直流系统磷酸铁锂电池内阻测试标准分析

吴 洋，周钦哲，徐晓炜，姜发令，陈 道

(上海航天电源技术有限责任公司，上海 201112)

1 引言

直流系统是发电厂和变电站的重要组成部分，在电网交流电源发生故障时，仍可为系统控制、保护、照明及断路器跳合闸操作提供所需能源动力。目前，发电厂和变电站直流系统多采用阀控式铅酸蓄电池作为备用电源，但这种电池并不能完全适应变电站直流系统的运行环境[1]。近年来，磷酸铁锂电池凭借其能量密度高、寿命长、耐高温、良好的浮充特性、环保等优势，越来越广泛地取代阀控式铅酸蓄电池应用于变电站直流系统领域。随着无人值守变电站的逐步实现以及变电站自动化技术的不断进步，对直流系统运行可靠性提出了更高的要求[2]。

磷酸铁锂电池在使用过程中容易出现的各种问题，往往体现为内阻的增大，即电导的减小。内阻的高低能够表征电池劣化状况，因此，内阻测试成为衡量电池状态优劣的最关键、最迅速、最有效的方法之一。目前，对于锂离子电池内阻的研究是一个研究热点，也是一个研究难点。一方面锂离子电池的内阻通常很小，一般是毫欧量级，同时又是有源元件，不同于一般的电阻元件，不能直接测量；另一方面电池的内阻易受测试时所处的状态影响，例如不同环境温度、不同荷电状态下，电池的内阻就有一定的差别[3]。

2 国内外内阻测试标准简介

国际电工委员会(international electrotechnical commission，IEC)是锂离子电池最主要的国际标准制定机构[4]，制定的锂离子电池的性能标准IEC 61960-3:2017《含碱性或其他非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组 便携式应用的锂蓄电池和蓄电池组 第3部分：方形和圆柱形锂蓄电池及其制成的蓄电池组》[5]和IEC 62620:2014《蓄电池和含碱或其他非酸性电解质电池组 工业应用中使用的二次锂电池和蓄电池组》[6]中都有要求测试电池内阻的测试项目。

日本工业标准调查会(Japanese industrial standards committee，JISC)是负责日本全国性标准化管理机构，发布的标准中涉及电池内阻测试项目的有JIS C 8715-1:2018《工业用二次锂电池和蓄电池.第1部分 性能要求和试验》[7]。

我国目前在储能领域没有关于内阻测试项目的标准，有关内阻测试的标准还不够健全，急需制定。

3 测试原理

IEC 61960-3:2017、IEC 62620:2014、JIS C 8715-1:2018这3个标准推荐的测试方法均包括交流测试法和直流测试法两种。

交流测试法是在电池两端加上幅值较小的交流信号作为激励，通过测量其电压响应得出内阻值。直流测试法是给电池强制施加短时恒定电流，此时电池的电压随时间而发生变化，假如电池瞬间通过的电流为I，在极短的时间内测量出电池电压的变化为ΔU，根据欧姆定律R=ΔU/I就可以计算出电池的直流内阻。

3.1 适用对象

IEC 61960-3:2017规定交流测试法和直流测试法仅适用于电池组；而IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018规定交流测试法仅适用于电芯，直流测试法适用于电芯和电池组。

3.2 试样要求

IEC 62620:2014根据倍率放电能力的差异化将试样分为四种类型：超低倍率型(S)、低倍率型(E)、中倍率型(M)、高倍率型(H)，四种类型样品在25 ℃下的最大持续放电电流通常不低于以下值：0.125 C、0.5 C、3.5 C、7.0 C。

JIS C 8715-1:2018将试样分为四种类型：超低倍率型(S)、低倍率型(E)、中倍率型(M)、高倍率型(H)，四种类型样品在25 ℃下的最大持续放电电流分别不低于以下值：0.125 C、0.5 C、3.5 C、>3.5 C。

IEC 61960-3:2017对试样没有明确规定。

4 测试程序

4.1 测试准备

IEC 61960-3:2017标准规定内阻测试前将电池充满电并静置1～4 h；IEC 62620:2014标准规定内阻测试前将电池充满电，然后放出额定容量的50%±10%的电量后静置1～4 h；JIS C 8715-1:2018要求与IEC 62620:2014相同。

4.2 测试温度

IEC 61960-3:2017规定在20 ℃±5 ℃下进行内阻测试；IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018规定在25 ℃±5 ℃下进行内阻测试。

4.3 测试方法

IEC 61960-3:2017规定如果需要同时使用交流法和直流法测内阻时，应先用交流法，再用直流法。不需要在交流法和直流法测试之间对电池进行充放电。IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018并没有规定交流法和直流法测试的顺序。

4.3.1 交流内阻测试

IEC 61960-3:2017、IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018规定的交流内阻测试方法相同：在电池两端施加1～5 s频率为1.0 kHz±0.1 kHz、有效值为Ia的交流电流信号，测量交流有效值电压Ua，交流内阻Rac的计算公式为：

式中：Rac为交流内阻，单位为Ω；Ua为交流电压有效值，单位为V；Ia为交流电流有效值，单位为A。

4.3.2 直流电阻测试

IEC 61960-3:2017规定电池组以I1=0.2 C(A)恒流放电10 s±0.1 s，然后瞬间提高放电电流至I2=1.0 C(A)并放电1 s±0.1 s；而IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018根据电池的类型，规定不同的放电电流，具体电流值如表1所示。此外，IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018规定的两次放电时间较IEC 61960-3:2017长，分别为(30±0.1)s、(5±0.1)s。

表1 IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018 直流内阻测试时的放电电流值Table 1 IEC 62620:2014 & JIS C 8715-1:2018 test method for discharge current in DC internal resistance.

5 验收标准

由于不同类型的电池内阻不同，相同类型的电池，由于结构、制造工艺、材料存在差异，内阻也不一样[8]，因此IEC 61960-3:2017、IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018没有给出明确的交直流内阻参考值，只规定交直流内阻测试结果不能超过电池制造商声明的值。

6 结语

总体上，IEC 61960-3:2017、IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018标准在试验方法上是相近的，主要的区别有以下几点。

(1)IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018测试基准环境温度较IEC 61960-3:2017高5 ℃。

(2)测试时的荷电状态不同，IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018荷电状态要求为50%±10%，而IEC 61960-3:2017荷电状态要求为100%。

(3)直流内阻测试时，两次放电电流和时间不同，IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018规定的两次放电时间较IEC 61960-3:2017长，同时IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018根据电池倍率放电特性的不同将电池分为四种不同的类型，每种类型分别对应不同的放电电流。

(4)JIS C 8715-1:2018总体上借鉴了IEC 62620:2014，不同之处在于高倍率电池的定义上，IEC 62620:2014规定放电能力不小于7.0 C的电池为高倍率电池，而JIS C 8715-1:2018规定放电能力大于3.5 C的电池为高倍率电池。

近年来，磷酸铁锂电池产品应用涉及诸多领域，由于缺乏统一的标准，内阻测试存在不规范性，因此，统一、明确的考核标准的制定，可以为电力直流系统领域磷酸铁锂电池产品的规范性奠定基础。