基于電化學阻抗譜的鋰離子電池內阻分析

摘 要：鋰離子電池的內阻對其工作特性具有重要的影響，是當前的動力電池領域的研究熱點之一。電化學阻抗譜算法以其操作簡單，無需建模的優點，是鋰離子電池內阻測量的主流方式。本文通過測量得到不同SOC狀態下的鋰離子電池的電化學阻抗譜，并對內阻與SOC的對應關系進行分析。本文對鋰離子電池內阻的計算有一定的參考價值。

關鍵詞：電化學阻抗譜;鋰離子電池;內阻

鋰離子電池的內阻由歐姆內阻和極化內阻構成。其中，歐姆內阻包括電解質電阻、隔膜電阻以及接觸電阻，它主要與電池的隔膜材料、尺寸形狀、電極成型方式以及裝配力矩相關;極化內阻是指電極進行電化學反應時，由極化現象造成的內阻，具體來說包括濃差極化和電化學極極化引起的內阻[1]。

鋰離子電池的內阻與鋰離子電池的放電電流、荷電狀態、健康狀態等參數息息相關，但是其測量存在極大的難度。電化學阻抗譜法應用相對簡單，測量結果準確，是目前主流的內阻測量方法。

1 電化學阻抗譜簡介

鋰離子電池內部反應機理較為復雜，難以通過精確的模型描述。電化學阻抗譜算法將鋰離子電池視作一個黑箱，通過向黑箱輸入一個擾動信號X，得到其相應信號Y，即可通過傳輸函數描述擾動信號X與響應信號Y之間的關系[2]。

電化學阻抗譜法的應用需要滿足若干條件：首先是因果條件，即輸入的擾動信號引起了輸出的響應信號;其次是線性條件，即輸入的擾動信號與輸出的響應信號之間存在線性關系，也就是當采用不超過10mV的正弦波電壓信號擾動系統時，響應電流與輸入電壓之間可以認為是線性關系;最后是穩定性條件，也就是說系統結構不會因為擾動而發生改變，并且可以在擾動停止時恢復到之前的狀態。如果電極反應屬于可逆反應，一般滿足穩定性條件;如果電極反應屬于不可逆過程，在電極表面反應速度比較慢，擾動幅值比較小，并且作用時間比較短的情況下，電極可以在擾動停止后迅速恢復到原狀態，也可認為其符合穩定性條件。

2 使用電化學阻抗譜分析電池內阻

（1）通過電化學阻抗譜設備測量不同SOC狀態的鋰離子電池在不同頻率擾動信號X下的響應信號Y，并計算其傳輸函數，得到不同頻率下阻抗的虛部、實部和相位角，使用Origin將相應數據繪制成Nyquist曲線[3]，如下圖所示。

（2）以鋰離子電池電化學基本理論為依據，根據其電化學系統的特征，分析該系統可能存在的電路元件及其組合方式，并搭建電化學體系等效電路模型。一般來說等效電路模型主要由電容、電感、電阻等元件按照一定的方式串聯和并聯形成，不過對于較為復雜的電化學體系，還需要增加常相位角元件等。本文搭建的鋰離子電池等效電路模型如下圖所示。

（3）測量等效電路的Nyquist曲線，并與鋰離子電池Nyquist曲線對比，二者數據擬合結果即為一致，說明本文選擇的等效電路較為恰當。如果等效電路中的所有元件的化學含義均有較為合理的解釋[4]，則說明等效電路基本可以描述鋰離子電池的電化學反應過程。

（4）計算等效電路中的各個參數，并繪制電池SOC與等效電路參數之間的關系曲線，如下圖所示。

如圖3所示，鋰離子電池的歐姆內阻RΩ以及總內阻R均隨著SOC的增大而減小，等效電路中其它等效元件數值與SOC之間并無明確因果關系。

3 結論

使用電化學阻抗譜算法分析鋰離子電池內阻與SOC之間的關系，不涉及到具體的電池電極反應過程，具有較好的操作性和應用價值。然而應該注意的是，等效電路與Nyquist曲線之間并非一一對應的關系，等效電路選擇合適與否要看等效電路元件在電化學反應過程中是否具有合理的含義。

參考文獻：

[1]曹楚南，張鑒清.電化學阻抗譜導論[M].北京：科學出版社，2002.

[2]劉騫，孫紅.電池管理系統的設計及荷電狀態的估算[J].電源技術，2014，38（05）：897-899+905.

[3]劉騫.混合動力汽車電池管理系統分析[D].沈陽建筑大學，2013.

[4]史美倫.交流阻抗譜原理及應用[M].北京：國防工業出版社，2001.

基金項目：湖南省教育廳科學研究項目（18C1465）

作者簡介：劉騫（1986-），男，河北人，碩士，講師，研究方向：鋰離子電池。