直流系統磷酸鐵鋰電池內阻測試標準分析

吳 洋，周欽哲，徐曉煒，姜發令，陳 道

(上海航天電源技術有限責任公司，上海 201112)

1 引言

直流系統是發電廠和變電站的重要組成部分，在電網交流電源發生故障時，仍可為系統控制、保護、照明及斷路器跳合閘操作提供所需能源動力。目前，發電廠和變電站直流系統多采用閥控式鉛酸蓄電池作為備用電源，但這種電池并不能完全適應變電站直流系統的運行環境[1]。近年來，磷酸鐵鋰電池憑借其能量密度高、壽命長、耐高溫、良好的浮充特性、環保等優勢，越來越廣泛地取代閥控式鉛酸蓄電池應用于變電站直流系統領域。隨著無人值守變電站的逐步實現以及變電站自動化技術的不斷進步，對直流系統運行可靠性提出了更高的要求[2]。

磷酸鐵鋰電池在使用過程中容易出現的各種問題，往往體現為內阻的增大，即電導的減小。內阻的高低能夠表征電池劣化狀況，因此，內阻測試成為衡量電池狀態優劣的最關鍵、最迅速、最有效的方法之一。目前，對于鋰離子電池內阻的研究是一個研究熱點，也是一個研究難點。一方面鋰離子電池的內阻通常很小，一般是毫歐量級，同時又是有源元件，不同于一般的電阻元件，不能直接測量；另一方面電池的內阻易受測試時所處的狀態影響，例如不同環境溫度、不同荷電狀態下，電池的內阻就有一定的差別[3]。

2 國內外內阻測試標準簡介

國際電工委員會(international electrotechnical commission，IEC)是鋰離子電池最主要的國際標準制定機構[4]，制定的鋰離子電池的性能標準IEC 61960-3:2017《含堿性或其他非酸性電解質的蓄電池和蓄電池組 便攜式應用的鋰蓄電池和蓄電池組 第3部分：方形和圓柱形鋰蓄電池及其制成的蓄電池組》[5]和IEC 62620:2014《蓄電池和含堿或其他非酸性電解質電池組 工業應用中使用的二次鋰電池和蓄電池組》[6]中都有要求測試電池內阻的測試項目。

日本工業標準調查會(Japanese industrial standards committee，JISC)是負責日本全國性標準化管理機構，發布的標準中涉及電池內阻測試項目的有JIS C 8715-1:2018《工業用二次鋰電池和蓄電池.第1部分 性能要求和試驗》[7]。

我國目前在儲能領域沒有關于內阻測試項目的標準，有關內阻測試的標準還不夠健全，急需制定。

3 測試原理

IEC 61960-3:2017、IEC 62620:2014、JIS C 8715-1:2018這3個標準推薦的測試方法均包括交流測試法和直流測試法兩種。

交流測試法是在電池兩端加上幅值較小的交流信號作為激勵，通過測量其電壓響應得出內阻值。直流測試法是給電池強制施加短時恒定電流，此時電池的電壓隨時間而發生變化，假如電池瞬間通過的電流為I，在極短的時間內測量出電池電壓的變化為ΔU，根據歐姆定律R=ΔU/I就可以計算出電池的直流內阻。

3.1 適用對象

IEC 61960-3:2017規定交流測試法和直流測試法僅適用于電池組；而IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018規定交流測試法僅適用于電芯，直流測試法適用于電芯和電池組。

3.2 試樣要求

IEC 62620:2014根據倍率放電能力的差異化將試樣分為四種類型：超低倍率型(S)、低倍率型(E)、中倍率型(M)、高倍率型(H)，四種類型樣品在25 ℃下的最大持續放電電流通常不低于以下值：0.125 C、0.5 C、3.5 C、7.0 C。

JIS C 8715-1:2018將試樣分為四種類型：超低倍率型(S)、低倍率型(E)、中倍率型(M)、高倍率型(H)，四種類型樣品在25 ℃下的最大持續放電電流分別不低于以下值：0.125 C、0.5 C、3.5 C、>3.5 C。

IEC 61960-3:2017對試樣沒有明確規定。

4 測試程序

4.1 測試準備

IEC 61960-3:2017標準規定內阻測試前將電池充滿電并靜置1～4 h；IEC 62620:2014標準規定內阻測試前將電池充滿電，然后放出額定容量的50%±10%的電量后靜置1～4 h；JIS C 8715-1:2018要求與IEC 62620:2014相同。

4.2 測試溫度

IEC 61960-3:2017規定在20 ℃±5 ℃下進行內阻測試；IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018規定在25 ℃±5 ℃下進行內阻測試。

4.3 測試方法

IEC 61960-3:2017規定如果需要同時使用交流法和直流法測內阻時，應先用交流法，再用直流法。不需要在交流法和直流法測試之間對電池進行充放電。IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018并沒有規定交流法和直流法測試的順序。

4.3.1 交流內阻測試

IEC 61960-3:2017、IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018規定的交流內阻測試方法相同：在電池兩端施加1～5 s頻率為1.0 kHz±0.1 kHz、有效值為Ia的交流電流信號，測量交流有效值電壓Ua，交流內阻Rac的計算公式為：

式中：Rac為交流內阻，單位為Ω；Ua為交流電壓有效值，單位為V；Ia為交流電流有效值，單位為A。

4.3.2 直流電阻測試

IEC 61960-3:2017規定電池組以I1=0.2 C(A)恒流放電10 s±0.1 s，然后瞬間提高放電電流至I2=1.0 C(A)并放電1 s±0.1 s；而IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018根據電池的類型，規定不同的放電電流，具體電流值如表1所示。此外，IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018規定的兩次放電時間較IEC 61960-3:2017長，分別為(30±0.1)s、(5±0.1)s。

表1 IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018 直流內阻測試時的放電電流值Table 1 IEC 62620:2014 & JIS C 8715-1:2018 test method for discharge current in DC internal resistance.

5 驗收標準

由于不同類型的電池內阻不同，相同類型的電池，由于結構、制造工藝、材料存在差異，內阻也不一樣[8]，因此IEC 61960-3:2017、IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018沒有給出明確的交直流內阻參考值，只規定交直流內阻測試結果不能超過電池制造商聲明的值。

6 結語

總體上，IEC 61960-3:2017、IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018標準在試驗方法上是相近的，主要的區別有以下幾點。

(1)IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018測試基準環境溫度較IEC 61960-3:2017高5 ℃。

(2)測試時的荷電狀態不同，IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018荷電狀態要求為50%±10%，而IEC 61960-3:2017荷電狀態要求為100%。

(3)直流內阻測試時，兩次放電電流和時間不同，IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018規定的兩次放電時間較IEC 61960-3:2017長，同時IEC 62620:2014和JIS C 8715-1:2018根據電池倍率放電特性的不同將電池分為四種不同的類型，每種類型分別對應不同的放電電流。

(4)JIS C 8715-1:2018總體上借鑒了IEC 62620:2014，不同之處在于高倍率電池的定義上，IEC 62620:2014規定放電能力不小于7.0 C的電池為高倍率電池，而JIS C 8715-1:2018規定放電能力大于3.5 C的電池為高倍率電池。

近年來，磷酸鐵鋰電池產品應用涉及諸多領域，由于缺乏統一的標準，內阻測試存在不規范性，因此，統一、明確的考核標準的制定，可以為電力直流系統領域磷酸鐵鋰電池產品的規范性奠定基礎。