储能用锂离子电池内阻和开路电压测试

新能源时代 · 公众号 · · 2024-11-28 08:30

正文

建立锂离子电池产热模型时，需要对开路电压UO CV以及电池内阻Rt进行测定，并以等效热物性参数代替各部分物性参数参与计算。本文中研究以磷酸铁锂电池为基础的储能系统，电芯型号为27148150FP，其结构参数和其性能参数表所示。

锂离子电池内阻Rt和开路电压U OCV是影响锂离子电池产热率的重要参数。采用混合脉冲功率特性（HPPC）测试方法，进一步研究锂离子电池内阻Rt和开路电压UOCV随不同环境温度T以及不同锂离子电池荷电状态（SOC）的变化，选用3种典型环境温度T工况（283 K、300 K、313 K）以及16种锂离子电池SOC工况（5%~100%）进行测试。 HPPC测试方法是指对某一SOC状态下的锂离子电池施加一定的脉冲电流，此时其电压会产生阶跃变化并能计算出电池内阻。一个HPPC循环由10s脉冲放电、40s静止、10s脉冲充电组成，其中脉冲放电电流Idischarge与脉冲充电电流Icharge的比值为1：0.75。脉冲电流和阶跃电压曲线如图所示。

当测试开始时会给锂离子电池施加一个一定倍率的放电脉冲电流，因为其内部的欧姆内阻Rj导致此时电压从U1骤降至U2，而后随着放电脉冲电流的持续施加的过程中电压从U2下降U3，这是其内部存在极化内阻Rp，通过U1、U2、U3之间的差值可以计算出施加相应放电电流时锂离子电池的欧姆内阻Rj和极化内阻Rp。同理，给静置一段时间后的锂离子电池施加一定倍率的充电脉冲电流会使其电压产生从U4到U5再到U6的变化，根据其差值可以计算出此时的欧姆内阻Rj和极化内阻Rp。锂离子电池总内阻Rt为欧姆内阻Rj和极化内阻Rp之和，其计算公式如式

Rjd、R pd、Rtd 放电时的欧姆内阻、极化内阻、总内阻，Ω；
Rjc、Rpc、Rtc 充电时的欧姆内阻、极化内阻、总内阻，Ω；
U1、U2、U3、U4、U5、U6 响应电压，V；
Id 、Ic 放电、充电时脉冲电流，A。

可见锂离子电池放电时总内阻Rtd随着其放电过程的深入、SOC逐渐减小表现出很大的差异性。当锂离子电池放电深度（DOD）为0-5%时，其总内阻呈降低趋势，这是因为Li+主要集中在锂离子电池负极附近，正极与负极之间Li+的浓度之差会导致锂离子电池内部极化内阻迅速上升，进而导致总内阻较大。随着放电流程的持续深入，当放电深度为5%-70%时，锂离子电池内阻有一定的波动但是在统一工况下可以近似视为不变，说明当锂离子电池工作在SOC为30%-95%时温度较低，性能较优。而当锂离子电池放电深度（DOD）大于70%时其总电阻又会逐渐升高，因为此时Li+主要集中在锂离子电池正极附近，导致局部的浓度升高，锂离子的传输能力下降，进而导致其总电阻升高。并且对于同一工况下的锂离子电池，低SOC时锂离子电池总内阻远高于高SOC时其总内阻，说明过度放电对锂离子电池的危害大于过度充电。