【经验】Keysight带你深入了解锂离子电池内阻测量

时间： 2022-07-08 来源：Keysight

技术问答

电池的内阻是决定锂离子电池性能的几个关键指标之一。电池的功率密度、耗散、效率和健康状态 (SoH) 都取决于其内阻。然而，电池的内阻绝不是一个恒定不变的值。它有着复杂的频率依赖性，且与电池内的特定电子和离子属性有关。此外，它还取决于电池的温度、充电状态 (SoC)、尺寸、化学成分、结构和使用年限。因此，我们需要明确设置电池的状态和测试条件，以使结果具有相关性和可比性。

测量电池内阻的最常用方法包括电化学阻抗谱 (EIS)、交流内阻 (AC-IR) 和直流内阻 (DC-IR)。这些方法都有着各自的特性，也许一种方法可以适用于一种情形但是却无法被用于其它情况。让我们找出原因！

电化学阻抗谱 (EIS) 测量：
让我们从电化学阻抗谱 (EIS) 这种方法开始。与其他测量方法相比，EIS可以提供对电池动态阻抗特性最完整的洞察，这使其成为电池研究人员的首选。EIS 测量传统上是使用恒电位仪/恒电流仪仪器进行的，该仪器在很宽的测试频率范围内施加小信号交流电流或电压刺激，通常从低至毫赫兹到高至兆赫兹。然后，它测量产生的电压或电流响应，并使用数字信号处理来确定给定测试频率下的复阻抗值。结果通常显示为奈奎斯特图，具有研究人员容易识别的与电池内的物理现象相关的特性。图 1 显示了锂离子电池的这种奈奎斯特图。

图 1：锂离子电池 EIS 奈奎斯特阻抗图

电池的等效电路模型 (ECM) 可以从EIS测量的奈奎斯特图导出。ECM是一种流行的模拟电池电行为的方法，因为它们在数学上相对容易实现并且与电池的物理属性相关联。图2展示了一个基本的 ECM 网络。

图 2：锂离子电池 ECM

ECM 的元素包括：
• 电池的电感L和欧姆电阻 R_O。R_O大部分是电解质体电阻。这些在数百赫兹及以上的高频中占主导地位。
• 双电层电容C_DL和电荷转移电阻R_CT。这些在中频占主导地位，通常在1到10Hz的范围内。
• 电阻R_D和电容C_D与离子扩散过程的缓慢动力学有关。这些通常在大约1Hz 以下占主导地位。

对于容量为几安培小时 (Ah) 到10安培小时的锂离子电池，频率非常接近，因为它们在很大程度上取决于电池的大小以及其他电池属性。

虽然 EIS 测量可以最深入地了解电池的阻抗特性，但它也带来了一些挑战，包括：
• 恒电位仪/恒电流仪的设置通常很昂贵。
• 设置和操作通常需要用户具备高水平的能力。
• 测量越来越耗时，尤其是随着测试频率的降低。

• 随着电池变大，精确测量极低阻抗变得越来越困难。

EIS是在研发中进行电池阻抗测量的关键选择。鉴于复杂性，它通常仅限于在研发中使用。是德科技（KEYSIGHT）提供EIS测量功能的一个例子是用于电池级测试的Scienlab SL100xA 系列电池测试系统，如图3所示。

图 3：Scienlab SL100xA 系列电池测试系统

交流内阻 (AC-IR) 测量：
AC-IR是一种基本的小信号交流刺激测量方法，由于实施简单，设备相对便宜，并且可以在100%的基础上快速完成对电池的测量，因此在制造中被广泛使用。1kHz的AC-IR测量是被广泛认可的内阻标准，这种标准是从传统的铅酸电池测试继承而来的。对于容量为几Ah到几十Ah的锂离子电池，1kHz AC-IR测量将提供对电池欧姆电阻R_O的精准估计。尽管这种方法在测量欧姆内阻时是十分有效的，但是，它并不能提供足够完整的图像来确定依赖于总内阻作为关键特性的锂离子电池的性能。为了弥补这一缺点，在完成了1kHz的AC-IR测量之后，通常会进行1 Hz低频AC-IR测量以估计R_O和电荷转移电阻R_CT的串联组合，如图1所示。基于已经从1kHz AC-IR测量估计R_O的值，现在R_CT便可以估计。如图1所示，该结果的准确性取决于测试频率与R_O和R_O+R_CT的实际拐点频率的相关程度。

直流内阻 (DC-IR) 测量：
与EIS和AC-IR测量相比，DC-IR 是一种大信号直流激励测量方法。它也经常被称为脉冲功率测试或脉冲电流测试。DC-IR测量速度相对较快，但需要大功率、大电流设备以及与电池的低电阻连接。这使得 DC-IR 测量最适合在研发中使用，使用如图3所示的测试系统。它也经常在制造中使用专用站以样品为基础进行。

为了进行DC-IR测试，工程师需要施加大电流阶跃或脉冲，并测量产生的电压响应，如图4所示。脉冲幅度可能高达20C，是电池的安培小时额定值的20倍。在如此大的幅度下，在现有标准脉冲持续时间通常被限制在不超过18到20秒，或者制造商定义的是其电池的最大脉冲限制。由于是一种大信号测量方法，因此可能会发现电池的问题，而使用上述两种方法的小信号测试可能无法检测到这些问题。

图 4 中显示的测量电压响应的不同部分与构成总内阻的不同电阻相关：
• 施加的激励电流阶跃边缘的初始电压降归因于电池的欧姆电阻 R_O。
• 在初始阶跃边缘压降之后大约第一秒的额外电压降归因于电池的电荷转移电阻R_CT。
• 超过一秒的电压降几乎呈线性衰减率归因于电池的扩散电阻R_D。然而，由于电池放电导致的额外电压衰减在较长持续时间内可能会很显着，从而导致对R_D值的估计高于预期。

与 AC-IR 测量一样，对测量电压降的适当持续时间进行了一些假设，以确定R_O、R_CT和R_D。通常的做法是使用0.1秒、1秒和10 秒来确定这些电阻值。与AC-IR测量一样，测量精度取决于这些持续时间与图1中R_O和R_O+R_CT的实际拐点频率的对应程度。

图 4：电池DC-IR测量

实验结果：
在25Ah锂离子软包电池上进行 EIS、AC-IR 和 DC-IR 测量，以比较每种方法的结果。使用EIS测量的频率绘制每种方法测量的实部（电阻）部分，并使用DC-IR方法的DC脉冲持续时间的倒数进行比较。EIS测量从0.05 Hz到500 Hz，AC-IR测量在1 kHz进行，DC-IR测量从20秒到2毫秒进行。结果绘制在图 5 中。

图 5：内阻测量与频率/持续时间的关系

毫不奇怪，由于测量方法的相似性，AC-IR与EIS测量的投影对齐到1kHz。总体而言，发现EIS和DC-IP之间的结果相关性良好，持续时间约为 0.3 Hz/3.3秒，使用这两种方法都可以很好地估计R_O和R_CT值。然而，在这一点之上，与内阻的EIS测量值相比，DC-IR测量值迅速增加。对于实验测试结果，在 0.1Hz/10 秒时，DC-IR方法产生了20%的总电阻增加，但扩散阻力R_D的估计值增加了5倍。除了由于电池内部电阻引起的电压下降之外，测量电阻的这种增加还归因于由于电荷损失导致的电池电压下降。

总结：
内阻是定义锂离子电池性能的几个关键特性之一，因此这就是为什么它在开发和制造中都经过广泛测试的原因。电池的内阻不是固定值；由于电池中的电化学和离子机制导致额外的电阻元件，它会随着较低的频率或较长的负载持续时间而增加。此外，它还随温度、充电状态 (SoC)、尺寸、化学成分和年龄而变化。

由于电池内部电阻的复杂性，存在各种测量方法来满足研发和制造中的特定需求。这里讨论的主要方法是：

• 电化学阻抗谱（EIS）是一种小信号交流刺激方法，可在很宽的测试频率范围内测量电池的复阻抗。由于它可以最全面地了解电池的动态阻抗特性，因此它在研发中受到青睐。

• AC内阻或AC-IR是一种小信号AC激励方法，可在特定频率（通常为1 kHz）下测量电池的内阻。对于锂离子电池，可以使用第二个低频测试点来更全面地了解电池的内阻。由于其相对简单和速度快，这在制造中受到青睐。

• 直流内阻或DC-IR 是一种大信号方法，它使用大电流直流脉冲刺激来测量电池的内阻。脉冲的持续时间可以与交流测量方法中使用的测试频率的倒数相关，直到电池放电开始变得显着的点，如此处所示。由于大信号测试可能会揭示小信号测试无法揭示的东西，因此 DC-IR 方法既用于研发，也用于样品制造。

这里通过实验证明，可以在小信号交流测量方法和大信号DC-IR方法之间得出合理的相关性，但只能达到几秒钟的有限持续时间。除此之外，DC-IR方法可能更适合称为脉冲功率方法，因为显着的电池放电会导致额外的电压降，从而导致高于实际电阻值。

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