梯次利用锂离子电池电化学阻抗模型及特性参数分析(2)

电荷传递电阻明显增大，即这ＳＯＣ小于０．３时，２个区间内的电化学极化较大。由于电化学极化与

电池充放电过程中的极化电压有关，因此，在电池的高端ＳＯＣ区间充电和在低端ＳＯＣ区间放电时应该注意进行过压保护和欠压保护，以防损伤电池

。

３　电化学阻抗谱特性分析

３．１　与电池ＳＯＣ的相关性

为了分析电化学阻抗谱与电池ＳＯＣ的相关性，将１６只奥运会电动汽车淘汰的锰酸锂电池在不同ＳＯＣ下的阻抗谱数据绘制为奈奎斯特图。为便于分析Ｓ将一只电ＯＣ对电池的电化学阻抗谱的影响，池不同ＳＯＣ下的阻抗谱绘制在同一张图中。其中一只电池的测试结果如图５所示

。

图５　同一只电池不同ＳＯＣ下的电化学阻抗谱

Ｆｉ．５　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｉｍｅｄａｎｃｅｓｅｃｔｒｏｓｃｏｏｆ　　ｇｐｐｐｙ　

ａｓａｍｌｅｃｅｌｌｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓＳＯＣ　　　　　ｐ

图６　３只电池不同ＳＯＣ下的电荷传递电阻

Ｆｉ．６　Ｃｈａｒｅｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆ３ｃｅｌｌｓ　　　　ｇｇ

ｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓＳＯＣ　　

由图５可知，圆弧左端在横轴方向上比较集中，

而圆弧右端则比较分散，圆弧的高度随ＳＯＣ变化显著不同，由此可判断电池欧姆电阻ＲＳ随ＳＯＣ变化不大，而圆弧在横轴上的截距所代表的电荷极化电同时，常相位角元件Ｑ所代表的双阻Ｒｃｔ差异较大，—５６—

将３组不同ＳＯＣ下的双电层电容弥散系数绘

入同一张图中，如图７所示。可以看出，ＳＯＣ大于而Ｓ０．２时的弥散系数整体变化趋势较平稳，ＯＣ为０．１时的弥散系数明显小于其他点的弥散系数。由

］９１０－

，于弥散系数表示偏离纯电容的程度［弥散系数越小，表示该状态下双电层电容偏离纯电容的程度

越大。常相位角元件Ｑ包含的电阻成分越多，电极

·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

和溶液间的双电层的弥散效应越严重，由此可以推

断，当电池处于低端ＳＯＣ区间时电极和溶液间的双电层的弥散效应比较严重

。

图７　３只电池不同ＳＯＣ下的弥散系数Ｆｉ．７　Ｄｉｓｅｒｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆ３ｃｅｌｌｓｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓＳＯＣ　　　　　　ｇｐ

图９　新旧电池电化学阻抗谱对比

Ｆｉ．９　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｉｍｅｄａｎｃｅｓｅｃｔｒｏｓｃｏ　　ｇｐｐｐｙ

ｏｆｎｅｗａｎｄｕｓｅｄｂａｔｔｅｒｉｅｓｃｏｍａｒｉｓｏｎｓ　　　　　ｐ

）浓差极化阻抗。将４组不同Ｓ３ＯＣ下扩散阻

如图８所示。由抗参数Ｑ２的数据绘入同一张图中，

图８可知，Ｑ２在电池高端ＳＯＣ区间和低端ＳＯＣ区间的值较小，在中间ＳＯＣ区间的值较大。由其幅值

／计算公式｜在同一频率ω和同ＺＱ２可知，｜＝ω－ｎ其代表的阻抗值越大，样的弥散系数ｎ下，Ｑ２越小，

即锂离子电池在高端ＳＯＣ区间和低端ＳＯＣ区间的浓差阻抗较大。浓差阻抗的大小影响电极进行高倍率充放电的能力，由此可见，梯次利用锂离子电池在两端ＳＯＣ区间下的高倍率充放电能力较差

。

由上述分析可知，车用锂离子电池经多次循环

后，欧姆内阻变化较小；而代表电荷传递过程的电化学电阻显著增大，双电层电容值减小，弥散系数降低，即电化学阻抗的容抗部分增大，且双电层电容偏离纯电容的程度增大。这是因为经过多次循环后，锂离子电池的电极活性物质／电解液界面逐渐退化，导致电化学阻抗增加；反映扩散过程的韦伯阻抗也随电容参数的降低而增大，同时，弥散系数的降低表明代表浓差极化部分的双电层电容偏离纯电容的程度也增大。这表明车用锂离子电池经多次循环后的性能变差主要由电化学极化阻抗与浓差极化阻抗的增大引起的，电池的极化增大使其高倍率放电能力降低。

４　结论

图８　３只电池不同ＳＯＣ下的Ｑ２

Ｆｉ．８　Ｑｆ３ｃｅｌｌｓｗｉｔｈｖａｒｉｏｕｓＳＯＣ　　　　２ｏｇ

）建立了梯次利用锂离子电池电化学阻抗模１

型，包含反映高频特性的等效电感和欧姆内阻、反映中频特性的电化学阻抗，以及反映低频特性的浓差阻抗。结果表明，模型拟合误差在２％以内，具有较高的模拟精度。

）研究了电池阻抗特性参数随Ｓ２ＯＣ的变化特性，结果表明：锂离子电池的直流内阻随着ＳＯＣ的变化基本保持不变；电化学阻抗在中间ＳＯＣ区间变在Ｓ和（区间化较平缓，ＯＣ处于（０，０．３）０．８，１．０）时，电化学阻抗显著增大，即在两端ＳＯＣ区间电池而且，锂离子电池在高端的电化学极化比较严重；ＳＯＣ区间和低端ＳＯＣ区间的浓差阻抗亦较大。因此，电池梯次使用时，在两端ＳＯＣ区间不宜采用大电流充放电，并且需要进行过压保护和欠压保护，以免损伤电池。

）揭示了阻抗特性参数随电池老化状况的变化３规律，结果表明，电化学极化阻抗和浓差极化阻抗随着电池循环次数的增加显著增大，而欧姆内阻变化较小，表明车用锂离子电池多次循环后性能变差的

—５７—

３．２　老化的影响

在相同频段范围内对新旧电池测试所得的阻抗谱进行对比。图９是ＳＯＣ为０．６时新旧电池的阻抗谱。可以看出，２只电池的欧姆内阻ＲＳ相差不大，但旧电池的容抗弧半径比新电池有所增大，且代表扩散的斜线部分也有较大区别。

附录Ａ表　　为了比较新旧电池具体的参数差异，Ａ３给出了２只电池的特性参数。新旧电池欧姆内阻ＲＳ的差异不到０．１ｍΩ。旧电池电化学电阻在

是新电池的３倍，电ＳＯＣ为０．１时增大约０．８ｍΩ，化学极化过程中的双电层电容值有了明显的减小，

弥散系数也明显降低，即旧电池双电层电容偏离纯电容的程度增大。旧电池扩散部分的韦伯阻抗中代表电容的参数降低了３～４倍，弥散系数也有所降低

。

（）２０１３，３７１

原因主要是由于电化学极化阻抗与浓差极化阻抗的

增大。电池的极化增大使其高倍率放电能力降低，因此，为保证电池使用的安全性和寿命，梯次利用电

使电池极化控制池必须严格控制电池充放电倍率，

在一定的范围内。

）基于本文所提出的阻抗模型，测试了电池不４同老化状态下的电化学阻抗谱，并建立了不同老化状态下电池特性参数的数据表，在使用过程中通过实时测试电池特性参数，可以实现对电池老化程度的定量判定。

／／附录见本刊网络版（ｈｔｔａｅｓ．ｓｅｒｉ．ｓｃｃ．ｐ：ｐｇｐｇ

／／／）。ａｅｓｃｈｉｎｄｅｘ．ａｓｘｃｏｍ．ｃｎｐｐ

ｕｔｉｌｉｔｅｎｅｒｔｏｒａｅｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｆｏｗｅｒ　ａ　ｏ　Ｐｙｇｙｇｐｐ　　ｓ，（）：Ｓｏｕｒｃｅｓ２０１１，１９６２３１０３５１１０３５８．－

［］Ｖ５ＩＳＷＡＮＡＴＨＡＮ　Ｖ　Ｖ，ＫＩＮＴＮＥＲ－ＭＥＹＥＲ　Ｍ．Ｓｅｃｏｎｄｕｓｅｏｆ　　

：ｍｂａｔｔｅｒｉｅｓａｘｉｍｉｚｉｎｔｈｅｖａｌｕｅｏｆｂａｔｔｅｒｉｅｓｆｏｒｔｒａｎｓｏｒｔａｔｉｏｎ　　　　　ｇｐ　［］ｔｒａｎｓｏｒｔａｔｉｏｎａｎｄｓｅｒｖｉｃｅｓＪ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＶｅｈｉｃｕｌａｒｒｉｄ　　　　　　ｐｇ

，（）：Ｔｅｃｈｎｏｌｏ２０１１，６０７２９６ …… 此处隐藏：1953字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……