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直流内阻对磷酸铁锂电池性能影响分析

梯次磷酸铁锂电池

1、直流内阻对磷酸铁锂电池的soc影响

在1C、5C、8C充电和放电情况下、持续5s测试的电池直流内阻随soc的变化情况。可以看出,在较低的sOc下(30%以下),电池直流内阻比较高,在30~80%期间保持比较平稳,之后,充电测试的直流内阻又逐渐上升,而放电测试的直流内阻仍保持比较平稳。充电测试的直流内阻在sOC中间阶段有逐渐下降的趋势,而放电测试的直流内阻有逐渐上升趋势,与某些报道的情况并不相符,与采用的电池、实验电流、持续时间以及测量误差等有关。

无论是放电还是充电,在30~80%sOC范围内,电池的直流内阻相差不大。所以对对磷酸铁锂电池或电源系统的直流内阻的评价,应当选取此SOC范围进行比较。而30%、80%SOC作为内阻变化的临界点,可以为混合电动汽车的控制作为参考(混合电动车电源系统应用SOC范围一般在30~80%)。由于在此范围内对磷酸铁锂电池直流内阻变化比较小,并且受电流、温度等其他因素影响比较大,不适宜作为soC判断的依据。超出此范围,电池放电/充电的极化电阻比较大,引起的电池内阻增大。

2、时间与直流内阻的关系

4C充电情况下0.1~0.9s内和1~10s内测试计算直流内阻。可以看出,无论充电还是放电测试,直流内阻对测试持续时间有强烈的依赖性,随着持续时间的增加,直流内阻明显加大,但在不同时间段内,其增加的速率不同。在1s以内,直流内阻与测试持续时间呈良好的线性关系,不同SOC下(30~80%)的拟合曲线的斜率相差不大;但在1~10s内,随着SOC的增大,虽然曲线也呈较好的线性关系,但斜率的变化随soc的增大而增大。

4C放电情况下0.1~0.9s和1~10s内测试的直流内阻,直流内阻随测试时间也呈现较好的线性关系。在0.1~0.9s内,随着sOC增大,拟合曲线的斜率逐渐减小,1~10s内,斜率变化不大。

这种变化与电池内部的反应有关。对电池施加电流后,引起电池电压变化的首先是电池的欧姆电阻,瞬间使电池电压上升(充电)或下降(放电),然后是电荷转移阻抗引起的电压降,最后是传质阻抗。在充电测试过程中,随着SOC的增大,电荷转移阻抗增大,所以拟合曲线的斜率逐渐增大。在放电过程中,随着SOC增大,放电的电荷转移阻抗逐渐减小,所以放电期间的斜率随SOc增加而逐渐边小。随着测试持续时间的增加,电池内部传质阻抗逐渐增加,并占据主导,内阻变化也不呈线性变化了。电池1C充电和放电情况下6min内测试计算的直流内阻(测试前后电池SOC增加或减小了10%)。其直流内阻的变化曲线与电池的充电、放电电压曲线非常接近。

由于对磷酸铁锂电池的直流内阻对测试持续时间比较敏感,在进行电池或电池组直流内阻的评价时,应根据实际应用情况来选择测试的持续时间。如对于混合电动车来说,起启动、加速时间一般在10s左右,所以可以选择10s的持续时间进行比较。测试时间越短,越能体现电池或电池组的欧姆电阻,但短的测试持续时间受测试设备和数据采集响应误差的影响,也不能完全体现电池组的实际应用性能,不宜作为评价的标准。但在实际应用中,利用较短时间内直流内阻的测试可以判断电池组内的欧姆阻抗变化情况,进行故障诊断。

3、对磷酸铁锂电池的电流与直流内阻的关系

在不同电流下测试对磷酸铁锂电池的充电和放电情况下的直流内阻。随着电流的增加,电池直流内阻有明显的下降趋势,当电流达到一定程度后,又会随着电流的增加而上升,主要是由于电池内部的极化形式发生了变化。增大电流,电池内部传质过程成为控制步骤,电池内阻将开始增大。

对于对磷酸铁锂电池或电源系统的不同,应采用不同的测试电流进行比较与评价,或者根据实际应用特征进行电流的选择,对于大容量动力电池(混合电动客车应用),适宜选择5C左右的电流,而混合电动轿车应用的小容量动力电池,较适宜选取10C左右的电流甚至更高。

4、电流与时间的交互作用对对磷酸铁锂电池直流内阻的影响

电流与时间的交互作用对对磷酸铁锂电池直流内阻的影响非常明显。1C、2C、充电情况下1~10s内直流内阻随测试时间的变化情况,随测试持续时间的延长,直流内阻逐渐加大,但变化幅度明显不同。在1C情况下,不同SOC下的曲线无交叉点,同一测试时间下soc越大,直流内阻越低,2C充电就有了较明显的交叉点,交叉点大约在7~8s左右。4C充电的交叉点就更为明显了,约在4s。低于4s,在同一测试时间下,随sOC增大,电池直流内阻降低,而在此点之后,变化相反,sOC增大,直流内阻变大。即各曲线的斜率随soc的增加而增大。

这种原因应当是对磷酸铁锂电池内部的极化变化引起的。充电情况下,sOC越大,极化及极化变化率也越大,因此曲线的斜率也越大,反映到电池性能上就是sOC越大电池充电接受能力越低。这种情况也说明了某些研究者测试直流内阻时出现随SOC增大直流内阻出现相反变化的原因。时间和电流的交互作用引起的变化点与对磷酸铁锂电池的类型、结构、设计、材料等各方面有关。

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