什么是鋰電池內(nèi)阻？測量鋰電池內(nèi)阻的方法介紹
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-26 11:43
點擊量：次
歐姆電阻主要由電極材料、電解液、隔膜電阻及集流體、極耳的連接等各部分零件的接觸電阻組成，與電池的尺寸、結(jié)構(gòu)、連接方式等有關(guān)。鋰電池的端電壓，指鋰電池被連接在回路中處于工作狀態(tài)時，檢測到的電池正負(fù)極之間的電壓，其數(shù)值等于鋰電池電勢減去歐姆內(nèi)阻占壓后，剩余的電壓值。
觀察下面圖形，展示的是鋰電池放電過程的電壓-時間曲線的開始一段。電池開始放電后，曲線有一個瞬間壓降ΔU1，這是回路通電瞬間，電壓傳感器檢測到的電池兩端電壓從開路電壓（等于電池電勢）切換到端電壓的結(jié)果，ΔU1就是歐姆內(nèi)阻占壓，ΔU2則是在放電結(jié)束時候，斷開回路時，電池端電壓曲線上產(chǎn)生的一段電壓回升，同樣是歐姆內(nèi)阻帶來的影響，ΔU1與ΔU2是相同的。
能夠檢測到純歐姆內(nèi)阻的時間比較短暫，因為隨著電流逐漸上升至額定回路電流的過程中，極化現(xiàn)象逐漸加強，兩種內(nèi)阻的作用將混合到一起，不能分別。測量歐姆內(nèi)阻的時間窗口在1~2ms以內(nèi)。
極化內(nèi)阻，從電芯內(nèi)由電流產(chǎn)生那一刻開始跟著產(chǎn)生，隨著電流的增大而增大，是電池內(nèi)部各種阻礙帶電離子抵達(dá)目的地的趨勢總和。極化電阻可以分為電化學(xué)極化和濃差極化兩部分。電化學(xué)極化是電解液中電化學(xué)反應(yīng)的速度無法達(dá)到電子的移動速度造成的；濃差極化，是鋰離子嵌入脫出正負(fù)極材料并在材料中移動的速度小于鋰離子向電極集結(jié)的速度造成的。
上圖電壓時間曲線上的ΔU3一段，是回路斷開后，電池端電壓逐漸回升的一段，是電池內(nèi)部去極化過程的體現(xiàn)，ΔU3的數(shù)值就是極化內(nèi)阻的占壓。在不同的放電狀態(tài)下，ΔU3的數(shù)值并不相同。
02
標(biāo)準(zhǔn)上的電池內(nèi)阻測量方法
《FreedomCAR 電池試驗手冊》中的HPPC 測試實驗，給出了鋰電池內(nèi)阻的一種典型測試方法——直流內(nèi)阻測試法， 步驟如下：
(1)用恒流40A 限壓4.2V 將電池充滿；
(2)用100A電流放出10%DOD(放電深度Depth Of Discharge)的電量，此時電池SOC 為90%；
(3)靜止1 小時；
(4)按下圖脈沖功率試驗圖進(jìn)行一次試驗；
(5)重復(fù)(1)-(3)的試驗，每次放電深度增加10%，直到放出90%DOD 進(jìn)行最后的測試；
(6)將電池放出100%的DOD 。
電流時間曲線如上圖所示。 t0 ~ t1 時刻，對電池以120A的電流放電；t1 ~ t2時
刻,電池斷電靜置；t2 ~ t3 時刻，對電池以100A 的電流充電。電池,內(nèi)阻可以通過電池電壓變化量與電流變化量的比值求出,具體計算公式如下：
式中Rd 為放電內(nèi)阻， Rc 為充電內(nèi)阻， Id為放電電流, Ic 為充電電流。脈沖放電和充電的時間不能過長，避免極化內(nèi)阻產(chǎn)生明顯影響。
03
一些鋰電池內(nèi)阻測試方法
通過上面的描述可看到，標(biāo)準(zhǔn)給出的直流內(nèi)阻測試法，需要給電池一個脈沖大電流，這種測試方法的準(zhǔn)確程度，不但與使用的充放電設(shè)備以及傳感器的檢測器具的精度有關(guān)，電池內(nèi)阻本身大小，也會對誤差產(chǎn)生影響。于是研究人員根據(jù)自身產(chǎn)品，設(shè)備條件研究出一系列方法，對鋰電池內(nèi)阻進(jìn)行檢測，下面列舉其中幾個比較典型的測試方式。
方法1，雙電阻法測量電池內(nèi)阻
秦輝在他的文章《電池內(nèi)阻的測量》中介紹了利用雙電阻法測量電池內(nèi)阻的方法。
如圖所示，電池串聯(lián)一個電阻形成回路，測量負(fù)載電阻的分壓，進(jìn)而推算電池內(nèi)阻。這是一個非常簡易的方法，從接觸電路開始，我們幾乎就知道存在這么一個方法。使用這個方法的一個要點是，當(dāng)外接電阻值與電池內(nèi)阻越接近，測量結(jié)果的誤差將越小。電阻計算公式：E/(r+ R)=U/R，所以 r=(E/U- 1)R
用單片機實現(xiàn)上述電阻測量原理，
單片機主導(dǎo)的電池內(nèi)阻測量過程如下：單片機復(fù)位后，其控制端輸出高電平，將模擬開關(guān)的控制端IN 置1， 然后連續(xù)對電壓表進(jìn)行檢測。當(dāng)檢測到電壓表有輸入電壓時， 單片機將模擬開關(guān)的IN 控制端置0，則D 端與S2端之間呈斷開狀態(tài)，此時電壓表測量所得的電壓值為電源的電動勢E。單片機通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)字電壓表測量所得的電壓數(shù)據(jù)存入單片機存儲器中。
然后單片機再將模擬開關(guān)的IN 端置1， 則D 端與S2 端之間呈導(dǎo)通狀態(tài)。此時電壓表測量所得的電壓值為模擬開關(guān)、電阻rˊ和R 三者承受的總電壓Uˊ，單片機將該電壓數(shù)據(jù)讀入到單片機存儲器中。利用串聯(lián)電路分壓公式U=100 Uˊ/199.5，單片機計算出U。再利用公式“r=(E/U- 1)R”，單片機計算出電池內(nèi)阻r(公式中的r1=rˊ+0.5 =99.5Ω)。單片機通過接口電路將計算結(jié)果送入電壓表顯示電路，顯示出電池內(nèi)阻r 的值。
這個方法，可以利用單片機的功能實現(xiàn)自動測量和結(jié)果顯示，但檢測的精度還是由電阻精度和電壓表精度決定。
方法二，不平衡電橋法電池內(nèi)阻測量
作者李舒晨，在他的文章《不平衡電橋法電池內(nèi)阻測量裝置的原理與設(shè)計》中介紹了利用不平衡電橋測量電池內(nèi)阻的方法。
不平衡電橋法測量電池內(nèi)阻的原理如上圖所示。其中R01 , R02 , R03為電橋內(nèi)設(shè)電阻,
Rx 為含電動勢E 的電池內(nèi)阻。 電阻R00和開關(guān)K跨接在電橋A 至B 之間. 根據(jù)戴維南定理，從N、G兩點看去，可有圖( b)所示的等效電路。其中E0 為開路電壓， R0 為等效電阻。
當(dāng)電路滿足電橋平衡條件R02 /R01 = R03 /Rx時，上述等效電路電壓源E0 和等效電阻R0 均不因開關(guān)K的接通與斷開狀態(tài)而改變，即在開關(guān)K接通和斷開狀態(tài)下均有
E0 = E〔( R01+ R02 ) /( R01 + R02 + R03 + Rx )〕=E〔R01 /( R01 + Rx )〕
R0 = ( R01+ R02 ) // ( R03+ Rx ) =( R02// R03 ) + ( R01// Rx )
用上述原理在實驗室測試電池內(nèi)阻時,只要在N , G之間接入一只直流電流表，反復(fù)接通和斷開開關(guān)K，并調(diào)節(jié)R01或R02，直到開關(guān)狀態(tài)變化時，電流表讀數(shù)不變，此時便可依公式算出電池內(nèi)阻：Rx = R01 (R03 /R02 )。
將上述測量過程中使用的開關(guān)用電子開關(guān)取代，并用周期性電壓控制開關(guān)反復(fù)通斷。 將N 、G間的短路電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，并在開關(guān)通斷期間對電壓信號分別進(jìn)行采樣保持形成兩路電壓，最后對兩路電壓進(jìn)行差分放大送至平衡電壓指示表，這就構(gòu)成一個用不平衡電橋原理測量電池內(nèi)阻的裝置。
電橋電阻R01 、R02、 R03的選擇影響測量靈敏度；電阻R00對電橋靈敏度及電池放電有影響。
方法3，電池內(nèi)阻在線測量
作者陳寶明在他的文章《電池內(nèi)阻在線測量實驗系統(tǒng)的設(shè)計與制作》中介紹了一個比較常用的在線測量方法，交流注入法。
