磷酸铁锂电池在使用过程中容易出现的各种问题,往往体现为内阻的增大。内阻的高低能够表征电池劣化状况,内阻测试成为衡量电池状态优劣的最关键、最迅速、最有效的方法之一。
目前,对于锂离子电池内阻的研究存在如下问题:
1、锂离子电池的内阻通常很小,一般是毫欧量级,同时又是有源元件,不同于一般的电阻元件,不能直接测量;
2、电池的内阻易受测试时所处的状态影响,例如不同环境温度、不同荷电状态下,电池的内阻就有一定的差别。
一、内阻测试标准简介
国际电工委员会(IEC)是锂离子电池最主要的国际标准制定机构,制定的锂离子电池的性能标准IEC 61960-3:2017<含碱性或其他非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组 便携式应用的锂蓄电池和蓄电池组第3部分:方形和圆柱形锂蓄电池及其制成的蓄电池组>和IEC 62620:2014<蓄电池和含碱或其他非酸性电解质电池组 工业应用中使用的二次锂电池和蓄电池组>中都有要求测试电池内阻的测试项目。
日本工业标准调查会(JISC)是负责日本全国性标准化管理机构,发布的标准中涉及电池内阻测试项目的有JISC 8715-1:2018<工业用二次锂电池和蓄电池.第1部分 性能要求和试验>。
二、测试原理
IEC 61960-3:2017、IEC 62620:2014、JISC 8715-1:2018这3个标准推荐的测试方法均包括交流测试法和直流测试法两种。
交流测试法是在电池两端加上幅值较小的交流信号作为激励,通过测量其电压响应得出内阻值。直流测试法是给电池强制施加短时恒定电流,此时电池的电压随时间而发生变化,假如电池瞬间通过的电流为I,在极短的时间内测量出电池电压的变化为ΔU,根据欧姆定律R=ΔU/I就可以计算出电池的直流内阻。
2.1 适用对象
IEC 61960-3:2017规定交流测试法和直流测试法仅适用于电池组;而IEC 62620:2014和JISC 8715-1:2018规定交流测试法仅适用于电芯,直流测试法适用于电芯和电池组。
2.2 试样要求
IEC 62620:2014根据倍率放电能力的差异化将试样分为四种类型:超低倍率型(S)、低倍率型(E)、中倍率型(M)、高倍率型(H),四种类型样品在25℃下的最大持续放电电流通常不低于以下值:0.125C、0.5C、3.5C、7.0C。
JISC 8715-1:2018将试样分为四种类型:超低倍率型(S)、低倍率型(E)、中倍率型(M)、高倍率型(H),四种类型样品在25 ℃下的最大持续放电电流分别不低于以下值:0.125C、0.5C、3.5C、>3.5C。
IEC 61960-3:2017对试样没有明确规定。
三、测试程序
3.1 测试准备
IEC 61960-3:2017标准规定内阻测试前将电池充满电并静置1~4h;IEC 62620:2014标准规定内阻测试前将电池充满电,然后放出额定容量的50%±10%的电量后静置1~4h;JISC 8715-1:2018要求与IECIEC 62620:2014相同。
3.2 测试温度
IEC 61960-3:2017规定在20℃±5℃下进行内阻测试;IEC 62620:2014和JISC 8715-1:2018规定在25℃±5℃下进行内阻测试。
3.3 测试方法
IEC 61960-3:2017规定如果需要同时使用交流法和直流法测内阻时,应先用交流法,再用直流法。不需要在交流法和直流法测试之间对电池进行充放电。另外两个标准并没有规定交流法和直流法测试的顺序。
3.3.1 交流内阻测试
IEC 61960-3:2017、IEC 62620:2014和JISC 8715-1:2018规定的交流内阻测试方法相同:在电池两端施加1~5s频率为1.0 kHz±0.1 kHz、有效值为Ia的交流电流信号,测量交流有效值电压Ua,交流内阻Rac的计算公式为:Rac=Ua/Ia。
3.3.2 直流电阻测试
IEC 61960-3:2017规定电池组以I1=0.2C(A)恒流放电10s±0.1s,然后瞬间提高放电电流至I2=1.0C(A)并放电1s±0.1s;而IEC 62620:2014和JISC 8715-1:2018根据电池的类型,规定不同的放电电流,具体电流值如表1所示。
表1 IEC 62620:2014和JISC 8715-1:2018直流内阻测试时的放电电流值
此外,IEC 62620:2014和JISC 8715-1:2018规定的两次放电时间较IEC 61960-3:2017长,分别为(30±0.1)s、(5±0.1)s。
审核编辑:刘清