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    鋰電池充放電性能及電池阻抗解析

    2021-06-10 15:53:18

    鋰電池的充放電過程中,電池阻抗是制約其性能的重要因素之一,阻抗不僅額外消耗電池的能量,而且會將消耗的能量轉變為熱量,對系統溫度造成影響。對于PACK行業人員而言,了解電池阻抗特性,掌握其異常的表現規律,有助于分析、解決電池包電性能測試的多種異常,提升工藝素養。


    電池阻抗是指電流在通過電池時受到的阻力,它包括歐姆內阻和極化內阻以及外部接觸阻抗。

    (1)歐姆內阻主要是指由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成,與電池的尺寸、結構、裝配等有關,其阻值的大小與充放電狀態無關,亦幾乎不受SOC狀態的影響,僅隨著溫度的升高而降低。

    (2)極化內阻是指電化學反應時由極化引起的電阻,僅發生在電池的充/放電過程中,包括電化學極化和濃差極化引起的電阻。其中[1],電化學極化是由于電極的電化學速率反應遲緩造成的,電化學反應過程中某一步電荷轉移速率達不到對外放電速率時表現的阻抗,此時電池就要分配一定的電壓用于滿足其轉移速率的活化能;而濃差極化是由于反應物消耗引起電極表面得不到及時補充導致的(或是某種產物在電極表面積累,不能及時疏散)。研究表明[2],極化內阻的大小受到SOC狀態的影響。如圖1所示,當電池的SOC接近空電與滿電狀態時,其極化內阻較大,而SOC處于20%~80%時,其極化內阻相對較小,而且這種現象會隨著電池循環次數的增多而逐漸加劇,這是因為經過多次循環后,鋰離子電池的電極活性物質與電解液界面逐漸退化,導致電化學的阻抗增加。




    鋰電池充放電性能及電池阻抗解析

    圖1 極化內阻與SOC的關系


    (3)接觸阻抗是指電池在使用中,正負極與外接電路間的接觸不良導致的阻抗。接觸阻抗主要發生在PACK過程中,例如焊接不良、串聯螺栓扭矩不緊等異常都會導致較大的接觸阻抗,且隨著時間的推移會逐漸出現扭力衰減問題,一般要求過電流的地方接觸越緊密越好(不同型號螺栓存在扭力標準范圍,過大可能導致螺栓損壞)。電池阻抗對充放電性能的影響:

    電池阻抗的大小直接影響到電池能量的消耗,無論是在充電還放電階段,阻抗的存在都會引起能量的損失,這就會使電池表現出充電電壓平臺>放電的電壓平臺(能量=電壓*電流*時間),圖2為某磷酸鐵鋰電池充放電過程的SOC-電壓曲線(1/20 C電流充放)。





    圖2  某磷酸鐵鋰電池的充/放電SOC-電壓曲線


    圖3為基于阻抗分解的電池等效電路圖。其中,C1為理想電源,表示電池存儲電荷的能力,其電壓為U1,不受充放電狀態的影響;R1為歐姆阻抗,R2為極化阻抗,R3為接觸阻抗,V1為電池正負極間測量的電壓值。結合該等效電路圖對電池充放電過程中的電壓變化進行分析。





    圖3  基于阻抗分解的電池等效電路圖


    在電池處于靜置狀態時,此時測量的V1為電池的開路電壓,極化電阻R2為0,且由于測量的電流極小,歐姆內阻與接觸內阻產生的分壓也極小,因此V1≈U1。

    當電池處于放電狀態時,充/放電端接用電器,電池由理想電源C1提供電荷,并且經過電池自身的R1、R2、R3三個阻抗的分壓,提供給外接用電器,此時電池正負極間測得的電壓值V1實際為用電器獲得的分壓,V1=U1-(R1+R2+R3)*I。當放電結束后電池轉為靜置狀態,極化內阻逐漸消失,V1≈U1,因此在放電過程中,電池端的電壓值會低于靜置時的電壓值。

    當電池處于充電狀態時,充/放電端接電源,此時電池自身相當于用電器,此時電池正負極間測得的電壓值實際為電池兩端獲得的電壓,但是由于電池存在R1、R2、R3三個阻抗的分壓作用,理想電源C1實際獲得的U1=V1-(R1+R2+R3)*I。當充電結束后,極化內阻逐漸消失,V1≈U1,因此在充電過程中,電池端的電壓值會高于靜置時的電壓值。

    在PACK過程中,由于焊接不良或螺栓扭矩未打緊會造成電池與極片的接觸阻抗R3遠大于歐姆內阻R1與極化內阻R2,這會直接影響到電池包的電性能測試,通常會表現為電池的端電壓瞬間飆高或飚低,甚至達到電壓保護的上下限,導致電性能測試區間縮短或直接終止。

    電池阻抗對產熱的影響:


    當電池通過電流時,其阻抗會將部分電能轉化為熱能消耗掉,就表現出電池的產熱現象。電池包產熱會造成電池的溫度升高,一般電池的工作溫度要求再20~45之間,過高或過低的溫度會對電池的壽命造成影響。Q=I2*R*t,在正常的使用情況下,電池的阻抗變化較小,其產熱量基本與電流大小的平方線性相關,下圖為某電池包在電性能測試中分別使用1C與0.5C放電的溫升曲線,變換電流大小是生產中電測可選的溫度控制方式之一。






    圖3  某電池包電測溫度曲線(環境溫度20℃)


    歐姆內阻與極化內阻導致電池內部產熱,而電池與極片間的接觸阻抗則導致電池外部產熱。產熱量與阻抗大小線性相關,由于接觸不緊密的導致的大阻抗會產生大量熱量,在電動汽車的實際使用中存在極大的安全隱患,嚴重的會導致電動汽車燒毀。因此,保證螺栓扭力達標,盡可能消除接觸阻抗是PACK過程中的關鍵控制點之一。


    總結


    電池阻抗是電池的重要屬性,了解其組成及影響對分析電池包性能異常具有較大的作用。在PACK生產中,保證通過電流的器件緊密接觸,以消除接觸阻抗的任務至關重要。由于小編水平有限,暫未對歐姆內阻與極化內阻展開分析。


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