在电池研究和应用领域中，电池的内阻是评估其性能和健康状况的重要指标之一。直流内阻（DCIR，Direct Current Internal Resistance）是指电池在直流电流条件下的内阻，它直接影响电池的放电能力、能量效率以及使用寿命。了解DCIR的概念、测量方法以及影响因素，对于优化电池设计和提升电池性能具有重要意义。本文将深入探讨DCIR的基本原理、测量技术以及在电池应用中的作用。
1. DCIR的基本概念
1.1 什么是直流内阻（DCIR）
直流内阻是指电池在施加直流电流时，内部对电流流动的阻力。DCIR由电池内部的欧姆电阻（如电极材料的电阻、导电剂的电阻、集流体的电阻等）和极化电阻（如电荷转移电阻、电解液电阻等）组成。DCIR的大小直接影响电池的性能，尤其是在高倍率放电或充电时，较高的DCIR会导致更大的电压降和能量损失，进而影响电池的能量效率和放电能力。
DCIR通常由两部分组成。首先是欧姆电阻，这是电池内部固有的物理电阻，包括电极材料、电解液、集流体和导电剂的电阻。欧姆电阻主要与材料的导电性、接触电阻和几何结构有关。其次是极化电阻，极化电阻主要与电化学反应相关，反映了电池在电流流动过程中电荷转移和离子扩散的难易程度。极化电阻通常会随着电流密度的增加而增大，在高倍率放电时表现得尤为显著。
1.2 DCIR的影响因素
DCIR受多种因素影响，包括但不限于以下几个方面：
荷电状态（SOC）：电池的荷电状态（State of Charge, SOC）也会影响DCIR。通常在高SOC和低SOC下，电池的内阻会较大，而在中等SOC范围内，内阻相对较小。
电流密度：电流密度越大，极化效应越明显，导致DCIR增大。因此，DCIR通常会随电流密度的增加而升高。
2. DCIR的测量方法
工步DCIR（Direct Current Internal Resistance）和脉冲DCIR是两种用于测量电池内阻的不同方法，它们在测量原理、应用场景以及结果解读上有一些显著的区别。以下是对这两种方法的详细介绍和比较。新威BTS(Battery Testing System)8.0软件提供了高效的DCIR计算功能，能够有效提高实验效率。打开BTSDA(Battery Testing System Data)，点击顶部菜单栏中的“DCIR”,右侧栏目中可以选择设置“工步DCIR”或“脉冲”DCIR。
图1 BTSDA软件DCIR测量方法选择
2.1 工步DCIR
工步DCIR是通过在电池上施加一个恒定的直流电流，维持一定的时间（通常为几秒至几十秒），然后测量电池的电压变化来计算内阻。这个过程通常会在特定的SOC（State of Charge，荷电状态）下进行，并通过多次测量得到电池的内阻曲线。工步DCIR适用于电池寿命测试、长时间稳定性测试以及在特定SOC下的内阻测量。它能够反映电池在较长时间内的内阻变化，是评估电池健康状态（SOH）和性能衰减的重要方法。
工步DCIR能够在稳态条件下测量电池内阻，结果相对稳定且易于理解。它适合用于长期测试，能够提供电池老化过程中的内阻变化趋势。但由于测量时间较长，工步DCIR不能实时反映电池的动态特性。此外，在高倍率放电或充电条件下，工步DCIR可能无法捕捉电池内阻的瞬时变化。选择“工步DCIR”可以设置计算方式为“所有相邻的工步计算DCIR”或“采用符合以下组合的工步计算DCIR”。
图2 工步DCIR计算方式
若选择符合组合模式的相邻工步计算DCIR，工步类型可设置恒流充电、恒流放电、恒压充电、搁置、恒流恒压充电、恒功率放电、恒功率充电、恒阻充电、恒阻放电9种。
图3 工步DCIR的不同类型
选择符合组合模式的相邻工步计算DCIR时，组合模式的工步必须为相邻的，否则无法计算，例：工步选为恒流充电工步和恒流放电工步，设置完成点添加组合按钮，此时恒流充电—>恒流放电的工步组合就出现在空白框中。也可以直接选择空白框中的组合模式。可以根据实际情况删除组合或添加组合。然后点击确定即会显示数据及图表，可以选中行，然后复制数据到excle表格。在图形区右键可以复制图形、打印，或将图形另存为jip、png、tif等格式。该页面还可设置图形样式、设置报表、生成报表，修改曲线颜色。然后点击确定。
图4 DCIR数据及图表设置
2.2 脉冲DCIR
脉冲DCIR是通过施加一个短时间的直流电流脉冲（通常持续几毫秒至几百毫秒），测量电池的瞬态电压变化来计算内阻。脉冲DCIR适用于动态测试，如电动汽车加速过程中的瞬时内阻测量、电子设备的瞬时功率需求测试等。它能够反映电池在短时间内的响应特性，适合高动态应用的电池性能评估，这对于需要快速响应的应用场景（如电动汽车加速、电子设备高负荷启动）尤为重要。但由于测量时间极短，脉冲DCIR的结果容易受到瞬态效应和测量噪声的影响，测量精度可能不如工步DCIR稳定。此外，脉冲DCIR通常无法反映电池在稳态下的内阻特性。选择脉冲DCIR后，可在该页面进行脉冲段的选择、设置精度范围等。
图5 脉冲DCIR参数设置
2.3 DCIR数据显示设置
关闭该页面后，若右侧图表中未显示DCIR数据列，可以右键选择“参数设置”，在“工步层”下勾选”DCIR“。然后再选中“工步层”即可显示DCIR数据。
图6 DCIR数据显示参数设置
在图表区右键选择“DCIR-P”进入设置页面，可计算直流功率DCIR-P值。选择“工步DCIR-P”或“脉冲DCIR-P”，可选择是否“计算DCIR值”、“计算P值”。
图7 计算直流功率DCIR-P值
2.4 工步DCIR与脉冲DCIR的对比
工步DCIR和脉冲DCIR是两种不同的电池内阻测量方法，各有其独特的优势和适用场景。工步DCIR适合长期、稳定的电池健康监测，而脉冲DCIR则更适合动态、瞬时的性能评估。
表1 工步DCIR与脉冲DCIR的对比
| 特性 | 工步DCIR | 脉冲DCIR |
| 测量时间 | 较长(几秒至几十秒) | 较短(几毫秒至几百毫秒) |
| 反映特性 | 稳态内阻特性 | 动态瞬时内阻特性 |
| 应用场景 | 电池健康状态监测、寿命测试 | 动态性能测试、高倍率应用 |
| 优势 | 稳定性高，适合长期测试 | 测量快速，适合动态响应场景 |
| 局限性 | 无法反映动态变化，测量时间长 | 易受瞬态效应影响，测量噪声较大 |
2.5 实际案例分析
Zhu[1]等人提出了一个调用改进的电热模型的嵌套循环程序来预测电池的功率性能。改进的电热模型不仅考虑了温度和荷电状态的影响，而且考虑了电流的影响。如图8所示为在DCIR放电试验中，25°C和50%荷电状态下的电流及其电压响应示意图。在2 h弛豫期间，使用0.625 A (C/4)进行充电步进，以补偿前一个放电步进引起的库仑损失。通过在DCIR测试中获得的数据集，用以全面研究参数对温度、SoC和电流的依赖关系。
图8 不同荷电状态下的电流及其电压响应示意图
3. 结论
直流内阻（DCIR）是电池性能和健康状态的重要指标，直接影响电池的能量效率、放电能力和使用寿命。通过理解DCIR的基本概念、测量方法及其影响因素，研究人员和工程师可以更好地设计和优化电池系统，提升其性能和安全性。在未来，随着测量技术的进步和新材料的开发，DCIR的控制和优化将为电池技术的发展带来更大的推动力。
[1] Zhu J, Knapp M, Darma M S D, et al. An improved electro-thermal battery model complemented by current dependent parameters for vehicular low temperature application[J]. Applied Energy, 2019, 248: 149-161.
