1 引言

以三元體系的51Ah方形動力電池作為研究對象，從電池SOC狀態(tài)、脈沖電流、脈沖時間、測試溫度以及使用工況各個方面進行了全面的測試分析，在實際應(yīng)用中可以作為三元體系電池直流內(nèi)阻測試的參考依據(jù)。

2 實驗部分

2.1 測試對象

所選用的測試樣本為NCM體系方形鋰離子動力電池，單體容量51Ah，平臺電壓3.65V。 所用測試設(shè)備為Arbin充放電設(shè)備以及高低溫箱。

2.2 測試方法

(1)將電池在25±2℃溫箱中做容量測試，測試流程如下：

①休眠2min；

②用1C(1C=51A) 電流將電池放電至2.0V；

③休眠2mi n；

④用1C電流將電池恒流恒壓充電至4.2V；

⑤重復步驟①～④，以第二次放電的容量作為電池的實際容量。

(2)放電DCIR測試：

①充滿電的電池靜止1h；

②使用1C電流將電池調(diào)整至目標SOC；

③靜止30min，記錄此時的電壓V0作為相應(yīng)SOC的OCV；

④使用放電電流I1放電t s，記錄第t s的電壓V1；

⑤放電直流內(nèi)阻的計算公式：

(3)充電DCIR測試：

①放空電的電池靜止1h；

②用1C電流充電至目標SOC；

③靜止30min，記錄此時電壓V0作為相應(yīng)SOC下的OCV；

④用充電電流I2充電t s，記錄第t s的電壓V1；

⑤充電直流內(nèi)阻的計算方式：

3 結(jié)果與討論

3.1 不同SOC對直流內(nèi)阻的影響

根據(jù)2.2所述的測試方法進行不同SOC下的充電直流內(nèi)阻和放電直流內(nèi)阻測試，放電脈沖電流為I1=5C，充電脈沖電流為I2=3C，脈沖時間t=10s。 測試結(jié)果分別見圖1(a) 和圖1(b)。

從測試結(jié)果可以看到，不同SOC狀態(tài)對DCIR的測試結(jié)果有較大的影響，且充電DCIR和放電DCIR數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)出隨著SOC的升高逐漸降低的趨勢，20％SOC以上的DCIR趨于穩(wěn)定。

分析其原因與電池內(nèi)部的反應(yīng)過程有關(guān)。 在低SOC下，電荷轉(zhuǎn)移阻抗較高，隨著SOC逐漸增大，電荷轉(zhuǎn)移阻抗減小，DCIR也逐漸減小。

3.2 電流大小對直流內(nèi)阻的影響

參考2.2，將測試樣品調(diào)整至50％SOC狀態(tài)，分別以I1=C，1.5C，2C，3C，5C的電流進行脈沖放電，以I2=lC，1.5C，2C，3C的電流進行脈沖充電，計算并對比脈沖10s時候的DCI R值，以研究脈沖電流大小對直流內(nèi)阻測試結(jié)果的影響，測試結(jié)果如圖2。

放電脈沖電流在1～5C，充電電流在1～3C時，50％SOC下測得的放電DCIR和充電DCIR的測試結(jié)果均呈現(xiàn)出隨著電流增大而逐漸減小的趨勢。 而參考其他文獻對三元體系電池的的研究結(jié)果，則呈現(xiàn)出充電DCIR隨著電流增大而增大，放電DCIR隨著電流增大而減小的趨勢，與本文研究結(jié)果并不一致，說明DCIR隨電流變化的趨勢與電池的體系設(shè)計也有一定的關(guān)系。

3.3 脈沖時間對直流內(nèi)阻的影響

為驗證脈沖時問對直流內(nèi)阻的影響，參考2.2的測試方法，對脈沖放電和脈沖充電時問在1～30s的DCIR進行了測試對比( 由于該電池50％SOC以上的DCIR差異較小，為便于對比，此處僅對50％SOC以下的數(shù)據(jù)進行了展示) ，測試結(jié)果分別見圖3(a)和圖3(b) 。

測試結(jié)果顯示，當脈沖時間在1～5s時，充電和放電DCIR均呈現(xiàn)線性增長趨勢； 當脈沖時間在5～30s時，DCIR增長趨勢變緩，逐漸偏離線性。 該現(xiàn)象是由于隨著脈沖時問的增加，電池內(nèi)部傳質(zhì)阻抗增加，并逐漸占據(jù)主導地位，因此DCIR的變化也逐漸偏離線性。

且隨著SOC狀態(tài)升高，DCIR減小，DCIR隨時間的增長率也越小。 該現(xiàn)象與高SOC下的電荷轉(zhuǎn)移阻抗較小有關(guān)。

3.4 溫度對直流內(nèi)阻的影響

參考2.2在不同溫度下進行直流內(nèi)阻測試，并根據(jù)不同溫度下的充放電能力調(diào)整脈沖電流的大小，測試結(jié)果如圖4。

可以看到，隨著溫度的降低，放電DCIR和充電DCIR均逐漸升高。 這是因為隨著溫度的降低，電解液粘度增大，且離子移動速度減慢，化學反應(yīng)速度降低，電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻都會增大，因此測出的DCIR會呈現(xiàn)出增大的趨勢。

3.5 使用工況對直流內(nèi)阻的影響

考慮鋰離子電池在實際應(yīng)用時有不同的使用工況，因此也對不同使用工況下的直流內(nèi)阻變化情況進行了研究分析。

將測試樣品分別在25℃，35℃，45℃環(huán)境下進行1C充放電循環(huán)，每循環(huán)100次，參考2.2的測試方法將電池調(diào)整至50％SOC，使用1C脈沖放電30s，并采用式(1) 計算第30s的放電DCIR數(shù)據(jù)，以觀察DCIR隨循環(huán)次數(shù)變化情況。 圖5(a) 和圖5(b)分別展示了不同溫度下的循環(huán)衰減趨勢和循環(huán)過程中的放電直流內(nèi)阻變化趨勢。

從圖中可以看到，三個溫度下循環(huán)的容量衰減趨勢不同，循環(huán)過程中的DCIR變化也呈現(xiàn)出截然不同的趨勢，且溫度越高，DCIR隨循環(huán)次數(shù)的增加越快。 這是因為電池在循環(huán)過程中的容量衰減主要有以下三個原因：

(1)電池內(nèi)部副反應(yīng)導致活性鋰損失；

(2)電池內(nèi)活性物分解，結(jié)構(gòu)的裂化、電極分層等；

(3)因活性材料表面固態(tài)電解質(zhì)膜逐漸增厚、隔膜電導率降低等導致接觸阻抗增大。

而直流內(nèi)阻的增加則是這三種因素累加的結(jié)果。 電池內(nèi)部的副反應(yīng)、電極劣化速度等都會隨著溫度的升高而加劇，因此直流內(nèi)阻也會隨著溫度的升高而增長較快。

綜上，對三元體系的方形鋰離子動力電池在不同條件下的DCIR測試結(jié)果進行了測試和分析，根據(jù)測試結(jié)果可知：

(1)直流內(nèi)阻隨著SOC的升高呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，20％SOC以上DCIR趨于穩(wěn)定。

(2)放電脈沖電流在1～5C，充電電流在1～3C時，50％SOC下測得的放電DCIR和充電DCIR的測試結(jié)果均呈現(xiàn)出隨著電流增大而逐漸減小的趨勢。 但是不同體系設(shè)計的電池可能會有不同的趨勢。

(3)脈沖時間在1～5s時，DCIR呈現(xiàn)線性增長趨勢； 脈沖時問在5～30s時，DCIR增長趨勢則逐漸偏離線性現(xiàn)象。

(4) 隨著溫度降低，電池的DCIR會逐漸升高。

(5) 不同使用工況下直流內(nèi)阻的增長趨勢也不同。

4 結(jié)論

通過不同條件下的直流內(nèi)阻測試，對影響方形三元體系鋰離子電池直流內(nèi)阻的因素進行了分析。 根據(jù)測試結(jié)果可知，影響鋰離子電池直流內(nèi)阻的因素很多，因此在實際應(yīng)用過程中應(yīng)該根據(jù)需求進行相應(yīng)條件下的直流內(nèi)阻測試，且需要注意測試條件的一致性，才能保證測試結(jié)果的可信度。

審核編輯：湯梓紅