電動汽車用mh-ni電池內(nèi)阻的研究

電動汽車用mh-ni電池內(nèi)阻的研究

研究和開發(fā)電動汽車被認(rèn)為是解決能源和環(huán)境問題的有效手段之一。MH-Ni電池因其具有高能量密度和高功率密度、無污染、壽命長和安全性好等優(yōu)越性能,被作為電動汽車用動力電池的首選。在電動汽車中,電池組是由幾百個(gè)單體電池組成,當(dāng)電池組出現(xiàn)故障需要找出具體是哪個(gè)電池的問題時(shí),判斷電池是否失效是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。目前判斷電池失效的方法是根據(jù)其容量的變化來進(jìn)行的,其缺點(diǎn)是耗時(shí)多,不能適應(yīng)電動汽車發(fā)展的需要。隨著電動汽車的產(chǎn)業(yè)化,快速判斷電池是否失效的方法,對于電池的維護(hù)和延長電池組壽命都十分重要。1實(shí)驗(yàn)部分1.1內(nèi)壓測試儀器3551型電池內(nèi)阻測量儀(歐陸有限公司生產(chǎn));自制內(nèi)壓測試儀;二次電池性能檢驗(yàn)裝置(廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn));動力電池測試儀(美國Arbin公司生產(chǎn))。1.2降至80%以下的失效電池新電池;經(jīng)過n次循環(huán)后的正常電池;經(jīng)過多次循環(huán)后容量已降至80%以下的失效電池(以上電池選用與動力電池相同工藝制備的AA型MH-Ni電池,額定容量為1300mAh,);動力電池(選用高功率D型8Ah動力電池)。1.3實(shí)驗(yàn)方法1.3.1內(nèi)部干擾測試分為4種情況進(jìn)行內(nèi)阻測試。1測量內(nèi)部干擾隨s負(fù)載能力的變化采用3551型電池內(nèi)阻測量儀測量其內(nèi)阻,為交流內(nèi)阻。21在不同的充電幅度下測量內(nèi)部阻力采用3551型電池內(nèi)阻測量儀測量其內(nèi)阻,為交流內(nèi)阻。31大面積電池在大電流下內(nèi)部干擾的測試內(nèi)阻的計(jì)算:R=△U/△I,為直流內(nèi)阻。1.3.2稱重效率測試充電效率=放電容量充電容量×100%=放電容量充電容量×100%。1.3.3內(nèi)壓測試采用自制的內(nèi)壓測試儀測量其內(nèi)壓。2結(jié)果與討論2.1評估電池誤差的理由2.1.1正常電池和未失效電池放電倍率下的內(nèi)阻對比電池內(nèi)阻是電池的重要參數(shù),為化學(xué)電源研究者所關(guān)注。因?yàn)閮?nèi)阻的大小及其變化,可反映電池內(nèi)部的變化,同時(shí)影響電池的諸多性能,因此本試驗(yàn)選用內(nèi)阻作為判據(jù)。首先,考慮在不同充電倍率下內(nèi)阻的變化。結(jié)果見表1。由表1可以看出,失效電池與正常電池內(nèi)阻的差別是隨放電倍率的變化而變化的,在放電倍率為0.2C時(shí),兩者之間的內(nèi)阻只相差了約10mΩ,而當(dāng)放電倍率為1C時(shí)則相差了約20mΩ,為正常電池的一倍左右。其次,考慮了內(nèi)阻在不同充電容量下的變化。經(jīng)過測量,可以看出,與正常電池相比,失效電池的內(nèi)阻增大了很多。結(jié)果見圖1。由圖1可以看出,失效電池與正常電池內(nèi)阻的差別大體會隨著SOC的增大而呈增大的趨勢,經(jīng)過比較,可以得出,在SOC為10%時(shí),兩者差別約19.2mΩ,當(dāng)SOC為100%時(shí),兩者的差別約20mΩ,但不論在多大的SOC時(shí),失效電池均比正常電池的內(nèi)阻增大約一倍。因此,可以選定電池放電倍率1C時(shí)完全放電后的內(nèi)阻來判斷其是否失效:把一個(gè)需要確定是否失效的電池和已經(jīng)確定未失效的電池(例如新電池)在放電倍率1C下放電至1V,然后測量其內(nèi)阻,如果需要確定的電池內(nèi)阻比未失效電池的內(nèi)阻高一倍,則可判定為失效,如沒有高到一倍,則為未失效電池。這種方法只需要放電,比常規(guī)方法省時(shí)。2.1.2大電流電流選擇在電動汽車中,電池組是在大電流下充放電的,因此,研究電池在大電流脈沖下內(nèi)阻的變化有一定的實(shí)用價(jià)值。電池經(jīng)過大電流放電脈沖的內(nèi)阻測試結(jié)果見表2。由表2可以看出,如果電流過大,失效電池的內(nèi)阻會急劇增高。對于正常電池,其可“抵抗”的大電流比失效電池的大。由本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看,可以選定放電倍率9C以上的大電流來判定電池是否失效,其具體方法為:分別對未確定電池和已確定未失效電池進(jìn)行大電流脈沖并分別測量其電阻,如未確定電池的電阻比已確定未失效電池的內(nèi)阻高1.5倍則判為失效電池,如沒有,則為未失效電池。這種方法很節(jié)省時(shí)間,可以在幾分鐘內(nèi)判斷電池是否失效,并有著可實(shí)用的價(jià)值,因此選定此種方法作為快速判斷電池是否失效的最佳方法。2.2失效電池內(nèi)阻變化眾所周知,內(nèi)阻可以影響電池的諸多性能,因此,為了確定2.1中判斷方法的有效性,可以通過受內(nèi)阻影響的電池性能來進(jìn)行討論。電池的好壞與其充電效率有著緊密地聯(lián)系,因此判斷方法的有效性可以由充電效率來確定。經(jīng)過測量可以看出,不同SOC下的充電效率是不同,結(jié)果見圖2。由圖2可以看出,電池失效后其充電效率與正常電池的相比降低了很多,尤其在SOC為100%時(shí),失效電池的充電效率低至78%。充電效率與電池的內(nèi)阻是密切相關(guān)的,而其變化規(guī)律又與內(nèi)阻的變化規(guī)律一致,因此可以確定用內(nèi)阻來判斷電池是否失效是可行的。通過對電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析,可以看出失效電池內(nèi)阻增大的原因有3點(diǎn):1)在充電過程中,隨著充電量的增加,β-Ni(OH)2逐漸氧化為β-NiOOH和γ-NiOOH,而γ-NiOOH密度小,這樣電池失效后,勢必會造成活性物質(zhì)和集體間距增大,即正極發(fā)生膨脹,使內(nèi)阻增大;2)失效電池殼蓋材料滲透氫過多,且電池密封未必嚴(yán)密,電池電解液比正常電池減少,電池導(dǎo)電性比正常電池差,致使電池內(nèi)阻增大;3)失效電池會由于缺乏電解液或水而導(dǎo)致隔膜干涸,最終導(dǎo)致電池內(nèi)阻的增加。內(nèi)阻與內(nèi)壓的關(guān)系也密不可分,多次循環(huán)后的內(nèi)阻受內(nèi)壓影響較大,內(nèi)壓大的電池循環(huán)后由于將電解液分解為氫氣和氧氣,使電池內(nèi)逐漸變干,電極的電性能惡化,造成電池內(nèi)阻很快升高。經(jīng)過測量可以看出,失效電池與正常電池的內(nèi)壓差很多,變化幅度也不一樣,結(jié)果見表3。失效電池的內(nèi)壓升高原因在于正極的析氧,是由于氧在負(fù)極上的還原速度小于氧在正極上的生成速度造成的。在充電容量較低時(shí),氧氣生成較少,因此內(nèi)壓較低。而在SOC為60%后,氧氣生成較多,而氧在負(fù)極上的還原較慢,因此內(nèi)壓急劇升高。內(nèi)壓的升高必定導(dǎo)致內(nèi)阻的升高,所以能夠得到上述的用內(nèi)阻來快速判斷電池失效的方法。2.3內(nèi)阻測試結(jié)果在確定了判定方法以后,需要驗(yàn)證這些方法的可行性。于是把動力電池(包括新的合格的電池,正常循環(huán)過n次的電池和經(jīng)過常規(guī)方法已確定失效的電池),分別用上述的方法進(jìn)行測試,可得到表4結(jié)果.由表4可見,完全可用這些方法來判定電池是否失效,并比常規(guī)方法省時(shí)快速。綜上所述,用內(nèi)阻這一電池的重要參數(shù)的變化來快速判斷電池是否失效。通過對內(nèi)阻在不同充電倍率、不同SOC時(shí)的測量,通過觀察內(nèi)阻在大電流放電脈沖時(shí)的變化,找到了兩種判據(jù)。如果未確定電池的內(nèi)阻接近于判據(jù)值,則可運(yùn)用一些非破壞性方法(如超聲波震蕩法)進(jìn)行再生。并且從電池的充電效率、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析和電池內(nèi)壓的變化上討論了內(nèi)阻變化的原因,證明了判據(jù)的有效性。同時(shí)也通過測量動力電池驗(yàn)證了判據(jù)。3失效電池的判定通過試驗(yàn)得到了兩種快速判斷電池是否失效的判據(jù):1)以電池在放電倍率為1C放電后的內(nèi)阻來判斷:把一個(gè)需要確定是否失效的電池和已經(jīng)確定未失效的電池(例如新電池)在1C下放電至1V,然后測量其內(nèi)阻,如果需要確定的電池其內(nèi)阻比未失效電池的內(nèi)阻高一倍,則可判定為失效;2)以電池在放電倍率為9C以上大電流脈沖放電時(shí)的內(nèi)阻來判斷:分別對未確定電池