梯次利用动力锂电池内部参数特性分析
2019-04-24李珺凯刘聪聪张持健
李珺凯，刘聪聪，张持健
(安徽师范大学 物理与电子信息学院，安徽 芜湖 241002)
0 引言
随着电动汽车的普及与推广，电动汽车的使用量越来越大，但是在电动汽车的大规模使用中也会产生以下问题：① 电动汽车成本过高、车用寿命短；② 车用后直接淘汰造成资源浪费；③ 退役锂电池的数量将大幅度增加[1]。虽然退役锂电池不能再运用到电动汽车上，但还可以用在其他对电池性能要求不高的设备或系统中，因此，对退役锂电池的使用寿命和内部参数的特性等问题的研究是迫切需要的。电池的内阻是衡量电池性能好坏的重要参数之一，内阻特性分析为实现退役锂电池梯次利用奠定了基础。电池由于型号不同、内部化学特性不同，其内阻也有所差别。在不同工作状态、不同健康状态下，其内阻值也不同。电池内阻检测是电池生产过程中非常重要的一个环节。电池在出厂时，其内阻阻值很小，但是经过一段时间的充放电使用后，其内部化学特性发生变化，内阻会逐渐增加，当内阻值过大时，电池无法正常充放电，此时，电池将面临淘汰。由于锂电池内阻与其SOC之间存在一定的联系，通过内阻值还可以预测电池的SOC。因此，研究退役锂电池的内阻特性对是否能退役锂电池梯次应用具有很重要的意义[2]。
退役锂电池的欧姆内阻由测试方法、充放电倍率和环境温度共同决定。目前对于电池内阻测量的方法并不多，主要有密度法、开路电压法、直流放电法和交流注入法[3-8]。密度法通过测量电池电解液的密度来估算电池的内阻，但是该方法不适用于密封电池。开路电压法通过电池的端电压去估算内阻，这种方法精度较差，且容易得出错误结论。直流放电法通过对电池进行大电流瞬间放电得到电压降，计算出电池的内阻值。虽然这种方法效果较好，但对电池寿命有影响，且无法在线预测。交流注入法通过给恒定的交流电流信号，得到端电压响应信号，利用相位差及阻抗公式来确定锂电池的内阻，此方法增加了系统的复杂度，影响测试精度。文献[9-10]对电池进行不同倍率、不同SOC下的内阻测试，但没有对其内阻特性进行分析;文献[11-14]对锂电池环境温度与内阻预测SOC进行实验测试，但是没有考虑放电倍率对内阻的影响;文献[15-16]对锂电池内阻中的欧姆内阻与极化内阻进行了详细测试，讨论了SOC与内阻之间的关系。因为退役锂电池其内部参数特性与全新锂电池有所不同，上述方法并没有考虑电池老化带来的影响。
本文通过混合动力脉冲特性方法在不同环境温度以及不同放电倍率下对退役锂电池进行内阻测试，进一步研究退役锂电池内阻与SOC的关系，为实现退役锂电池梯次利用奠定了基础。
1 实验平台以及研究对象
本文以电动汽车淘汰的18650锂离子电池为研究对象，额定电压为3.7 V，充电截止电压为4.2 V，充电截止电流为0.1 A，放电截止电压为2.75 V，额定容量为2 000 mAh。实验平台及设备如图1所示，测试所用设备是深圳新威尔新能源技术有限公司生产的CT-4008-5V6A-S1测试仪、CT-ZWJ-4’S-T-1U 4’s中位机、上海灼智电子科技有限公司生产的EBC-A10多功能电子负载、湖南前沿科技有限公司生产的DW-40低温试验箱以及固纬公司生产的LCR-819高精度LCR测试仪。以上设备都经过精准校验，测试所得数据准确可靠。BTS 7.6X电池检测系统是基于网络版BTS上位机软件研发的升级版本，支持电池组单体电压和温度的测量功能、DCIR直流内阻测量功能和脉冲工步等，LCR-819测试频率范围为12 Hz～100 kHz,基本精确度是0.05%，可以满足退役锂电池内阻的测试，低温试验箱最低可测-40 ℃，能满足本研究的温度要求，每次调整所需温度值时，需要静置一段时间，待温度稳定后即可开始测试。
图1 实验平台及设备
2 退役锂电池内阻测试
2.1 退役锂电池内阻
采用混合动力脉冲特性(Hybrid Pulse Power Characterization，HPPC)[17-18]实验方法在不同环境温度、不同放电倍率下对退役锂电池进行欧姆内阻测试，实验原理如图2所示。
图2 HPPC实验原理图
刚开始放电时，由于欧姆内阻存在，会产生一个瞬时压降，因此需要有高测试精度和瞬时响应的系统进行测试。随后，由于极化内阻的存在，会产生一个新压降。在充电过程中，欧姆内阻也会产生一个瞬时压降，之后就是极化内阻发挥作用。在放电过程中欧姆内阻发挥作用之后，可以明显看到压降变缓慢了，这是因为极化内阻发生了作用，此时的内阻是由锂离子的浓度和移动速度决定的，因此称为极化内阻，它是动态变化的，与电流强度和测试时间都有关系。由图1可知，在60～70 s这段时间内，极化内阻发挥作用，电压变化逐渐缓慢。
2.2 退役锂电池内阻测试方法
对18650锂电池进行室温(25℃)下内阻测试，测试结果用于与后续实验结果比较。
2.2.1 不同SOC的欧姆内阻测试
(1)不同容量的选取(每隔6 min记录一次)
分别在10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%的SOC容量下，用电桥直接测量出不同容量下的内阻示数。
(2)不同电压的选取
18650锂电池的截止电压为4.2 V，终止电压为2.75 V，因此分别选取锂电池充放电过程中电压达到2.895，3.04，3.185，3.330，3.475，3.620，3.765，3.910，4.055，4.20 V时，用电桥直接测量出不同电压下的内阻示数。
2.2.2 不同温度内阻测试
① 利用低温试验箱，设置温度分别为-20，-10，0，10，20 ℃；
② 重复2.2.1步骤，记录数据，分析内阻特性。
2.2.3 不同放电倍率、不同温度内阻测试
① 利用低温试验箱，设置温度分别为-20，-10，0，10，20 ℃；
② 重复2.2.1步骤，记录数据，分析内阻特性；
③ 将步骤②中放电倍率设为2C(4 A)后，重复2.2.1步骤。
3 内阻测试实验分析
在常温下，对18650退役锂电池进行内阻测试，其结果如表1和图3所示，常温测试下，内阻均方误差为0.272 2，平均值为0.521 6，最大值为0.541 7，最小值为0.499 8，但是此实验并未考虑温度及放电倍率对内阻特性的影响。
为进一步研究退役锂电池内阻特性，加入环境温度影响，1C不同温度充放电时内阻-SOC曲线实验结果如图4和图5所示。由图4可知，在1C充电过程中，在SOC值两端时变化较剧烈，SOC在20%～70%范围内，其内阻相对稳定，并且随着温度的降低，18650退役锂电池的内阻出现缓慢增长。由图5可知，在1C放电过程中，随着SOC的增大，18650退役锂电池的内阻逐渐增大，且温度越高，内阻值越大。2C不同温度充放电时内阻-SOC曲线如图6和图7所示，以2C放电倍率在不同温度下充放电，18650退役锂电池呈现相同的特性。
表1 常温下内阻测试
常温下内阻测试(25℃)电池编号电压/V内阻/Ω13.2360.5123.2650.508 632.9630.532 143.2520.528 853.1970.53163.2130.52873.1420.541 783.2840.535 193.260.530 7104.1450.523 8113.4220.531 3123.4270.523 2133.4240.512 8电池编号电压/V内阻/Ω143.4640.522 5153.4580.529163.4080.527 5173.410.531 7183.3970.519 6193.3990.512203.3960.505 4213.4570.499 8223.3970.503 7233.4440.524 7243.3860.512 9253.3870.513 9
图3 常温下内阻测试电压-内阻分布图
图4 1C不同温度充电时内阻-SOC曲线
图5 1C不同温度放电时内阻-SOC曲线
图6 2C不同温度充电时内阻-SOC曲线
图7 2C不同温度放电时内阻-SOC曲线
将不同环境温度、不同放电倍率实验进行整合，分析18650退役锂电池内阻特性与环境温度、放电倍率和SOC之间的关系。不同倍率充放电时内阻-SOC曲线如图8和图9所示，充电过程中除18650退役锂电池刚充电及充满电情况外，内阻变化较稳定；放电过程中随着SOC的增大，18650退役锂电池的内阻逐渐增大，且温度越高，放电倍率越小，退役锂电池内阻则越大。
图8 不同倍率充电时内阻-SOC曲线
图9 不同倍率放电时内阻-SOC曲线
4 结束语
为了实现退役锂电池的梯次利用，在不同温度、不同放电倍率情况下，对18650退役锂电池的内阻与SOC的关系进行进一步研究，通过实验结果分析可知，退役锂电池在充电实验中，温度变化、放电倍率对其内阻影响不明显；放电实验中，环境温度与退役锂电池内阻呈正相关，温度越高，内阻值越大；放电倍率与SOC呈负相关，放电倍率越小，退役锂电池内阻越大，相同放电倍率下，退役锂电池内阻随电池SOC的减小而减小；同一SOC值下，随着温度的上升，退役锂电池内阻逐渐变大，放电倍率越大，退役锂电池内阻越小。因此，退役锂电池由环境温度、放电倍率和SOC共同影响，为退役锂电池的分类梯次利用提供了参考，具有现实意义。
