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充放电性能——电池阻抗解析

时间:  2020-11-05 15:50   来源:  锂电前沿    作者:  网络转载

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在电池的充放电过程中,电池阻抗是制约其性能的重要因素之一,阻抗不仅额外消耗电池的能量,而且会将消耗的能量转变为热量,对系统温度造成影响。对于PACK行业人员而言,了解电池阻抗特性,掌握其异常的表现规律,有助于分析、解决电池包电性能测试的多种异常,提升工艺素养。

电池阻抗是指电流在通过电池时受到的阻力,它包括欧姆内阻和极化内阻以及外部接触阻抗。

(1)欧姆内阻主要是指由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成,与电池的尺寸、结构、装配等有关,其阻值的大小与充放电状态无关,亦几乎不受SOC状态的影响,仅随着温度的升高而降低。

(2)极化内阻是指电化学反应时由极化引起的电阻,仅发生在电池的充/放电过程中,包括电化学极化和浓差极化引起的电阻。其中[1],电化学极化是由于电极的电化学速率反应迟缓造成的,电化学反应过程中某一步电荷转移速率达不到对外放电速率时表现的阻抗,此时电池就要分配一定的电压用于满足其转移速率的活化能;而浓差极化是由于反应物消耗引起电极表面得不到及时补充导致的(或是某种产物在电极表面积累,不能及时疏散)。研究表明[2],极化内阻的大小受到SOC状态的影响。如图1所示,当电池的SOC接近空电与满电状态时,其极化内阻较大,而SOC处于20%~80%时,其极化内阻相对较小,而且这种现象会随着电池循环次数的增多而逐渐加剧,这是因为经过多次循环后,锂离子电池的电极活性物质与电解液界面逐渐退化,导致电化学的阻抗增加。

充放电性能——电池阻抗解析
图1 极化内阻与SOC的关系

(3)接触阻抗是指电池在使用中,正负极与外接电路间的接触不良导致的阻抗。接触阻抗主要发生在PACK过程中,例如焊接不良、串联螺栓扭矩不紧等异常都会导致较大的接触阻抗,且随着时间的推移会逐渐出现扭力衰减问题,一般要求过电流的地方接触越紧密越好(不同型号螺栓存在扭力标准范围,过大可能导致螺栓损坏)。

电池阻抗对充放电性能的影响:

电池阻抗的大小直接影响到电池能量的消耗,无论是在充电还放电阶段,阻抗的存在都会引起能量的损失,这就会使电池表现出充电电压平台>放电的电压平台(能量=电压*电流*时间),图2为某磷酸铁锂电池充放电过程的SOC-电压曲线(1/20 C电流充放)。

充放电性能——电池阻抗解析
图2  某磷酸铁锂电池的充/放电SOC-电压曲线

图3为基于阻抗分解的电池等效电路图。其中,C1为理想电源,表示电池存储电荷的能力,其电压为U1,不受充放电状态的影响;R1为欧姆阻抗,R2为极化阻抗,R3为接触阻抗,V1为电池正负极间测量的电压值。结合该等效电路图对电池充放电过程中的电压变化进行分析。

充放电性能——电池阻抗解析
图3  基于阻抗分解的电池等效电路图

在电池处于静置状态时,此时测量的V1为电池的开路电压,极化电阻R2为0,且由于测量的电流极小,欧姆内阻与接触内阻产生的分压也极小,因此V1≈U1。

当电池处于放电状态时,充/放电端接用电器,电池由理想电源C1提供电荷,并且经过电池自身的R1、R2、R3三个阻抗的分压,提供给外接用电器,此时电池正负极间测得的电压值V1实际为用电器获得的分压,V1=U1-(R1+R2+R3)*I。当放电结束后电池转为静置状态,极化内阻逐渐消失,V1≈U1,因此在放电过程中,电池端的电压值会低于静置时的电压值。

当电池处于充电状态时,充/放电端接电源,此时电池自身相当于用电器,此时电池正负极间测得的电压值实际为电池两端获得的电压,但是由于电池存在R1、R2、R3三个阻抗的分压作用,理想电源C1实际获得的U1=V1-(R1+R2+R3)*I。当充电结束后,极化内阻逐渐消失,V1≈U1,因此在充电过程中,电池端的电压值会高于静置时的电压值。

在PACK过程中,由于焊接不良或螺栓扭矩未打紧会造成电池与极片的接触阻抗R3远大于欧姆内阻R1与极化内阻R2,这会直接影响到电池包的电性能测试,通常会表现为电池的端电压瞬间飙高或飚低,甚至达到电压保护的上下限,导致电性能测试区间缩短或直接终止。

电池阻抗对产热的影响:

当电池通过电流时,其阻抗会将部分电能转化为热能消耗掉,就表现出电池的产热现象。电池包产热会造成电池的温度升高,一般电池的工作温度要求再20~45之间,过高或过低的温度会对电池的寿命造成影响。Q=I2*R*t,在正常的使用情况下,电池的阻抗变化较小,其产热量基本与电流大小的平方线性相关,下图为某电池包在电性能测试中分别使用1C与0.5C放电的温升曲线,变换电流大小是生产中电测可选的温度控制方式之一。

充放电性能——电池阻抗解析
图4  某电池包电测温度曲线(环境温度20℃)

欧姆内阻与极化内阻导致电池内部产热,而电池与极片间的接触阻抗则导致电池外部产热。产热量与阻抗大小线性相关,由于接触不紧密的导致的大阻抗会产生大量热量,在电动汽车的实际使用中存在极大的安全隐患,严重的会导致电动汽车烧毁。因此,保证螺栓扭力达标,尽可能消除接触阻抗是PACK过程中的关键控制点之一。

总结

电池阻抗是电池的重要属性,了解其组成及影响对分析电池包性能异常具有较大的作用。在PACK生产中,保证通过电流的器件紧密接触,以消除接触阻抗的任务至关重要。由于小编水平有限,暂未对欧姆内阻与极化内阻展开分析。
 

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