锂离子电池由于其明显的技术优势而在实际应用中变得越来越普遍。锂离子电池的高能量密度,对于其应用是一个关键优势。但是通过单体电池堆积以获得更高的电压也具有一定的难度。
在放电条件下对电池组每个单体电池同时进行
交流阻抗(EIS)测量,测试结果表明电池组的行为表现和“单体电池”一样。另外,在这些条件下的电池组在低频区表现出明显的漂移,这种漂移现象在电池研究过程中需要考虑。
通常来讲,单体电池的电压在 1- 4 伏的范围内,例如电池提供大约 3.3 伏的开路电压。这个电压和功率对于大多数应用来讲是比较低的。同燃料电池技术一样,需要多个单体电池堆积来达到更高的功率。
图 1:磷酸铁锂电池组,包括监控 ,平衡电路(经 R. Gross, BNO-consult, 97337
Dettelbach, Germany 同意使用此图)
常用电池组的典型布置如图 1。在此电池组中,十个 LiPO4 单体电池串联连接。除了单体电池外,图中显示了平衡电路以及机电开关部件。请注意,要构建完整的电池系统,需要几个图 1 所述的电池组串联起来,以达到实现所需的直流电压,从而构成完整的能量存储系统。
电池堆中的每个单体电池的性能具一定的差异,如功率,充电平衡和稳定性等。单体电池的性能损失会使电池堆的总体性能受到影响。为了确定这样的差异,需要在电池堆运行的情况下,对电池堆内的每个单体电池进行动态的研究。电化学阻抗谱(EIS)已被确立为一个这方面研究的有力工具。
把实验室级别电池的阻抗测量技术应用到实际电池堆的测量是一项具有挑战性的任务。除了考虑高功率电池堆的安全之外,还要保证能够同步采集每个单体电池的数据,避免电池堆中不同元件的交流阻抗(EIS)数据的时间延迟因素。
为了达到这些目的,Zahner 开发了两种硬件技术,来的实现这种操作。种技术是智能电子负载 EL1000,它可以通过一个 IM6/ Zennium 电化学工作站来进行控制。第二中技术是 PAD4 卡,通过 PAD4 可以实现真正的平行测量每一个单体电池的交流阻抗(EIS)谱图。
此两种技术可以测试 100V DC 范围电池组/堆, PAD4 单元可以测试电池组/堆中的每个单体电池的交流阻抗(EIS)谱图。另外 EL1000 还可以连接一个额外的第三方电子负载或电源,进一步扩展测试能力。
图 2:一个典型的电池堆测量方案。 一共 400A 电流被第三方电子负载分流 340A,EL1000 分配 60A 的直流偏置叠加上 18A 交流。单体电池阻抗用 PAD4 平行同步测试(红/黑线:电流回路连线,绿/蓝线:电压测试连线)
图 2 是用于测量电池组/堆的典型配置。本例中,3 个 LiFePO 4 电池组的容量为 400Ah,通过串联的方式连接。EL1000 大允许电流为 200 A,所以增加了一个第三方电子负载(EL9080)来分流,以提高电流的能力。400 A 的直流电流分为两部分(如图 2 中所示)。阻抗测量采用恒电流模式进行,使用交流振幅为 18A。各个单体电池使用 PAD4 测定。
图 3:在 400 的 DC 电流下,使用 EL1000/ PAD4 测量的阻抗谱。电池组阻抗谱(上边)和单个电池阻抗谱(底部)为清楚起见,相位曲线省略。
每个单电池的阻抗总和为电池组的阻抗值,但每个单电池的行为又有所不同。这个现象通过 PAD4 平行同步测试可以清楚地看到。此外,可以对电池组/堆中的每个元件的性能进行分析可以找到性能较弱的单体电池。正如预期的那样,在测量期间流动的电流使单体电池的状态改变,每个单体电池的交流阻抗(EIS)数据会产生时间漂移。此误差可以通过使用 ZHIT 算法技术来消除,获得真正与时间无关交流阻抗(EIS)数据集.