能量型磷酸铁锂动力电池直流内阻测试及分析

王 芳，孙智鹏，林春景，卜祥军，刘仕强

(中国汽车技术研究中心， 天津 300300)

能量型磷酸铁锂动力电池直流内阻测试及分析

王 芳，孙智鹏，林春景，卜祥军，刘仕强

(中国汽车技术研究中心， 天津 300300)

以1.5 A·h圆柱形磷酸铁锂电池为研究对象，采用HPPC测试法在常温环境下进行了不同电流倍率、不同脉冲时间和不同电流方向的试验验证，分析了3种因素对直流内阻测试结果的影响，得到了常温环境下充电态/放电态欧姆内阻和极化内阻的变化规律。实验结果表明：欧姆内阻在数值上远大于极化内阻；极化内阻比欧姆内阻对SOC更敏感；极化内阻随着脉冲时间长度的增加而增加，且这种增加趋势随着脉冲时间长度的增加逐渐减小；电池充放电状态对欧姆内阻的影响较小，对极化内阻的影响较大；电流倍率对欧姆内阻的测量结果影响较小，极化内阻随着电流倍率的增加呈线性减小。

磷酸铁锂；直流内阻；混合功率脉冲特性法；倍率；脉冲时间

受石油短缺、空气污染和温室效应等问题日益加剧的影响，包括插电式混合动力汽车(PHEV)、纯电动汽车(BEV)和燃料电池汽车(FCV)在内的新能源汽车得到越来越多的关注，市场化普及在近些年得到稳步推进[1-3]。根据我国的节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)，到2020年，PHEV及BEV生产能力将达到200万辆、累计产销量将超过500万辆。而在各种车用动力电池中，锂离子电池凭借其能量密度高、循环寿命长、自放电率低和循环寿命长等优势，是目前PHEV和BEV动力电池的首选。

内阻作为衡量电池内部离子和电子传输难易程度的参数，直接决定着电池的生热、输出功率和能量特性[4-6]，对其进行准确测量有着极其重要的实际意义。但是电池的直流内阻受环境温度、电流倍率、SOC、充放电状态等各种因素的影响较大，因此需要对锂离子电池的内阻特性进行全面验证和分析。李哲等[7]研究了温度对磷酸铁锂动力电池内阻特性的影响，实验结果表明：内阻随着温度上升逐渐下降，欧姆内阻(Ro)对温度的敏感度高于极化内阻(Rp)，同时Rp对低温的敏感度高于对高温的敏感度。郭宏榆等[8]分析了温度、SOC对内阻的影响，发现总内阻在低温(0 ℃以下)和较低SOC下变化明显。

锂离子电池内阻的测量方法包括伏安特性曲线法(U-I法)、混合脉冲功率特性法(HPPC)、开路电压和工作电压差值法以及交流阻抗法等。其中HPPC法测试步骤相对简单，应用也最为广泛，适用于车载在线检测应用情境。本文参照《FreedomCar电池测试手册》中HPPC测试方法的描述，充分考虑欧姆内阻和极化内阻的测试结果会随着脉冲电流的变化而改变的情况，试验中调整可能的影响因素(包括脉冲电流倍率、脉冲时间、充放电状态等)，对电池样品进行全面的测试验证，为确定真正符合实际情况的磷酸铁锂动力电池直流内阻测试标准提供借鉴。

本文以1.5 A·h圆柱形磷酸铁锂电池为研究对象，采用HPPC法系统分析了电池直流内阻的变化规律，同时研究了在不同电流倍率、不同脉冲时间和不同电流方向时电池欧姆内阻和极化内阻的变化规律。

1 实验

1.1 试验平台

本次的试验平台由单体充放电设备(青岛美凯麟MCT16-5-100及数据采集系统)、电化学工作站(德国Zahner公司)、高低温恒温箱(巨孚ETH-1000)、数据记录仪(日本HIOKI MR8875-30)、被测样品及上位机构成。

在试验过程中，将电池样品放置在30 ℃恒温环境内，避免由于环境温度变化对直流内阻测试结果产生影响。通过上位机软件控制充放电设备完成HPPC测试，借助充放电设备及数据记录仪实现数据的记录和存储。电化学工作站用于对电池样品进行电化学阻抗谱的测定和分析。

1.2 实验对象

实验中以1.5 A·h的能量型锂离子电池单体为研究对象。该圆柱形电池的正极材料为磷酸铁锂，负极材料为石墨，电解液为六氟磷酸锂有机溶液，其他参数如表1所示。

表1 磷酸铁锂动力电池的主要参数

1.3 实验过程和方法

本文参考FreedomCAR的《功率辅助型混合动力汽车用动力电池测试手册》界定的规程设计了测试步骤，特定电流倍率(以5C为例)下完整测试过程中电流和电压随时间的变化如图1所示。具体实验步骤如下：

1) 将锂离子电池置于25 ℃的恒温环境中，静置充分长时间。将电池充满电，记录充入容量C1；

2) 以1C倍率进行恒流放电，放电容量达到0.1C1后停止放电，认为此时电池SOC=0.9，静置1 h；

3) 采用XC倍率大小的脉冲电流对电池进行恒流放电，持续时间为30 s，静置40 s；

4) 采用XC倍率大小的脉冲电流对电池进行恒流充电，持续时间为30 s，静置40 s；

5) 重复步骤 2)～ 4)，直至电池SOC=0.1；

6) 以0.33C对电池进行循环充放电，重复进行3个循环；

7) 分别调节电流倍率大小X为2、3、4、5、6，重复步骤 1)～6)，进行不同脉冲电流倍率下的直流内阻测试。

图1 脉冲电流倍率5C，完整测试过程中电流、电压随时间变化

步骤 3)和 4)中，数据采集的时间间隔为0.1 s。以放电过程为例，电压变化曲线如图2所示，在加载电流的瞬间，电池端电压会产生瞬间阶跃，接着是电压的相对缓慢的变化。其中瞬间的电压阶跃是由欧姆内阻引起的，而随后的电压缓慢变化是由极化内阻导致的。根据获取的电压和电流数据，欧姆内阻和极化内阻可分别依据式(1)和(2)计算。

(1)

(2)

式中：Ro、Rp分别为欧姆内阻和极化内阻(mΩ)；I为电流(A)；ΔUo和ΔUp分别为欧姆内阻和极化内阻对应的电压变化(V)；UA、UB和UC分别为图2中A、B和C三个拐点对应的电池端电压值(V)。

图2 HPPC测电池内阻的电压特性曲线

2 实验结果与分析

2.1 内阻随SOC、脉冲时间的变化

表2所示为脉冲电流为2C时，充电欧姆内阻和不同脉冲时间长度对应的极化内阻的测试结果。图3为表1中充电和放电过程中欧姆内阻和10 s极化内阻随SOC的变化规律。

由表1和图3可以看出：充电Ro在数值上远大于10 s极化内阻，并介于20 s和30 s极化内阻之间；放电Ro数值在SOC为0.3～0.9范围内介于20 s和30 s极化内阻之间，但在SOC较小的区域小于后两者；同时，充/放电Ro随SOC减小(放电过程的持续进行)逐渐增加，Rp随SOC减小先增加再小幅度减小后逐渐增加，在放电末期达到最大，且增加的幅度比欧姆内阻更大。从整体上看，Rp随SOC的变化更剧烈。此外，充电极化内阻在SOC=0.1时与Ro较为接近，但对于放电Rp，则只有放电Ro的75%。

表2 脉冲充电(2C)过程中欧姆内阻和不同脉冲时间长度对应的极化内阻

图3 脉冲电流大小为2C，充电和放电过程中欧姆内阻和10 s极化内阻随SOC的变化情况

图4所示为脉冲电流大小为2C，充电过程中不同脉冲时间对应的Rp变化。从图4中可以看出：随着脉冲时间的增加，在相同SOC下对应的Rp亦逐渐增加，但增加的幅度逐渐减小。例如当SOC=0.3时，脉冲时间为10 s、20 s和30 s对应的Rp值分别为17.67 mΩ、26.33 mΩ和29.6 7 mΩ，即脉冲时间长度每增加10 s，Rp的增幅从8.66 mΩ降为3.34 mΩ。此外，随着脉冲时间长度的增加，Rp随充电的进行在总体趋势上保持一致(即先减小后增加再减小)，但在SOC=0.7处，当脉冲时间增加到20 s和30 s时，Rp值会逐渐变成整个过程中的最大值。

图4 脉冲电流大小为2C，充电过程中不同脉冲时间对应的Rp的变化

放电过程中不同脉冲时间长度下的Rp随SOC的变化规律如图5所示。随着脉冲时间的增加，充电Rp也逐渐增加。但与充电过程不同的是，即便脉冲时间增加为30 s，放电结束时刻的Rp仍然是整个过程中的最大值。由图5(b)可知，除SOC=0.1外，当脉冲时间大于10 s以后，极化内阻随脉冲时间的增加变得不再明显。

2.2 充/放电状态内阻对比

图6所示为充、放电过程中Ro和Rp随SOC的变化情况对比。从图6(a)可以看出：充电Ro和放电Ro随SOC的变化规律基本一致，但在数值上，放电Ro略大于充电Ro。由图6(b)可知：10 s放电Rp和10 s充电Rp随SOC的变化规律基本一致，但在数值上前者明显大于后者，且这种差异性随着SOC的减小逐渐增加。对于测试脉冲时间为30 s的情形，在SOC=0.2～0.9的范围内充电极化内阻大于放电极化内阻，在SOC=0.1时，放电极化内阻会显著增加。

图5 脉冲电流大小为2C，放电过程中不同脉冲时间对应的Rp的变化规律

对于电流倍率为5C的情况，充电、放电过程中Ro和10 s、30 s 的Rp随SOC的变化如图7所示。可以看出：充放电状态对Ro的影响同样较小，对10 s极化内阻的影响与图6(b)中情况类似，但是不同的是，30 s极化内阻仅在SOC=0.5～0.9的范围内，充电态内阻大于放电态内阻。

2.3 内阻与电流倍率的关系

图8为当脉冲电流倍率分别为2C、3C、5C时，充电过程中欧姆、10 s极化内阻随SOC的变化情况。从图中可以看出：随着电流倍率的增加，充电Ro逐渐减小，但总体上电流倍率对Ro的测量结果影响较小。对于充电Rp，在相同SOC下，其测量值随电流倍率增加同样逐渐减小，且减小的幅度较大。

图6 电流倍率为2C，充电、放电过程中Ro和Rp随SOC变化

图7 脉冲电流倍率为5C，充电、放电过程中欧姆内阻和10 s、30 s极化内阻随SOC变化

将图8中的欧姆内阻和极化内阻数据以电流为X轴、内阻值为Y轴作图，得到图9。可以看出：当脉冲电流小于等于5C时，随着脉冲电流逐渐增加，欧姆内阻接近以线性规律减小，电流倍率从2C增加为5C，降幅在1.5 mΩ左右。该线性减小规律在极化内阻上体现地更加明显，但极化内阻的降幅较欧姆内阻更大，为6～7 mΩ。

图8 脉冲电流倍率分别为2C、3C、5C，充电过程中欧姆内阻与10 s极化内阻随SOC变化

图9 脉冲电流为2C、3C、5C、6C，充电过程中欧姆内阻、10 s极化内阻随电流倍率的变化

当脉冲电流倍率分别为2C、3C、5C，放电过程中欧姆内阻、10 s极化内阻随SOC的变化情况如图10所示。与充电过程类似，电流倍率对放电欧姆内阻的影响较小，对极化内阻的影响较大，且随着电流倍率的增加，放电极化内阻呈线性减小。

图10 放电过程中脉冲电流倍率分别为2C和3C时欧姆内阻与极化内阻随SOC的变化

欧姆内阻和极化内阻随电流倍率的变化规律如图11中所示。从图中可知：当脉冲电流倍率小于5C时，除SOC=0.4外，欧姆内阻随电流倍率的增加而减小，且当I=6C时，不再减小。对于极化内阻，当脉冲电流倍率小于5C时，极化内阻和脉冲电流倍率之间呈严格的线性变化关系。

图11 放电过程中脉冲电流倍率分别为2C、3C、5C、6C时欧姆内阻随电流倍率的变化

3 结论

本文以1.5 A·h圆柱形磷酸铁锂电池为研究对象，通过HPPC法研究了其欧姆内阻和极化内阻与SOC、脉冲时间、充放电状态的关系，并分析了脉冲电流大小对测试结果的影响，得到以下规律：

1) 欧姆内阻在数值上远大于10 s极化内阻，当脉冲电流倍率为2C时，充电态欧姆内阻在数值上介于20 s充电极化内阻和30 s充电极化内阻之间。

2) 极化内阻比欧姆内阻对SOC更敏感。欧姆内阻随SOC减小逐渐增加，极化内阻随SOC减小呈先增加再减小最后逐渐增加的趋势，且最终增加的幅度远大于欧姆内阻。

3) 极化内阻随着脉冲时间长度的增加而增加，且增加幅度随着脉冲时间长度的增加而逐渐减小。

4) 电池充放电状态对欧姆内阻的影响较小，对极化内阻的影响较大，且脉冲时间长度变化时，影响规律也会随之改变。

5) 当脉冲电流倍率在2C和5C之间，随着电流倍率增加，欧姆内阻的测量结果减小，但变化幅度较小；极化内阻随着电流倍率的增加亦呈线性减小的趋势，但降幅远大于欧姆内阻。

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(责任编辑 刘 舸)

Experimental Analysis of Internal Resistance of Energy-Type LiFePO4Power Batteries and Its Influencing Factors

WANG Fang, SUN Zhipeng, LIN Chunjing, BU Xiangjun, LIU Shiqiang

(China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300, China)

Taking the 1.5 A·h cylindrical LiFePO4battery cell as the research object, this paper investigated the characteristics of ohmic and polarization internal resistances at room temperature using the HPPC method. Meanwhile, influences of the pulse current magnitude and time on experimental results are evaluated. Experimental results show that ohmic resistance is much larger than polarization resistance and polarization resistance is more sensitive to SOC than ohmic resistance. With the rise of pulse current time, polarization resistance also increases. And the increasing range decreases with the pulse current time rising. Charging/discharging status has a much lower influence on ohmic resistance than polarization resistance. In addition, polarization resistance increases in a linear relationship with the current rate, while the current rate has relatively little influence on ohmic resistance.

LiPePO4; internal resistance; HPPC; current rate; pulse current time

2017-02-23 基金项目：“系统性分层分级的产品测试验证和应用研究”(2016YFB0100407)

王芳(1977—)，女，江苏人，博士，教授级高级工程师，主要从事新能源汽车测评技术研究，E-mail:wangfang2011@163.com；通讯作者 刘仕强(1985—)，男，主要从事新能源汽车测评技术研究，E-mail:shiqiangliuhit@163.com。

王芳，孙智鹏，林春景，等.能量型磷酸铁锂动力电池直流内阻测试及分析[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(8):44-50.

format：WANG Fang, SUN Zhipeng, LIN Chunjing, et al.Experimental Analysis of Internal Resistance of Energy-Type LiFePO4Power Batteries and Its Influencing Factors[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):44-50.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.007

TM912

A

1674-8425(2017)08-0044-07