摘 要：鋰離子電池的內(nèi)阻對(duì)其工作特性具有重要的影響，是當(dāng)前的動(dòng)力電池領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。電化學(xué)阻抗譜算法以其操作簡(jiǎn)單，無(wú)需建模的優(yōu)點(diǎn)，是鋰離子電池內(nèi)阻測(cè)量的主流方式。本文通過(guò)測(cè)量得到不同SOC狀態(tài)下的鋰離子電池的電化學(xué)阻抗譜，并對(duì)內(nèi)阻與SOC的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析。本文對(duì)鋰離子電池內(nèi)阻的計(jì)算有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)阻抗譜;鋰離子電池;內(nèi)阻

鋰離子電池的內(nèi)阻由歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻構(gòu)成。其中，歐姆內(nèi)阻包括電解質(zhì)電阻、隔膜電阻以及接觸電阻，它主要與電池的隔膜材料、尺寸形狀、電極成型方式以及裝配力矩相關(guān);極化內(nèi)阻是指電極進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，由極化現(xiàn)象造成的內(nèi)阻，具體來(lái)說(shuō)包括濃差極化和電化學(xué)極極化引起的內(nèi)阻[1]。

鋰離子電池的內(nèi)阻與鋰離子電池的放電電流、荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)等參數(shù)息息相關(guān)，但是其測(cè)量存在極大的難度。電化學(xué)阻抗譜法應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，是目前主流的內(nèi)阻測(cè)量方法。

1 電化學(xué)阻抗譜簡(jiǎn)介

鋰離子電池內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理較為復(fù)雜，難以通過(guò)精確的模型描述。電化學(xué)阻抗譜算法將鋰離子電池視作一個(gè)黑箱，通過(guò)向黑箱輸入一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)X，得到其相應(yīng)信號(hào)Y，即可通過(guò)傳輸函數(shù)描述擾動(dòng)信號(hào)X與響應(yīng)信號(hào)Y之間的關(guān)系[2]。

電化學(xué)阻抗譜法的應(yīng)用需要滿足若干條件：首先是因果條件，即輸入的擾動(dòng)信號(hào)引起了輸出的響應(yīng)信號(hào);其次是線性條件，即輸入的擾動(dòng)信號(hào)與輸出的響應(yīng)信號(hào)之間存在線性關(guān)系，也就是當(dāng)采用不超過(guò)10mV的正弦波電壓信號(hào)擾動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，響應(yīng)電流與輸入電壓之間可以認(rèn)為是線性關(guān)系;最后是穩(wěn)定性條件，也就是說(shuō)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)閿_動(dòng)而發(fā)生改變，并且可以在擾動(dòng)停止時(shí)恢復(fù)到之前的狀態(tài)。如果電極反應(yīng)屬于可逆反應(yīng)，一般滿足穩(wěn)定性條件;如果電極反應(yīng)屬于不可逆過(guò)程，在電極表面反應(yīng)速度比較慢，擾動(dòng)幅值比較小，并且作用時(shí)間比較短的情況下，電極可以在擾動(dòng)停止后迅速恢復(fù)到原狀態(tài)，也可認(rèn)為其符合穩(wěn)定性條件。

2 使用電化學(xué)阻抗譜分析電池內(nèi)阻

（1）通過(guò)電化學(xué)阻抗譜設(shè)備測(cè)量不同SOC狀態(tài)的鋰離子電池在不同頻率擾動(dòng)信號(hào)X下的響應(yīng)信號(hào)Y，并計(jì)算其傳輸函數(shù)，得到不同頻率下阻抗的虛部、實(shí)部和相位角，使用Origin將相應(yīng)數(shù)據(jù)繪制成Nyquist曲線[3]，如下圖所示。

（2）以鋰離子電池電化學(xué)基本理論為依據(jù)，根據(jù)其電化學(xué)系統(tǒng)的特征，分析該系統(tǒng)可能存在的電路元件及其組合方式，并搭建電化學(xué)體系等效電路模型。一般來(lái)說(shuō)等效電路模型主要由電容、電感、電阻等元件按照一定的方式串聯(lián)和并聯(lián)形成，不過(guò)對(duì)于較為復(fù)雜的電化學(xué)體系，還需要增加常相位角元件等。本文搭建的鋰離子電池等效電路模型如下圖所示。

（3）測(cè)量等效電路的Nyquist曲線，并與鋰離子電池Nyquist曲線對(duì)比，二者數(shù)據(jù)擬合結(jié)果即為一致，說(shuō)明本文選擇的等效電路較為恰當(dāng)。如果等效電路中的所有元件的化學(xué)含義均有較為合理的解釋[4]，則說(shuō)明等效電路基本可以描述鋰離子電池的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

（4）計(jì)算等效電路中的各個(gè)參數(shù)，并繪制電池SOC與等效電路參數(shù)之間的關(guān)系曲線，如下圖所示。

如圖3所示，鋰離子電池的歐姆內(nèi)阻RΩ以及總內(nèi)阻R均隨著SOC的增大而減小，等效電路中其它等效元件數(shù)值與SOC之間并無(wú)明確因果關(guān)系。

3 結(jié)論

使用電化學(xué)阻抗譜算法分析鋰離子電池內(nèi)阻與SOC之間的關(guān)系，不涉及到具體的電池電極反應(yīng)過(guò)程，具有較好的操作性和應(yīng)用價(jià)值。然而應(yīng)該注意的是，等效電路與Nyquist曲線之間并非一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，等效電路選擇合適與否要看等效電路元件在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中是否具有合理的含義。

參考文獻(xiàn)：

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[2]劉騫，孫紅.電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及荷電狀態(tài)的估算[J].電源技術(shù)，2014，38（05）：897-899+905.

[3]劉騫.混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)分析[D].沈陽(yáng)建筑大學(xué)，2013.

[4]史美倫.交流阻抗譜原理及應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（18C1465）

作者簡(jiǎn)介：劉騫（1986-），男，河北人，碩士，講師，研究方向：鋰離子電池。