摘 要：锂离子电池的内阻对其工作特性具有重要的影响，是当前的动力电池领域的研究热点之一。电化学阻抗谱算法以其操作简单，无需建模的优点，是锂离子电池内阻测量的主流方式。本文通过测量得到不同SOC状态下的锂离子电池的电化学阻抗谱，并对内阻与SOC的对应关系进行分析。本文对锂离子电池内阻的计算有一定的參考价值。

关键词：电化学阻抗谱;锂离子电池;内阻

锂离子电池的内阻由欧姆内阻和极化内阻构成。其中，欧姆内阻包括电解质电阻、隔膜电阻以及接触电阻，它主要与电池的隔膜材料、尺寸形状、电极成型方式以及装配力矩相关;极化内阻是指电极进行电化学反应时，由极化现象造成的内阻，具体来说包括浓差极化和电化学极极化引起的内阻[1]。

锂离子电池的内阻与锂离子电池的放电电流、荷电状态、健康状态等参数息息相关，但是其测量存在极大的难度。电化学阻抗谱法应用相对简单，测量结果准确，是目前主流的内阻测量方法。

1 电化学阻抗谱简介

锂离子电池内部反应机理较为复杂，难以通过精确的模型描述。电化学阻抗谱算法将锂离子电池视作一个黑箱，通过向黑箱输入一个扰动信号X，得到其相应信号Y，即可通过传输函数描述扰动信号X与响应信号Y之间的关系[2]。

电化学阻抗谱法的应用需要满足若干条件：首先是因果条件，即输入的扰动信号引起了输出的响应信号;其次是线性条件，即输入的扰动信号与输出的响应信号之间存在线性关系，也就是当采用不超过10mV的正弦波电压信号扰动系统时，响应电流与输入电压之间可以认为是线性关系;最后是稳定性条件，也就是说系统结构不会因为扰动而发生改变，并且可以在扰动停止时恢复到之前的状态。如果电极反应属于可逆反应，一般满足稳定性条件;如果电极反应属于不可逆过程，在电极表面反应速度比较慢，扰动幅值比较小，并且作用时间比较短的情况下，电极可以在扰动停止后迅速恢复到原状态，也可认为其符合稳定性条件。

2 使用电化学阻抗谱分析电池内阻

（1）通过电化学阻抗谱设备测量不同SOC状态的锂离子电池在不同频率扰动信号X下的响应信号Y，并计算其传输函数，得到不同频率下阻抗的虚部、实部和相位角，使用Origin将相应数据绘制成Nyquist曲线[3]，如下图所示。

（2）以锂离子电池电化学基本理论为依据，根据其电化学系统的特征，分析该系统可能存在的电路元件及其组合方式，并搭建电化学体系等效电路模型。一般来说等效电路模型主要由电容、电感、电阻等元件按照一定的方式串联和并联形成，不过对于较为复杂的电化学体系，还需要增加常相位角元件等。本文搭建的锂离子电池等效电路模型如下图所示。

（3）测量等效电路的Nyquist曲线，并与锂离子电池Nyquist曲线对比，二者数据拟合结果即为一致，说明本文选择的等效电路较为恰当。如果等效电路中的所有元件的化学含义均有较为合理的解释[4]，则说明等效电路基本可以描述锂离子电池的电化学反应过程。

（4）计算等效电路中的各个参数，并绘制电池SOC与等效电路参数之间的关系曲线，如下图所示。

如图3所示，锂离子电池的欧姆内阻RΩ以及总内阻R均随着SOC的增大而减小，等效电路中其它等效元件数值与SOC之间并无明确因果关系。

3 结论

使用电化学阻抗谱算法分析锂离子电池内阻与SOC之间的关系，不涉及到具体的电池电极反应过程，具有较好的操作性和应用价值。然而应该注意的是，等效电路与Nyquist曲线之间并非一一对应的关系，等效电路选择合适与否要看等效电路元件在电化学反应过程中是否具有合理的含义。

参考文献：

[1]曹楚南，张鉴清.电化学阻抗谱导论[M].北京：科学出版社，2002.

[2]刘骞，孙红.电池管理系统的设计及荷电状态的估算[J].电源技术，2014，38（05）：897-899+905.

[3]刘骞.混合动力汽车电池管理系统分析[D].沈阳建筑大学，2013.

[4]史美伦.交流阻抗谱原理及应用[M].北京：国防工业出版社，2001.

基金项目：湖南省教育厅科学研究项目（18C1465）

作者简介：刘骞（1986-），男，河北人，硕士，讲师，研究方向：锂离子电池。