大功率電池組/堆中的單體電池的交流阻抗實(shí)時(shí)平行測(cè)量

更新時(shí)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(shì)而在實(shí)際應(yīng)用中變得越來越普遍。鋰離子電池的高能量密度，對(duì)于其應(yīng)用是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。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(duì)電池組每個(gè)單體電池同時(shí)進(jìn)行交流阻抗（EIS）測(cè)量,測(cè)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(gè)電壓和功率對(duì)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(gè)單體電池堆積來達(dá)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(gè) 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(jī)電開關(guān)部件。請(qǐng)注意，要構(gòu)建完整的電池系統(tǒng)，需要幾個(gè)圖 1 所述的電池組串聯(lián)起來，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)所需的直流電壓，從而構(gòu)成完整的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。

電池堆中的每個(gè)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(huì)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(yùn)行的情況下，對(duì)電池堆內(nèi)的每個(gè)單體電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)的研究。電化學(xué)阻抗譜（EIS）已被確立為一個(gè)這方面研究的有力工具。

把實(shí)驗(yàn)室級(jí)別電池的阻抗測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際電池堆的測(cè)量是一項(xiàng)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(gè)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(shí)間延遲因素。

為了達(dá)到這些目的，Zahner 開發(fā)了兩種硬件技術(shù)，來的實(shí)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(gè) IM6/ Zennium 電化學(xué)工作站來進(jìn)行控制。第二中技術(shù)是 PAD4 卡，通過 PAD4 可以實(shí)現(xiàn)真正的平行測(cè)量每一個(gè)單體電池的交流阻抗（EIS）譜圖。

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

圖 2：一個(gè)典型的電池堆測(cè)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(cè)試（紅/黑線：電流回路連線，綠/藍(lán)線：電壓測(cè)試連線）

圖 2 是用于測(cè)量電池組/堆的典型配置。本例中，3 個(gè) 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(gè)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(cè)量采用恒電流模式進(jìn)行，使用交流振幅為 18A。各個(gè)單體電池使用 PAD4 測(cè)定。

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

每個(gè)單電池的阻抗總和為電池組的阻抗值，但每個(gè)單電池的行為又有所不同。這個(gè)現(xiàn)象通過 PAD4 平行同步測(cè)試可以清楚地看到。此外，可以對(duì)電池組/堆中的每個(gè)元件的性能進(jìn)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(cè)量期間流動(dòng)的電流使單體電池的狀態(tài)改變，每個(gè)單體電池的交流阻抗（EIS）數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生時(shí)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(shí)間無關(guān)交流阻抗（EIS）數(shù)據(jù)集.