锂离子电池内阻的特性以及原理分析

2021-06-08      6450 次浏览

人类社会的进步离不开社会上各行各业的努力,各种各样的电子产品的更新换代离不开我们的设计者的努力,其实很多人并不会去了解电子产品的组成,比如锂离子电池内阻。电池的内阻是蓄电池最重要的特性参数之一,它是表征电池寿命及电池运行状态的重要参数,是衡量电子和离子在电极内传输难易程度的重要标志。内阻还反映了电池的健康状态。电池出厂时的内阻很小,但经过长期充放电后,由于电池内部电解液的损耗,以及电池内部化学物质活性的降低,会使内阻逐渐新增,电解质会在多次充放电中逐步变性,内阻新增,直到内阻大到电池内部的电量无法正常释放出来,此时电池老化,相对的电池容量也会下降。


锂离子电池内阻不是定值,它跟锂离子电池的工作状态有关,包括欧姆内阻和极化内阻这两部分。


1)欧姆内阻


欧姆内阻是锂离子电池的固有电阻,即直流内阻,可以认为在一定的SOC状态下是固定的。它重要由电极材料,电解质,隔膜的电阻以及材料其他部分的内阻组成。该图示出了处于特定SOC状态的锂离子电池的放电过程。当锂离子电池开始放电时,欧姆内阻将在锂离子电池的两端出现瞬时电压降ΔU1。该电压降会持续很短的时间(2ms以内)。因此,要对锂离子电池的动态内阻进行更多的测试。响应时间短。短时间后,锂离子电池的极化将起用途。锂离子电池两端的电压降重要是由极化内阻引起的。在充电过程中,欧姆内阻还会引起锂离子电池两端的瞬时电压上升。变化后,极化内阻起着用途。


2)极化内阻


放电后短时间内锂离子电池的电压降是由欧姆内阻引起的,其后的电压降重要是由极化引起的。由于锂离子电池的内部化学反应,极化使用和电池SOC状态变化将导致电池输出电压下降,但这种变化缓慢,这不同于欧姆内阻引起的电池两端电压的瞬时下降。此时的内部电阻是由锂离子电池的化学反应中的离子浓度引起的,这称为极化内部电阻。内阻随着反应的进行而变化,其大小与检测时间和电流强度有关。放电过程中电压在10-20s内持续缓慢下降,充电过程20s之后的电压持续缓慢上升都是由极化内阻引起的。


内阻影响因素


锂离子电池的交流和直流内部电阻与温度有着明显的反比关系,即温度下降时内部电阻会升高,并表现出典型的非线性特性。在实际应用过程中,应防止锂离子电池在低温环境下充放电,特别是低温充电对电池性能影响很大。


锂离子电池在不同SOC状态下的直流内阻呈现出放电深度越大,直流内阻越大的趋势。由图可知,处于不同SOC状态的锂离子电池的交流内阻非常接近,可以认为锂离子电池AC的内阻不随SOC的变化而变化。锂离子电池在不同SOC状态下的交流内阻基本没有变化,因此在应用过程中仅需研究不同SOC状态下的直流内阻值即可。


锂离子电池内阻特性


随着锂离子电池的使用,电池性能持续下降,重要是由于容量下降,内部电阻新增,功率下降等。电池内部电阻的变化受温度和放电深度等各种使用条件的影响。内阻是评估锂离子电池性能的重要指标之一。关于大型锂离子电池组应用,例如电动汽车的电源系统,由于测试设备的局限性,不可能或不方便直接测试交流内阻。通常,电池组的特性由直流内部电阻评估。在实际应用中,DC内部电阻还用于评估电池的健康状况,预测寿命以及评估系统SOC,输出/输入能力等。


由于制造工艺不同,每个锂离子电池制造商生产的同一型号电池的内阻差异很大。即使电池是由相同的制造商,相同的材料,相同的工艺,相同的材料和相同的批次生产的,电池的内阻也有很大的不同。


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