电动汽车用能量型三元方形电池直流内阻的测试分析

严 忠， 史瑞祥， 谢 鑫， 刘志平

(深圳渝鹏新能源汽车检测研究有限公司， 广东 深圳 518118)

内阻是评价电池性能的重要指标之一。电池内阻的测试包括交流内阻与直流内阻。对于单体电池，一般以交流内阻来评价，即通常称为欧姆内阻。但对于大型电池组，如电动汽车用动力电池，由于测试设备等方面的限制，直接进行交流内阻测试很困难，所以一般测量其直流内阻[1-2]。在实际应用中，也经常用直流内阻来评价电池的健康度、寿命以及不同SOC输出/输入等能力。

1 动力电池直流内阻测试现状

直流内阻不仅包括了电池组的欧姆内阻，还包括了电池组的一些极化电阻。而电池的极化受电流、时间等影响比较大[3-5]。

目前常用的直流内阻测试方法有以下3种：

1) 美国《FreedomCAR电池测试手册》中的HPPC测试方法：测试持续时间为10 s，施加的放电电流为5 C或更高。具体电流的选择根据电池的特性来制定[6-9]。

2) 日本JEVSD7132003中的测试方法，原来主要针对Ni/MH电池，后也应用于锂离子电池，首先建立0～100%SOC下电池的电流-电压特性曲线，分别以1 C、2 C、5 C、10 C的电流对设定SOC下的电池进行交替充电或放电，充电或放电时间分别为10 s，然后计算出电池的直流内阻[10-11]。

3) 我国“863计划”电动汽车重大专项《HEV用高功率锂离子动力蓄电池性能测试规范》中提出的测试方法，测试持续时间为5 s，充电测试电流为3 C，放电测试电流为9 C[12-14]。

其中，JEVS法采用1～10 C“系列”电流可以避免采用单一电流产生的结果偏差，其假定电池的内阻主要成分是近似恒定的欧姆阻抗，因此在放电倍率较低情况下可靠性较高。但实际在电池高倍率充放电时，电池的阻抗构成中不仅有电池本体欧姆阻抗，还有极化反应阻抗等，并且随电流和脉冲持续时间发生变化, 所以有一定的局限性。“863计划”测试规范中采用一种充电电流和放电电流，并且两者差距较大，具有一定的片面性。HPPC法同时采用中低倍率及高倍率2个电流阶段测试电池的功率能力，兼顾了电池在中低2种倍率及高倍率充电或放电电流下不同的电压响应特性。而且测试步骤相对简单，因而应用也最为广泛，适用于车载在线检测应用情景。

所以本文以HPPC测试方法为依据，以标称容量为130 Ah(能量型)、标称电压为3.65 V的三元方形铝壳动力电池为研究对象。

2 试验及结果分析

2.1 测试工况

将试验电池按照常规的容量检测方法循环2～3次，使电池性能稳定后进行直流内阻测试[15]。试验中调整可能影响直流内阻的因素(脉冲电流倍率、脉冲持续时间、充放电状态等)，对电池样品进行全面的内阻测试。3种测试工况如下：

1)直流内阻随SOC的变化：以0.2 C恒流放电至截止电压2.5 V，定义为0%SOC；0.2 C恒流充电至截止电压4.2 V，以此为100%SOC。按此方法将电池调成0～100%SOC,先做充电直流内阻再做放电直流内阻，0.1 C调平SOC，充放电间搁10 min。测试过程中，分别以2 C和3 C的倍率进行充放电，电压最高不超过4.5 V，最低不低于1.0 V，若达到上下限，则停止该步骤该电流的测试。

2) 直流内阻随脉冲持续时间的变化：在25 ℃下，以0.2 C为电池的基准充放电电流，首先以0.2 C恒流放电至截止电压2.5 V，定义为0%SOC；0.2 C恒流充电至截止电压4.2 V，以此为100%SOC；其他SOC以0.2 C从0%SOC充电调节。按此方法以2 C电流进行2 s、5 s、10 s、20 s、30 s充放电直流内阻测试，测试过程中，电池电压最高不超过4.5 V，最低不低于1.0 V，若达到上下限，则停止该步骤该电流的测试。

3) 直流内阻随电流倍率的变化：以0.2 C恒流放电至截止电压2.5 V，定义为0%SOC；0.2 C恒流充电至截止电压4.2 V，以此为100%SOC。按此方法将电池调成0～100%SOC,再依次以0.1 C、0.2 C、0.3 C、0.4 C、0.5 C、0.6 C、0.7 C、1 C、1.2 C、1.5 C、2 C、2.5 C、3 C、3.5 C不同倍率电流进行30 s充放电直流内阻测试。测试过程中，电池电压最高不超过4.5 V，最低不低于1.0 V，若达到上下限，则停止该步骤该电流的测试。

2.2 试验结果与分析

2.2.1 直流内阻随SOC的变化

图 1、图2和图3、图4分别为脉冲电流大小为2 C和3 C充放电过程中SOC对应的直流内阻变化。从图中可以看出：随着SOC的增加，充放电过程中对应的直流内阻均逐渐降低，但减小的幅度逐渐减小。在较低的SOC状态下(20%以下)，直流内阻较高，在20%～100%SOC之间保持比较平稳；相同SOC相同倍率下，充放电直流内阻差别不大，SOC越高，差别越小。这种变化与电池内部的反应有关，在充放电过程中，随着SOC的增大，电荷转移阻抗逐渐降低，直流内阻逐渐减小，所以直流内阻与SOC大小成反向关系。

图1 2 C充电条件下直流内阻与SOC关系

图2 2 C放电检测条件下直流内阻与SOC关系

图3 3 C充电条件下直流内阻与SOC关系

图4 3 C放电条件下直流内阻与SOC关系

2.2.2 脉冲持续时间与直流内阻的关系

图5、图6为2 C电流下以不同脉冲持续时间(2 s、5 s、10 s、20 s、30 s)测试的直流内阻。从图中可以看出：无论充电还是放电，直流内阻对测试持续时间有强烈的依赖性，随着持续时间的增加，直流内阻明显加大，但在不同时间段内，其增加的速率不同。在5 s以内，直流内阻与测试持续时间呈良好的线性关系，随着SOC增大，充电过程中，电荷转移阻抗减小，所以拟合曲线的斜率逐渐减小，直流内阻增幅减小。在放电过程中，放电的电荷转移阻抗逐渐减小，斜率随着SOC增加也逐渐减小。在5～30 s时间内，充放电直流内阻与SOC的变化规律基本一致，但放电直流内阻略大于充电直流内阻。

图5 2 C充电条件下直流内阻与脉冲持续时间关系

图6 2 C放电条件下直流内阻与脉冲持续时间关系

2.2.3 电流倍率与直流内阻的关系

图7、图8分别为不同电流倍率进行10 s充放电时，直流内阻的变化情况。从图中可以看出：随着电流倍率的增加，充电过程中直流内阻值随着电流倍率增加逐渐减小；放电过程中直流内阻随电流倍率增加逐渐增大，但递增幅度较小,主要是由于电池内部的极化形式发生了变化。增大电流，电池内部传质过程成为主要控制步骤，直流内阻逐渐增大。

图7 10 s脉冲充电下直流内阻与倍率关系

图8 10 s脉冲放电下直流内阻与倍率关系

3 结 论

通过本文研究，得到以下结论：

1) 直流内阻随SOC增大呈先减小再增加最后逐渐减小的趋势，整体来说，在20%～100%SOC内的直流内阻变化比较平稳。

2) 在0～30 s内，电池的直流内阻随测试持续时间的变化呈线性关系，随测试持续时间的延长呈线性增大。

3) 当脉冲电流倍率在1～3.5 C之间，随着电流倍率增加，充电过程中，直流内阻随着电流倍率的增加呈线性减小趋势。放电过程中，随着电流倍率的增加呈逐渐增加趋势，但增幅较小。