锂电池内阻特性建模魏增福;曾国建;刘新天;王超;钟国彬【摘 要】锂电池内阻特性建模是国内外研究的前沿问题之一,锂电池的内阻可对其 衰减特性、热特性、功率特性以及荷电状态估计产生较大影响.锂电池内阻受众多 因素的影响,并且其本身数值较小会导致测试精度问题,而对锂电池在不同影响因素 下的内阻进行建模是研究的薄弱环节.针对此问题,测试了锂电池在不同测试倍率、SOC 以及温度下的欧姆内阻,并对测试结果展开分析,依据分析结果对不同影响因素 下的电池内阻进行建模,仿真和拟合结果验证了理论分析.期刊名称】《电源技术》年(卷),期】2018(042)011【总页数】3页(P1629-1631) 【关键词】 锂电池;欧姆内阻;内阻测试;内阻建模【作 者】 魏增福;曾国建;刘新天;王超;钟国彬【作者单位】 广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州 510080;合肥工业 大学汽车工程技术研究院,安徽合肥 230009;合肥工业大学汽车工程技术研究院,安 徽合肥 230009;广东电网有限责任公司电力科学研究院,广东广州 510080;广东电 网有限责任公司电力科学研究院,广东广州 510080【正文语种】 中 文【中图分类】 TM912.9受能源危机与环境危机的影响，电动汽车产业得到了很快的发展。
而锂电池作为电 动汽车的主流动力来源则备受关注内阻是锂电池的一项关键参数，是衡量电子和 离子在电极内传输难易程度的主要标志，因此它直接决定着锂电池组的可用功率， 对电动汽车的动力性产生影响同时内阻也是决定电池工作时产热量大小的关键参 数之一锂电池的内阻也反映着锂电池的健康状态，与电池刚出厂时相比，随着电 池循环次数的增加，电池内部化学物质活性降低以及电极材料老化，会导致电池内 阻逐渐增加，因此根据内阻变化也是估计锂电池健康状态的方式之一 锂电池的总内阻为欧姆内阻与极化内阻之和，欧姆内阻主要和电池材料有关，由电 极材料、电解液、隔膜的电阻及各部分零件的接触电阻组成极化电阻是指电池正 负极在进行电化学反应时极化所引起的内阻，是电化学极化和浓差极化所引起的电 阻之和［1-2］已有研究表明，在锂电池的全生命周期中，锂电池的总内阻变化是 由欧姆内阻引起的［3］锂电池的欧姆内阻与测试倍率、温度、SOC以及测试方法有关文献［4］对不同倍 率与SOC下的电池内阻进行了测试，给出了实验结果，但缺少对锂电池内阻特性 的进一步分析文献［5］和文献［6］对不同温度与SOC下的锂电池内阻进行测试并 拟合，建立了基于温度的三次多项式模型以及Arrhenius模型，但缺少对测试倍 率影响的测试与分析。
文献［7］对不同 SOC 下的欧姆内阻以及极化内阻进行了测试， 重点分析了 SOC 对电池内阻的影响文献［8］采用电化学阻抗普法对宽温度区间下 的阴极内阻、阳极内阻进行了分析，并给出了一个简化的温度-内阻模型 综上所述，目前国内外已有相关成果对锂电池内阻特性的影响因素与内阻模型进行 了研究，但还缺乏系统性的分析与建模针对此问题，本文以磷酸铁锂电池作为研 究对象，通过对不同测试方法、倍率、温度以及SOC下的锂电池欧姆内阻进行测 试，分析上述影响因素对锂电池欧姆内阻的影响，并基于分析结果建立锂电池的内 阻模型1锂电池内阻测试实验方法 目前，国内外相关标准中都规定了电池内阻的测试方法，包括我国科技部“863” 项目《HEV用高功率金属氢化物(锂离子)动力蓄电池性能测试规范》［9］，日本电 动车辆协会标准《JEVS D713 20035混合动力电动汽车用密闭型氢镍电池的输出 密度及输入密度实验方法》［10］，以及美国FreedomCAR项目《功率辅助型混合 动力汽车用动力电池测试手册》等本文采用《功率辅助型混合动力汽车用动力电 池测试手册》［11 ］中的混合动力脉冲特性(hybrid pulse power characterization,HPPC)［12］实验方法来对不同倍率、温度以及SOC下的锂电池 欧姆内阻展开测试。
其中HPPC实验的测试原理与测试方法见图1图1 HPPC实验原理 如图1所示，对锂电池组进行大电流脉冲实验当施加放电脉冲时，由于锂电池 欧姆内阻的存在，锂电池的端电压会有一个突然得下降，之后锂电池端电压缓慢下 降，该过程主要受电池组极化内阻的影响；当脉冲停止时，锂电池端电压会突然上 升，之后缓慢上升，直至极化效应消失，锂电池端电压等于开路电压；而在充电过 程中，锂电池电压波形与放电波形相反，但通常可以认为锂电池的充放电内阻相等 因此锂电池的欧姆内阻与极化内阻可用下式来表示：式中：Rohm为锂电池欧姆内阻；AUohm为欧姆电压；IB为脉冲电流；Rpoll为 锂电池极化内阻；AUpoll为极化电压2实验过程为了测量不同倍率、温度以及SOC对锂电池内阻的影响，本文选用16串9 Ah锂 电池组进行实验实验选用80 V 100 A充放电柜对锂电池进行充放电，在锂电池 充放电过程中，将其全部放置于可控恒温箱中控制锂电池温度具体的实验过程如 下：⑴将9 Ah的锂电池静置于20工的恒温箱中静置，充满电后，再静置30 min，然 后分别以0.2C、0.5C、1C、2C、4C的电流进行图1中的HPPC实验，测量并记 录锂电池端电压；⑵以1/3C的电流对锂电池组进行放电，放电至90%SOC的电量，并静置30 min；⑶分别以0.2C、0.5C、1C、2C、4C的电流进行图1中的HPPC实验，测量并记 录锂电池端电压；(4) 重复步骤(2)和步骤(3)，依次得到90%、70%、50%、30%以及10%SOC下不 同倍率的锂电池内阻值；(5) 调整恒温箱的温度依次为-20、0、20、40工，重复步骤(1倒步骤(4),得到不 同温度下的锂电池内阻值。
3 结果与分析3.1 倍率对锂电池欧姆内阻的影响图2是20°C下不同倍率-SOC下的内阻变化，图3是70%SOC下不同倍率-温度 下的内阻变化可以看出，在 HPPC 内阻测试方法中，随着电池测试倍率的增大， 电池内阻逐渐增大，但在低倍率下，电池内阻特性表现并不一致，其主要原因是在 低倍率的脉冲放电下，电池端电压变化较小，受测量仪器精度的影响，其内阻测量 误差较大图2不同倍率-SOC下的内阻变化图3 不同倍率-温度下的内阻变化3.2 温度对锂电池欧姆内阻的影响图4 不同温度-倍率下的内阻变化图5不同温度-SOC下的内阻变化图4为70%SOC下不同温度-倍率下的内阻变化图5为4C脉冲放电倍率下的不 同-温度SOC的内阻变化可以看出随着温度的降低，电池内阻逐渐增加，尤其是 在低温情况下，内阻迅速增高；在-20工下，电池内阻约为常温(200下的3.5倍， 而电池温度从0°C升高到40工时，电池的内阻从常温下内阻的1.75倍降至60%3.3 SOC对锂电池欧姆内阻的影响图6为常温(20C)下SOC-倍率下的内阻变化，图7为4C倍率下不同SOC-温度 的内阻变化情况可以看出，不同SOC下的内阻曲线呈现出中间小，两端大的情 况，即在较低SOC下以及满电状态下，电池SOC略高，但总体可以看出在 30% ~ 90%SOC下电池的内阻基本不变。
图6不同SOC-倍率下的内阻变化图7不同SOC-温度下的内阻变化4 电池内阻模型基于上述分析，本项目建立基于环境温度与测试倍率的内阻模型，由图4和图5 可知，电池内阻与测试倍率的关系近似呈线性关系，而从图6和图7可知，电池 内阻与温度的关系近似呈多项式关系，为此，本项目拟依照如下内阻模型进行拟合：拟合结果如图8所示拟合结果如图8与表1所示，其拟合结果的R2为0.994 , RMSE为0.11,表明 拟合的内阻模型取得了很好的结果图8 内阻模型参数拟合表1 模型主要参数参数 a b c d5 结语温度、SOC以及测试倍率对电池内阻的测试影响较大，尤其是在低温条件下，锂 电池的内阻变化剧烈，对锂电池的功率特性、热特性、衰减特性以及荷电状态的研究与估计会造成较大影响本文对锂电池内阻特性展开研究，分别对不同温度、不同SOC以及不同测试倍率下的锂电池内阻展开测试，根据测试结果对环境温度、 SOC以及测试倍率对锂电池内阻特性的影响展开分析根据分析结果，电池内阻 与温度呈二次多项式关系，与倍率呈一次多项式关系，而在30% ~ 90%SOC,内 阻变化很小，据此建立锂电池的内阻模型，取得了很好的效果，为后续锂电池功率 特性、热特性、衰减特性以及荷电状态估计奠定基础。
参考文献：【相关文献】[1]FENG F,LU R,WEI G,et al.Identification and analysis of model parameters used for LiFePO4cells series battery pack at various ambient temperature[J].IET Electrical Systems in Transportation,2016,6(2):50-55.[2] XU X,SHUI M,ZHENG W,et al.Time-domain simulations of transient response in LiFePO4cathode lithium ion batteries[J].Current Applied Physics,2014,14(5):702-707.[3] 颜湘武，郭琪，杨漾，等•动力电池组健康状态评价方法的研究J].湖南大学学报,2015,42(2):93-99.[4] 张方亮•不同放电倍率下的锂电池欧姆内阻测试分析[J].电源世界,2016(9):36-38.[5] LIU X,CHEN Z,ZHANG C,et al.A novel temperature-compensated model for power Li- ion batteries with dual-particle-filter state of charge estimation[J].AppliedEnergy,2014,123:263-272.⑹刘新天,何耀,曾国建，等•考虑温度影响的锂电池功率状态估计J].电工技术学报,2016,31(13):155- 163.[7] 李哲•纯电动汽车磷酸铁锂电池性能研究[D].北京:清华大学,2011.[8] AHMED S H,KANG X,SHRESTHA S O B.Effects of temperature on internal resistances of lithium-ion batteries[J].Journal of Energy Resources Technology,2015,137(3):031901.[9] 科技部"863”现代交通技术领域办公室.HEV用高功率锂离子动力蓄电池性能测试规范[S].北京: 科技部“863”现代交通技术领域办公室，2008.[10] Japan Electric Vehicle Society.Test method of input and output power density of nickel-hydride battery for hybrid electric vehicles[S].Japan:Japan Electric Vehicle Society,2003.[11] Idaho National Engineering&Environmental Laboratory.Freedom car battery test manual for power-assist hybrid electric vehicles[S].USA ：Idaho National Engineering&Environmental Laboratory,2003.[12] 邓磊，王立欣,葛腾飞，等•基于改进PNGV模型的动力锂电池快速充电优化J].电源学 报,2014(4):10-14.。