电动汽车用mh-ni电池内阻的研究

电动汽车用mh-ni电池内阻的研究

研究和开发电动汽车被认为是解决能源和环境问题的有效手段之一。MH-Ni电池因其具有高能量密度和高功率密度、无污染、寿命长和安全性好等优越性能,被作为电动汽车用动力电池的首选。在电动汽车中,电池组是由几百个单体电池组成,当电池组出现故障需要找出具体是哪个电池的问题时,判断电池是否失效是一个重要的环节。目前判断电池失效的方法是根据其容量的变化来进行的,其缺点是耗时多,不能适应电动汽车发展的需要。随着电动汽车的产业化,快速判断电池是否失效的方法,对于电池的维护和延长电池组寿命都十分重要。1实验部分1.1内压测试仪器3551型电池内阻测量仪(欧陆有限公司生产);自制内压测试仪;二次电池性能检验装置(广州擎天实业有限公司生产);动力电池测试仪(美国Arbin公司生产)。1.2降至80%以下的失效电池新电池;经过n次循环后的正常电池;经过多次循环后容量已降至80%以下的失效电池(以上电池选用与动力电池相同工艺制备的AA型MH-Ni电池,额定容量为1300mAh,);动力电池(选用高功率D型8Ah动力电池)。1.3实验方法1.3.1内部干扰测试分为4种情况进行内阻测试。1测量内部干扰随s负载能力的变化采用3551型电池内阻测量仪测量其内阻,为交流内阻。21在不同的充电幅度下测量内部阻力采用3551型电池内阻测量仪测量其内阻,为交流内阻。31大面积电池在大电流下内部干扰的测试内阻的计算:R=△U/△I,为直流内阻。1.3.2称重效率测试充电效率=放电容量充电容量×100%=放电容量充电容量×100%。1.3.3内压测试采用自制的内压测试仪测量其内压。2结果与讨论2.1评估电池误差的理由2.1.1正常电池和未失效电池放电倍率下的内阻对比电池内阻是电池的重要参数,为化学电源研究者所关注。因为内阻的大小及其变化,可反映电池内部的变化,同时影响电池的诸多性能,因此本试验选用内阻作为判据。首先,考虑在不同充电倍率下内阻的变化。结果见表1。由表1可以看出,失效电池与正常电池内阻的差别是随放电倍率的变化而变化的,在放电倍率为0.2C时,两者之间的内阻只相差了约10mΩ,而当放电倍率为1C时则相差了约20mΩ,为正常电池的一倍左右。其次,考虑了内阻在不同充电容量下的变化。经过测量,可以看出,与正常电池相比,失效电池的内阻增大了很多。结果见图1。由图1可以看出,失效电池与正常电池内阻的差别大体会随着SOC的增大而呈增大的趋势,经过比较,可以得出,在SOC为10%时,两者差别约19.2mΩ,当SOC为100%时,两者的差别约20mΩ,但不论在多大的SOC时,失效电池均比正常电池的内阻增大约一倍。因此,可以选定电池放电倍率1C时完全放电后的内阻来判断其是否失效:把一个需要确定是否失效的电池和已经确定未失效的电池(例如新电池)在放电倍率1C下放电至1V,然后测量其内阻,如果需要确定的电池内阻比未失效电池的内阻高一倍,则可判定为失效,如没有高到一倍,则为未失效电池。这种方法只需要放电,比常规方法省时。2.1.2大电流电流选择在电动汽车中,电池组是在大电流下充放电的,因此,研究电池在大电流脉冲下内阻的变化有一定的实用价值。电池经过大电流放电脉冲的内阻测试结果见表2。由表2可以看出,如果电流过大,失效电池的内阻会急剧增高。对于正常电池,其可“抵抗”的大电流比失效电池的大。由本实验的结果来看,可以选定放电倍率9C以上的大电流来判定电池是否失效,其具体方法为:分别对未确定电池和已确定未失效电池进行大电流脉冲并分别测量其电阻,如未确定电池的电阻比已确定未失效电池的内阻高1.5倍则判为失效电池,如没有,则为未失效电池。这种方法很节省时间,可以在几分钟内判断电池是否失效,并有着可实用的价值,因此选定此种方法作为快速判断电池是否失效的最佳方法。2.2失效电池内阻变化众所周知,内阻可以影响电池的诸多性能,因此,为了确定2.1中判断方法的有效性,可以通过受内阻影响的电池性能来进行讨论。电池的好坏与其充电效率有着紧密地联系,因此判断方法的有效性可以由充电效率来确定。经过测量可以看出,不同SOC下的充电效率是不同,结果见图2。由图2可以看出,电池失效后其充电效率与正常电池的相比降低了很多,尤其在SOC为100%时,失效电池的充电效率低至78%。充电效率与电池的内阻是密切相关的,而其变化规律又与内阻的变化规律一致,因此可以确定用内阻来判断电池是否失效是可行的。通过对电池内部结构分析,可以看出失效电池内阻增大的原因有3点:1)在充电过程中,随着充电量的增加,β-Ni(OH)2逐渐氧化为β-NiOOH和γ-NiOOH,而γ-NiOOH密度小,这样电池失效后,势必会造成活性物质和集体间距增大,即正极发生膨胀,使内阻增大;2)失效电池壳盖材料渗透氢过多,且电池密封未必严密,电池电解液比正常电池减少,电池导电性比正常电池差,致使电池内阻增大;3)失效电池会由于缺乏电解液或水而导致隔膜干涸,最终导致电池内阻的增加。内阻与内压的关系也密不可分,多次循环后的内阻受内压影响较大,内压大的电池循环后由于将电解液分解为氢气和氧气,使电池内逐渐变干,电极的电性能恶化,造成电池内阻很快升高。经过测量可以看出,失效电池与正常电池的内压差很多,变化幅度也不一样,结果见表3。失效电池的内压升高原因在于正极的析氧,是由于氧在负极上的还原速度小于氧在正极上的生成速度造成的。在充电容量较低时,氧气生成较少,因此内压较低。而在SOC为60%后,氧气生成较多,而氧在负极上的还原较慢,因此内压急剧升高。内压的升高必定导致内阻的升高,所以能够得到上述的用内阻来快速判断电池失效的方法。2.3内阻测试结果在确定了判定方法以后,需要验证这些方法的可行性。于是把动力电池(包括新的合格的电池,正常循环过n次的电池和经过常规方法已确定失效的电池),分别用上述的方法进行测试,可得到表4结果.由表4可见,完全可用这些方法来判定电池是否失效,并比常规方法省时快速。综上所述,用内阻这一电池的重要参数的变化来快速判断电池是否失效。通过对内阻在不同充电倍率、不同SOC时的测量,通过观察内阻在大电流放电脉冲时的变化,找到了两种判据。如果未确定电池的内阻接近于判据值,则可运用一些非破坏性方法(如超声波震荡法)进行再生。并且从电池的充电效率、内部结构的分析和电池内压的变化上讨论了内阻变化的原因,证明了判据的有效性。同时也通过测量动力电池验证了判据。3失效电池的判定通过试验得到了两种快速判断电池是否失效的判据:1)以电池在放电倍率为1C放电后的内阻来判断:把一个需要确定是否失效的电池和已经确定未失效的电池(例如新电池)在1C下放电至1V,然后测量其内阻,如果需要确定的电池其内阻比未失效电池的内阻高一倍,则可判定为失效;2)以电池在放电倍率为9C以上大电流脉冲放电时的内阻来判断:分别对未确定电池