锂电池的内阻介绍

1 锂电池为什么会有内阻

课本中的理想电压源或者理想电流源往往没有内阻的概念，但是我们实际工程应用中的电源系统都会存在内阻，因此对于电池都有内阻，锂电池也不例外。

并且锂电池在静态时和工作时的内阻是浮动的，在不同环境下锂电池的内阻也会相应地产生变化。当然，锂电池的内阻值的大小也决定锂电池的品质，通常情况下我们可以通过锂电池内阻的大小来初步判断锂电池的状态，在维修和检测锂电池组时，锂电池内阻也是重要依据。

理论上，电池的内阻越低越好。最大胆的想法就是如果锂电池的内阻为0时会出现什么样的状态呢？可以这样想象，在假设情况下锂电池内阻为0时，在这种超导状态下的锂电池，放电性能可以是无限大的。这是一种违反自然规律的情况。所以在现实中几乎不可能实现。

电池的内阻会影响电池的性能，内阻从何而来，哪些因素会影响到锂电池的内阻？

2 锂电池的内阻模型

锂电池的内阻通常可分为直流内阻（DCR）和交流内阻（ACR）。

在分析和比较这2种内阻之前，先看一下由电池组成的一个简单的模型电路图：

在上面的模型图中：Vocv为电池开路电压 ，RΩ为欧姆内阻 ，Rct为电荷转移电阻，Cdl为双电层电容， Rw为扩散电阻，这些名词解释，我们放到后续的文章中来探讨。这里我们先来初步地认识一下如何测量这些内阻。

如果首先给锂电池正负极之间加一个高频的正弦波电流信号，此时的Cdl相当于导通短路状态，高频正弦波电流不会造成电极表面物质的消耗，根据电化学知识我们可知 Rct、Cdl和Rw均可忽略，那么我们测试得到的内阻大小就是RΩ；

将正弦波电流信号的频率降低到不会造成电极表面物质大量消耗时，那么Rw仍可忽略，通过模拟计算就可以推导出Rct和Cdl；

将正弦波电流信号的频率继续降低到低频时，比如到0.01Hz，此时电池的电极表面物质被大量消耗，需要通过扩散来补充消耗的锂离子，计算得到的就是Rw。

3 锂电池的交流内阻

交流内阻测试过程就是通过在电池正负极注入正弦波电流信号I=Imaxsin(2πft)，同时通过另外两端在电池正负极检测得到正弦波电压信号U=Umaxsin(2πft+ψ)，进而可以推导出电池的交流阻抗。其中绘制的图片我们称交流阻抗谱，又叫奈奎斯特图，是电化学领域里研究电池的主要图谱之一，测试的主要设备为电化学工作站。

在奈奎斯特图中，大概1kHz左右测得的电阻一般被认为是电池的欧姆电阻，1kHz~1Hz左右的半圆弧代表的是电池的Rct和Cdl，1Hz~mHz代表的是电池的扩散电阻。

在专业的文献里通常写到：实轴的截距代表欧姆阻抗，是由电子与离子迁移阻力产生的；半圆是由电解质与电极材料界面上的电荷转移产生的；低频部分是由锂离子在电解质中的扩散和在正负极材料中的扩散产生的。

4 锂电池的直流内阻

直流内阻就是给锂电池施加一个直流信号来测量电池内阻，一般通过HPPC (
HybridPulsePowerCharacterization)测试计算得到,

常用的直流电阻测试方法有三个：

美国《FreedomCar电池测试手册》的HPPC方法，测试持续时间为10s，施加的放电电流为5C或更高，充电电流为放电电流的75%，具体电流的选择根据电池特性制定。

日本JEVSD7132003的测试方法，原来主要针对Ni/MH电池，后来也应用于锂离子电池：首先建立0~100%SOC下电池的电流-电压特性曲线，分别以1C、2C、5C、10C的电流对设定SOC下的电池进行交替充电或放电，充电或放电时间都为10s，计算电流的直流内阻。

我国“863”计划新能源汽车重大专项《HEV用高功率锂离子动力电池性能测试规范》中提出的测试方法。测试持续时间为5s，充电测试电流为3C，放电测试电流为9C。

以上几种测试方法的主要差别在于放电倍率差别。我国标准只规定了一个放电倍率，因此较为死板；HPPC方法通常选取两个倍率，一个是1C放电倍率，用于衡量小倍率放电电池电阻特性，另一个是5C放电倍率，用于衡量大倍率放电电池电阻特性；第二种方法则选择了多种放电倍率条件进行测试，测试更灵活。

我们在实际中选用哪一个标准来进行测量，需要看测试的目的和电池当前的一些状态。根据需要合理选择即可。

比如市场上我们购买的锂离子内阻测试仪器，测试电池的内阻，设备一般就是选用1kHz固定频率，得到的测试结果则是大概的电池内阻，如果需要详细了解电池的内部过程，建议选择电化学工作站测试电池的内阻，这样就会得到更准确一些的信息，更加了解电池本身所处的健康状态。

比如，磷酸铁锂电池的内阻由2毫欧增加到100m欧，我们可以根据电池的状态，基本确定电池报废了。

5 锂电池的内阻一般受哪些影响？

充放电循环次数：电池充放电循环的次数也会影响其内阻的变化。锂电池一般随着充电循环次数的增加，其电极和电解液材料逐渐老化，会导致电池的内阻不断增加。

充放电速率：电池的充放电速率也会影响其内阻的大小和变化趋势。充放电速率越快，电池内部的化学反应和材料变化越剧烈，从而导致内阻增加。

电池结构：电池结构是内阻的主要影响因素之一，包括正负极材料的种类、电池内部的导电材料、电池隔膜等因素，不同的电池结构对内阻的大小和变化趋势有不同的影响。

温度：温度对锂离子电池的内阻影响较大，高温会导致电池内部的化学反应速度加快，电池内部材料的膨胀和变形加剧，从而导致内阻增加。

电池状态：电池的状态包括电池的SOC、OCV以及电化学活性等因素，这些因素也会影响电池的内阻大小和变化趋势，可以看下图不同的温度以及不同的荷电保持容量下的内阻也是不同的。

6 锂电池内阻在工程实践中的应用

内阻作为锂电池的关键特性之一，对它的研究成果，可以在工程制造等多个领域得到很多应用。

首先，锂电池的内阻直接体现电池老化程度，很多企业已经开始把电芯内阻作为电池健康状态SOH的评估依据；

其次，单体内阻一致性直接影响成组后的模组容量和寿命，因而内阻被作为电芯分选配组的静态指标而普遍应用；

再次，内阻的检测配合上容量损失等指标，还可以判断电池是否存在析锂现象，这种算法被使用在梯次利用的退役电池领域。

内阻的大小与电池荷电量也有紧密关系，因此被应用于电池管理系统中的SOC估计；

内阻又是电池故障的重要指征，在动力电池包的故障诊断系统中也被用来作为评估的一项指标。

从以上来看，对于锂电池内阻的实时采样分析变得尤为重要，但目前实时在线采样内阻的架构较为复杂，各个企业往往都以评估静态内阻来进行一些项目管控。