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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優勢而在實際應用中變得越來越普遍。鋰離子電池的高能量密度，對于其應用是一個關鍵優勢。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,測試結果表明電池組的行為表現和“單體電池”一樣。另外，在這些條件下的電池組在低頻區表現出明顯的漂移，這種漂移現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，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應用來講是比較低的。同燃料電池技術一樣，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，包括監控 ,平衡電路（經 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 單體電池串聯連接。除了單體電池外，圖中顯示了平衡電路以及機電開關部件。請注意，要構建完整的電池系統，需要幾個圖 1 所述的電池組串聯起來，以達到實現所需的直流電壓，從而構成完整的能量存儲系統。
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，對電池堆內的每個單體電池進行動態的研究。電化學阻抗譜（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應用到實際電池堆的測量是一項具有挑戰性的任務。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據，避免電池堆中不同元件的交流阻抗（EIS）數據的時間延遲因素。
為了達到這些目的，Zahner 開發了兩種硬件技術，來的實現這種操作。種技術是智能電子負載 EL1000，它可以通過一個 IM6/ Zennium 電化學工作站來進行控制。第二中技術是 PAD4 卡，通過 PAD4 可以實現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。正如預期的那樣，在測量期間流動的電流使單體電池的狀態改變，每個單體電池的交流阻抗（EIS）數據會產生時間漂移。此誤差可以通過使用 ZHIT 算法技術來消除，獲得真正與時間無關交流阻抗（EIS）數據集.
