1 鋰電池為什么會有內(nèi)阻

課本中的理想電壓源或者理想電流源往往沒有內(nèi)阻的概念，但是我們實(shí)際工程應(yīng)用中的電源系統(tǒng)都會存在內(nèi)阻，因此對于電池都有內(nèi)阻，鋰電池也不例外。

并且鋰電池在靜態(tài)時(shí)和工作時(shí)的內(nèi)阻是浮動(dòng)的，在不同環(huán)境下鋰電池的內(nèi)阻也會相應(yīng)地產(chǎn)生變化。當(dāng)然，鋰電池的內(nèi)阻值的大小也決定鋰電池的品質(zhì)，通常情況下我們可以通過鋰電池內(nèi)阻的大小來初步判斷鋰電池的狀態(tài)，在維修和檢測鋰電池組時(shí)，鋰電池內(nèi)阻也是重要依據(jù)。

理論上，電池的內(nèi)阻越低越好。最大膽的想法就是如果鋰電池的內(nèi)阻為0時(shí)會出現(xiàn)什么樣的狀態(tài)呢？可以這樣想象，在假設(shè)情況下鋰電池內(nèi)阻為0時(shí)，在這種超導(dǎo)狀態(tài)下的鋰電池，放電性能可以是無限大的。這是一種違反自然規(guī)律的情況。所以在現(xiàn)實(shí)中幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。

電池的內(nèi)阻會影響電池的性能，內(nèi)阻從何而來，哪些因素會影響到鋰電池的內(nèi)阻？

2 鋰電池的內(nèi)阻模型

鋰電池的內(nèi)阻通常可分為直流內(nèi)阻（DCR）和交流內(nèi)阻（ACR）。

在分析和比較這2種內(nèi)阻之前，先看一下由電池組成的一個(gè)簡單的模型電路圖：

在上面的模型圖中：Vocv為電池開路電壓 ，RΩ為歐姆內(nèi)阻 ，Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻，Cdl為雙電層電容， Rw為擴(kuò)散電阻，這些名詞解釋，我們放到后續(xù)的文章中來探討。這里我們先來初步地認(rèn)識一下如何測量這些內(nèi)阻。

如果首先給鋰電池正負(fù)極之間加一個(gè)高頻的正弦波電流信號，此時(shí)的Cdl相當(dāng)于導(dǎo)通短路狀態(tài)，高頻正弦波電流不會造成電極表面物質(zhì)的消耗，根據(jù)電化學(xué)知識我們可知 Rct、Cdl和Rw均可忽略，那么我們測試得到的內(nèi)阻大小就是RΩ；

將正弦波電流信號的頻率降低到不會造成電極表面物質(zhì)大量消耗時(shí)，那么Rw仍可忽略，通過模擬計(jì)算就可以推導(dǎo)出Rct和Cdl；

將正弦波電流信號的頻率繼續(xù)降低到低頻時(shí)，比如到0.01Hz，此時(shí)電池的電極表面物質(zhì)被大量消耗，需要通過擴(kuò)散來補(bǔ)充消耗的鋰離子，計(jì)算得到的就是Rw。

3 鋰電池的交流內(nèi)阻

交流內(nèi)阻測試過程就是通過在電池正負(fù)極注入正弦波電流信號I=Imaxsin(2πft)，同時(shí)通過另外兩端在電池正負(fù)極檢測得到正弦波電壓信號U=Umaxsin(2πft+ψ)，進(jìn)而可以推導(dǎo)出電池的交流阻抗。其中繪制的圖片我們稱交流阻抗譜，又叫奈奎斯特圖，是電化學(xué)領(lǐng)域里研究電池的主要圖譜之一，測試的主要設(shè)備為電化學(xué)工作站。

在奈奎斯特圖中，大概1kHz左右測得的電阻一般被認(rèn)為是電池的歐姆電阻，1kHz~1Hz左右的半圓弧代表的是電池的Rct和Cdl，1Hz~mHz代表的是電池的擴(kuò)散電阻。

在專業(yè)的文獻(xiàn)里通常寫到：實(shí)軸的截距代表歐姆阻抗，是由電子與離子遷移阻力產(chǎn)生的；半圓是由電解質(zhì)與電極材料界面上的電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的；低頻部分是由鋰離子在電解質(zhì)中的擴(kuò)散和在正負(fù)極材料中的擴(kuò)散產(chǎn)生的。

4 鋰電池的直流內(nèi)阻

直流內(nèi)阻就是給鋰電池施加一個(gè)直流信號來測量電池內(nèi)阻，一般通過HPPC (
HybridPulsePowerCharacterization)測試計(jì)算得到,

常用的直流電阻測試方法有三個(gè)：

美國《FreedomCar電池測試手冊》的HPPC方法，測試持續(xù)時(shí)間為10s，施加的放電電流為5C或更高，充電電流為放電電流的75%，具體電流的選擇根據(jù)電池特性制定。

日本JEVSD7132003的測試方法，原來主要針對Ni/MH電池，后來也應(yīng)用于鋰離子電池：首先建立0~100%SOC下電池的電流-電壓特性曲線，分別以1C、2C、5C、10C的電流對設(shè)定SOC下的電池進(jìn)行交替充電或放電，充電或放電時(shí)間都為10s，計(jì)算電流的直流內(nèi)阻。

我國“863”計(jì)劃新能源汽車重大專項(xiàng)《HEV用高功率鋰離子動(dòng)力電池性能測試規(guī)范》中提出的測試方法。測試持續(xù)時(shí)間為5s，充電測試電流為3C，放電測試電流為9C。

以上幾種測試方法的主要差別在于放電倍率差別。我國標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了一個(gè)放電倍率，因此較為死板；HPPC方法通常選取兩個(gè)倍率，一個(gè)是1C放電倍率，用于衡量小倍率放電電池電阻特性，另一個(gè)是5C放電倍率，用于衡量大倍率放電電池電阻特性；第二種方法則選擇了多種放電倍率條件進(jìn)行測試，測試更靈活。

我們在實(shí)際中選用哪一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行測量，需要看測試的目的和電池當(dāng)前的一些狀態(tài)。根據(jù)需要合理選擇即可。

比如市場上我們購買的鋰離子內(nèi)阻測試儀器，測試電池的內(nèi)阻，設(shè)備一般就是選用1kHz固定頻率，得到的測試結(jié)果則是大概的電池內(nèi)阻，如果需要詳細(xì)了解電池的內(nèi)部過程，建議選擇電化學(xué)工作站測試電池的內(nèi)阻，這樣就會得到更準(zhǔn)確一些的信息，更加了解電池本身所處的健康狀態(tài)。

比如，磷酸鐵鋰電池的內(nèi)阻由2毫歐增加到100m歐，我們可以根據(jù)電池的狀態(tài)，基本確定電池報(bào)廢了。

5 鋰電池的內(nèi)阻一般受哪些影響？

充放電循環(huán)次數(shù)：電池充放電循環(huán)的次數(shù)也會影響其內(nèi)阻的變化。鋰電池一般隨著充電循環(huán)次數(shù)的增加，其電極和電解液材料逐漸老化，會導(dǎo)致電池的內(nèi)阻不斷增加。

充放電速率：電池的充放電速率也會影響其內(nèi)阻的大小和變化趨勢。充放電速率越快，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和材料變化越劇烈，從而導(dǎo)致內(nèi)阻增加。

電池結(jié)構(gòu)：電池結(jié)構(gòu)是內(nèi)阻的主要影響因素之一，包括正負(fù)極材料的種類、電池內(nèi)部的導(dǎo)電材料、電池隔膜等因素，不同的電池結(jié)構(gòu)對內(nèi)阻的大小和變化趨勢有不同的影響。

溫度：溫度對鋰離子電池的內(nèi)阻影響較大，高溫會導(dǎo)致電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速度加快，電池內(nèi)部材料的膨脹和變形加劇，從而導(dǎo)致內(nèi)阻增加。

電池狀態(tài)：電池的狀態(tài)包括電池的SOC、OCV以及電化學(xué)活性等因素，這些因素也會影響電池的內(nèi)阻大小和變化趨勢，可以看下圖不同的溫度以及不同的荷電保持容量下的內(nèi)阻也是不同的。

6 鋰電池內(nèi)阻在工程實(shí)踐中的應(yīng)用

內(nèi)阻作為鋰電池的關(guān)鍵特性之一，對它的研究成果，可以在工程制造等多個(gè)領(lǐng)域得到很多應(yīng)用。

首先，鋰電池的內(nèi)阻直接體現(xiàn)電池老化程度，很多企業(yè)已經(jīng)開始把電芯內(nèi)阻作為電池健康狀態(tài)SOH的評估依據(jù)；

其次，單體內(nèi)阻一致性直接影響成組后的模組容量和壽命，因而內(nèi)阻被作為電芯分選配組的靜態(tài)指標(biāo)而普遍應(yīng)用；

再次，內(nèi)阻的檢測配合上容量損失等指標(biāo)，還可以判斷電池是否存在析鋰現(xiàn)象，這種算法被使用在梯次利用的退役電池領(lǐng)域。

內(nèi)阻的大小與電池荷電量也有緊密關(guān)系，因此被應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)中的SOC估計(jì)；

內(nèi)阻又是電池故障的重要指征，在動(dòng)力電池包的故障診斷系統(tǒng)中也被用來作為評估的一項(xiàng)指標(biāo)。

從以上來看，對于鋰電池內(nèi)阻的實(shí)時(shí)采樣分析變得尤為重要，但目前實(shí)時(shí)在線采樣內(nèi)阻的架構(gòu)較為復(fù)雜，各個(gè)企業(yè)往往都以評估靜態(tài)內(nèi)阻來進(jìn)行一些項(xiàng)目管控。