Page 77 - 《应用声学》2021年第6期

第 40 卷 第 6 期 李志鹏等： 兰姆波锂电池极化电压优化实验 873

流力，加速锂离子的传质、打破电极之间的浓度梯 4.0
度，导致电解液内的锂离子浓度趋于均匀，可以减小
3.8
两极电位的偏移即缓解极化效应。
1.2 极化电压的计算 ႃԍϙ/V 3.6

图 1 为锂电池二阶 RC 等效电路模型，通过该 Ѝႃቫႃԍ
ஊႃቫႃԍ
模型来联系电池内部化学反应和外部输出特性。 3.4 OCV
图 1 中R Ω 表示电池内部各部分连接阻抗，R p1 表示
3.2
电荷转移阻抗，R p2 表示扩散阻抗，C p1 表示电池电
极界面双电层电容，C p2 表示浓差扩散对应的电荷 0 20 40 60 80
SOC/%
量，OCV 表示电池电动势，I 表示充电电流，V 0 表
示电池端电压，V Ω 表示直流阻抗压降，V p 表示极化 图 2 锂电池 OCV-SOC 曲线
电压。 Fig. 2 OCV-SOC curve of lithium battery

֓ V Ω ⇁ 温度一定的条件下充电过程直流内阻可以认
I
C p C p 为恒定 [16] 。由静置识别法原理来计算直流内阻R Ω ：
⇁
R Ω
对恒流充电的电池突然停冲，电压变化幅值与电流
R p R p
⇁ 变化幅值的比值即直流内阻：
OCV ֓ ⇁ V 
֓ V p
∆v 0
R Ω = , (9)
∆I
֓
此时，计算极化电压所需参数均已获得，按照式 (8)
图 1 锂电池二阶 RC 电路模型 可以计算得到V p -SOC曲线。
Fig. 1 Second order RC circuit model of lithium
battery 2 实验

根据二阶 RC 电路模型，充电时的极化电压表 2.1 实验装置
达式为 实验所用仪器装置有自制的放大电路单元、外

V p (SOC) = V 0 − OCV(SOC) − IR Ω . (8) 接直流电源 (0 ∼ 30 V)、函数信号发生器，压电陶
瓷 (1 mm × 10 mm × 10 mm) 由美国 PI Ceramics
由式 8 可知，要求极化电压，需要 4 个变量：电
公司生产。阻抗分析仪 (Keysight E4990A) 测得压
池端电压 V 0 、电池电动势 OCV、电流 I、直流内阻
电陶瓷的阻抗为 3.76 × 10 Ω，电能转化声能效率
4
R Ω 。电池的电流和端电压可以实时测量，所以极化
η = 30.36%。函数信号发生器设置波偏移量为2.5 V
电压计算的关键在于测得电池电动势 OCV 和直流
(直流)，占空比为 50%。选用的电池为 LIR1220 扣
内阻。当锂电池小电流充放电时，电池的直流内阻
式锂离子电池，其额定电压为 3.6 V，标称容量为
压降和极化内阻压降很小 [15] ，当处于稳态时两者大
±7 mAh，内阻 6 2.5，质量为 1.1 g。使用由武汉蓝
小近似相等，符号相反。因此OCV 可以通过小电流
电公司生产的 CT3001K 蓝电测试仪器对电池进行
充放电求取电压平均值的方法测量：
充放电实验。
(1) 电池放空静置2 h；
(2) 用小电流 0.35 C 给电池充电至截止电压， 2.2 实验程序
记录电压变化S 1 ； 图 3 为实验装置示意图，将所有装置进行连
(3) 用小电流 0.35 C 给电池放电至截止电压， 接，压电陶瓷用环氧树脂胶粘在电池末端，冷却约
记录电压变化S 2 ； 24 h 使其牢固，并用焊锡将导线焊在压电陶瓷激发
(4) OCV-SOC 曲线为S = (S 1 + S 2 )/2。 端。在环境温度为 25 C 的条件下，将电池放置于
◦
锂电池OCV-SOC曲线如图2所示。 蓝电测试仪上。对电池进行 1 C 恒流充电，当电池