韓裕汴，張景斐，劉保能，李國國

(洛陽銀隆新能源有限公司，河南 洛陽 471003)

1 引言

內(nèi)阻是評價電池性能的重要指標(biāo)之一。鋰電池內(nèi)阻的測試包括交流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻，交流內(nèi)阻又稱歐姆內(nèi)阻,主要由電極材料、電解液、隔膜內(nèi)阻及各部分零件的接觸內(nèi)阻組成；直流內(nèi)阻值不僅包括了鋰電池歐姆內(nèi)阻，還包括了一些極化電阻[1-3]。鋰電池的直流內(nèi)阻受環(huán)境溫度、測試時電流倍率、SOC(荷電狀態(tài))、測試設(shè)備與電池連接方式等各種因素的影響，測試設(shè)備與電池的連接方式對直流內(nèi)阻的影響幾乎沒有報道[4,5]。目前業(yè)界尚沒有鋰電池直流內(nèi)阻測試標(biāo)準的詳細方法，尤其是測試設(shè)備鋰與電池的連接方式，不同連接方式測試出結(jié)果差別非常大。

本文以LFP-80 Ah方形鋰離子電池為研究對象，研究了不同測試連接方式對鋰電池直流內(nèi)阻影響。常用的直流內(nèi)阻測試方法主要有3種：美國《Freedom CAR電池測試手冊》中的HPPC測試方法[6]；日本JEVSD713 2003測試方法[7]；我國“863”計劃電動汽車專項《HEV用高功率鋰離子動力蓄電池性能測試規(guī)范》3.2.9中提出的測試方法[8]。無論是上述哪一種方法，都沒有對測試設(shè)備線纜與電池如何連接做出詳細描述。要測量的電池的內(nèi)阻基本上在毫歐姆級別，這就要求測試設(shè)備采集到電壓、電流的準確具有高度的可靠性與穩(wěn)定性，否則會造成計算出的直流內(nèi)阻有重大偏差。所以，測量電池內(nèi)阻時必須采用合理的措施減少測量誤差[9-11]。目前業(yè)內(nèi)主流的測試直流內(nèi)阻的方法是上述的美國測試方法[6]。根據(jù)物理公式R=V/I，電池在短時間內(nèi)(一般為1～10 s)強制通過一個恒定直流大電流(3 C～5 C)，測量此時電池兩端的電壓差，并按公式計算出鋰電池直流內(nèi)阻。直流內(nèi)阻要求測試過程中對電池電壓快速準確地測量[12]。因此，電壓采集線需與電池直接接觸以準確采集到的電池本身的真實電壓，且電壓采集線不能受測試電流干擾。另外測試設(shè)備的電纜線為“四線制”，電流采集線與電壓采集線相互獨立。

2 實驗部分

本文采用方形磷酸鐵鋰電芯，標(biāo)稱容量為80 Ah，電壓范圍為2.5 V～3.65 V。直流內(nèi)阻測試方法參照上述美國測試方法[5]，測試設(shè)備使用北京大華5 V/200 A電池測試設(shè)備，恒溫設(shè)備采用愛斯佩克恒溫箱，外部電壓監(jiān)控設(shè)備為日置HIOKI LR8431記錄儀(具備電壓監(jiān)測功能)。所有設(shè)備都經(jīng)過計量校準，測試數(shù)據(jù)準確可靠。測試步驟如下：

1)電池放置在25 ℃恒溫箱中，將電池以80 A(1 C)電流恒流放電至截止電壓2.5 V，靜置30 min，以80 A恒流充電至3.65 V轉(zhuǎn)恒壓充電，截止電流4 A(0.05 C)；靜置30 min；

2)室溫下，將電池以80 Ah電流恒流放電至截止電壓2.5 V，記錄放電容量Cq；按上述步驟1)方法充電。將電池荷電調(diào)整為50% SOC；

3)將電荷調(diào)整為50% SOC的電池按照如圖1所示連接在測試設(shè)備上，首先，用螺栓和螺母將電壓、電流采集設(shè)備的正極采集片分別連接在電池正極極耳的上、下兩側(cè)；然后同樣方法將電壓、電流采集設(shè)備的負極采集片分別固定在電池負極極耳的上、下兩側(cè)。本測試過程使用扭力扳手鎖緊螺栓，扭矩8 N·m。以確保連接無松動；

圖1 測試設(shè)備電纜線分居在電池極耳異側(cè)的連接方式Fig.1 The cable is located on the upper and lower sides of the battery lug.

4)作為參比對照，將外部電壓監(jiān)控設(shè)備日置HIOKI LR8431記錄儀正極、負極電壓采集線分別連接在電池正極、負極極耳上，記錄電壓采集數(shù)據(jù)，采集頻率為100 ms。

5)室溫下，靜置1 h，記錄電壓V0；以400 A(5 C)電流放電10 s，記錄電壓V1；靜置40 s，記錄電壓V2；以240 A(3 C)電流充電10 s，記錄電壓V3。然后分別利用公式Rd=(V0-V1)/400 A*1 000，Rc=(V3-V2)/240 A*1 000計算直流內(nèi)阻，其中Rd、Rc分別代表放電脈沖內(nèi)阻、充電脈沖內(nèi)阻[6]。

6)拆卸掉電池，重復(fù)步驟1)-5)5次；測試的電壓平均值及直流內(nèi)阻計算平均結(jié)果如下表1所示；

表1 放電及充電直流內(nèi)阻平均值測試結(jié)果Table 1 Test results of DC internal resistance for discharge and charge.

重復(fù)步驟1)到2)；將電荷調(diào)整為50% SOC的電池按照行業(yè)內(nèi)常用如圖2所示的連接方式連接在測試設(shè)備上：用螺栓、墊片依次將測試設(shè)備的正極電流、電壓采集線連接在電池正極極耳上側(cè)表面；用相同的方法將測試設(shè)備的負極電壓、電流采集線連接固定在電池的負極上。同樣的，使用扭力扳手鎖緊螺栓，扭矩8 N·m。以確保連接無松動。

圖2 測試設(shè)備電纜線位居在電池極耳同側(cè)的連接方式Fig.2 The connection mode of the cable located on the same side of the battery lug.

7)重復(fù)上述步驟5)；

8)拆卸掉電池，重復(fù)步驟7)-8)5次；測試的電壓平均值及直流內(nèi)阻計算平均結(jié)果如下表2所示；

表2 放電及充電直流內(nèi)阻測試結(jié)果Table 2 Test results of DC internal resistance for discharge and charge.

9)為對比本次測試方法測試直流內(nèi)阻結(jié)果，利用外部電壓采集裝置對電池極耳電壓進行采集，測試的電壓平均值及直流內(nèi)阻計算平均結(jié)果如下表3所示；

表3 放電及充電直流內(nèi)阻測試結(jié)果Table 3 Test results of DC internal resistance for discharge and charge.

3 結(jié)果與討論

本文采用50% SOC狀態(tài)下的方形磷酸鐵鋰電池作為研究對象，恒溫箱溫度控制在25 ℃。研究測試設(shè)備電壓、電流采集線與電池之間不同連接方式對直流內(nèi)阻的影響。

測試設(shè)備電壓、電流采集線分居與電池極耳異側(cè)的連接方法測試結(jié)果表明：連續(xù)5次重復(fù)測試，放電直流內(nèi)阻測試結(jié)果與參比對照測試結(jié)果最大相對誤差為±0.5%，充電直流內(nèi)阻測試結(jié)果與參比對照測試結(jié)果最大相對誤差在±0.7%，均在±1%之內(nèi)；另外5次測試結(jié)果重復(fù)性較高，相對偏差均在±0.5%之內(nèi)，說明了該種連接方式下，直流內(nèi)阻的測試結(jié)果具有較高的準確性、可靠性及穩(wěn)定性。測試設(shè)備電壓、電流采集線位居于電池極耳同側(cè)的連接方法測試結(jié)果表明：放電直流內(nèi)阻測試結(jié)果與參比對照的相對偏差為±9%，充電直流內(nèi)阻的測試結(jié)果的相對偏差為±6%；另外5次測試均呈現(xiàn)出重復(fù)性較差，說明該連接方式下測試結(jié)果準確性低、穩(wěn)定性差；這種連接方式也是業(yè)內(nèi)常用的連接方式。另外，我們對測試電纜線位居電池極耳同側(cè)的不同情況也進行了實驗，無論電流、電壓采集線的次序如何，均呈現(xiàn)出重復(fù)性差且與參比對照測試結(jié)果偏差大的現(xiàn)象，本文不作詳細敘述。本實驗中的兩者的連接次序為電壓采集線壓在電流采集線上面。

不同連接方式下測試得的直流內(nèi)阻結(jié)果的差異性，根本原因在于測試設(shè)備電壓采集線所處點位是能夠否采集電池的真實電壓，且不受測試電流影響。圖1所示連接方式，測試設(shè)備電壓采集線直接接觸電池極耳，且在測試過程中，電流流經(jīng)電池極耳上側(cè)表面，不會經(jīng)過電壓采集線；圖2所示連接方式，試設(shè)備電壓、電流采集線緊挨著，此時采集到的電壓不是電池真實電壓，而是電流線上的電壓；而且流經(jīng)的電流也會影響電壓的采集。

參比對照測試方法為上述測試步驟4，測試結(jié)果如表3所示。不同連接方式下直流內(nèi)阻測試結(jié)果與參比對照測試結(jié)果對比曲線如圖3所示。曲線顯示：最優(yōu)連接方式下的測試結(jié)果與參比測試結(jié)果基本一致；另一種連接方式下的測試結(jié)果與參比對照測試結(jié)果偏差巨大，且重現(xiàn)性較差。由于日置HIOKI LR8431記錄儀只具備電壓采集功能，不具備充放電功能，不能作為常規(guī)的工具測試直流內(nèi)阻。

圖3 不同連接方式下直流內(nèi)阻測試結(jié)果Fig.3 Test results of DC internal resistance for different connection modes.

4 結(jié)論

本文以80 Ah磷酸鐵鋰方形電池為研究對象，研究了測試電池與測試設(shè)備之間的連接方式對直流內(nèi)阻測試的影響，研究顯示測試設(shè)備上電纜線與鋰電池的最優(yōu)連接方式是：電纜線上電壓采集線、電流采集線分居在電池極耳異側(cè)。該種連接方式下直流內(nèi)阻測試結(jié)果相對誤差在±1%之內(nèi)，極大的提高了測試結(jié)果的準確性和可靠性。