鉅大LARGE | 點擊量：1974次 | 2021年04月14日
有關(guān)鋰離子電池內(nèi)阻測量方法的講解
1鋰離子電池內(nèi)阻的構(gòu)成
鋰離子電池內(nèi)阻重要包括兩個部分，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，而極化電阻會隨著影響極化水平的因素變動。
歐姆電阻重要由電極材料、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)。鋰離子電池的端電壓，指鋰離子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)值等于鋰離子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，展示的是鋰離子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，電池端電壓曲線上出現(xiàn)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(qiáng)，兩種內(nèi)阻的用途將混合到一起，不能分別。測量歐姆內(nèi)阻的時間窗口在1~2ms以內(nèi)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
極化內(nèi)阻，從電芯內(nèi)由電流出現(xiàn)那一刻開始跟著出現(xiàn)，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。
2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，給出了鋰離子電池內(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DepthOfDischarge)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，每次放電深度新增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，防止極化內(nèi)阻出現(xiàn)明顯影響。
3一些鋰離子電池內(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，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，也會對誤差出現(xiàn)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，對鋰離子電池內(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，我們幾乎就了解存在這么一個方法。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(jī)實現(xiàn)上述電阻測量原理，框圖如下：
單片機(jī)主導(dǎo)的電池內(nèi)阻測量過程如下：單片機(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，然后持續(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(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)，此時電壓表測量所得的電壓值為電源的電動勢E。單片機(jī)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(jī)存儲器中。
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(jī)將該電壓數(shù)據(jù)讀入到單片機(jī)存儲器中。利用串聯(lián)電路分壓公式U=100Uˊ/199.5，單片機(jī)計算出U。再利用公式r=(E/U-1)R，單片機(jī)計算出電池內(nèi)阻r(公式中的r1=rˊ+0.5=99.5)。單片機(jī)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(jī)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。
基本原理
實現(xiàn)電池內(nèi)阻在線測量的基本原理如上圖所示,當(dāng)信號源給電池注入一個交流電流信號，測量出電池兩端出現(xiàn)的交流電壓信號和輸入的電流，就可計算出電池的內(nèi)阻:
r=Vrm/Irms
式中：Vrms為電池兩端交流電壓信號的有效值；Irms為輸入電池中的交流電流信號有效值。
具體實現(xiàn)在線測量的系統(tǒng)框圖，如上圖所示。系統(tǒng)由輸出輸入回路、輸入轉(zhuǎn)換電路、取樣電路、低噪聲前置放大器、方波轉(zhuǎn)換電路、乘法器電路、積分器電路、交流恒流信號出現(xiàn)電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)、顯示器電路、接口電路和計算機(jī)等組成。
輸出的交流恒流信號接到電池兩端，再將電池內(nèi)阻出現(xiàn)的電壓信號，從電池兩端直接連接到輸入轉(zhuǎn)換開關(guān)電路。注入電流回路和信號測量回路分開，降低導(dǎo)線阻抗對電池內(nèi)阻的影響，實現(xiàn)四引線連接。
由單片機(jī)控制輸入轉(zhuǎn)換開關(guān)，首先接通取樣電路，檢測出注入電池回路中的電流值；再接通電池兩端，檢測出內(nèi)阻上出現(xiàn)的電壓信號，從而根據(jù)內(nèi)阻計算公式，計算出電池內(nèi)阻并顯示。同時，可通過接口電路，向PC計算機(jī)輸送相關(guān)信息，存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，并自動繪制充放電特性曲線。
