梯次利用锂离子电池电化学阻抗模型及特性参数分析

第３７卷　第１期２０１３年１月１０

日

：／ＤＯＩ１０．７５００ＡＥＰＳ２０１２１０１７０

梯次利用锂离子电池电化学阻抗模型及特性参数分析

张彩萍，姜久春，张维戈，刘秋降，鲁　妍

（）北京交通大学电气工程学院，北京市１０００４４

摘要：基于电化学阻抗谱测试结果，建立了梯次利用锂离子电池电化学阻抗模型，实验验证了模型精度，误差在２％以内。研究了阻抗模型特性参数随电池荷电状态（和老化状况的变化特性，ＳＯＣ）测试结果表明，电池的直流内阻随着Ｓ在两端Ｓ即（和ＯＣ的变化基本保持不变，ＯＣ区间，０，０．３）（），电化学极化阻抗和浓差极化阻抗均显著增大。电化学极化阻抗和浓差极化阻抗随着电０．８，１．０

池循环次数的增加明显增大，而欧姆内阻变化较小，表明车用锂离子电池多次循环后的性能变差主

为梯次利用锂离子电池在储能系统中的要是由于电化学极化阻抗与浓差极化阻抗的增大引起的，

应用奠定了理论基础。

关键词：锂离子电池；梯次利用；阻抗模型；荷电状态

０　引言

随着国内电动汽车的推广和应用，未来几年，将有大批车用动力电池达到使用寿命而遭淘汰。淘汰的动力电池不能继续用于电动汽车，但可用在对动力电池性能要求低的场合。由于储能系统对电池的电动汽车淘汰的电池具备性能要求较电动汽车低，

在储能系统尤其是小规模的分散储能系统中继续使

用的条件。通过这种梯次利用方式来延长电池使用寿命，降低动力电池全寿命周期成本，对于推动电动汽车行业的健康发展具有重要意义，也是锂离子电池在电动汽车上推广应用中亟待解决的关键问题。

目前，国内外对电池梯次利用技术的研究刚刚开始，主要集中于梯次利用电池的可靠性、优化使用

］１６－

。文献［策略、寿命和经济性［研究了梯次利用１］／储能系统可靠性计算方法，提出通过ＤＣＤＣ变换器后并网的拓扑结构能够提高梯次利用储能系统的

］可靠性，并设计了级联多电平并网变流器。文献［２对梯次利用电池的寿命估算模型进行了研究，提出

了基于使用寿命最大化的电池充放电控制方法。本文以商用车淘汰的锂离子电池为研究对象，首先分析淘汰的锂离子电池阻抗性能，在此基础上建立电池的阻抗模型，然后分析其特性参数影响因素及其变化规律，为商用车淘汰锂离子电池的梯次利用奠定理论基础。

１　实验平台介绍

电池实验平台如图１所示，由被测电池、电池充

放电测试系统、高低温恒温箱、电化学阻抗谱测试仪、个人计算机（组成。该平台能够对电池进行ＰＣ）充放电性能测试，使电池达到预设的荷电状态（，也可以用来测试电池的电化学阻抗谱特性。ＳＯＣ）

本文测试对象为奥运会电动汽车淘汰的锰酸锂电池，每只电池的单体最大可用容量约６５Ａｈ

。

图１　电池测试平台

Ｆｉ．１　Ｂａｔｔｅｒｔｅｓｔｌａｔｆｏｒｍ　ｇｙｐ　

将被测电池模块放在恒温箱中，设定温度为

防止温度变化对测试结果的影响。Ｐ２５℃，Ｃ通过

控制电池充放电测试设备，对电池进行充放电。数据采集器实时采集电池充放电过程中的电池端电压、充放电电流等信息，通过控制器局域网（ＣＡＮ）总线将数据传送至ＰＣ。电化学阻抗谱测试仪为德国Ｚａｈｎｅｒ电化学工作站及其扩展选件ＥＬ３００。直接通过Ｐ对电池Ｃ程序控制电化学阻抗谱测试仪，模块进行电化学阻抗谱测试。

；修回日期：。收稿日期：２０１２１０１９２０１２１１２１－－－－

国家高技术研究发展计划（８６３计划）资助项目

（）。２０１１ＡＡ０５Ａ１０８

２　电化学阻抗建模

２．１　电化学阻抗性能

电化学阻抗谱测试方法是一种对电化学系统施

—５４—

·储能技术及其在电力系统中的应用·　张彩萍，等　梯次利用锂离子电池电化学阻抗模型及特性参数分析

加小振幅正弦波电位（或者电流）扰动信号的电化学

测量方法。通过改变正弦波频率，可以获得一段频作率域内不同频率点下的阻抗及其模量和相位角，

］７８－

。图即得电化学阻抗谱［

以一只电池在某一ＳＯＣ点下的电化学阻抗谱

绘制的奈奎斯特图（如图２所示）为例，进行阻抗谱构成结构的分析。图２中，从左到右依次是从高频到低频的阻抗

。

大。由于电池放电时间不是无限增长，因此，浓差阻抗并不会沿着奈奎斯特图中的斜线部分无限增大。观察图２所示阻抗谱图的中频段和低频段，可

代表电化学极化的圆弧和代表浓差极化的以看出，

斜线并没有一个明确的交界点。这是因为在交流信

号通过电极时，锂离子电池中同时存在浓差极化和电化学极化，此时电极的极化阻抗比较复杂：在高频部分，电化学极化占主导地位，表现为双电层的容抗弧；而在低频部分，扩散控制步骤占主导地位，表现为韦伯阻抗的斜线。由此可以判断，在锂离子电池的电极反应过程中，电化学极化反应较快，电极反应初期出现的极化是由电荷传递过程引起的；浓差极化反应较慢，电极反应后期的极化是由锂离子在活性材料颗粒内部的固体扩散引起的。

２．２　电化学阻抗模型及参数拟合

通过对电化学阻抗谱的分析，可知电池的电化学阻抗等效模型包括等效电感Ｌ、欧姆电阻ＲＳ、并

图２　锂离子电池的电化学阻抗谱

Ｆｉ．２　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｉｍｅｄａｎｃｅ　ｇｐｓｅｃｔｒｏｓｃｏｏｆＬｉｉｏｎｂａｔｔｅｒｐｐｙｙ　　－　

联复合元件（由电荷传递电阻Ｒｃｔ和双电层电容Ｃｄｌ

、构成）韦伯阻抗ＺＷ这４个部分。在建立等效模型时，对于同时进行的步骤，其等效元件为并联，对于先后发生的步骤则等效为串联。相对于等效电感Ｌ和欧姆电阻ＲＳ的反应，因扩散发生在界面电荷交

可以认为并联复合元件所代表换之后的固体里面，

的电荷传递过程和韦伯阻抗ＺＷ所代表的浓差扩散

过程是同时发生的；而实际反应中电荷传递过程与浓差扩散过程两者相比较，则是先后发生的。因此，在建立等效模型时，将ＺＷ串联在并联复合元件的与双电层电容Ｃ一条并联支路上，ｄｌ所在的支路形成并联关系，与电荷传递电阻Ｒｃｔ所在的支路为串联关系，形成新复合元件。该复合元件与等效电感Ｌ、欧姆电阻ＲＳ三者之间是串联关系。由于被测锂离子电池在低频部分的浓差阻抗并不是标准的韦伯阻

而是有所偏移的，因此，将电路中的ＺＷ替换为抗，

一般的常相位角元件Ｑ，得到如图３所示的等效电路模型

。

由图２可知，电化学阻抗谱由第１象限的一个近似半圆、一条斜线和第４象限的一条近似直线组成。直线部分由电感引起。电池系统存在滞后电

这是感抗作用的体现，而这种感抗作用并不是由流，

于电池内部的感应电流，而是由于电极的自然性质（如多孔性、表面不均匀等）引起的，这也是粘性系统的一个体现。由此可以判断，被测锂离子电池的电化学等效模型中有一个电感串联在里面，其对高频段的阻抗贡献较大。在高频段与中频段相连接的点，其阻抗实部不等于０，该点起作用的是与锂离子和电子通过电解液、多孔隔膜、导线、活性材料颗粒等输运有关的欧姆电阻ＲＳ。

一般情况下，电池电化学阻抗谱的中频段表现为与电荷传递过程相关的一个半圆，此过程可用一个ＲｃＣｄＲｃｔ－ｌ并联电路表示。其中，ｔ为电荷传递电阻 …… 此处隐藏：2138字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……