1、LiFePO4/C鋰離子電池直流內阻測試研究摘要：研究了圓柱形動力磷酸鐵鋰鋰離子電池在不同電流、不同測試持續時間下的直流內阻。分析了電池SOC、充電電流和放電電流、持續時間以及電流和時間的交互作用對電池直流內阻的影響。研究表明，測試電流和持續時間對電池的直流內阻影響比較大，在3080%SOC范圍內相同測試條件下電池的直流內阻變化不大；放電測試條件下的直流內阻略高于充電測試條件下的直流內阻；在010s內，電池的直流內阻測試值與測試時間呈線性變化關系；容量型電池與功率型電池的直流內阻變化規律相同。關鍵詞：直流內阻，磷酸鐵鋰,鋰離子電池，動力電池，測試方法Study on the DC intern

2、al resistance of LiFePO4/C Li-ion batteryAbstract:DC internal resistance of battery is an essential parameter for designing vehicle auxiliary system and battery pack. The effects of current, time, SOC on DC internal resistance of LiFePO4/C Li-ion battery were tested and analyzed respectively. The re

3、search shows that the DC internal resistance is similar at 3080% SOC on the same test methods, the DC internal resistance with discharging methods is larger than it with charging methods, and the DC internal resistance is linear with the test time in 10s at the same SOC and current. The DC internal

4、resistance variation rules of the high energy battery are similar to the high power battery.Keywords: DC internal resistance, LiFePO4, Li-ion battery, power battery, test methods 內阻是評價電池性能的重要指標之一。內阻的測試包括交流內阻與直流內阻。對于單體電池，一般以交流內阻來進行評價，即通常稱為歐姆內阻。但對于大型電池組應用，如電動車用電源系統來說，由于測試設備等方面的限制，不能或不方便來直接進行交流內阻的測試，一般

5、通過直流內阻來評價電池組的特性。在實際應用中，也多用直流內阻來評價電池的健康度，進行壽命預測，以及進行系統SOC、輸出/輸入能力等的估計。在生產中，可以用來檢測故障電池如微短路等現象。直流內阻的測試原理是通過對電池或電池組施加較大的電流（充電或放電），持續較短時間，在電池內部還沒有達到完全極化的情況下，根據施加電流前后電池的電壓變化和施加的電流，計算電池的直流內阻。測試直流內阻必須選擇好四個參數：電流（或采用的倍率）、脈沖時間、荷電狀態（SOC）、測試環境溫度。這些參數的變化對直流內阻有較大的影響。直流內阻不僅包括了電池組的歐姆內阻部分(交流內阻部分)，還部分包括了電池組的一些極化電阻。而電池

6、的極化受電流、時間等影響比較大。目前常用的直流內阻測試方法有以下三個：（1）美國FreedomCAR電池測試手冊中的HPPC測試方法：測試持續時間為10s，施加的放電電流為5C或更高，充電電流為放電電流的0.75。具體電流的選擇根據電池的特性來制定。（2）日本JEVSD713 2003的測試方法，原來主要針對Ni/MH電池，后也應用于鋰離子電池，首先建立 0100 SOC下電池的電流一電壓特性曲線，分別以1C、2C、5C、10C的 電流對設定SOC下的電池進行交替充電或放電，充電或放電時間分別為10s，計算電池的直流內阻。（3）我國“863”計劃電動汽車重大專項HEV用高功率鋰離子動力蓄電池性

7、能測試規范中提出的測試方法，測試持續時間為5s，充電測試電流為3C，放電測試電流為9C。JEVS法、HPPC法兩種測試方法各有特點， JEVS法采用 010C“系列”電流可以避免采用單一電流產生的結果偏差，其假定電池的內阻主要成分是近似恒定的歐姆阻抗，因此在放電倍率較低情況下可靠性較高。實際上在電池高倍率充放電時，整個電池反應的速率控制步驟由小倍率下的電荷轉移過程控制變為傳質過程控制，電池的阻抗構成中不僅有電池本體歐姆阻抗，還有極化反應阻抗等，并且隨電流和脈沖時間發生變化。HPPC法同時采用中低倍率及高倍率兩個電流段測試電池的功率能力，兼顧了電池在中低兩種倍率及高倍率充電或放電電流下不同的電壓

8、響應特性，但采用某一電流(5C、15C)分別代表中低倍率或高倍率電池功率能力的方法缺乏全面性，不同電池某一電流(5C、15C)下的電壓響應不同，造成了測試結果的片面和偏差。“863“測試規范中采用一種充電電流和放電電流，并且兩者差距比較大，具有一定的片面性。每種測試方法均可以作為一個基準方法來測試，對不同的電源系統進行比較。但每種電池均有一定的適應性，其受測試電流和時間的不同，內阻的變化規律也會發生變化。本文以IFR18650功率型電池及IFR26650能量型電池為研究對象，測試和分析了直流內阻隨SOC、測試電流、電流施加時間、電流方向等的變化規律，提出了直流內阻測試和比較的適宜方法。1 試驗

9、對象與設備測試對象：IFR18650P型磷酸鐵鋰電池，標稱容量1100mAh（功率型），標稱電壓3.20V。 IFR26650E型磷酸鐵鋰電池，標稱容量3000mAh（容量型），標稱電壓3.20V。測試設備：ARBIN電池組性能測試儀 2 實驗將IFR18650型電池按常規的容量檢測方法循環23次，使電池性能穩定后進行直流內阻測試。（1）充電情況下的直流內阻測試：電池的基準充放電電流為1C，首先以基準電流將電池放電至終止電壓2.0V，擱置1h，以1C電流充電10s，然后以基準充電電流將電池充電至10%SOC，擱置1h，再以1C充電10s。依次循環，直至測試到90%SOC。按照此方法依次測試1C

10、、2C、4C、5C、6C、8C、10C電流下的充電直流內阻。測試過程中，控制電池電壓最高不超過3.90V，若達到3.90V，則停止該步驟及該電流以下的測試。（2）放電情況下的直流內阻測試：電池的基準充放電電流為1C，首先按容量測試的充電方法將電池充滿電，擱置1h，以1C電流放電10s，然后以基準充電電流將電池放電至90%SOC，擱置1h，再以1C放電10s。依次循環，直至測試到10%SOC。按照此方法依次測試1C、2C、4C、5C、6C、8C、10C電流下的放電直流內阻。測試過程中，控制電池電壓最低不低于2.0V，若達到3.90V，則停止該步驟及該電流以下的測試。用相同的方法測試IFR2665

11、0型電池的直流內阻。所有測試均在環境溫度20±2的條件下進行。直流內阻的計算：R：直流內阻，mVt：脈沖充電或放電t時刻的電壓，V。V0：脈沖充電或放電前的電池電壓，V。I：電流，充電為正，放電為負，A。3 結果與討論3.1 直流內阻與SOC的對應關系圖1、圖2為1C、5C、8C充電和放電情況下、持續5s測試的電池直流內阻隨SOC的變化情況。從圖中可以看出，在較低的SOC下（30%以下），電池直流內阻比較高，在3080%期間保持比較平穩，之后，充電測試的直流內阻又逐漸上升，而放電測試的直流內阻仍保持比較平穩。充電測試的直流內阻在SOC中間階段有逐漸下降的趨勢，而放電測試的直流內阻有逐

12、漸上升趨勢，與某些報道的情況并不相符，與采用的電池、實驗電流、持續時間以及測量誤差等有關。從圖中可以明顯看出，無論是放電還是充電，在3080%SOC范圍內，電池的直流內阻相差不大。所以對電池或電源系統的直流內阻的評價，應當選取此SOC范圍進行比較。而30%、80%SOC作為內阻變化的臨界點，可以為混合電動汽車的控制作為參考（混合電動車電源系統應用SOC范圍一般在3080%）。由于在此范圍內直流內阻變化比較小，并且受電流、溫度等其他因素影響比較大，不適宜作為SOC判斷的依據。超出此范圍，電池放電/充電的極化電阻比較大，引起的電池內阻增大。在相同的測試電流下，放電測試情況下的直流內阻要略大于充電情

13、況下的直流內阻。但兩者相差不大。圖1 充電檢測條件下直流內阻與SOC關系（5s） 圖2放電檢測條件下直流內阻與SOC關系（5s）Fig.1 internal resistance vs. SOC in charging test Fig.2 internal resistance vs. SOC in discharging test3.2 時間與直流內阻的關系圖3、4分別為4C充電情況下0.10.9s內和110s內測試計算的直流內阻。從圖中可以看出，無論充電還是放電測試，直流內阻對測試持續時間有強烈的依賴性，隨著持續時間的增加，直流內阻明顯加大，但在不同時間段內，其增加的速率不同。在1s以內

14、，直流內阻與測試持續時間呈良好的線性關系，不同SOC下（3080%）的擬合曲線的斜率相差不大；但在110s內，隨著SOC的增大，雖然曲線也呈較好的線性關系，但斜率的變化隨SOC的增大而增大。圖5、6分別為4C放電情況下的0.10.9s和110s內測試的直流內阻，直流內阻隨測試時間也呈現較好的線性關系。在0.10.9s內，隨著SOC增大，擬合曲線的斜率逐漸減小，110s內，斜率變化不大。圖3 4C充電01s測試直流內阻變化 圖4 4C充電110s測試直流內阻變化Fig.3 internal resistance vs. test time (01s) in 4C charging test Fi

15、g.4 internal resistance vs. test time (110s) in 4C charging test圖5 4C放電01s測試直流內阻變化 圖6 4C放電110s測試直流內阻變化Fig.5 internal resistance vs. test time (01s) in 4C discharging test Fig.6 internal resistance vs. test time (110s) in 4C discharging test這種變化與電池內部的反應有關。對電池施加電流后，引起電池電壓變化的首先是電池的歐姆電阻，瞬間使電池電壓上升（充電）或下降

16、（放電），然后是電荷轉移阻抗引起的電壓降，最后是傳質阻抗。在充電測試過程中，隨著SOC的增大，電荷轉移阻抗增大，所以擬合曲線的斜率逐漸增大。在放電過程中，隨著SOC增大，放電的電荷轉移阻抗逐漸減小，所以放電期間的斜率隨SOC增加而逐漸邊小。隨著測試持續時間的增加，電池內部傳質阻抗逐漸增加，并占據主導，內阻變化也不呈線性變化了。圖7、8分別為電池1C充電和放電情況下6min內測試計算的直流內阻（測試前后電池SOC增加或減小了10%）。其直流內阻的變化曲線與電池的充電、放電電壓曲線非常接近。圖7 100、50、20%SOC1C放電直流內阻隨測試時間的變化 圖8 0、50、70%SOC1C充電直流內

17、阻隨測試時間的變化Fig.7 internal resistance of 100, 50, 20%SOC vs. test time in 1C charging testFig.8 internal resistance of 0, 50, 70%SOC vs. test time in 1C discharging test在10s以內，不同SOC下，無論采用多大的電流，電池直流內阻與時間呈現良好的線性關系。即 R為直流內阻，t為測試持續時間，a、b為系數。以4C充放電為例，其擬合關系如表1、表2。表1 4C充電直流內阻隨測試持續時間的變化Table1 DC internal resis

18、tance vs. test time in 4C charging test SOC01s內擬合曲線參數the parameters of simulation curves between 0 and 1s test time110s內擬合曲線參數the parameters of simulation curves between 1 and 10s test timeabR2abR2306.667125.0750.9951.445532.8110.8845406.285224.7230.99191.71131.8540.8963505.759324.9950.98922.156431.

19、0150.9292605.984724.6980.99382.739429.5180.9687705.815724.8540.99343.577827.510.9949805.239724.6120.99224.939422.2490.9872表2 4C放電直流內阻隨測試持續時間的變化Table2 DC internal resistance vs. test time in 4C discharging testSOC01s內擬合曲線參數the parameters of simulation curves between 0 and 1s test time110s內擬合曲線參數the p

20、arameters of simulation curves between 1 and 10s test timeabR2abR2309.202428.3020.97151.324237.1250.9317406.892425.9810.9751.101132.50.9379505.3925.7930.97611.014131.0550.9394605.37726.2160.970.97531.4060.9358704.763926.2350.98181.010530.9180.937804.582425.6210.98281.115729.9030.9564 由于直流內阻對測試持續時間比較

21、敏感， 在進行電池或電池組直流內阻的評價時，應根據實際應用情況來選擇測試的持續時間。如對于混合電動車來說，起啟動、加速時間一般在10s左右，所以可以選擇10s的持續時間進行比較。測試時間越短，越能體現電池或電池組的歐姆電阻，但短的測試持續時間受測試設備和數據采集響應誤差的影響，也不能完全體現電池組的實際應用性能，不宜作為評價的標準。但在實際應用中，利用較短時間內直流內阻的測試可以判斷電池組內的歐姆阻抗變化情況，進行故障診斷。3.3 電流與直流內阻的關系 圖9為在不同電流下測試的電池的充電和放電情況下的直流內阻。圖9 50%SOC下直流內阻隨測試電流的變化Fig.9 internal resis

22、tance of 50%SOC vs. test current 隨著電流的增加，電池直流內阻有明顯的下降趨勢，當電流達到一定程度后，又會隨著電流的增加而上升，主要是由于電池內部的極化形式發生了變化。增大電流，電池內部傳質過程成為控制步驟，電池內阻將開始增大。對于電池或電源系統的不同，應采用不同的測試電流進行比較與評價，或者根據實際應用特征進行電流的選擇，對于大容量動力電池（混合電動客車應用），適宜選擇5C左右的電流，而混合電動轎車應用的小容量動力電池，較適宜選取10C左右的電流甚至更高。針對實驗電池，應當選擇48C內的電流進行測試。3.4 電流與時間的交互作用對直流內阻的影響電流與時間的交互作用對電池直流內阻的測試影響非常明顯。圖10、11分別為1C、2C、充電情況下110s內直流內阻隨測試時間的變化情況。從曲線看，隨測試持續時間的延長，直流內阻逐漸加大，但變化幅度明顯不同。在1C情況下，不同SOC下的曲線無交叉點，同一測試時間下SOC越大，直流內阻越低，2C充電就有了較明顯的交叉點，交叉點大約在78s左右。4C充電的交叉點就更為明顯了，約在4s。低于4s，在同一測試時間下，隨SOC增大，電池直流內阻降低，而在此點之后，變化相反，SOC增大，直流內阻變大。即各曲線的斜率隨SOC