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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   點擊次數(shù):1702次
 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.

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