大功率電池組/堆中的單體電池的交流阻抗實時平行測量

更新時間：2019-07-02

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鋰離子電池由于其明顯的技術(shù)優(yōu)勢而在實際應(yīng)用中變得越來越普遍。鋰離子電池的高能量密度，對于其應(yīng)用是一個關(guān)鍵優(yōu)勢。但是通過單體電池堆積以獲得更高的電壓也具有一定的難度。

在放電條件下對電池組每個單體電池同時進行交流阻抗（EIS）測量,測試結(jié)果表明電池組的行為表現(xiàn)和“單體電池”一樣。另外，在這些條件下的電池組在低頻區(qū)表現(xiàn)出明顯的漂移，這種漂移現(xiàn)象在電池研究過程中需要考慮。

通常來講，單體電池的電壓在 1- 4 伏的范圍內(nèi)，例如電池提供大約 3.3 伏的開路電壓。這個電壓和功率對于大多數(shù)應(yīng)用來講是比較低的。同燃料電池技術(shù)一樣，需要多個單體電池堆積來達到更高的功率。

圖 1：磷酸鐵鋰電池組，包括監(jiān)控 ,平衡電路（經(jīng) R. Gross, BNO-consult, 97337

Dettelbach, Germany 同意使用此圖）

常用電池組的典型布置如圖 1。在此電池組中，十個 LiPO4 單體電池串聯(lián)連接。除了單體電池外，圖中顯示了平衡電路以及機電開關(guān)部件。請注意，要構(gòu)建完整的電池系統(tǒng)，需要幾個圖 1 所述的電池組串聯(lián)起來，以達到實現(xiàn)所需的直流電壓，從而構(gòu)成完整的能量存儲系統(tǒng)。

電池堆中的每個單體電池的性能具一定的差異，如功率，充電平衡和穩(wěn)定性等。單體電池的性能損失會使電池堆的總體性能受到影響。為了確定這樣的差異，需要在電池堆運行的情況下，對電池堆內(nèi)的每個單體電池進行動態(tài)的研究。電化學(xué)阻抗譜（EIS）已被確立為一個這方面研究的有力工具。

把實驗室級別電池的阻抗測量技術(shù)應(yīng)用到實際電池堆的測量是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。除了考慮高功率電池堆的安全之外，還要保證能夠同步采集每個單體電池的數(shù)據(jù)，避免電池堆中不同元件的交流阻抗（EIS）數(shù)據(jù)的時間延遲因素。

為了達到這些目的，Zahner 開發(fā)了兩種硬件技術(shù)，來的實現(xiàn)這種操作。種技術(shù)是智能電子負(fù)載 EL1000，它可以通過一個 IM6/ Zennium 電化學(xué)工作站來進行控制。第二中技術(shù)是 PAD4 卡，通過 PAD4 可以實現(xiàn)真正的平行測量每一個單體電池的交流阻抗（EIS）譜圖。

此兩種技術(shù)可以測試 100V DC 范圍電池組/堆， PAD4 單元可以測試電池組/堆中的每個單體電池的交流阻抗（EIS）譜圖。另外 EL1000 還可以連接一個額外的第三方電子負(fù)載或電源，進一步擴展測試能力。

圖 2：一個典型的電池堆測量方案。一共 400A 電流被第三方電子負(fù)載分流 340A，EL1000 分配 60A 的直流偏置疊加上 18A 交流。單體電池阻抗用 PAD4 平行同步測試（紅/黑線：電流回路連線，綠/藍線：電壓測試連線）

圖 2 是用于測量電池組/堆的典型配置。本例中，3 個 LiFePO 4 電池組的容量為 400Ah，通過串聯(lián)的方式連接。EL1000 大允許電流為 200 A，所以增加了一個第三方電子負(fù)載（EL9080）來分流，以提高電流的能力。400 A 的直流電流分為兩部分（如圖 2 中所示）。阻抗測量采用恒電流模式進行，使用交流振幅為 18A。各個單體電池使用 PAD4 測定。

圖 3：在 400 的 DC 電流下，使用 EL1000/ PAD4 測量的阻抗譜。電池組阻抗譜（上邊）和單個電池阻抗譜（底部）為清楚起見，相位曲線省略。

每個單電池的阻抗總和為電池組的阻抗值，但每個單電池的行為又有所不同。這個現(xiàn)象通過 PAD4 平行同步測試可以清楚地看到。此外，可以對電池組/堆中的每個元件的性能進行分析可以找到性能較弱的單體電池。正如預(yù)期的那樣，在測量期間流動的電流使單體電池的狀態(tài)改變，每個單體電池的交流阻抗（EIS）數(shù)據(jù)會產(chǎn)生時間漂移。此誤差可以通過使用 ZHIT 算法技術(shù)來消除，獲得真正與時間無關(guān)交流阻抗（EIS）數(shù)據(jù)集.