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锂离子电池直流内阻测试研究

3年前浏览3221
内阻是评价电池性能的重要指标之一
内阻的测试包括交流内阻与直流内阻。对于单体电池,一般以交流内阻来进行评价,即通常称为欧姆内阻。但对于大型电池组应用,如电动车用电源系统来说,由于测试设备等方面的限制,不能或不方便来直接进行交流内阻的测试,一般通过直流内阻来评价电池组的特性。
在实际应用中,也多用直流内阻来评价电池的健康度,进行寿命预测,以及进行系统 SOC、输出/输入能力等的估计。在生产中,可以用来检测故障电池如微短路等现象。

测试方法

目前常用的直流内阻测试方法有以下三个:
1)美国《FreedomCAR 电池测试手册》中的 HPPC 测试方法:测试持续时间为10s,施加的放电电流为 5C 或更高,充电电流为放电电流的 0.75。具体电流的选择根据电池的特性来制定;
(2)日本JEVSD713 2003 的测试方法,原来主要针对 Ni/MH 电池,后也应用于锂离子电池,首先建立 0~100% SOC 下电池的电流一电压特性曲线,分别以 1C、2C、5C、10C 的电流对设定 SOC 下的电池进行交替充电或放电,充电或放电时间分别为10s,计算电池的直流内阻;
(3)我国“863”计划电动汽车重大专项《HEV 用高功率锂离子动力蓄电池性能测试规范》中提出的测试方法,测试持续时间为 5s,充电测试电流为 3C,放电测试电流为 9C;

HPPC测试流程 

说明:
充电方法:生产商规定的充电方法;
放电电流:5C或者生产商规定的最大放电倍率的25%放电电流;
测试方法:
1.满充电池,休眠5分钟,1C电流进行放完电;进行3次完整的容量测试;
要求:三次容量误差<2%
2.满充电池,按照1C放电到10%DOD,休眠1小时,然后以5C放电10S,休眠30S,充电10S;
3.满充电池,按照1C放电到20%DOD,休眠1小时,然后以5C放电10S,休眠30S,充电10S;
4. 满充电池,按照1C放电到30%DOD,休眠1小时,然后以5C放电10S,休眠30S,充电10S;
5. 满充电池,按照1C放电到40%DOD,休眠1小时,然后以5C放电10S,休眠30S,充电10S;
6.满充电池,按照1C放电到50%DOD,休眠1小时,然后以5C放电10S,休眠30S,充电10S;
7. 满充电池,按照1C放电到60%DOD,休眠1小时,然后以5C放电10S,休眠30S,充电10S;
8.满充电池,按照1C放电到70%DOD,休眠1小时,然后以5C放电10S,休眠30S,充电10S;
9. 满充电池,按照1C放电到80%DOD,休眠1小时,然后以5C放电10S,休眠30S,充电10S;
10.满充电池,按照1C放电到90%DOD,休眠1小时,然后以5C放电10S,休眠30S,充电10S;
数据要求:
1. 记录每次深度放电后的OCV;
2. 根据每次深度放电后的脉冲放电和充电数据,计算充电和放电的DCR;
3. 根据每次放电深度的DCR和OCV计算Pdis;
Pdis=VminVoc-Vmin/Rdis
Vmin:电池放电截止电压
Voc:每次深度放电后的电压
Rdis:每次深度放电的DCR
4. 充电和放电的Pdis VS DOD 曲线图;OCV VS DOD;充电和放电的Rdis VS DOD曲线图;
5. 1个脉冲循环的Current VS Time 图。

实验测试

1. 测试对象与设备
测试对象:某100Ah磷酸铁锂方形电芯,参数如下表1;
容量
100Ah
工作电压
2.5V-3.65V
电池内阻
≤0.4mΩ
工作温度(充电)
-15~55
工作温度(放电)
-30~55
电池重量
2.3Kg
最大脉冲放电电流
300Ah(10s
表一:100Ah磷酸铁锂方形电芯参数
测试设备:MACCOR 5V200A(12CH) BEV循环存储DCR测试
2. 测试电流
由于此款电芯最大放电电流为3C,为安全起见,本次测试最大放电电流为2C,且分别测试电芯0.2C,0.5C,0.85C,1C,2C的充放电直流内阻。
3. 测试前准备
为提高测试数据的准确性,采用两个电芯进行同时测试,将电芯贴上热电偶,并连接好线路,将电芯放入测试温箱,温度设置为25℃。
    
4. 测试容量
满充电池,休眠5分钟,1C电流进行放完电;进行3次完整的容量测试,测试结果显示3次容量误差<2%,满足要求。
5. 测试步骤
分别测试电芯0.2C,0.5C,0.85C,1C,2C的直流内阻,根据每次深度放电后的脉冲放电和充电数据,计算充电和放电的DCR。
6. 相关计算
根据每次放电深度的DCR和OCV计算Pdis
Pdis=VminVoc-Vmin/Rdis
Vmin电池放电截止电压,Voc每次深度放电后的电压,Rdis每次深度放电的DCR;
7.制作相关曲线图
充电和放电的Pdis VS DOD 曲线图;OCV VS DOD,充电和放电的Rdis VS DOD曲线图(以1C为例进行简单分析)

图1:1C放电时直流内阻随SOC变化曲线图

图2:1C充电时直流内阻随SOC变化曲线图
从图1和图2中可以看出,电芯在充电时,直流内阻的变化较小。放电时,直流内阻随SOC逐渐增大而减小。

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图3:1C放电时电压随SOC变化曲线图

图4:1C充电时电压随SOC变化曲线图
从图3和图4中可以看出,电芯的电压在70%~100%SOC以及30%~60%SOC时,较为稳定,在10%~30%SOC以及60%~70%SOC呈现变化斜率较大的情况。

图5:1C放电时功率随SOC变化曲线图

图6:1C充电时功率随SOC变化曲线图
从图5和图6中可以看出,电芯在充电时的功率变化不大,在区间1200~1600W之间波动,放电时,随着SOC的逐渐减小,放电功率也逐渐减小。
8. 电芯各个充放电状态的直流内阻对比

图7:不同电流放电时直流内阻随SOC变化曲线图

图8:不同电流充电时直流内阻随SOC变化曲线图
从图7和图8中可以看出,在10%~30%SOC时,电芯的充电直流内阻略小于放电的直流内阻,大于30%SOC时,电芯的充电直流内阻大于放电的直流内阻,且在50%~70%SOC之间,直流内阻的变化较小

总结

1. 电芯的电压在70%~100%SOC以及30%~60%SOC时,较为稳定,在10%~30%SOC以及60%~70%SOC呈现变化斜率较大的情况,与电芯的电压特性相符;

2. 电芯在充电时的功率变化不大,放电时,随着SOC的逐渐减小,放电功率也逐渐减小;

3. 在10%~30%SOC时,电芯的充电直流内阻略小于放电的直流内阻,大于30%SOC时,电芯的充电直流内阻略大于放电的直流内阻;

4. 50%~70%SOC之间,直流内阻的变化较为平稳。

THE END
热设计Flotherm新能源燃料电池
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首次发布时间:2021-01-23
最近编辑:3年前
做个热设计
本科 | 热设计工程师 公粽号:做个热设计
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1条评论
做个热设计
公粽号:做个热设计
3年前
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