1鋰離子電池內(nèi)阻的構(gòu)成

鋰離子電池內(nèi)阻重要包括兩個(gè)部分，歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻在溫度恒定的條件下，歐姆電阻基本穩(wěn)定不變，而極化電阻會(huì)隨著影響極化水平的因素變動(dòng)。

歐姆電阻重要由電極材料、電解液、隔膜電阻及集流體、極耳的連接等各部分零件的接觸電阻組成，與電池的尺寸、結(jié)構(gòu)、連接方式等有關(guān)。鋰離子電池的端電壓，指鋰離子電池被連接在回路中處于工作狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)到的電池正負(fù)極之間的電壓，其數(shù)值等于鋰離子電池電勢(shì)減去歐姆內(nèi)阻占?jí)汉?，剩余的電壓值?/p>

觀(guān)察下面圖形，展示的是鋰離子電池放電過(guò)程的電壓-時(shí)間曲線(xiàn)的開(kāi)始一段。電池開(kāi)始放電后，曲線(xiàn)有一個(gè)瞬間壓降ΔU1，這是回路通電瞬間，電壓傳感器檢測(cè)到的電池兩端電壓從開(kāi)路電壓（等于電池電勢(shì)）切換到端電壓的結(jié)果，ΔU1就是歐姆內(nèi)阻占?jí)海?Delta;U2則是在放電結(jié)束時(shí)候，斷開(kāi)回路時(shí)，電池端電壓曲線(xiàn)上出現(xiàn)的一段電壓回升，同樣是歐姆內(nèi)阻帶來(lái)的影響，ΔU1與ΔU2是相同的。

能夠檢測(cè)到純歐姆內(nèi)阻的時(shí)間比較短暫，因?yàn)殡S著電流逐漸上升至額定回路電流的過(guò)程中，極化現(xiàn)象逐漸加強(qiáng)，兩種內(nèi)阻的用途將混合到一起，不能分別。測(cè)量歐姆內(nèi)阻的時(shí)間窗口在1~2ms以?xún)?nèi)。

極化內(nèi)阻，從電芯內(nèi)由電流出現(xiàn)那一刻開(kāi)始跟著出現(xiàn)，隨著電流的增大而增大，是電池內(nèi)部各種阻礙帶電離子抵達(dá)目的地的趨勢(shì)總和。極化電阻可以分為電化學(xué)極化和濃差極化兩部分。電化學(xué)極化是電解液中電化學(xué)反應(yīng)的速度無(wú)法達(dá)到電子的移動(dòng)速度造成的；濃差極化，是鋰離子嵌入脫出正負(fù)極材料并在材料中移動(dòng)的速度小于鋰離子向電極集結(jié)的速度造成的。

上圖電壓時(shí)間曲線(xiàn)上的ΔU3一段，是回路斷開(kāi)后，電池端電壓逐漸回升的一段，是電池內(nèi)部去極化過(guò)程的體現(xiàn)，ΔU3的數(shù)值就是極化內(nèi)阻的占?jí)?。在不同的放電狀態(tài)下，ΔU3的數(shù)值并不相同。

2標(biāo)準(zhǔn)上的電池內(nèi)阻測(cè)量方法

《FreedomCAR電池試驗(yàn)手冊(cè)》中的HPPC測(cè)試實(shí)驗(yàn)，給出了鋰離子電池內(nèi)阻的一種典型測(cè)試方法直流內(nèi)阻測(cè)試法，步驟如下：

(1)用恒流40A限壓4.2V將電池充滿(mǎn)；

(2)用100A電流放出10%DOD(放電深度DepthOfDischarge)的電量，此時(shí)電池SOC為90%；

(3)靜止1小時(shí)；

(4)按下圖脈沖功率試驗(yàn)圖進(jìn)行一次試驗(yàn)；

(5)重復(fù)(1)-(3)的試驗(yàn)，每次放電深度新增10%，直到放出90%DOD進(jìn)行最后的測(cè)試；

(6)將電池放出100%的DOD。

電流時(shí)間曲線(xiàn)如上圖所示。t0~t1時(shí)刻，對(duì)電池以120A的電流放電；t1~t2時(shí)

刻,電池?cái)嚯婌o置；t2~t3時(shí)刻，對(duì)電池以100A的電流充電。電池,內(nèi)阻可以通過(guò)電池電壓變化量與電流變化量的比值求出,具體計(jì)算公式如下：

式中Rd為放電內(nèi)阻，Rc為充電內(nèi)阻，Id為放電電流,Ic為充電電流。脈沖放電和充電的時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，防止極化內(nèi)阻出現(xiàn)明顯影響。

3一些鋰離子電池內(nèi)阻測(cè)試方法

通過(guò)上面的描述可看到，標(biāo)準(zhǔn)給出的直流內(nèi)阻測(cè)試法，要給電池一個(gè)脈沖大電流，這種測(cè)試方法的準(zhǔn)確程度，不但與使用的充放電設(shè)備以及傳感器的檢測(cè)器具的精度有關(guān)，電池內(nèi)阻本身大小，也會(huì)對(duì)誤差出現(xiàn)影響。于是研究人員根據(jù)自身產(chǎn)品，設(shè)備條件研究出一系列方法，對(duì)鋰離子電池內(nèi)阻進(jìn)行檢測(cè)，下面列舉其中幾個(gè)比較典型的測(cè)試方式。

方法1，雙電阻法測(cè)量電池內(nèi)阻

秦輝在他的文章《電池內(nèi)阻的測(cè)量》中介紹了利用雙電阻法測(cè)量電池內(nèi)阻的方法。

如圖所示，電池串聯(lián)一個(gè)電阻形成回路，測(cè)量負(fù)載電阻的分壓，進(jìn)而推算電池內(nèi)阻。這是一個(gè)非常簡(jiǎn)易的方法，從接觸電路開(kāi)始，我們幾乎就了解存在這么一個(gè)方法。使用這個(gè)方法的一個(gè)要點(diǎn)是，當(dāng)外接電阻值與電池內(nèi)阻越接近，測(cè)量結(jié)果的誤差將越小。電阻計(jì)算公式：E/(r+R)=U/R，所以r=(E/U-1)R

用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)上述電阻測(cè)量原理，框圖如下：

單片機(jī)主導(dǎo)的電池內(nèi)阻測(cè)量過(guò)程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)復(fù)位后，其控制端輸出高電平，將模擬開(kāi)關(guān)的控制端IN置1，然后持續(xù)對(duì)電壓表進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到電壓表有輸入電壓時(shí)，單片機(jī)將模擬開(kāi)關(guān)的IN控制端置0，則D端與S2端之間呈斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)電壓表測(cè)量所得的電壓值為電源的電動(dòng)勢(shì)E。單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)將數(shù)字電壓表測(cè)量所得的電壓數(shù)據(jù)存入單片機(jī)存儲(chǔ)器中。

然后單片機(jī)再將模擬開(kāi)關(guān)的IN端置1，則D端與S2端之間呈導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)電壓表測(cè)量所得的電壓值為模擬開(kāi)關(guān)、電阻rˊ和R三者承受的總電壓Uˊ，單片機(jī)將該電壓數(shù)據(jù)讀入到單片機(jī)存儲(chǔ)器中。利用串聯(lián)電路分壓公式U=100Uˊ/199.5，單片機(jī)計(jì)算出U。再利用公式r=(E/U-1)R，單片機(jī)計(jì)算出電池內(nèi)阻r(公式中的r1=rˊ+0.5=99.5)。單片機(jī)通過(guò)接口電路將計(jì)算結(jié)果送入電壓表顯示電路，顯示出電池內(nèi)阻r的值。

這個(gè)方法，可以利用單片機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和結(jié)果顯示，但檢測(cè)的精度還是由電阻精度和電壓表精度決定。

方法二，不平衡電橋法電池內(nèi)阻測(cè)量

作者李舒晨，在他的文章《不平衡電橋法電池內(nèi)阻測(cè)量裝置的原理與設(shè)計(jì)》中介紹了利用不平衡電橋測(cè)量電池內(nèi)阻的方法。

不平衡電橋法測(cè)量電池內(nèi)阻的原理如上圖所示。其中R01,R02,R03為電橋內(nèi)設(shè)電阻,

Rx為含電動(dòng)勢(shì)E的電池內(nèi)阻。電阻R00和開(kāi)關(guān)K跨接在電橋A至B之間.根據(jù)戴維南定理，從N、G兩點(diǎn)看去，可有圖(b)所示的等效電路。其中E0為開(kāi)路電壓，R0為等效電阻。

當(dāng)電路滿(mǎn)足電橋平衡條件R02/R01=R03/Rx時(shí)，上述等效電路電壓源E0和等效電阻R0均不因開(kāi)關(guān)K的接通與斷開(kāi)狀態(tài)而改變，即在開(kāi)關(guān)K接通和斷開(kāi)狀態(tài)下均有

E0=E〔(R01+R02)/(R01+R02+R03+Rx)〕=E〔R01/(R01+Rx)〕

R0=(R01+R02)//(R03+Rx)=(R02//R03)+(R01//Rx)

用上述原理在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試電池內(nèi)阻時(shí),只要在N,G之間接入一只直流電流表，反復(fù)接通和斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K，并調(diào)節(jié)R01或R02，直到開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化時(shí)，電流表讀數(shù)不變，此時(shí)便可依公式算出電池內(nèi)阻：Rx=R01(R03/R02)。

將上述測(cè)量過(guò)程中使用的開(kāi)關(guān)用電子開(kāi)關(guān)取代，并用周期性電壓控制開(kāi)關(guān)反復(fù)通斷。將N、G間的短路電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并在開(kāi)關(guān)通斷期間對(duì)電壓信號(hào)分別進(jìn)行采樣保持形成兩路電壓，最后對(duì)兩路電壓進(jìn)行差分放大送至平衡電壓指示表，這就構(gòu)成一個(gè)用不平衡電橋原理測(cè)量電池內(nèi)阻的裝置。

電橋電阻R01、R02、R03的選擇影響測(cè)量靈敏度；電阻R00對(duì)電橋靈敏度及電池放電有影響。

方法3，電池內(nèi)阻在線(xiàn)測(cè)量

作者陳寶明在他的文章《電池內(nèi)阻在線(xiàn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作》中介紹了一個(gè)比較常用的在線(xiàn)測(cè)量方法，交流注入法。

基本原理

實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)阻在線(xiàn)測(cè)量的基本原理如上圖所示,當(dāng)信號(hào)源給電池注入一個(gè)交流電流信號(hào)，測(cè)量出電池兩端出現(xiàn)的交流電壓信號(hào)和輸入的電流，就可計(jì)算出電池的內(nèi)阻:

r=Vrm/Irms

式中：Vrms為電池兩端交流電壓信號(hào)的有效值；Irms為輸入電池中的交流電流信號(hào)有效值。

具體實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)測(cè)量的系統(tǒng)框圖，如上圖所示。系統(tǒng)由輸出輸入回路、輸入轉(zhuǎn)換電路、取樣電路、低噪聲前置放大器、方波轉(zhuǎn)換電路、乘法器電路、積分器電路、交流恒流信號(hào)出現(xiàn)電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)、顯示器電路、接口電路和計(jì)算機(jī)等組成。

輸出的交流恒流信號(hào)接到電池兩端，再將電池內(nèi)阻出現(xiàn)的電壓信號(hào)，從電池兩端直接連接到輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電路。注入電流回路和信號(hào)測(cè)量回路分開(kāi)，降低導(dǎo)線(xiàn)阻抗對(duì)電池內(nèi)阻的影響，實(shí)現(xiàn)四引線(xiàn)連接。

由單片機(jī)控制輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，首先接通取樣電路，檢測(cè)出注入電池回路中的電流值；再接通電池兩端，檢測(cè)出內(nèi)阻上出現(xiàn)的電壓信號(hào)，從而根據(jù)內(nèi)阻計(jì)算公式，計(jì)算出電池內(nèi)阻并顯示。同時(shí)，可通過(guò)接口電路，向PC計(jì)算機(jī)輸送相關(guān)信息，存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)繪制充放電特性曲線(xiàn)。