詳解鋰電池內(nèi)阻的構(gòu)成以及內(nèi)阻測(cè)量方法
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-06 17:06
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鋰電池內(nèi)阻主要包括兩個(gè)部分，歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻在溫度恒定的條件下，歐姆電阻基本穩(wěn)定不變，而極化電阻會(huì)隨著影響極化水平的因素變動(dòng)。
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(shí)，檢測(cè)到的電池正負(fù)極之間的電壓，其數(shù)值等于鋰電池電勢(shì)減去歐姆內(nèi)阻占?jí)汉螅Ｓ嗟碾妷褐怠?/div>
觀察下面圖形，展示的是鋰電池放電過程的電壓-時(shí)間曲線的開始一段。電池開始放電后，曲線有一個(gè)瞬間壓降ΔU1，這是回路通電瞬間，電壓傳感器檢測(cè)到的電池兩端電壓從開路電壓（等于電池電勢(shì)）切換到端電壓的結(jié)果，ΔU1就是歐姆內(nèi)阻占?jí)海?Delta;U2則是在放電結(jié)束時(shí)候，斷開回路時(shí)，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(lái)的影響，ΔU1與ΔU2是相同的。
能夠檢測(cè)到純歐姆內(nèi)阻的時(shí)間比較短暫，因?yàn)殡S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(qiáng)，兩種內(nèi)阻的作用將混合到一起，不能分別。測(cè)量歐姆內(nèi)阻的時(shí)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(shì)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(wú)法達(dá)到電子的移動(dòng)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(dòng)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(shí)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?jí)骸Ｔ诓煌姆烹姞顟B(tài)下，ΔU3的數(shù)值并不相同。
2 標(biāo)準(zhǔn)上的電池內(nèi)阻測(cè)量方法
《FreedomCAR 電池試驗(yàn)手冊(cè)》中的HPPC 測(cè)試實(shí)驗(yàn)，給出了鋰電池內(nèi)阻的一種典型測(cè)試方法——直流內(nèi)阻測(cè)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(shí)電池SOC 為90%；
(3)靜止1 小時(shí)；
(4)按下圖脈沖功率試驗(yàn)圖進(jìn)行一次試驗(yàn)；
(5)重復(fù)(1)-(3)的試驗(yàn)，每次放電深度增加10%，直到放出90%DOD 進(jìn)行最后的測(cè)試；
(6)將電池放出100%的DOD 。
電流時(shí)間曲線如上圖所示。 t0 ~ t1 時(shí)刻，對(duì)電池以120A的電流放電；t1 ~ t2時(shí)
刻,電池?cái)嚯婌o置；t2 ~ t3 時(shí)刻，對(duì)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(jì)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(shí)間不能過長(zhǎng)，避免極化內(nèi)阻產(chǎn)生明顯影響。
3 一些鋰電池內(nèi)阻測(cè)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(cè)試法，需要給電池一個(gè)脈沖大電流，這種測(cè)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(cè)器具的精度有關(guān)，電池內(nèi)阻本身大小，也會(huì)對(duì)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(duì)鋰電池內(nèi)阻進(jìn)行檢測(cè)，下面列舉其中幾個(gè)比較典型的測(cè)試方式。
方法1，雙電阻法測(cè)量電池內(nèi)阻
秦輝在他的文章《電池內(nèi)阻的測(cè)量》中介紹了利用雙電阻法測(cè)量電池內(nèi)阻的方法。
如圖所示，電池串聯(lián)一個(gè)電阻形成回路，測(cè)量負(fù)載電阻的分壓，進(jìn)而推算電池內(nèi)阻。這是一個(gè)非常簡(jiǎn)易的方法，從接觸電路開始，我們幾乎就知道存在這么一個(gè)方法。使用這個(gè)方法的一個(gè)要點(diǎn)是，當(dāng)外接電阻值與電池內(nèi)阻越接近，測(cè)量結(jié)果的誤差將越小。電阻計(jì)算公式：E/(r+ R)=U/R，所以 r=(E/U- 1)R
用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)上述電阻測(cè)量原理，框圖如下：
單片機(jī)主導(dǎo)的電池內(nèi)阻測(cè)量過程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(duì)電壓表進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到電壓表有輸入電壓時(shí)， 單片機(jī)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(shí)電壓表測(cè)量所得的電壓值為電源的電動(dòng)勢(shì)E。單片機(jī)通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)字電壓表測(cè)量所得的電壓數(shù)據(jù)存入單片機(jī)存儲(chǔ)器中。
然后單片機(jī)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(shí)電壓表測(cè)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(jī)將該電壓數(shù)據(jù)讀入到單片機(jī)存儲(chǔ)器中。利用串聯(lián)電路分壓公式U=100 Uˊ/199.5，單片機(jī)計(jì)算出U。再利用公式“r=(E/U- 1)R”，單片機(jī)計(jì)算出電池內(nèi)阻r(公式中的r1=rˊ+0.5 =99.5Ω)。單片機(jī)通過接口電路將計(jì)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(gè)方法，可以利用單片機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和結(jié)果顯示，但檢測(cè)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(cè)量
作者李舒晨，在他的文章《不平衡電橋法電池內(nèi)阻測(cè)量裝置的原理與設(shè)計(jì)》中介紹了利用不平衡電橋測(cè)量電池內(nèi)阻的方法。
不平衡電橋法測(cè)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(dòng)勢(shì)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(diǎn)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(shí)，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(shí)驗(yàn)室測(cè)試電池內(nèi)阻時(shí),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(shí)，電流表讀數(shù)不變，此時(shí)便可依公式算出電池內(nèi)阻：Rx = R01 (R03 /R02 )。
將上述測(cè)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(hào)，并在開關(guān)通斷期間對(duì)電壓信號(hào)分別進(jìn)行采樣保持形成兩路電壓，最后對(duì)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(gè)用不平衡電橋原理測(cè)量電池內(nèi)阻的裝置。
電橋電阻R01 、R02、 R03的選擇影響測(cè)量靈敏度；電阻R00對(duì)電橋靈敏度及電池放電有影響。
