混合動(dòng)力汽車電池內(nèi)阻特性

在混合動(dòng)力汽車中，動(dòng)力電池一般采用功率型電池，由多節(jié)鋰電池（或鎳氫電池）串聯(lián)而成，具有充放電功率高、損耗低及瞬時(shí)放電電流大的特點(diǎn)。內(nèi)阻是動(dòng)力電池一個(gè)非常重要的技術(shù)參數(shù)，作為衡量電池內(nèi)部離子和電子傳輸難易程度的參數(shù)，它對(duì)電池的充放電功率、充放電電流、電池發(fā)熱及損耗有著重要的影響。

電池內(nèi)阻特性

1. 電池內(nèi)阻等效電路

電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻由電極材料、電解液、隔膜的電阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化電阻是指正極與負(fù)極進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時(shí)極化所引起的內(nèi)阻。

圖 1 電池內(nèi)阻等效電路示意圖

圖 1為電池內(nèi)阻等效電路示意圖。其中，R1為電池歐姆內(nèi)阻，R2、R3為極化電阻，電池歐姆內(nèi)阻可近似理解為一個(gè)變化相對(duì)較小的常量，它主要與電池的材料體系、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及連接形式等因素有關(guān)，相對(duì)來(lái)說(shuō)極化電阻受外界因素影響變化較大，電池的充放電流、工作環(huán)境溫度和電池 SOC 狀態(tài)等因素對(duì)它都有影響。

2. 交流內(nèi)阻

對(duì)于電池內(nèi)阻測(cè)試，采用不同的測(cè)試方式、不同的測(cè)試原理所測(cè)試的結(jié)果有所差異，根據(jù)測(cè)試方式及測(cè)試原理劃分定義，電池內(nèi)阻又可以分為交流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻兩類。

在圖 1 中，如果對(duì)電池正負(fù)極輸入 1kHZ 的正弦波交流電流信號(hào)，在該頻率下電池的 R2、R3 值一般較小，可以忽略不計(jì)，采用此種交流電流信號(hào)測(cè)試出來(lái)的電池內(nèi)阻與歐姆內(nèi)阻R1 比較接近。

交流內(nèi)阻測(cè)試正是基于這一原理，在電池正負(fù)極輸入 1kHz 正弦波交流電流信號(hào)，然后通過(guò)檢測(cè)電池正負(fù)極兩端的電壓降及電流信號(hào)計(jì)算出來(lái)的電池阻抗，因此，電池的交流內(nèi)阻可以近似認(rèn)為就是歐姆內(nèi)阻R1。在電池生產(chǎn)線上一般常采用內(nèi)阻儀來(lái)進(jìn)行單體電池測(cè)試，內(nèi)阻儀測(cè)出來(lái)的電池內(nèi)阻是交流內(nèi)阻。

3. 直流內(nèi)阻

混合動(dòng)力汽車用動(dòng)力電池組（或電池包）由多節(jié)單體電池串聯(lián)而成，電壓一般在 200～ 400 V 不等，對(duì)于動(dòng)力電池組來(lái)說(shuō)，由于電壓較高，考慮到安全、設(shè)備等各種因素，一般采用給電池組輸入直流電流信號(hào)的測(cè)試方式來(lái)測(cè)試電池內(nèi)阻，采用這種方式測(cè)試出的電池內(nèi)阻稱為直流內(nèi)阻。

直流內(nèi)阻測(cè)試時(shí)輸入的直流電流信號(hào)一般是一個(gè)恒流的脈沖電流，該電流信號(hào)一般持續(xù)時(shí)間較短。

電池直流內(nèi)阻測(cè)試一般在電池實(shí)驗(yàn)室條件下，采用專用的充放電設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。電池直流內(nèi)阻可以較好地反映電池組在特定條件下的真實(shí)內(nèi)阻狀態(tài)，它不僅包括了電池歐姆內(nèi)阻，還包括了電池極化內(nèi)阻，它不僅可以反映電池的充放電能力，還可以反映電池使用過(guò)程的老化程度，因此，電池直流內(nèi)阻是評(píng)估電池組的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。

4. 影響電池內(nèi)阻的因素

電池的內(nèi)阻與外界負(fù)載及電池的使用環(huán)境密切相關(guān)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變量值，影響電池內(nèi)阻的因素較多，主要包括：①工作環(huán)境溫度；②電池的 SOC 狀態(tài)；③電池充放電電流大??；④充放電持續(xù)時(shí)間。

對(duì)于動(dòng)力電池組來(lái)說(shuō)，電池內(nèi)阻一般是在某個(gè)條件狀態(tài)下的內(nèi)阻，如無(wú)特定條件說(shuō)明，一般指的是室溫條件下滿電狀態(tài)時(shí)的電池內(nèi)阻。

直流內(nèi)阻（DCR）測(cè)試方法

混合動(dòng)力汽車電池為功率型電池，經(jīng)常工作在大功率、頻繁脈沖充放電狀態(tài)，因此，混合動(dòng)力汽車電池在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行電池內(nèi)阻測(cè)試時(shí)，充放電電流大小、充放電持續(xù)時(shí)間、電池SOC 狀態(tài)、工作環(huán)境溫度等這些測(cè)試參數(shù)的選擇需與電池在整車上實(shí)際使用工況相似。

混合動(dòng)力汽車電池內(nèi)阻測(cè)試方法在 GB/T 31467.1-2015 第7.2 條有詳細(xì)的介紹，具體的測(cè)試方法及步驟如下：

1）充放電脈沖電流采用恒定電流。

2）放電持續(xù) 18 s, 充電持續(xù)10 s，中間靜置 40 s。

3） 環(huán) 境 溫 度 分 別 設(shè) 置 為40 ℃、室溫、0 ℃、–20 ℃。

4）電池 SOC 狀態(tài)分別設(shè)置為 80％、50％、20％。

5）記錄每一時(shí)刻電池組電壓及對(duì)應(yīng)的充放電電流。

6）根據(jù)放電內(nèi)阻相關(guān)計(jì)算公式，得出不同測(cè)試持續(xù)時(shí)間測(cè)出的電池內(nèi)阻，測(cè)試持續(xù)時(shí)間分別為 0.1 s、2 s、10 s。充電內(nèi)阻計(jì)算方法與放電內(nèi)阻計(jì)算方法相似，在此不多做敘述。

基于整車試驗(yàn)的混合動(dòng)力汽車電池內(nèi)阻測(cè)試方法研究

1. 整車試驗(yàn)可采集的電池工況數(shù)據(jù)

前面介紹了常用的在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的混合動(dòng)力汽車電池內(nèi)阻測(cè)試方法。在實(shí)際工程應(yīng)用中，有時(shí)并不具備電池實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件，例如電池已安裝在整車上進(jìn)行整車試驗(yàn)，如何在整車試驗(yàn)工況下得到電池內(nèi)阻參數(shù)是很多工程師面臨的實(shí)際問(wèn)題。

在整車試驗(yàn)中，通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備可實(shí)時(shí)采集整車各系統(tǒng)（如發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池）的實(shí)時(shí)工況數(shù)據(jù)。下面以某款混合動(dòng)力車整車工況試驗(yàn)為例。該整 車 試 驗(yàn) 持 續(xù) 時(shí) 間 為 30 min（1 800 s）, 經(jīng) 后 期 數(shù) 據(jù) 處 理，數(shù)據(jù)采樣頻率為 10 Hz，采集的電池的工況數(shù)據(jù)有電池電壓、電流、溫度及 SOC 等，該數(shù)據(jù)反映了電池在整車上實(shí)際應(yīng)用中的充放電狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)采集的電池電壓數(shù)據(jù)曲線如圖 2 所示，車速曲線如圖 3 所示。

圖 2 電池電壓曲線

圖 3 車速曲線

2. 基于工況數(shù)據(jù)下電池內(nèi)阻計(jì)算公式推導(dǎo)

從以上數(shù)據(jù)可以看出，混合動(dòng)力汽車在實(shí)際工況下，在大部分時(shí)間段電池都是脈沖放電、脈沖充電，脈沖持續(xù)時(shí)間大部分都是 1 ～ 2 s?；旌蟿?dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)連接如圖 4 所示，包括動(dòng)力電池、電機(jī)控制、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖 4 混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)連接圖（40 s）

其中，設(shè)定電池放電電流方向?yàn)檎?，充電電流方向?yàn)樨?fù)。V B為電池開(kāi)路電壓，V O 為電池輸出至外界負(fù)載的端電壓 ,R 為電池內(nèi)阻。假設(shè)t 1 時(shí)刻電池包輸出電壓、電流分別為V 1、I1，t 2 時(shí)刻分別為V 2、I 2，根據(jù)電路原理可得出：

V 1=V ocv-I 1×R （1）

V 2=V ocv-I 2×R （2）

根據(jù)以上公式，可得t 1 ～t 2時(shí)間段，電池內(nèi)阻R 與電壓、電流關(guān)系為：

R=-(V 1-V 2)/(I 1-I 2) （3）

式（3） 中， 如 果 t 1 時(shí) 刻 I 1=0，則R=(V 1-V 2)/I 2，這與國(guó)標(biāo)的計(jì)算公式是一致的，不同的是國(guó)標(biāo)測(cè)試采用恒流放電、恒流充電，起始時(shí)刻電流為 0。

3. 基于工況數(shù)據(jù)下電池內(nèi)阻計(jì)算方法

由公式（3），結(jié)合在整車測(cè)試工況下電池實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出在某特定條件下（某時(shí)間、某溫度、某 SOC）電池的內(nèi)阻。

實(shí)際工況大部分時(shí)間段混合動(dòng)力汽車電池的充放電持續(xù)時(shí)間為 1 ～ 2 s，根據(jù)這一特征，持續(xù)時(shí)間 1 s 電池內(nèi)阻算法如下：

1）數(shù)據(jù)選?。合冗x取某條件下 ( 某溫度、某 SOC) 一段電池充放電工況數(shù)據(jù)，先計(jì)算出這段時(shí)間內(nèi)n 個(gè) 1 s 電池內(nèi)阻，例如：R1、R2、R3……R n (n 取 值根據(jù)實(shí)際情況而定 )，由于數(shù)據(jù)采集頻率為 10 Hz，1 s 時(shí)間間隔可采集 10 組數(shù)據(jù)，所以R1=-(V 1-V 11)/(I 1-I 11)，R2=-(V 2-V 12)/(I 2-I 12）……Rn=-(V n-V n+10)/(I n-I n+10）

2）數(shù)據(jù)處理時(shí)要剔去一些異常的數(shù)據(jù)，如負(fù)值或過(guò)大、過(guò)小的數(shù)據(jù)，然后對(duì)計(jì)算結(jié)果取平均值，即可得出某條件（某溫度、某SOC）下 1 s 電池內(nèi)阻。

如果要計(jì)算工況數(shù)據(jù)下電池的 2 s 內(nèi)阻，上述間隔數(shù)據(jù)取20。同理，采用這種方法也可以計(jì)算工況數(shù)據(jù)下 10 s 電池內(nèi)阻，此時(shí)可選取 0 ～ 100 km/h 加速時(shí)的電池工況數(shù)據(jù)。

4. 示例

某款混合動(dòng)力汽車實(shí)際工況數(shù)據(jù)的電池內(nèi)阻的計(jì)算示例見(jiàn)表所示。其中，從左至右依次是實(shí)時(shí)采集的電池工況數(shù)據(jù)，包括時(shí)間、SOC、電池電壓、電流和溫度，最右一列為按上述方法計(jì)算出的 1 s 電池內(nèi)阻，為了取得較好的精度，剔除異常數(shù)據(jù)后，計(jì)

算結(jié)果取平均值。

電池 1 s 內(nèi)阻計(jì)算示例

結(jié)論

1）電池內(nèi)阻對(duì)電池性能影響較大，電池內(nèi)阻測(cè)試工作是混合動(dòng)力汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一項(xiàng)重要工作，在具備電池實(shí)驗(yàn)室條件下，混合動(dòng)力汽車電池內(nèi)阻一般按 國(guó) 標(biāo) GB/T 31467.1-2015 進(jìn)行測(cè)試。

2）在不具備電池實(shí)驗(yàn)室條件下，可以通過(guò)采集混合動(dòng)力汽車電池的特定工況數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算電池內(nèi)阻，經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，按本文所述方法可以滿足一般工程應(yīng)用需求。

審核編輯 ：李倩