在混合動力汽車中，動力電池一般采用功率型電池，由多節(jié)鋰電池（或鎳氫電池）串聯(lián)而成，具有充放電功率高、損耗低及瞬時放電電流大的特點。內(nèi)阻是動力電池一個非常重要的技術(shù)參數(shù)，作為衡量電池內(nèi)部離子和電子傳輸難易程度的參數(shù)，它對電池的充放電功率、充放電電流、電池發(fā)熱及損耗有著重要的影響。

電池內(nèi)阻特性

1. 電池內(nèi)阻等效電路

電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻由電極材料、電解液、隔膜的電阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化電阻是指正極與負極進行電化學反應(yīng)時極化所引起的內(nèi)阻。

圖 1 電池內(nèi)阻等效電路示意圖

圖 1為電池內(nèi)阻等效電路示意圖。其中，R1為電池歐姆內(nèi)阻，R2、R3為極化電阻，電池歐姆內(nèi)阻可近似理解為一個變化相對較小的常量，它主要與電池的材料體系、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及連接形式等因素有關(guān)，相對來說極化電阻受外界因素影響變化較大，電池的充放電流、工作環(huán)境溫度和電池 SOC 狀態(tài)等因素對它都有影響。

2. 交流內(nèi)阻

對于電池內(nèi)阻測試，采用不同的測試方式、不同的測試原理所測試的結(jié)果有所差異，根據(jù)測試方式及測試原理劃分定義，電池內(nèi)阻又可以分為交流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻兩類。

在圖 1 中，如果對電池正負極輸入 1kHZ 的正弦波交流電流信號，在該頻率下電池的 R2、R3 值一般較小，可以忽略不計，采用此種交流電流信號測試出來的電池內(nèi)阻與歐姆內(nèi)阻R1 比較接近。

交流內(nèi)阻測試正是基于這一原理，在電池正負極輸入 1kHz 正弦波交流電流信號，然后通過檢測電池正負極兩端的電壓降及電流信號計算出來的電池阻抗，因此，電池的交流內(nèi)阻可以近似認為就是歐姆內(nèi)阻R1。在電池生產(chǎn)線上一般常采用內(nèi)阻儀來進行單體電池測試，內(nèi)阻儀測出來的電池內(nèi)阻是交流內(nèi)阻。

3. 直流內(nèi)阻

混合動力汽車用動力電池組（或電池包）由多節(jié)單體電池串聯(lián)而成，電壓一般在 200～ 400 V 不等，對于動力電池組來說，由于電壓較高，考慮到安全、設(shè)備等各種因素，一般采用給電池組輸入直流電流信號的測試方式來測試電池內(nèi)阻，采用這種方式測試出的電池內(nèi)阻稱為直流內(nèi)阻。

直流內(nèi)阻測試時輸入的直流電流信號一般是一個恒流的脈沖電流，該電流信號一般持續(xù)時間較短。

電池直流內(nèi)阻測試一般在電池實驗室條件下，采用專用的充放電設(shè)備進行測試。電池直流內(nèi)阻可以較好地反映電池組在特定條件下的真實內(nèi)阻狀態(tài)，它不僅包括了電池歐姆內(nèi)阻，還包括了電池極化內(nèi)阻，它不僅可以反映電池的充放電能力，還可以反映電池使用過程的老化程度，因此，電池直流內(nèi)阻是評估電池組的一個重要技術(shù)指標。

4. 影響電池內(nèi)阻的因素

電池的內(nèi)阻與外界負載及電池的使用環(huán)境密切相關(guān)，是一個動態(tài)變量值，影響電池內(nèi)阻的因素較多，主要包括：①工作環(huán)境溫度；②電池的 SOC 狀態(tài)；③電池充放電電流大??；④充放電持續(xù)時間。

對于動力電池組來說，電池內(nèi)阻一般是在某個條件狀態(tài)下的內(nèi)阻，如無特定條件說明，一般指的是室溫條件下滿電狀態(tài)時的電池內(nèi)阻。

直流內(nèi)阻（DCR）測試方法

混合動力汽車電池為功率型電池，經(jīng)常工作在大功率、頻繁脈沖充放電狀態(tài)，因此，混合動力汽車電池在實驗室條件下進行電池內(nèi)阻測試時，充放電電流大小、充放電持續(xù)時間、電池SOC 狀態(tài)、工作環(huán)境溫度等這些測試參數(shù)的選擇需與電池在整車上實際使用工況相似。

混合動力汽車電池內(nèi)阻測試方法在 GB/T 31467.1-2015 第7.2 條有詳細的介紹，具體的測試方法及步驟如下：

1）充放電脈沖電流采用恒定電流。

2）放電持續(xù) 18 s, 充電持續(xù)10 s，中間靜置 40 s。

3） 環(huán) 境 溫 度 分 別 設(shè) 置 為40 ℃、室溫、0 ℃、–20 ℃。

4）電池 SOC 狀態(tài)分別設(shè)置為 80％、50％、20％。

5）記錄每一時刻電池組電壓及對應(yīng)的充放電電流。

6）根據(jù)放電內(nèi)阻相關(guān)計算公式，得出不同測試持續(xù)時間測出的電池內(nèi)阻，測試持續(xù)時間分別為 0.1 s、2 s、10 s。充電內(nèi)阻計算方法與放電內(nèi)阻計算方法相似，在此不多做敘述。

基于整車試驗的混合動力汽車電池內(nèi)阻測試方法研究

1. 整車試驗可采集的電池工況數(shù)據(jù)

前面介紹了常用的在實驗室條件下進行的混合動力汽車電池內(nèi)阻測試方法。在實際工程應(yīng)用中，有時并不具備電池實驗室測試條件，例如電池已安裝在整車上進行整車試驗，如何在整車試驗工況下得到電池內(nèi)阻參數(shù)是很多工程師面臨的實際問題。

在整車試驗中，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備可實時采集整車各系統(tǒng)（如發(fā)動機、電機、電池）的實時工況數(shù)據(jù)。下面以某款混合動力車整車工況試驗為例。該整 車 試 驗 持 續(xù) 時 間 為 30 min（1 800 s）, 經(jīng) 后 期 數(shù) 據(jù) 處 理，數(shù)據(jù)采樣頻率為 10 Hz，采集的電池的工況數(shù)據(jù)有電池電壓、電流、溫度及 SOC 等，該數(shù)據(jù)反映了電池在整車上實際應(yīng)用中的充放電狀態(tài)。試驗時采集的電池電壓數(shù)據(jù)曲線如圖 2 所示，車速曲線如圖 3 所示。

圖 2 電池電壓曲線

圖 3 車速曲線

2. 基于工況數(shù)據(jù)下電池內(nèi)阻計算公式推導(dǎo)

從以上數(shù)據(jù)可以看出，混合動力汽車在實際工況下，在大部分時間段電池都是脈沖放電、脈沖充電，脈沖持續(xù)時間大部分都是 1 ～ 2 s?；旌蟿恿ζ噭恿ο到y(tǒng)連接如圖 4 所示，包括動力電池、電機控制、驅(qū)動電機、發(fā)電機及發(fā)動機。

圖 4 混合動力汽車動力系統(tǒng)連接圖（40 s）

其中，設(shè)定電池放電電流方向為正，充電電流方向為負。V B為電池開路電壓，V O 為電池輸出至外界負載的端電壓 ,R 為電池內(nèi)阻。假設(shè)t 1 時刻電池包輸出電壓、電流分別為V 1、I1，t 2 時刻分別為V 2、I 2，根據(jù)電路原理可得出：

V 1=V ocv-I 1×R （1）

V 2=V ocv-I 2×R （2）

根據(jù)以上公式，可得t 1 ～t 2時間段，電池內(nèi)阻R 與電壓、電流關(guān)系為：

R=-(V 1-V 2)/(I 1-I 2) （3）

式（3） 中， 如 果 t 1 時 刻 I 1=0，則R=(V 1-V 2)/I 2，這與國標的計算公式是一致的，不同的是國標測試采用恒流放電、恒流充電，起始時刻電流為 0。

3. 基于工況數(shù)據(jù)下電池內(nèi)阻計算方法

由公式（3），結(jié)合在整車測試工況下電池實測數(shù)據(jù)，可以計算出在某特定條件下（某時間、某溫度、某 SOC）電池的內(nèi)阻。

實際工況大部分時間段混合動力汽車電池的充放電持續(xù)時間為 1 ～ 2 s，根據(jù)這一特征，持續(xù)時間 1 s 電池內(nèi)阻算法如下：

1）數(shù)據(jù)選?。合冗x取某條件下 ( 某溫度、某 SOC) 一段電池充放電工況數(shù)據(jù)，先計算出這段時間內(nèi)n 個 1 s 電池內(nèi)阻，例如：R1、R2、R3……R n (n 取 值根據(jù)實際情況而定 )，由于數(shù)據(jù)采集頻率為 10 Hz，1 s 時間間隔可采集 10 組數(shù)據(jù)，所以R1=-(V 1-V 11)/(I 1-I 11)，R2=-(V 2-V 12)/(I 2-I 12）……Rn=-(V n-V n+10)/(I n-I n+10）

2）數(shù)據(jù)處理時要剔去一些異常的數(shù)據(jù)，如負值或過大、過小的數(shù)據(jù)，然后對計算結(jié)果取平均值，即可得出某條件（某溫度、某SOC）下 1 s 電池內(nèi)阻。

如果要計算工況數(shù)據(jù)下電池的 2 s 內(nèi)阻，上述間隔數(shù)據(jù)取20。同理，采用這種方法也可以計算工況數(shù)據(jù)下 10 s 電池內(nèi)阻，此時可選取 0 ～ 100 km/h 加速時的電池工況數(shù)據(jù)。

4. 示例

某款混合動力汽車實際工況數(shù)據(jù)的電池內(nèi)阻的計算示例見表所示。其中，從左至右依次是實時采集的電池工況數(shù)據(jù)，包括時間、SOC、電池電壓、電流和溫度，最右一列為按上述方法計算出的 1 s 電池內(nèi)阻，為了取得較好的精度，剔除異常數(shù)據(jù)后，計

算結(jié)果取平均值。

電池 1 s 內(nèi)阻計算示例

結(jié)論

1）電池內(nèi)阻對電池性能影響較大，電池內(nèi)阻測試工作是混合動力汽車開發(fā)過程中的一項重要工作，在具備電池實驗室條件下，混合動力汽車電池內(nèi)阻一般按 國 標 GB/T 31467.1-2015 進行測試。

2）在不具備電池實驗室條件下，可以通過采集混合動力汽車電池的特定工況數(shù)據(jù)來計算電池內(nèi)阻，經(jīng)過實際應(yīng)用效果來看，按本文所述方法可以滿足一般工程應(yīng)用需求。

審核編輯 ：李倩