了电池不同因素作用下的等效电路模型并进行了仿真验证。分析了动力电池作为EMI传播路径的干扰响应。

动力电池；电池阻抗；荷电状态；频域特性；EMI

汽车工业的高速发展给人类带来极大方便的同时也给资源和环境问题带来了前所未有的挑战。纯电动汽车和混合动力汽车在节能减排方面的突出表现使之在近几年得到了快速发展。而作为混合动力汽车能源之一的动力电池在很大程度上制约着电动汽车的发展。因此，研究电池技术，寻找更为合理的电池使用方法极为重要。

随着动力电池应用和需求的不断增加，对电池功能和特性的研究也越来越多。为了确定电池健康状态、估算电池剩余电荷量、延长电池使用寿命等，大量的研究在电池老化特性以及

1 电池阻抗特性的影响因素

动力电池的动态阻抗特性受到与电池运行机制有关的外部因素，以及与电池结构和电池电化学反应有关的内部因素两方面作用的影响。外部因素主要由电动汽车运行条件和电池充放电机制决定，包括：动力电池的老化；动力电池充放电机制；电池荷电状态。内部的影响因素主要包括：电池电解液中离子的扩散和迁移；电池电极的极化效应；电池电极在高频电流下的集肤效应。各种影响因素作用的频域范围之间没有严格的界限，但是在一定的频域范围或时间周期，某种影响因素会起主导作用。

1.1电池老化影响

电池老化对电池特性的影响通常需要几个月甚至一两年才能表现出来。随着电池充放电次数的增多，电池不可避免会逐渐老化，主要表现为随着循环次数的增加，电池容量逐渐减少，放电时端电压降低。电池寿命末期与初期其性能的差异相当大。就电池阻抗而言，随着老化的加深，电池的阻抗逐渐增大。

1.2电池充放电电流和荷电状态的影响

伴随着充放电，电池不可避免会发热。电池的发热很大程度上受充放电电流大小以及充放电规律的影响。通常可以将电池简化为理想电压源和电阻串联模型，而由焦耳定律可知其发热量W=I2Rt。可见，电池充放电电流的改变将影响电池温度，从而使电池内部电化学反应速率发生改变，进而影响电池阻抗特性。尤其是混合动力汽车，动力电池充放电电流时刻变化，并且充放电电流通常较大，影响将更为明显。温度较低时正负离子的迁移和扩散阻力都比较大，其外部特性就表现为电池阻抗较大；随着温度上升，正负离子扩散加速，电池内阻减少从而提高电池效率，但是较高的温度在加快化学反应的同时也加速有害反应的速率，并且可能对电池结构产生永久性损坏。而随着电池SOC变化，电解液中离子浓度将发生变化，导致离子扩散速率不同，从而也会影响电池的直流阻抗。

1.3扩散效应的影响

离子在溶液中扩散和迁移要受到阻力的作用，该阻力称为扩散阻抗，扩散阻抗呈现恒相位角特性，其Nyquist图呈现为与横轴成45夹角的直线。通常用Warburg阻抗来表示扩散阻抗。系数；w为角频率；Zω为Warburg阻抗。其阻抗实部与虚部都随频率成比例增大，呈现恒相位角特性。

1.4极化效应的影响

当电池有电流通过，使电极偏离平衡电极电位的现象称为电极极化。在电极单位面积上通过的电流越大，偏离平衡电极电位越严重。

极化效应的整体效果是使大量电荷在电池两电极周围聚集形成了“类电容”。因此充放电反应的等效阻抗模型可以近似等效为如图1所示。

图1中，用R1与C并联来等效电池充放电状态，R1为等效电池充放电反应电阻，C为等效电池极化效应形成的“类电容”效应，R0为电解液等效电阻。充放电电流的直流分量通过R1参与电极反应，频率相对较高的交流分量通过电容C形成通路。这就意味着R1与C并联为电极表面的电化学反应形成一个低通滤波器，频率较高的充放电电流分量直接通过C不参与电化学反应。这里所谓的“较高频率”是相对于极化效应而言，电池极化效应低通截止频率fg很低，因为当频率较高时电解液内部电荷来不及聚集，极化效应不明显。实验用的氢镍电池截止频率只有120 Hz。极化效应截止频率。电池极化效应对电池阻抗的影响一般在千赫兹级以下。当频率更高时，极化效应的影响很小，可以忽略不计。图2为理想情况下电池极化效应影响下的阻抗特性。

图1　　极化效应影响下电池阻抗等效电路

图2　　理想阻抗特性

1.5集肤效应的影响

在低频时，电流在导体内部的分布密度是均匀的，而在高频时，导线表面的电流密度变大，而中心区域几乎没有电流流过，这种现象称为集肤效应。当频率高于1 kHz时，电池的极化效应对电池阻抗特性的影响大幅减小，而电池电极和连接导线的集肤效应以及电极间溶液等效电阻对电池阻抗特性起决定性作用。此时，电极阻抗主要表现为电极的电阻和电感效应，而电解液的阻抗因电池“类电容”极化效应影响已很小，主要表现为电阻效应。图3为电池高频阻抗特性的等效电路，其中R0为电解液等效电阻，Rac(f)为电极等效阻抗，L为电极等效电感。在考虑了集肤效应时它们的计算表达式分别为：

式中：μ为电极磁导率；l为导体长度；γ为导体电导率；D为两电极间距；R为电极等效半径。

图3　　集肤效应影响下电池阻抗等效电路

在不同频域范围内动力电池动态阻抗特性受不同因素的影响，在某一频段内可能只有某一种影响因素起主导作用，其他因素的影响效果很小甚至可以忽略。但是各个影响因素作用频段之间没有严格的界限，在一定的频域某些影响因素会共同起作用，并且还会相互影响。为了方便直观地理解，图4给出了电池阻抗在整个频域的Nyquist图，并标明了在不同频带内影响电池阻抗的主要因素。

图4　　电池频域特性Nyquist图

2 实验验证

本文以混合动力汽车动力电池(120QNFT6-3)为实例进行研究，电池阻抗的测量采用Agilent4294A和配套标准夹具16047E。

2.1低频动态特性验证

当作用于电池的频率在千赫兹级以下时，对电池实际阻抗值进行测量，并与理想阻抗特性进行对比，经实测计算得实验用的混合动力汽车氢镍动力电池实际极化效应截止频率fg为120 Hz。其低频实测阻抗特性与理论特性Nyquist对比如图5所示。

图5　　实测阻抗特性

2.2高频动态特性验证

首先，在频率高于千赫兹级时对电池阻抗等效电路参数进行辨识，并且由等效电路计算出不同频率点的阻抗值，与实测电池阻抗值进行了对比，结果如图6所示。

其次，考虑到在实际应用中动力电池不是单独使用的，一般都要靠多单体串联来提高输出电压，因此本文也对串联电池组的等效模型进行了验证。四单体串联电池组的阻抗值近似为单体阻抗值的四倍，但由于串联电池组中引线的影响以及电池连接时产生的寄生电容影响，还需要对计算结果进行修正。串联电池组模型参数：R串=4×[(R0+Rac(f)]－k1，L串=4× L－k2。式中：k1=0.046为串联模型电阻值修正因子；k2=1.865× 10－8为串联模型电感值的修正因子。电池实测阻抗与模型仿真阻抗对比如图7所示。

图6　　电池实测阻抗与模型计算值对比

2.3电池动态特性实际应用

多数系统都是动态系统，其输入和输出是随时间变化的。在系统施加以时变的输出，系统会产生相应的响应。对于动态系统，给定一定的输出系统可能不会立即产生跟随响应，图8显示了这一关系。

动力电池作为干扰噪声的敏感体，当有干扰电流流经时会在其上产生相应的响应。如果响应信号过大，将有可能影响到其控制系统和电池管理系统的正常工作。为此，本文实测了DC/AC的干扰电流波形（图9），并以其为干扰源，以动力电池为敏感体仿真了等效电路模型的响应，并与理论计算响应值进行了对比。由仿真结果可以看出，在输入时变干扰电流时，电池端电压变化并不完全跟随输入电流变化，其结果如图10所示。

3 总结

本文以混合动力汽车车载氢镍动力电池为例研究了电池的动态阻抗特性及其影响因素，动力电池动态特性在不同的频带内受不同因素影响，包括电池老化、电池充放电电流、电池荷电状态、扩散效应、极化效应以及集肤效应等。一方面各影响因素作用频域之间没有严格的界限，另一方面各影响因素也相互影响。但是在一定的频域内某一影响因素会起主要作用，而其他因素的影响会相对比较小甚至可以忽略。

研究电池的不同时域和频域点的阻抗特性及其影响因素对进一步了解电池特性，更加合理地使用电池有很大帮助。同时，了解电池宽频域阻抗特性能够为更合理地估算电池损耗、提高电池利用率提供依据。另外，电池动态阻抗特性的研究对于分析以电池作为EMI传播路径的DC/AC-电机驱动系统对电池管理系统干扰的预测，建立混合动力汽车整车电磁兼容模型，研究整车电磁兼容性能具有重要意义。

图7　　串联电池组阻抗实测值与计算值对比

图8　　系统输入x(t)与输出y(t)

图9　实测干扰电流时域波形

图10　　干扰响应仿真值与理论值对比

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Dynamic impedance characteristics and its factor of HEV

LIU Qing-song,WANG Quan-di,YAO Mo,YANG Yong-ming
(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment＆amp;System Security and New Technology,Chongqing University, Chongqing 400044,China)

Traction batteries were widely applied as the main powerplant for hybrid vehicles running in high power fluctuations.The study of battery dynamic impendence characteristics and its factors were the basis for the estimation of battery state and the analysis of the loss of batteries.It also provided basis for research of the electromagnetic compatibility problem of hybrid electric vehicle.Based on the hybrid vehicle traction batteries,the batteries'dynamic impedance characteristics and the influencing factors in a wide frequency range by piecewise time-frequency analysis were described.The influence of battery aging,cycling current size,state of charge, diffusion effect,polarization effect and skin effect etc were analyzed.Also the role each factor played for the battery impedance and the frequency bond that they make function were analyzed.Based on those work,the equivalent model of the battery under each factor was estabilished.Moreover,EMI responses of power battery were predicted as spreading path for EMI in electric vehicles.

traction battery;impedance;state of charge;frequency characteristics;EMI

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0097-03

2015-06-13

国家自然科学基金资助项目(51177183)；中央高校基本科研业务费资助项目(CDJXS11150005)

刘青松(1983—)，男，博士，主要研究方向为汽车电磁兼容。电池充放电特性等方面展开[1-6]。文献[3]分析了电池老化程度与充放电次数的关系。文献[4]指出随着电池荷电状态(SOC)的改变，电池端电压以及电池内阻的变化情况。文献[5]研究了电池老化的表现形式。目前从我们查阅到的研究电池的文献看，大多数文献集中于对电池状态的估算以及分析电池特性的外部表现形式，而对电池阻抗特性影响因素的研究还很少涉及。伴随着电池充放电，电池内部发生复杂的电化学反应，电池阻抗特性会受到充放电电流大小、残余电荷、SOC、电池老化等多种内部和外部因素的影响[3-6]。而了解电池阻抗特性的影响因素为合理分析电池阻抗，进而估算电池本身损耗以及有效合理地使用电池提供依据。本文以混合动力汽车用氢镍动力电池为例，研究电池动态阻抗特性及其影响因素，分析不同频率范围内电池内部电化学反应及其对电池阻抗特性的影响。