锂电池蓄电池充电特性及电池阻抗分析

2021-02-24 18:09:26

在电池的蓄电池充电全过程中,电池阻抗是牵制其特性的关键要素之一,阻抗不但附加耗费电池的动能,并且会将耗费的动能变化为发热量,系统对温度导致危害。针对PACK领域工作人员来讲,掌握电池阻抗特点,把握其出现异常的主要表现规律性,有利于剖析、处理电池包电气性能检测的多种多样出现异常,提高加工工艺素质。


电池阻抗就是指电流量在根据电池时遭受的摩擦阻力,它包含欧母内阻和电极化内阻及其外界触碰阻抗。

1.欧母内阻关键就是指由金属电极、锂电池电解液、膈膜电阻器及各一部分零件的回路电阻构成,与电池的规格、构造、安装等相关,其电阻值的尺寸与蓄电池充电情况不相干,亦几乎不受SOC情况的危害,仅伴随着温度的上升而减少。

2.电极化内阻就是指电化学反映时由电极化造成的电阻器,仅产生在电池的充/充放电全过程中,包含电化学电极化和浓差极化造成的电阻器。在其中[1],电化学电极化是因为电级的电化学速度反映缓慢导致的,电化学反映全过程中某一步电荷转移速度达不上对外开放充放电速度时主要表现的阻抗,这时电池就需要分派一定的工作电压用以达到其迁移速度的活化能;而浓差极化是因为生成物耗费造成电级表层无法得到立即填补造成 的(或者某类物质在电级表层累积,不可以立即消防疏散)。研究表明[2],电极化内阻的尺寸遭受SOC情况的危害。如图所示1所显示,当电池的SOC贴近空电与满格电情况时,其电极化内阻很大,而SOC处在20%~80%时,其电极化内阻相对性较小,并且这类状况会伴随着电池循环系统频次的增加而慢慢加重,这是由于历经数次循环系统后,磷酸铁锂电池的电级活性物质与锂电池电解液页面慢慢衰退,造成 电化学的阻抗提升。

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图1 极化内阻与SOC的关系


3.接触阻抗是指电池在使用中,正负极与外接电路间的接触不良导致的阻抗。接触阻抗主要发生在PACK过程中,例如焊接不良、串联螺栓扭矩不紧等异常都会导致较大的接触阻抗,且随着时间的推移会逐渐出现扭力衰减问题,一般要求过电流的地方接触越紧密越好(不同型号螺栓存在扭力标准范围,过大可能导致螺栓损坏)。电池阻抗对充放电性能的影响:


电池阻抗的大小直接影响到电池能量的消耗,无论是在充电还放电阶段,阻抗的存在都会引起能量的损失,这就会使电池表现出充电电压平台>放电的电压平台(能量=电压*电流*时间),图2为某磷酸铁锂电池充放电过程的SOC-电压曲线(1/20 C电流充放)。

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图2  某磷酸铁锂电池的充/放电SOC-电压曲线


图3为基于阻抗分解的电池等效电路图。其中,C1为理想电源,表示电池存储电荷的能力,其电压为U1,不受充放电状态的影响;R1为欧姆阻抗,R2为极化阻抗,R3为接触阻抗,V1为电池正负极间测量的电压值。结合该等效电路图对电池充放电过程中的电压变化进行分析。

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图3  基于阻抗分解的电池等效电路图

在电池处于静置状态时,此时测量的V1为电池的开路电压,极化电阻R2为0,且由于测量的电流极小,欧姆内阻与接触内阻产生的分压也极小,因此V1≈U1。

当电池处于放电状态时,充/放电端接用电器,电池由理想电源C1提供电荷,并且经过电池自身的R1、R2、R3三个阻抗的分压,提供给外接用电器,此时电池正负极间测得的电压值V1实际为用电器获得的分压,V1=U1-(R1+R2+R3)*I。当放电结束后电池转为静置状态,极化内阻逐渐消失,V1≈U1,因此在放电过程中,电池端的电压值会低于静置时的电压值。

当电池处于充电状态时,充/放电端接电源,此时电池自身相当于用电器,此时电池正负极间测得的电压值实际为电池两端获得的电压,但是由于电池存在R1、R2、R3三个阻抗的分压作用,理想电源C1实际获得的U1=V1-(R1+R2+R3)*I。当充电结束后,极化内阻逐渐消失,V1≈U1,因此在充电过程中,电池端的电压值会高于静置时的电压值。

在PACK过程中,由于焊接不良或螺栓扭矩未打紧会造成电池与极片的接触阻抗R3远大于欧姆内阻R1与极化内阻R2,这会直接影响到电池包的电性能测试,通常会表现为电池的端电压瞬间飙高或飚低,甚至达到电压保护的上下限,导致电性能测试区间缩短或直接终止。

电池阻抗对产热的影响:


当电池通过电流时,其阻抗会将部分电能转化为热能消耗掉,就表现出电池的产热现象。电池包产热会造成电池的温度升高,一般电池的工作温度要求再20~45之间,过高或过低的温度会对电池的寿命造成影响。Q=I2*R*t,在正常的使用情况下,电池的阻抗变化较小,其产热量基本与电流大小的平方线性相关,下图为某电池包在电性能测试中分别使用1C与0.5C放电的温升曲线,变换电流大小是生产中电测可选的温度控制方式之一。

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图4  某电池包电测温度曲线(环境温度20℃)

欧姆内阻与极化内阻导致电池内部产热,而电池与极片间的接触阻抗则导致电池外部产热。产热量与阻抗大小线性相关,由于接触不紧密的导致的大阻抗会产生大量热量,在电动汽车的实际使用中存在极大的安全隐患,严重的会导致电动汽车烧毁。因此,保证螺栓扭力达标,尽可能消除接触阻抗是PACK过程中的关键控制点之一。


总结

电池阻抗是电池的重要属性,了解其组成及影响对分析电池包性能异常具有较大的作用。在PACK生产中,保证通过电流的器件紧密接触,以消除接触阻抗的任务至关重要。由于小编水平有限,暂未对欧姆内阻与极化内阻展开分析。


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