电池交流阻抗和直流内阻的介绍

【交流阻抗】

电池阻抗测量是在当其充分静置之后，在某个确定的工作点附近施加一个无偏置的小正弦波扰动，一般有恒电流和恒电压两种测量模式。恒电压模式为动力电池的激励由一个恒定电压与一个幅值确定的正弦信号叠加得到的复合电压信号来提供，测量电池系统的交流电流响应；而恒电流模式是指对动力电池施加一个由直流电流（可以为0）与一个幅值确定的正弦信号叠加得到的复合电流信号作为激励，测量电池系统的电压响应。

但由于电池阻抗较小，若采用恒电压模式容易导致过电流，同时恒电流模式能够防止在长时间测量过程中导致的动力电池充电或放电，从而保持SOC值恒定。因此，一般采用恒电流模式测量阻抗。图1所示的即为恒流模式下的电池阻抗测量原理。

图1 电池阻抗测量原理（恒电流）

基于输入电池的扰动及其响应，可根据下列公式计算电池在频域内的阻抗、幅值和相位角：

此外，电池阻抗还可以用复数的形式进行表示：

若将阻抗的实部作为横轴，负虚部作为纵轴，所得图形即为常用的奈奎斯特图，如图2所示：

图2 锂离子电池电化学阻抗谱

锂离子电池内部的电极过程可归结为五部分：固相扩散、液相扩散、固相传导、液相传导以及电荷转移。在这些过程中带电粒子的运动和反应时间常数存在差异，因此电化学阻抗谱的不同部分代表着不同过程，参考图2，具体解释如下：

低频区域的阻抗谱主要表示电池内部的 固相和液相扩散过程 ；

中高频区域的阻抗谱主要表示 电荷转移过程 ；

高频区域的圆弧表示的是电池SEI 膜的阻抗 ；

与横轴交点部分表示的是电池的 欧姆内阻 （即固相和液相传导过程中的阻抗）

超高频区域下的阻抗为 电感阻抗 ，主要由导线和电池的集流体所引起

**注：**沿着横轴方向频率逐渐降低

【直流内阻】

电池的直流内阻通常指的是欧姆内阻和极化内阻，其测量方式通常为在某个确定的SOC点下向锂离子电池施加一个直流脉冲，即为混合动力脉冲能力特性测试（Hybrid Pulse Power Characteristic, HPPC），如图3所示。基于脉冲电流及其电压响应数据，可通过下列公式计算电池的欧姆内阻和极化内阻，以t1-t2的放电过程为例：

t3-t4的充电过程也可以类似计算。此外，上述两个内阻相加即为电池的直流内阻，通常用于电池产热率的计算。

除了通过上述理论公式计算电池内阻外，还可基于HPPC实验数据，利用参数辨识算法（如：最小二乘法、粒子群优化）实现电池内阻计算。

图3 电池内阻测试过程中的电流和电压曲线

【总结】

综上所述，电池的交流阻抗和直流内阻虽然均能反映电池内部带电粒子移动的困难程度，但交流阻抗是在频域内，而直流内阻是在时域内。除此之外，交流阻抗还能反映电池内部的反映过程，并能基于此参数实现电池的荷电状态、健康状态以及温度估计；而电池的直流内阻反映的是持续长时间电流下的电池电压变化，不能反映电池内部的电极过程。