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直流內阻對磷酸鐵鋰電池性能影響分析

梯次磷酸鐵鋰電池

1、直流內阻對磷酸鐵鋰電池的soc影響

在1C、5C、8C充電和放電情況下、持續5s測試的電池直流內阻隨soc的變化情況。可以看出,在較低的sOc下(30%以下),電池直流內阻比較高,在30~80%期間保持比較平穩,之后,充電測試的直流內阻又逐漸上升,而放電測試的直流內阻仍保持比較平穩。充電測試的直流內阻在sOC中間階段有逐漸下降的趨勢,而放電測試的直流內阻有逐漸上升趨勢,與某些報道的情況并不相符,與采用的電池、實驗電流、持續時間以及測量誤差等有關。

無論是放電還是充電,在30~80%sOC范圍內,電池的直流內阻相差不大。所以對對磷酸鐵鋰電池或電源系統的直流內阻的評價,應當選取此SOC范圍進行比較。而30%、80%SOC作為內阻變化的臨界點,可以為混合電動汽車的控制作為參考(混合電動車電源系統應用SOC范圍一般在30~80%)。由于在此范圍內對磷酸鐵鋰電池直流內阻變化比較小,并且受電流、溫度等其他因素影響比較大,不適宜作為soC判斷的依據。超出此范圍,電池放電/充電的極化電阻比較大,引起的電池內阻增大。

2、時間與直流內阻的關系

4C充電情況下0.1~0.9s內和1~10s內測試計算直流內阻。可以看出,無論充電還是放電測試,直流內阻對測試持續時間有強烈的依賴性,隨著持續時間的增加,直流內阻明顯加大,但在不同時間段內,其增加的速率不同。在1s以內,直流內阻與測試持續時間呈良好的線性關系,不同SOC下(30~80%)的擬合曲線的斜率相差不大;但在1~10s內,隨著SOC的增大,雖然曲線也呈較好的線性關系,但斜率的變化隨soc的增大而增大。

4C放電情況下0.1~0.9s和1~10s內測試的直流內阻,直流內阻隨測試時間也呈現較好的線性關系。在0.1~0.9s內,隨著sOC增大,擬合曲線的斜率逐漸減小,1~10s內,斜率變化不大。

這種變化與電池內部的反應有關。對電池施加電流后,引起電池電壓變化的首先是電池的歐姆電阻,瞬間使電池電壓上升(充電)或下降(放電),然后是電荷轉移阻抗引起的電壓降,最后是傳質阻抗。在充電測試過程中,隨著SOC的增大,電荷轉移阻抗增大,所以擬合曲線的斜率逐漸增大。在放電過程中,隨著SOC增大,放電的電荷轉移阻抗逐漸減小,所以放電期間的斜率隨SOc增加而逐漸邊小。隨著測試持續時間的增加,電池內部傳質阻抗逐漸增加,并占據主導,內阻變化也不呈線性變化了。電池1C充電和放電情況下6min內測試計算的直流內阻(測試前后電池SOC增加或減小了10%)。其直流內阻的變化曲線與電池的充電、放電電壓曲線非常接近。

由于對磷酸鐵鋰電池的直流內阻對測試持續時間比較敏感,在進行電池或電池組直流內阻的評價時,應根據實際應用情況來選擇測試的持續時間。如對于混合電動車來說,起啟動、加速時間一般在10s左右,所以可以選擇10s的持續時間進行比較。測試時間越短,越能體現電池或電池組的歐姆電阻,但短的測試持續時間受測試設備和數據采集響應誤差的影響,也不能完全體現電池組的實際應用性能,不宜作為評價的標準。但在實際應用中,利用較短時間內直流內阻的測試可以判斷電池組內的歐姆阻抗變化情況,進行故障診斷。

3、對磷酸鐵鋰電池的電流與直流內阻的關系

在不同電流下測試對磷酸鐵鋰電池的充電和放電情況下的直流內阻。隨著電流的增加,電池直流內阻有明顯的下降趨勢,當電流達到一定程度后,又會隨著電流的增加而上升,主要是由于電池內部的極化形式發生了變化。增大電流,電池內部傳質過程成為控制步驟,電池內阻將開始增大。

對于對磷酸鐵鋰電池或電源系統的不同,應采用不同的測試電流進行比較與評價,或者根據實際應用特征進行電流的選擇,對于大容量動力電池(混合電動客車應用),適宜選擇5C左右的電流,而混合電動轎車應用的小容量動力電池,較適宜選取10C左右的電流甚至更高。

4、電流與時間的交互作用對對磷酸鐵鋰電池直流內阻的影響

電流與時間的交互作用對對磷酸鐵鋰電池直流內阻的影響非常明顯。1C、2C、充電情況下1~10s內直流內阻隨測試時間的變化情況,隨測試持續時間的延長,直流內阻逐漸加大,但變化幅度明顯不同。在1C情況下,不同SOC下的曲線無交叉點,同一測試時間下soc越大,直流內阻越低,2C充電就有了較明顯的交叉點,交叉點大約在7~8s左右。4C充電的交叉點就更為明顯了,約在4s。低于4s,在同一測試時間下,隨sOC增大,電池直流內阻降低,而在此點之后,變化相反,sOC增大,直流內阻變大。即各曲線的斜率隨soc的增加而增大。

這種原因應當是對磷酸鐵鋰電池內部的極化變化引起的。充電情況下,sOC越大,極化及極化變化率也越大,因此曲線的斜率也越大,反映到電池性能上就是sOC越大電池充電接受能力越低。這種情況也解釋了某些研究者測試直流內阻時出現隨SOC增大直流內阻出現相反變化的原因。時間和電流的交互作用引起的變化點與對磷酸鐵鋰電池的類型、結構、設計、材料等各方面有關。

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